专利名称：开关器件补偿电路的制作方法
技术领域：
本申请讨论的实施例涉及开关器件补偿电路。
背景技术：
近年来，节约能源成为各个领域的重点关注对象，例如电源领域也不例外。更具体地，例如产生了进一步提高开关电源效率的需要。现有技术已经提出了输出效率超过90%的开关电源，但是要进一步提高效率时， 现有技术的现状是趋于极限，这例如是因为电源中使用的开关晶体管(开关器件)所消耗的功率成为了瓶颈。人们认为，由于使用开关晶体管造成瓶颈的原因是称为晶体管导通电阻的寄生电阻成分，特别是处于晶体管电流输入侧端子的成分，以及在晶体管每个端子之间观察到的电容成分。首先，归因于处于晶体管电流输入侧端子的寄生电阻成分的问题当晶体管处于导通状态时发生。也就是说，当晶体管导通，允许电流流经晶体管时，由于晶体管的导通电阻以及根据欧姆定律的电流，该导通电阻导致在晶体管的载流端子之间产生电压。这里，因为晶体管消耗的功率等于流经晶体管的电流与晶体管的载流端子之间产生的电压的乘积，所以该功率不是像开关电源的输出一样可重新获得的功率，而是在晶体管中转换为热量，造成功率损耗。其次，归因于在晶体管每个端子之间观察到的电容成分的问题当在晶体管的导通 /截止操作期间电流和电压突然变化时发生。即，在晶体管的导通/截止操作期间，在晶体管每个端子之间观察到的电容充电和放电。此外，当晶体管的开关操作启动时，电容的充电/放电导致晶体管的电压与电流之间开关操作时间的延迟。电容越大，时间延迟越长。结果，在电流完全变成零之前施加电压，并且在此期间，功率损耗发生，就像在归因于处于晶体管电流输入侧端子的寄生电阻成分的问题的情况中一样。通常，在开关电源中将场效应晶体管(FET)用作开关器件，这种晶体管的典型实例是使用硅材料的金属氧化物半导体(MOS)晶体管。对于这种类型的MOS(金属氧化物半导体(半导体))晶体管，上述功耗已经成为严重的问题。为了降低功率损耗，已经研发了不使用硅、而是使用化合物半导体的晶体管用于开关电源。因为与硅相比，很多化合物半导体具有更大的电子迁移率和更大的互导，所以优点不仅是可以降低导通电阻，而且在晶体管每个端子之间观察到的电容也小。但是，在使用化合物半导体的场效应晶体管的稳态开关操作中电特性会根据环境温度或根据所施加的电流和电压而变化；例如，晶体管的阈值电压会显著变化。更具体地，通常希望用于开关电源的η沟道晶体管的阈值电压为正，但是对于使用化合物半导体的晶体管，根据操作状况或操作环境，阈值电压会迁移到负侧。在晶体管的开关操作期间，这种使用化合物半导体的场效应晶体管的阈值电压在负方向上的迁移发生；据说这种现象在很大程度上取决于从被认为存在于半导体表面、半导体-半导体界面以及半导体-绝缘体界面的电子俘获电平的电子充电/放电，但是目前， 还不能完全理解原因细节，也不能完全控制操作。晶体管阈值电压的变化不仅在化合物半导体晶体管(例如氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT))中发生，而且或多或少在各种其他晶体管(例如传统MOS晶体管)中发生。根据这里描述的任意一个实施例的开关器件补偿电路广泛适用于各种开关器件， 包括化合物半导体晶体管(例如GaN HEMT)和场效应晶体管(例如M0SFET)。此外应当理解，待控制的开关器件并不限于在开关电源中用作开关器件的晶体管，也可包括用于各种其他电子电路的开关器件。在现有技术中已经提出了各种类型的开关电源设备，它们使用场效应开关晶体管，并通过在轻负载周期降低损耗来提高效率。专利文献1 国际公开小册子第WO 2005/078910号
因此，实施例一个方面的目的是提供一种用于降低与开关器件相关联的功耗的开关器件补偿电路。
发明内容
根据实施例的一方面，开关器件补偿电路通过向开关器件的控制端子施加控制脉冲来进行开关控制。开关器件补偿电路包括第一阈值电压变化检测单元、第一控制信号产生单元以及幅度控制单元。第一阈值电压变化检测单元从经由开关器件控制的输出电压检测开关器件的阈值电压变化。第一控制信号产生单元根据第一阈值电压变化检测单元的输出产生第一控制信号。幅度控制单元根据第一控制信号产生单元的输出控制所述控制脉冲的幅度。
图1是方框图，示出开关电源设备的一个实例；图2A、图2B、图2C和图2D是示意图(第一部分)，用于说明在图1的开关电源设备中开关器件的阈值电压怎样变化；图3A、图3B、图3C和图3D是示意图(第二部分)，用于说明在图1的开关电源设备中开关器件的阈值电压怎样变化；图4A、图4B和图4C是示意图，用于说明图1的开关电源设备的操作；图5是方框图，示出采用本实施例的开关器件补偿电路的开关电源设备的一个实例；图6是电路图，示出图5的开关电源设备的具体实例；图7是电路图，具体示出包含在图6的开关电源设备中的可变增益放大器；图8A和图8B是方框图，用于说明图7的可变增益放大器的修改实例；图9A和图9B是示意图，用于说明图6的开关电源设备中的采样单元；图10是电路图，示出图9A的采样单元的一个实例；图11A、图IlB和图IlC是示意图，用于说明图6的开关电源设备的操作；
图12是方框图，示出图5的开关电源设备的修改实例；以及图13是方框图，示出采用图5的开关电源设备的电机设备的一个实例
具体实施例方式在详细描述开关器件补偿电路的实施例之前，先参照图1、图2A至图2D、图3A至图3D以及图4A至图4C描述开关电源设备的一个实例。图1是方框图，示出作为降压开关电源设备的开关电源设备(电源电路)的一个实例。在图1中，标记101是开关晶体管(开关器件)，102是电流检测阻抗器件(阻抗器件)，103是二极管(二极管器件)。此外，标记104是电感器(电感器件)，105是电容器 (平滑电容器件)，106是负载电阻器。另一方面，标记107是分压器，108是基准电源，109是电压/相位补偿器，110是锯齿波信号源，111是比较器和脉冲发生器，112是置位/复位(SR)锁存电路，113是栅极驱动器。此外，标记114是栅极驱动器IC，115是时钟电源，116是输入电源，117是误差放大器。如图1所示，在降压开关电源设备中，提供输入电压Vin的输入电源116的正极端子例如连接到开关晶体管101的漏极，输入电源116的负极端子接地。开关晶体管101的源极连接到阻抗器件102的一端，阻抗器件102的另一端连接到二极管103的阳极以及电感器104的一端。二极管103的阴极接地，而电感器104的另一端连接到电容器105的一端以及提供输出电压Vout的输出电压端子。电容器105的另一端接地，而负载电阻器106连接在输出电压端子与地之间。这里，提供阻抗器件102以检测电流(线圈电流)IL，电流IL经由开关晶体管101 流向电感器104，此外通过检测器124检测阻抗器件102两端产生的电压。分压器107由串联电阻器171、172构成，连接在输出电压(Vout)端子与地之间， 误差放大器117将分压器107的输出电压与基准电源108的电压进行比较，以反馈控制输出电压Vout。误差放大器117通过将加在它正极输入端(同相输入端)的基准电源108的电压与加在它负极输入端(反相输入端)的在分压器107中电阻器171与172之间分出的电压之间的差放大，从而产生输出，并且误差放大器117的输出被提供给电压/相位补偿器109。这里，电路被配置为使得误差放大器117的输出经由电压/相位补偿器109被提供给比较器和脉冲发生器111，但是在替代性构造中，可将电压/相位补偿器109插入与其并联的误差放大器117的负极输入端子与输出端子之间。也就是说，电压/相位补偿器109是用于通过补偿误差放大器117的输出的信号的电压和相位，调节期望的输出电压的时间变化速度的装置，并且可以以多种方式来实施电路。除了电压/相位补偿器109的输出之外，还提供检测器124的输出和锯齿波信号源110的输出作为比较器和脉冲发生器111的输入，检测器124检测阻抗器件102两端产生的电压，锯齿波信号源110产生脉冲波。比较器和脉冲发生器111对各种输入信号进行比较(进行加减运算)并产生指定的脉冲信号。将比较器和脉冲发生器111产生的脉冲信号施加到SR锁存电路112的复位端子(R)。这里，将专用时钟电源115的输出施加到SR锁存电路112的置位端子(S)，以操作SR锁存电路112。结果，SR锁存电路112的Q输出端产生具有适当占空比的脉冲信号， 并且该脉冲信号被提嗯供给栅极驱动器113。栅极驱动器113的输出被提供给开关晶体管101的栅极，以控制开关晶体管101 的漏极与源极之间流动的电流的导通和截止。在图1中，开关晶体管101的源极以及地线连接到栅极驱动器113。这里，当将化合物半导体晶体管(例如GaN HEMT)或场效应晶体管(例如M0SFET) 用作开关晶体管(开关器件)时，晶体管的阈值电压可能根据环境温度或根据所施加的电流和电压而变化。图2A、图2B、图2C和图2D，图3A、图3B、图3C和图3D是示意图，用于说明在图1 的开关电源设备中开关器件的阈值电压怎样变化。图2A至图2D示出阈值电压Vth在正方向上变化的情况，图3A至图3D示出阈值电压Vth在负方向上变化的情况。虽然图2A至图2D以及图3A至图3D都示出对于将η沟道MOS晶体管或GaN HEMT 用作开关器件的情况，阈值电压Vth中的变化，但是应当理解，对于其他类型的开关器件， 根据环境温度或根据施加的电压等等，其阈值电压会以类似的方式变化。首先，参照图2Α至图2D描述开关器件(开关晶体管的阈值电压Vth)在正方向上变化的情况。图2Α示出对于开关晶体管的各种栅极至源极电压Vgs，漏极至源极电压Vds与漏极至源极电流Ids之间的关系(IV特性)；这里，标记LLl表示负载线。图2C示出当开关晶体管的阈值电压是Vth 11时，Vgs与Ids之间的关系，标记CL11 表示此时开关晶体管的特性曲线。标记PAl表示电压幅度为Vpl的控制脉冲，其被施加到开关晶体管的栅极。图2D示出当开关晶体管的阈值电压在正方向上改变AVthl，从图2C的Vthll变为Vthl2时，Vgs与Ids之间的关系，标记CL12表示此时开关晶体管的特性曲线。由图2C与图2D之间的比较明显可见，当阈值电压在正方向上改变AVthl时，通过将其初始特性曲线CLll在正方向上移动AVthl给出变化之后开关晶体管的特性曲线 CL12。如图2D所示，当阈值电压在正方向上改变八竹111，从￥让11变为￥让12时，源极至漏极电流Ids减少Aldsl。此外，如图2B所示，对于每个栅极至源极电压Vgs，源极至漏极电压Vds增加给定量(例如当Vgs = IOV时增加AVdsl)。也就是说，在图1的开关电源设备中，如果在操作期间开关器件的阈值电压Vth例如在正方向上变化，就变得难以通过控制脉冲PAl来将输出电压控制为期望的电压值，并且与开关器件相关联的功率损耗增加。下面参照图3A至图3D描述开关晶体管的阈值电压Vth在负方向上变化的情况。图3B示出对于开关晶体管的各种栅极至源极电压Vgs，漏极至源极电压Vds与漏极至源极电流Ids之间的关系(IV特性)；这里，标记LL2表示负载线。图3D示出当开关晶体管的阈值电压为Vth21 (例如Vth21 = 0V)时Vgs与Ids之间的关系，标记CL21表示开关晶体管此时的特性曲线。标记PA2表示施加到开关晶体管的栅极的电压幅度为Vp2的控制脉冲。图3C示出当开关晶体管的阈值电压在负方向上改变AVth2，从图3D的Vth21变为Vth22时，Vgs与Ids之间的关系，标记CL22表示开关晶体管此时的特性曲线。这里，上文给出以说明阈值电压Vth在正方向上变化的情况的图2A、图2B、图2C 和图2D分别对应于这里给出以说明阈值电压Vth在负方向上变化的情况的图3A、图3B、图 3C和图3D，虽然它们之间用于画图的尺度不同。
由图3D与图3C之间的比较明显可见，当阈值电压在负方向上改变AVth2时，通过将其初始特性曲线CL21在负方向上移动AVth2给出变化之后开关晶体管的特性曲线 CL22。这意味着，例如即使没有向开关晶体管的栅极施加控制脉冲PA2时(即Vgs = 0V)，开关晶体管也导通，并且漏极至源极电流Ids流动(不截止)，如图3A所示。也就是说，在图1的开关电源设备中，如果操作期间开关器件的阈值电压Vth例如在负方向上变化，那么功率损耗增加并且输出效率显著下降。换言之，开关晶体管中的温升会变得过度，最终可能导致开关晶体管损坏。图4A、图4B和图4C是示意图，用于说明图1的开关电源设备的操作，并示出通过以正弦波方式在+5V与-5V之间改变阈值电压Vth获得的仿真结果。图4A示出阈值电压 Vth随时间T的变化，图4B示出在这种情况下漏极至源极电流Ids随时间T的变化，图4C 示出输出电压Vout随时间T的变化。如图4A至图4C所示，当阈值电压Vth如图4A所示变化时，漏极至源极电流Ids 如图4B所示变化，输出电压Vout如图4C所示变化。也就是说，当开关器件的阈值电压Vth在正方向上变化时，不可能通过具有恒定电压幅度(Vpl)的控制脉冲PAl来导通开关器件，从而导致这样的情况不可能流通电流 Ids0当开关器件的阈值电压Vth在负方向上变化时，通过具有恒定电压幅度(Vp2)的控制脉冲PA2，开关器件总是导通，从而导致这样的情况电流Ids持续流动。通过这种方式，当开关器件的阈值电压Vth在正方向或负方向上变化时，不可能将输出电压Vout保持在期望的电压(例如大约40V)，并且输出电压Vout变化显著，超过 100%。此外，由于开关器件所致的功率损耗增加，并且有可能引起开关器件损坏。下面参照附图详细描述开关器件补偿电路的实施例。图5是方框图，示出作为降压开关电源设备的开关电源设备(电源电路)的一个实例，它采用本实施例的开关器件补偿电路。在图5中，标记1是开关晶体管(开关器件)，2是电流检测阻抗器件(阻抗器件)， 3是二极管(二极管器件)。标记4是电感器(电感器件)，5是电容器(平滑电容器件)， 6是负载电阻器，7是分压器。此外，标记8是基准电源(第一基准电源)，9是电压/相位补偿器(第一电压/ 相位补偿器)，10是锯齿波信号源(第一锯齿波信号源)，11是比较器和脉冲发生器(第一比较器和脉冲发生器)，16是输入电源。标记17是误差放大器(第一误差放大器)，18是滤波器(第一滤波器)，19是缓冲放大器(第一缓冲放大器)，20是转换器(第一转换器)，21是可变增益放大器，22是基准电源(第二基准电源)，24是检测器。此外，标记23是锯齿波信号源(第二锯齿波信号源)，25是采样单元，26是误差放大器(第二误差放大器)，27是比较器和脉冲发生器(第二比较器和脉冲发生器)，28是开关，29是DC电压电平电源。由图5与之前给出的图1之间的比较明显可见，图5的降压开关电源设备与图1的电源设备区别在于包括用于补偿要提供给开关晶体管1的栅极的控制脉冲的幅度的电路。如图5所示，在降压开关电源设备中，提供输入电压Vin的输入电源16的正极端子例如连接到开关晶体管1的漏极，输入电源16的负极端子接地。开关晶体管1的源极连接到阻抗器件2的一端，阻抗器件2的另一端连接到二极管3的阳极以及电感器4的一端。二极管3的阴极接地，而电感器4的另一端连接到电容器5的一端以及提供输出电压Vout的输出电压端子。电容器5的另一端接地，负载电阻器6连接在输出电压端子与地之间。这里，为了在开关电源设备中实现同步整流，可以用开关操作可控的晶体管代替二极管(二极管器件)3。设置阻抗器件2以检测经由开关晶体管1流向电感器4的电流(线圈电流)IL，通过检测器24来检测阻抗器件2两端产生的电压。由串联连接的电阻器71和72构成的分压器7连接在输出电压(Vout)端子与地之间，误差放大器17将分压器7的输出电压与基准电源8的电压进行比较，以反馈控制输出电压Vout。误差放大器17通过将加在它正极输入端(同相输入端)的基准电源8的电压与加在它负极输入端(反相输入端)的在分压器7中电阻器71与72之间分出的电压之间的差放大，产生输出，并且误差放大器17的输出被提供给电压/相位补偿器9。这里，电路被配置为使得误差放大器17的输出经由电压/相位补偿器9被提供给比较器和脉冲发生器111和滤波器18这两者，但是在替代性构造中，可将电压/相位补偿器9插入与其并联的误差放大器17的负极输入端子与输出端子之间。也就是说，电压/相位补偿器9是用于通过补偿误差放大器17输出的信号的电压和相位，调节期望的输出电压的时间变化速度的装置，并且可以以各种方式来实施电路。更具体地，除了将电压/相位补偿器9插入误差放大器17的输出端之外，各种其他实施方式也可以；例如，可将其插入与其并联的误差放大器17的负极输入端子与输出端子之间，或者，可将其插入地线与误差放大器17的负极输入端子之间。电压/相位补偿器9的输出被提供给滤波器18以及比较器和脉冲发生器11的一个输入端，比较器和脉冲发生器11的另一个输入端连接到产生脉冲波的锯齿波信号源10 的输出端。比较器和脉冲发生器11的输出被提供给可变增益放大器21，另一方面，通过电压 /相位补偿器9和滤波器18的误差放大器17的输出被缓冲放大器19放大，然后经由转换器20被提供给可变增益放大器21。这里，滤波器18、缓冲放大器19和转换器20 —起对应于产生第一控制信号的第一控制信号产生单元，第一控制信号用于调节要经由可变增益放大器21提供给开关晶体管1 的栅极的控制脉冲的幅度。根据从 关电源设备的输出电压Vout检测的开关晶体管1的阈值电压中的变化， 第一控制信号产生单元产生第一控制信号，用于调节要提供给开关晶体管1的栅极的控制脉冲的幅度。这意味着，例如通过第一控制信号产生单元(转换器20)的输出调节提供给可变增益放大器21的比较器和脉冲发生器11的输出的幅度(要提供给开关晶体管1的栅极的控制脉冲的幅度)。另一方面，通过检测器24检测的、在阻抗器件2两端产生的电压被提供给采样单元25 (后述)，而采样单元25的输出被施加到误差放大器26的正极输入端子。误差放大器26将与施加到它负极输入端子的基准电源22的输出与提供给它正极输入端子的采样单元25的输出之间的差相对应的差电压放大，并将差电压提供给比较器和脉冲发生器27。比较器和脉冲发生器27也被供以锯齿波信号源23的输出，并且比较器和脉冲发生器27的输出被用于控制连接到DC电压电平电源29的开关28的开合。这里，基准电源22、锯齿波信号源23、误差放大器26以及比较器和脉冲发生器27
一起对应于第二控制信号产生单元。第二控制信号产生单元根据从流经开关晶体管1的电流(在阻抗器件2两端产生的电压)检测的开关晶体管1的阈值电压的变化产生第二控制信号。第二控制信号用于调节要提供给开关晶体管1的栅极的控制脉冲的幅度。更具体地，根据第二控制信号产生单元的输出(比较器和脉冲发生器27的输出)， 通过控制开关28来调节要施加到可变增益放大器21的DC电压电平(用于要提供给开关晶体管1的栅极的控制脉冲的偏移电压)。本实施例的开关器件补偿电路并不限于应用于降压开关电源设备中使用的开关晶体管，而是广泛适用于使用阈值电压会变化的开关器件的各种电路。晶体管的阈值电压变化(改变)意味着或者(1)在驱动晶体管的栅极电压下期望的电流不流动；或者(2)在栅极的导通/截止操作过程中流经晶体管的电流(Ids)不变成零。首先，当晶体管(开关晶体管1)的阈值电压从初始状态在正方向上移动时，在很多情况下发生上述情况(1)。为了校正这种情况，例如只需要在正方向上移动晶体管的DC 栅极电压，以增加要施加到晶体管栅极的脉冲电压(控制脉冲的幅度)。第一控制信号产生单元实现这一点；也就是说，通过使输出通过滤波器18、缓冲放大器19和转换器20，从误差放大器17 (电压/相位补偿器9)的输出产生第一控制信号， 并且该第一控制信号被提供给可变增益放大器21的增益调节端子。这里，开关电源设备的输出电压Vout被分压器7分压，分压后的电压被提供给误差放大器17，在那里与基准电源8的输出电压进行比较。在这种情况下，如果输出电压Vout不等于期望电压，则误差放大器17的输出电压不变成零，而是产生一定电平的输出电压。误差放大器17的这种输出电压电平不与阈值电压Vth成比例。
因此，设置转换器20，以将误差放大器17的输出电压电平转换为适当的值，并且转换器20的输出被用于控制可变增益放大器21的增益，从而控制要提供给开关晶体管1 的控制脉冲的幅度。因此，开关晶体管1被控制为使得流经开关晶体管1的电流Ids保持在适当的值。
通过这种方式，根据开关电源设备的输出电压Vout，第一控制信号产生单元产生第一控制信号，用于调节要提供给开关晶体管1的栅极的控制脉冲的幅度。当然，除了通过转换器20控制可变增益放大器21的增益之外，还可以通过改变要提供给开关晶体管ι的栅极的控制脉冲的DC电压电平来调节偏移电压。其次，当晶体管(开关晶体管1)的阈值电压从初始状态在负方向上移动时，在很多情况下发生上述情况(2)。为了校正这种情况，例如只需要在负方向上移动晶体管的DC 栅极电压，使得当施加到晶体管的栅极的脉冲电压为OV时没有任何DC电流流动。也就是说，当提供给晶体管的栅极的控制脉冲的电压为OV时，监测晶体管的漏极电流Ids的DC分量，并进行控制使得电流一直保持为零。第二控制信号产生单元实现这一点；也就是说，通过误差放大器26进行比较，以观察采样单元25输出的信号是否等于期望的信号电平(基准电源的输出电压)，并且将误差放大器26的输出提供给比较器和脉冲发生器27。比较器和脉冲发生器27从误差放大器26的输出以及锯齿波信号源23的输出产生第二控制信号，并通过第二控制信号控制开关28的开合。这里，开关28用于控制要提供给可变增益放大器21的DC电压的电平，并选择DC 电压电平电源29两端的一个电压或另一个电压，将选择的电压提供给可变增益放大器21。检测器24检测阻抗器件2两端产生的电压，通过采样单元25提取检测器24输出的信号的DC分量(保底值)。通过这种方式，第二控制信号产生单元产生第二控制信号，用于根据阻抗器件2 两端产生的电压，即流经晶体管1的电流Ids，调节要提供给开关晶体管1的栅极的DC电压电平。图6是电路图，示出图5的开关电源设备的具体实例；这里，以具体电路的形式分别描述电压/相位补偿器9、滤波器18、转换器20、可变增益放大器21等。在图6的电路中，电压/相位补偿器9并非置于误差放大器17后面，而是插入在误差放大器17的负极输入端子与输出端子之间。如图6所示，电压/相位补偿器9包括电阻器91与电容器92的串联以及电容器 93，它们都插入在误差放大器17的负极输入端子与输出端子之间。电压/相位补偿器9调节期望输出电压的时间变化速度，从而控制开关电源设备，使得设备的整体操作不会变得不稳定。电压/相位补偿器9可以以各种方式实现；例如，可将其放置在误差放大器17的输出端与比较器和脉冲发生器11的输入端之间，如图5所示，或者，可将其插入在地线与误差放大器17的负极输入端子之间。滤波器18包括电感器181和电容器182，并具有使得误差放大器17的输出信号接近DC值的功能。滤波器18的输出端连接到缓冲放大器19的负极输入端(缓冲放大器 19的正极输入端接地)，通过缓冲放大器19如此调节的滤波器18的输出电平被提供给转换器20。例如可将转换器20构造为使用场效应晶体管的电压转换电路，并包括放大器 201、晶体管202和电阻器203。转换器20将经由滤波器18和缓冲放大器19提供的误差放大器17的输出转换为适当的电压或电压函数，并将这样转换的输出提供给可变增益放大器21的增益调节端子。可变增益放大器21包括电阻器R1、R2、R3和R4以及放大器210。电阻器R3是可变电阻器，其电阻值由转换器20 (第一控制信号产生单元)的输出控制，从而调节比较器和脉冲发生器11的输出的幅度，也就是要提供给开关晶体管1的栅极的控制脉冲的幅度。连接到可变增益放大器 21的是比较器和脉冲发生器11的输出端子、DC电压电平电源29的负电势端子以及开关28的开关端子，开关28的开关端子选择DC电压电平电源 29的正电势端子或负电势端子进行连接。这里，DC电压电平电源29的负电势端子连接到开关晶体管1的源极，因此DC电压电平电源29的电压与开关晶体管1的源极电压Vs电势相同。此外，在比较器和脉冲发生器27的输出的控制下，开关28选择DC电压电平电源 29的负电势(开关晶体管1的源极电压Vs)或正电势，选择的DC电压电平被提供给可变增益放大器21。开关28的开关端子经由电阻器R4连接到放大器210的正极输入端，放大器210 的输出端连接到开关晶体管1的栅极。电阻器R2连接在放大器210的负极输入端子与输出端子之间，在比较器和脉冲发生器11的输出的控制下，电阻器R3的电阻值可变；类似地，在转换器20 (放大器201)的输出的控制下，电阻器R4的电阻值可变。这里，通过受比较器和脉冲发生器27的输出(来自第二控制信号产生单元的第二控制信号)控制的开关28，通过改变要提供给开关晶体管1的栅极的控制脉冲的DC电压电平来调节偏移电压。如下文参照图7所述，也可以通过第二控制信号产生单元的输出(第二控制信号)，控制作为可变电阻器的电阻器R4的电阻值来调节偏移电压。图7是电路图，具体示出包含在图6的开关电源设备中的可变增益放大器。如图7 所示，可变增益放大器21包括电阻器Rl、R2、R3和R4以及放大器210，电阻器R3和R4是可变电阻器。这里，经由端子215提供给放大器210的正极输入端子的信号(即比较器和脉冲发生器11的输出信号)的幅度例如是根据可变电阻器R3的电阻值来调节，可变电阻器R3 的电阻值受经由端子214提供的转换器20(第一控制信号产生单元)的输出控制。通过这种方式，调节经由端子211输出并提供给开关晶体管1的栅极的控制脉冲的幅度。另一方面，经由端子213施加的DC电压电平例如是根据可变电阻器R4的电阻值来调节，可变电阻器R4的电阻值受比较器和脉冲发生器27(第二控制信号产生单元)的输出控制。通过这种方式，调节经由端子211输出并提供给开关晶体管1的栅极的控制脉冲的偏移电压。可变增益放大器21的具体电路构造及其控制方法可以以多种方式修改；例如，在前面参照图6所述的实例中，通过开关28直接控制经由端子2 13提供的DC电压电平。在图6的实例中，将开关晶体管1的源极电压Vs提供给端子216。图8A和图8B是方框图，用于说明图7的可变增益放大器的修改实例。如上所述， 可变增益放大器21配置为能够同时调节要提供给开关晶体管1的栅极的控制脉冲的幅度 (增益)以及其偏移电压(DC电压电平)这两者。
但是，可以利用独立的电路模块实现这些功能，如图8A和图8B所示。这里，标记 21a是用于调节控制脉冲的幅度的可变增益放大器模块，21b是用于调节控制脉冲的偏移电压的DC电压电平校正模块(电平改变电路)。也就是说，如图8A所示，输入信号Sin例如首先可通过根据控制信号CSa调节增益的可变增益放大器模块21a，然后通过根据控制信号CSb调节DC电压电平的DC电压电平校正模块21b。或者如图8B所示，输入信号Sin例如首先可通过根据控制信号CSb调节DC电压电平的DC电压电平校正模块21b，然后通过根据控制信号CSa调节增益的可变增益放大器模块21a。也就是说，通过利用相同或独立的电路模块，可以同时或独立地按照任何顺序调节要提供给开关晶体管1的栅极的控制脉冲的幅度(增益)以及其偏移电压(DC电压电平)。图9A和图9B是示意图，用于说明图6的开关电源设备中的采样单元；图9A是采样单元的方框图，图9B是用于说明采样单元的操作的示意图。如图9A所示，采样单元25包括AC分量提取单元51、整流单元52、电压平滑单元 53、加法器54和55以及电压平均单元56。AC分量提取单元51从输入信号Sl (即检测器24的输出信号)提取AC分量，并将其提供给整流单元52以及加法器55的负极输入端。整流单元52将通过AC分量提取单元 51提取的AC分量整流，并将其输出提供给电压平滑单元53。加法器55从输入信号Sl的DC分量中减去通过AC分量提取单元51提取的AC分量，并将结果提供给电压平均单元56。加法器54从电压平均单元56的输出中减去电压平滑单元53的输出，并输出信号S2。也就是说，如图9B所示，采样单元25充当谷值保持电路，谷值保持电路保持与AC 输入信号Sl的最小值(谷值)Pv相对应的电压Vv，偏移电压叠加在AC输入信号Sl上。在图9B中，标记Pp表示输入信号Sl的最大值(峰值)。图10是电路图，示出图9A的采样单元的一个实例。如图10所示，采样单元25包括电容器251、255和259、缓冲放大器252和257、二极管253、电阻器254、电感器258以及缓冲差分放大器256。由图10与图9A之间的比较明显可见，AC分量提取单元51对应于电容器251和缓冲放大器252，整流单元52对应于二极管253，电压平滑单元53对应于电阻器254和电容器255。此外，加法器54对应于缓冲差分放大器256，加法器55对应于缓冲放大器257，电压平均单元56对应于电感器258和电容器258。因此，图9A的采样单元25可利用图10所示的电路来实现。更具体地，首先将输入信号Sl分为其AC分量和DC分量，并经由电容器251将AC分量提供给缓冲放大器252的正极输入端子。缓冲放大器252的负极输入端子连接到其输出端子。输入信号Sl的DC分量被提供给缓冲放大器257的正极输入端子，而缓冲放大器 252的输出信号被提供给缓冲放大器257的负极输入端子。缓冲放大器257的输出信号经由电感器258被提供给缓冲差分放大器256的正极输入端子。电容 器259设置在地线与缓冲差分放大器256的正极输入端子之间，通过电感器 258和电容器259形成的低通滤波器平均的电压被提供给缓冲差分放大器256的正极输入端子。另一方面，缓冲放大器252的输出信号通过二极管253整流(半波整流)并提供给缓冲差分放大器256的负极输入端子。电阻器254和电容器255设置在地线与缓冲差分放大器256的负极输入端子之间，因此通过二极管253整流的信号在提供给缓冲差分放大器256的负极输入端子之前被平滑。这里，二极管253检测AC输入信号的谷值(峰值)电压，该谷值电压在提供给缓冲差分放大器256的负极输入端子之前被平滑。缓冲差分放大器256在其正极端子接收通过电感器258和电容器259形成的低通滤波器平均的缓冲放大器257的输出信号，并将平均的电压信号与其负极输入端子接收的平滑的谷值电压信号之间的差放大。因此，缓冲差分放大器256输出的信号S2表示已经去除了 AC分量的输入信号Sl 的最小DC信号分量(谷值保持电压)。图11A、图IlB和图IlC是示意图，用于说明图6的开关电源设备的操作，并示出通过以正弦波方式在+5V与-5V之间改变阈值电压Vth获得的仿真结果。图IlA示出阈值电压Vth随时间T的变化，图IlB示出在这种情况下漏极至源极电流Ids随时间T的变化，图 IlC示出输出电压Vout随时间T的变化。如图IlA至图IlC所示，当阈值电压Vth如图IlA所示变化时，漏极至源极电流 Ids如图IlB所示变化，输出电压Vout如图IlC所示变化。也就是说，不管开关器件的阈值电压Vth是在正方向还是在负方向上变化，都将电压幅度基本上恒定的控制脉冲提供给开关器件，如图IlB所示，因此将输出电压Vout保持在期望电压(大约40V)。更具体地，如图IlC所示，例如当输出电压为39. 8V时，即使阈值电压Vth如图IlA 所示变化，也可以将输出电压Vout的变化保持在大约5 %以内。这意味着与开关器件相关联的功率小，例如使得能够进一步提高开关电源设备的效率。图12是方框图，示出图5的开关电源设备的修改实例。如同由图12与图5的比较明显可见，修改实例中的第二控制信号产生单元在构造上与第一控制信号产生单元相同。也就是说，第二控制信号产生单元用于调节要提供给开关晶体管1的栅极的控制脉冲的偏移电压，它包括滤波器31、缓冲放大器32和转换器33。在修改实例中，如同图5的实施例，第一控制信号产生单元用于调节要提供给开关晶体管1的栅极的控制脉冲的幅度，它包括滤波器18、缓冲放大器19和转换器20。更具体地，采样单元25的输出被提供给电压/相位补偿器30，电压/相位补偿器30的输出被提供给滤波器31，电压/相位补偿器30调节电流的时间变化速度，在滤波器31 从所述输出消除高频分量。应当理解，可以以各种方式修改电压/相位补偿器30，就像在前述的电压/相位补偿器9的情况中一样，并且电压/相位补偿器30并不限于插入在采样单元25与滤波器31 之间的电压/相位补偿器30。滤波器31的输出被提供给缓冲放大器32，而缓冲放大器32的输出经由转换器 33提供给可变增益放大器21，转换器33用于将该输出转换为任何适当的输出(指定的电平)。更具体地，例如将缓冲放大器32的输出转换为使得流经开关晶体管1的DC分量变为零的输出之后，转换器33将缓冲放大器32的输出提供给可变增益放大器21。这使得可以适当地设置开关晶体管1的DC栅极电压，例如即使当开关晶体管1的阈值电压在正方向上移动时。在修改实例的第二控制信号产生单元中，已经通过电压/相位补偿器30补偿从采样单元25输出的信号的电压和相位以后，使输出通过滤波器31并由缓冲放大器32放大， 然后缓冲放大器32的输出被转换器33转换为指定信号(第二控制信号)以供输出。这里，例如将转换器33的输出信号提供给图7中的端子212，以控制可变电阻器 R4的电阻值，从而调节施加到可变增益放大器21的DC电压电平。通过这种方式，调节要提供给开关晶体管1的栅极的控制脉冲的偏移电压。另一方面，例如将转换器20的输出信号提供给图7中的端子214，以控制可变电阻器R3的电阻值，从而调节比较器和脉冲发生器11的输出信号的幅度。通过这种方式，调节要提供给开关晶体管1的栅极的控制脉冲的幅度。虽然已经将以上实施例和修改实例描述为包括第一控制信号产生单元和第二控制信号产生单元这两者，但是如果省略它们中的一个或另一个，也可以实现降低与开关晶体管1相关联的功率损耗的效果。也就是说，通过仅调节要提供给开关晶体管1的栅极的控制脉冲的偏移电压或幅度，可以实现降低功率损耗。换言之，如果从开关器件补偿电路中省略第一控制信号产生单元和第二控制信号产生单元中的一个或另一个，也可以降低与开关晶体管1相关联的功率损耗。图13是方框图，示出采用图5的开关电源设备的电机设备的一个实例；这里，将 DC电机300设置为负载电阻器6，并通过开关电源设备的输出电压驱动DC电机300。如图13所示，上文所述的开关器件补偿电路例如也适用于驱动DC电机300的电机设备。此外，这里所述的每个实施例的开关器件补偿电路都广泛适用于用于公知电机变频器的开关器件补偿电路等，所述电机变频器能够按照需要改变AC电机(例如三相电机) 的转数或转矩。此外如上所述，这里所述的每个实施例的开关器件补偿电路都普遍适用于包括化合物半导体晶体管(例如GaN HEMT)和场效应晶体管(例如M0SFET)的各种开关器件。这里引用的所有实例和条件性语言都是为了教导的目的，以帮助读者理解本发明和发明人为了促进现有技术而贡献的概念，并且应当解释为不限制这些特别引用的实例和条件，在说明书中这些实例的组织也不涉及显示本发明的先进和落后。虽然已经详细描述了本发明的实施例，但是应当理解，可以做出不脱离 本发明精神和范围的各种改变、替代和变化。
权利要求
1.一种开关器件补偿电路，通过向开关器件的控制端子施加控制脉冲来进行开关控制，所述开关器件补偿电路包括第一阈值电压变化检测单元，配置为从经由所述开关器件控制的输出电压检测所述开关器件的阈值电压的变化；第一控制信号产生单元，配置为根据所述第一阈值电压变化检测单元的输出产生第一控制信号；以及幅度控制单元，配置为根据所述第一控制信号产生单元的输出控制所述控制脉冲的幅度。
2.如权利要求1所述的开关器件补偿电路，其中所述幅度控制单元包括可变增益放大器，所述可变增益放大器配置为根据所述第一控制信号，控制要施加到所述开关器件的控制端子的控制脉冲的幅度。
3.如权利要求2所述的开关器件补偿电路，其中所述第一控制信号产生单元包括第一滤波器，配置为对所述第一阈值电压变化检测单元的输出进行滤波； 第一缓冲放大器，配置为对所述第一滤波器的输出进行缓冲和放大；以及第一转换器，配置为通过转换所述第一缓冲放大器的输出，输出所述第一控制信号，以及其中通过从所述第一转换器提供的所述第一控制信号，调节所述可变增益放大器中的增■、Λfrff. ο
4.如权利要求1至3中任一项所述的开关器件补偿电路，其中所述第一阈值电压变化检测单元包括第一误差放大器，所述第一误差放大器配置为将通过对所述输出电压进行分压获得的电压与从第一基准电源提供的电压进行比较。
5.一种开关器件补偿电路，通过向开关器件的控制端子施加控制脉冲来进行开关控制，所述开关器件补偿电路包括第二阈值电压变化检测单元，配置为从流经所述开关器件的电流检测所述开关器件的阈值电压的变化；第二控制信号产生单元，配置为根据所述第二阈值电压变化检测单元的输出产生第二控制信号；以及偏移电压控制单元，配置为根据所述第二控制信号产生单元的输出控制所述控制脉冲的偏移电压。
6.如权利要求5所述的开关器件补偿电路，其中所述偏移电压控制单元包括可变增益放大器，所述可变增益放大器配置为根据所述第二控制信号，控制要提供给所述开关器件的控制端子的控制脉冲的偏移电压。
7.如权利要求6所述的开关器件补偿电路，其中所述第二控制信号产生单元包括第二误差放大器，配置为将从所述第二阈值电压变化检测单元输出的电压与从第二基准电源提供的电压进行比较；以及第二比较器和脉冲发生器，配置为根据所述第二误差放大器的输出，输出指定脉冲的第二控制信号，以及其中通过所述第二比较器和脉冲发生器提供的所述第二控制信号，调节要施加到所述可变增益放大器的DC电压电平。
8.如权利要求7所述的开关器件补偿电路，其中所述偏移电压控制单元还包括一开关，该开关的开合由从所述第二比较器和脉冲发生器提供的所述第二控制信号控制，并且所述开关向所述可变增益放大器施加一不同电平的 DC电压。
9.如权利要求 6所述的开关器件补偿电路，其中所述第二控制信号产生单元包括第二滤波器，配置为对所述第二阈值电压变化检测单元的输出进行滤波； 第二缓冲放大器，配置为对所述第二滤波器的输出进行缓冲和放大；以及第二转换器，配置为通过转换所述第二缓冲放大器的输出，输出所述第二控制信号，以及其中通过从所述第二转换器提供的所述第二控制信号，调节所述可变增益放大器中的DC 电压电平。
10.如权利要求5至9中任一项所述的开关器件补偿电路，其中所述第二阈值电压变化检测单元包括阻抗器件，串联连接到所述开关器件； 检测器，配置为检测所述阻抗器件两端产生的电压；以及采样单元，配置为对所述检测器的输出信号进行采样，并保持和输出从所述检测器的输出信号检测的谷值电压。
11.一种开关器件补偿电路，通过向开关器件的控制端子施加控制脉冲来进行开关控制，所述开关器件补偿电路包括第一阈值电压变化检测单元，配置为根据经由所述开关器件控制的输出电压，检测所述开关器件的阈值电压的变化；第一控制信号产生单元，配置为根据所述第一阈值电压变化检测单元的输出产生第一控制信号；以及幅度控制单元，配置为根据所述第一控制信号产生单元的输出控制所述控制脉冲的幅度；第二阈值电压变化检测单元，配置为从流经所述开关器件的电流检测所述开关器件的阈值电压的变化；第二控制信号产生单元，配置为根据所述第二阈值电压变化检测单元的输出产生第二控制信号；以及偏移电压控制单元，配置为根据所述第二控制信号产生单元的输出控制所述控制脉冲的偏移电压。
12.一种电源电路，包括如权利要求1至3、5至9、以及11中任一项所述的开关器件补偿电路，其中所述开关器件，其一端连接到输入电源；电感器件，其一端连接到所述开关器件的另一端；以及平滑电容器件，连接到所述电感器件的另一端。
13.如权利要求12所述的电源电路，其中所述电源电路还包括二极管器件，所述二极管器件连接到所述开关器件的所述另一端与所述电感器件的所述一端之间的连接节点。
14.一种采样电路，包括AC分量提取单元，配置为从输入信号提取AC信号的幅度分量； 第一加法器，配置为从所述输入信号中减去所述AC分量提取单元的输出； 平均单元，配置为对所述第一加法器的输出进行平均； 整流单元，配置为对所述AC分量提取单元的输出进行整流； 平滑单元，配置为对所述整流单元的输出进行平滑；以及第二加法器，配置为从所述平均单元的输出中减去所述平滑单元的输出，并输出保底值。
15.如权利要求10所述的开关器件补偿电路，其中所述采样单元包括采样电路，所述采样电路包括AC分量提取单元，配置为从输入信号提取AC信号的幅度分量； 第一加法器，配置为从所述输入信号中减去所述AC分量提取单元的输出； 平均单元，配置为对所述第一加法器的输出进行平均； 整流单元，配置为对所述AC分量提取单元的输出进行整流； 平滑单元，配置为对所述整流单元的输出进行平滑；以及第二加法器，配置为从所述平均单元的输出中减去所述平滑单元的输出，并输出保底值。
全文摘要
一种开关器件补偿电路，通过向开关器件的控制端子施加控制脉冲来进行开关控制。开关器件补偿电路包括第一阈值电压变化检测单元、第一控制信号产生单元和幅度控制单元。第一阈值电压变化检测单元从经由开关器件控制的输出电压检测开关器件的阈值电压的变化。第一控制信号产生单元根据第一阈值电压变化检测单元的输出产生第一控制信号。幅度控制单元根据第一控制信号产生单元的输出控制所述控制脉冲的幅度。
文档编号H02M3/156GK102386768SQ20111013229
公开日2012年3月21日 申请日期2011年5月12日 优先权日2010年8月30日
发明者广濑达哉 申请人:富士通株式会社