用于開關電容轉換器的高效率柵極驅動器的制造方法
【專利說明】用于開關電容轉換器的高效率柵極驅動器
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2013年3月15日提交的美國申請第13/837，796號的優先權日的權益，其內容由此以引用的方式全部并入本文。
技術領域
[0003]本發明涉及開關電容轉換器，并且更加具體地涉及用于這樣的轉換器的高效率柵極驅動器。
【背景技術】
[0004]切換模式功率轉換器是一種特定類型的功率轉換器，其通過使用切換網絡將儲能元件(即，電感器和電容器)切換為不同電氣配置而產生輸出電壓。開關電容轉換器是主要利用電容器來傳輸能量的一類切換模式功率轉換器。在這樣的轉換器中，電容器和切換器的數量隨著轉換增益的增加而增加。
[0005]如本文使用的，如果開關電容功率轉換器產生大于輸入電壓的輸出電壓，那么轉換增益代表電壓增益，或者，如果開關電容功率轉換器產生小于輸入電壓的輸出電壓，那么轉換增益代表電流增益。
[0006]圖1和圖2示出了開關電容功率轉換器的兩個示例，其接收來自電壓源16的輸入電壓VI，并且向負載18提供輸出電壓V0。這兩個示例也都稱為級聯倍增器。注意，在圖2中，在圖1中的電路的多個開關器件被一系列多個器件替代，從而減少跨在電路中的分別的器件的最大電壓。
[0007]在正常操作中，當栗電容器C1-C3正在被連續地充電和放電時，沿著二極管連接式NM0S晶體管M0-M5的鏈路栗送電荷包。如圖1和圖2所示，相電壓VP1、VP2是一百八十度異相的。NM0S晶體管M0-M5中的每一個是二極管連接的，從而僅僅允許增壓操作(即，V0大于VI)。另外，效率被嚴重地影響，這是因為在正常操作期間跨晶體管M0-M5中的每一個的電壓量明顯降低。因此，期望在其歐姆區中操作NM0S晶體管M0-M5，但是由于驅動晶體管M0-M5的困難性和/或復雜性，所以典型地使用PM0S晶體管和高壓晶體管兩者的組合。
[0008]如果在開關電容功率轉換器中的晶體管集成在單個襯底上，那么可以期望使用盡可能少的不同的類型的器件。對于給定的半導體工藝，成本與掩膜層的數量有關。隨著在半導體工藝中的不同類型的器件的數量的增加，掩膜層的數量也增加，因此成本也增加。
[0009]此外，眾所周知，在硅中電子具有比空穴更高的迀移率。結果，帶有給定導通電阻的NM0S器件具有比帶有相同導通電阻的PM0S器件更小的柵極電容。也是真實的是，帶有給定柵極電容的NM0S器件具有比帶有相同柵極電容的PM0S器件更小的導通電阻。在功率轉換器中，因此，理想的是用NM0S器件替代在主功率路徑中的盡可能多的PM0S器件并且用低壓器件替代盡可能多的高壓器件。
【發明內容】
[0010]在一個方面中，在通常情況下，開關電容功率轉換器具有:第一端子，該第一端子用于在基本高壓(例如，20v)下耦合至第一外部電路；以及第二端子，該第二端子用于在量級上低于高壓的基本低壓(例如，5v)下耦合至第二外部電路。第一多個有源半導體開關元件配置為在連續狀態下將電容器彼此電互連以及/或者電互連至第一端子或者第二端子。開關元件配置為通過一系列多個開關元件將至少一些電容器彼此互連。多個開關元件耦合至并且用于由開關驅動電路中的一個的驅動輸出部控制。每個驅動電路具有控制輸入部、功率連接部、和驅動輸出部，該驅動輸出部耦合至并且用于開關元件中的一個或者多個的控制。至少一些開關驅動電路配置為被經由驅動電路的功率連接部從電容器中的一個或者多個供電，從而使得跨驅動電路的功率連接部的電壓基本小于高壓。
[0011]在另一個方面中，在通常情況下，開關電容功率轉換器具有:第一端子，該第一端子用于在基本高壓下耦合至第一外部電路；以及第二端子，該第二端子用于在量級上低于高壓的基本低壓下耦合至第二外部電路。多個有源半導體開關元件配置為在連續狀態下將電容器彼此電互連以及電互連至第一端子或者第二端子。開關元件和電容器配置為在第一端子與第二端子之間形成多重的分別的電荷轉移路徑。多個開關驅動電路耦合至并且用于由開關驅動電路中的一個的驅動輸出部控制，每個驅動電路具有控制輸入部、功率連接部、和驅動輸出部，該驅動輸出部耦合至并且用于開關元件中的一個或者多個的控制。至少一些開關驅動電路配置為被經由驅動電路的功率連接部從電容器中的一個或者多個供電，從而使得跨驅動電路的功率連接部的電壓基本小于高壓。控制分別的電荷轉移路徑中的一個的開關元件的開關驅動電路中的至少一些被從一個或者多個其他電荷轉移路徑的電容器供電。
[0012]各個方面可以包括一個或者多個以下特征。
[0013]開關電容功率轉換器還包括多個電容器，該多個電容器耦合至所述第一多個開關元件并且經過所述半導體切換器可控地耦合，或者包括多個端子，該多個端子耦合至第一多個開關元件以連接至電容器。
[0014]轉換器配置為向驅動電路中的至少一些提供相對于低壓的時變電壓。
[0015]每個開關元件具有低于高壓的最大額定電壓。
[0016]—系列開關元件中的每一個包括N個元件，N>1，并且其中，開關元件的最大額定電壓不大于低壓的2/N倍。
[0017]跨驅動電路的功率連接部的電壓配置為被以小于或實質上等于二倍低壓從電容器驅動。
[0018]在一系列多個開關元件中的每一個開關元件由對應的驅動電路驅動，所述驅動電路中的每一個配置為被經過驅動電路的功率連接部從在操作中具有不同的電壓的所述多個電容器的不同的電容器供電。
[0019]開關元件和電容器配置為在第一端子與第二端子之間形成多重的分別的電荷轉移路徑，并且其中，控制分別的電荷轉移路徑中的一個電荷轉移路徑的開關元件的開關驅動電路中的至少一些被從一個或者多個其他電荷轉移路徑的電容器供電。
[0020]開關電容功率轉換器還包括相移發生器，該相移發生器包括第二多個開關元件。相移發生器配置為向多個電容器中的每一個的一個端子提供時變電壓電平，并且配置為使用來自在其他電荷轉移路徑中的電容器的電壓發生用于在一個電荷轉移路徑中的至少一個電容器的電壓電平。
[0021]—個或者多個方面的優點可以包括以下方面。
[0022]通過減少發生反復地充電和放電開關電容功率轉換器中的晶體管的柵極的柵極驅動信號中的損失，提高了轉換器的總體效率。
[0023]通過限制柵極源極電壓，可以使用低壓晶體管。
[0024]通過利用不同的電壓來驅動級聯系列中的不同晶體管，可以高效率地驅動級聯配置。
[0025]在利用外部(例如，分立的)電容器的轉換器的情況下，使用這些相同的電容器對內部柵極驅動器電路供電避免了向器件提供附加中間電源端子的需要。
[0026]集成電路典型地受限于其被允許具有的引腳的數量。每個引腳占用硅裸片上的一定量的面積，并且，如果引腳計數很大，那么引腳所占用的面積可能大于硅裸片上的有源器件所占用的面積。每個電容器將需要至少一個引腳，并且在某些情況下，需要兩個引腳。使用電荷轉移路徑中使用的電容器上的可用電壓對柵極驅動器供電優于通過器件上的附加引腳提供這些電壓，這是因為不必須增加總引腳計數。
[0027]本發明的其他特征和優點是從以下的描述以及從權利要求明顯的。
【附圖說明】
[0028]圖1是單相升壓級聯倍增器的示意圖；
[0029]圖2是具有級聯切換器的單相升壓級聯倍增器的示意圖；
[0030]圖3是具有級聯切換器的單相級聯倍增器和對應的柵極驅動器和預充電電路的示意圖；
[0031]圖4和圖5分別是在兩個操作階段中的圖3的電路的已注釋的示意圖；
[0032]圖6是遞變柵極驅動器的示意圖；
[0033]圖7是級聯柵極驅動器的示意圖；
[0034]圖8是具有級聯切換器的雙相級聯倍增器和對應的柵極驅動器的示意圖；
[0035]