專利名稱：電感負載功率開關電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及功率開關電路，具體地說，涉及使用電感負載的功率開關電路。
背景技術：
單側開關是一種開關構造，其中，開關器件用于將負載連接到處于低電勢的節點——“低側”開關，或將負載連接到處于高電勢的節點——“高側”開關。在圖Ia中示出了低側構造，并且在圖加中示出了高側構造，其中，通過高電壓(HV)源來表示在高電勢的節點，并且通過接地端子來表示在低電勢的節點。在兩種情況下，當負載10是電感負載時， 當該開關器件斷開時，需要續流二極管11 (有時稱為回掃二極管)來提供用于續流負載電流的路徑。例如，如在圖Ib中所示，當通過施加比器件閾值電壓Vth大的柵-源電壓Vgs以把將開關器件12偏置為高時，電流13流過負載10，并且流過該開關器件12，二極管11被反向偏置，使得沒有大電流通過它。當如圖Ic中所示，通過施加柵-源電壓Vgs < Vth來把開關器件12切換到低時，通過電感負載10的電流不能急劇終止，因此電流13流過負載10 和二極管11，同時沒有大電流流過開關器件12。分別在圖2b和2c中示出了用于詳細描述當開關被偏置為高時，和當開關被斷開(切換為低)時的流過高側開關構造的電流的類似的視圖。理想地，在圖1和2的電路中使用的續流二極管11在接通狀態中具有低的傳導損耗以及良好的開關特性，從而最小化在切換期間的瞬變電流，因此，通常使用肖特基二極管。然而，對于一些應用，肖特基二極管不能夠支持足夠大的反向偏置電壓，因此必須使用表現出較高電導率和切換損耗的高壓二極管。通常是晶體管的開關器件12可以是增強型 (通常斷，Vth >0)器件或衰竭型(通常通，Vth <0)器件，其中，增強型也稱為E型，并且衰竭型也稱為D型。在功率電路中，增強型器件通常用于防止意外接通，以避免對于器件或其他電路部件的損害。在圖1和2中的電路的關鍵問題是大多數高壓二極管通常顯示高電導率和切換損耗。而且，在高壓PIN 二極管中的反向恢復電流增加了晶體管的損耗。對于在圖1和2中所示的構造的一種替代方式是替代地使用同步整流，如在圖 3a-e中所示。除了包括與二極管11反并聯的高壓金屬氧化物半導體(MOS)晶體管61之外，圖3a與圖加相同。標準MOS晶體管固有地包含反并聯的寄生二極管，因此可以被表示為與二極管63反并聯的晶體管62，如圖3a中所示。可以在圖北中看出，當開關器件12被偏置為高，并且MOS晶體管61被偏置為低時，MOS晶體管61和二極管11兩者阻斷與在負載上的電壓相等的電壓，使得整個電流13流過負載10和開關器件12。當開關器件12切換到低時，如圖3c中所示，二極管11通過將柵-漏電壓箝位到比晶體管的Vth小并且比寄生二極管的接通電壓小的值，來防止晶體管62和寄生二極管63接通。因此，幾乎所有的續流電流(freewheeling current)流過二極管11，而僅小的無關緊要的部分流過晶體管溝道和寄生二極管。如在圖3d中所示，MOS器件61然后可以被偏置為高，這導致在晶體管62 的溝道導電率上的提高，由此使得大多數的續流電流流過晶體管溝道。然而，必須在開關器件12的斷開和晶體管62的接通之間設置某個空載時間，以避免從高電壓電源(HV)向地的直通電流。因此，緊接著開關器件12從高向低切換后和緊接著開關器件12從低向高切換之前，二極管11接通一定時間。雖然這減少了在沒有MOS晶體管61的情況下由二極管11 引發的傳導損耗，但是其引發了二極管11的完全切換損耗，而與二極管保持接通多長時間無關。如在圖!Be中所示，在圖3a_d中的電路原理上可以在沒有二極管11的情況下操作。在該情況下，寄生二極管63執行與二極管11在圖3a-d的電路中執行的功能相同的功能。然而，寄生二極管63通常具有差得多的切換特性，并且承受比標準高壓二極管更大的切換損耗，導致提高了的功率損耗，因此通常優選圖3a-d的電路。許多功率開關電路包含一個或多個高側或低側開關。一個示例是在圖如中所示的升壓型功率因數校正電路，其包含低側開關。這個電路用在AC至DC電壓變換電路的輸入端。在這個電路中的低側開關的構造相對于在圖Ia中所示的構造略有修改，因為在圖Ia 中，續流二極管11與電感負載10反并聯，而在這個電路中，續流二極管11位于電感負載30 和輸出電容器35之間。然而，這兩個電路的基本操作原理是相同的。如圖4b中所示，當把開關器件12偏置到高時，電流13通過負載30和開關器件12。續流二極管11的陰極端的電壓被輸出電容器35保持得足夠高，使得續流二極管11被反向偏置，由此沒有任何大電流通過它。如圖4c中所示，當把開關器件12切換到低時，電感器將在續流二極管11的陽極的電壓強制得足夠高，使得將續流二極管11正向偏置，并且電流13然后流過電感負載30、 續流二極管11和輸出電容器35。因為沒有大電流可以在二極管中反向流動，所以二極管 11在負載電流是0或負值的時段期間，可以防止輸出電容器35通過開關器件12的放電，而如果在開始下一個切換周期之前完全將在電感器30中存儲的能量傳輸出去，則會發生這種放電情況。
發明內容
在一個方面，描述了一種開關，包括第一開關器件，其與組件串聯，所述組件包括負載和第二開關器件。所述第一開關器件包括第一溝道，所述第二開關器件包括第二溝道。 其中，在第一操作模式中，所述第二開關器件能夠阻斷在第一方向上在所述第二開關器件兩端施加的電壓；在第二操作模式中，當在第二方向上在所述第二開關器件兩端施加電壓， 并且所述第二開關器件的柵極被偏置為低于所述第二開關器件的閾值電壓時，實質電流流過所述第二開關器件的第二溝道；并且在第三操作模式中，當在所述第二方向上在所述第二開關器件兩端施加電壓并且所述第二開關器件的柵極被偏置為高于所述第二開關器件的閾值電壓時，實質電流流過所述第二開關器件的第二溝道。所述開關或所述組件可以沒有任何二極管。在另一個方面，描述了一種操作開關的方法。在第一時間，開關的第一開關器件的柵極被偏置為高于所述第一開關器件的閾值電壓，并且第二開關器件的柵極被偏置為低于所述第二開關器件的閾值電壓，這使得電流從所述開關的高電壓側通過負載向所述開關的低電壓側或接地側流動。在緊接著所述第一時間的第二時間，在所述第一開關器件的柵極上的偏壓被改變得低于所述第一開關器件的所述閾值電壓，使得所述第二開關器件在二極管模式中操作，并且阻斷電流向地流動。在緊接著所述第二時間的第三時間，在所述第二開關器件的所述柵極上的偏壓被改變得高于所述第二開關器件的所述閾值電壓，其中，在所述第三時間改變所述偏壓與在所述第二時間和所述第三時間之間的開關操作相比減少了傳導損耗。在另一個方面，描述了一種升壓模式功率因數校正電路。所述電路包括第一開關器件，其包括第一溝道；電感負載；電容器；第二開關器件，其包括第二溝道。其中，所述第一開關器件連接到在所述電感負載和浮動柵極驅動電路之間的節點，所述第二開關器件被構造來連接到所述浮動柵極驅動電路，并且所述第二開關器件位于所述電感負載和所述電容器之間。在另一個方面，描述了一種用于操作升壓模式功率因數校正電路的方法。所述方法包括使得通過所述電感負載的負載電流是連續的；在第一時間，將第一開關器件的柵極偏置得高于所述第一開關器件的閾值電壓，并且將第二開關器件的柵極偏置得低于所述第二開關器件的閾值電壓，使得電流流過所述第一開關器件；在緊接著所述第一時間的第二時間，將在所述第一開關器件的柵極上的偏壓改變得低于所述第一開關器件的所述閾值電壓，使得所述第一開關器件在阻斷模式中操作，并且使得所述第二開關器件在二極管模式中操作，這允許電流流過所述第二開關器件；在緊接著所述第二時間的第三時間，將在所述第二開關器件的所述柵極上的偏壓改變得高于所述第二開關器件的所述閾值電壓，其中，在所述第三時間改變所述偏壓與在所述第二時間和所述第三時間之間的開關操作相比減少了傳導損耗。在另一個方面，描述了一種用于操作升壓模式功率因數校正電路的方法。所述方法包括使得通過所述電感負載的負載電流是不連續的，感測所述負載電流，并且當所述負載電流接近0時，將在所述第二開關器件的柵極上的偏壓從高于所述第二開關器件的閾值電壓的電壓改變為低于所述第二開關器件的所述閾值電壓的電壓。在另一個方面，描述了一種用于操作升壓模式功率因數校正電路的方法。所述方法包括感測通過所述電感負載的負載電流，使得所述負載電流接近0并且在接近0后立即提高，并且當所述負載電流接近0時，將所述第二開關器件從接通切換到斷開，并且將所述第一開關器件從斷開切換到接通。在一些實施例中，提供了下面的特征。所述第一操作模式可以包括將所述第一開關器件的所述柵極偏置得高于所述第一開關器件的閾值電壓。所述第二操作模式可以包括將所述第一開關器件的所述柵極偏置得低于所述第一開關器件的閾值電壓。所述第一開關器件可以在所述柵極的相對的側上具有第一端子和第二端子，并且所述第一端子可以與所述組件相鄰，并且較之所述第一開關器件的所述第二端子在操作期間處于更高的電壓。所述第一開關器件可以在所述柵極的相對的側上具有第一端子和第二端子，并且所述第一端子可以與所述組件相鄰，并且較之所述第一開關器件的所述第二端子在操作期間處于更低的電壓。第一節點可以在所述組件和所述第一開關器件之間，第二節點可以在所述開關的高電壓側，所述第二開關器件能夠當所述第一節點的電壓低于所述第二節點的電壓時阻斷電壓。第一節點可以在所述組件和所述第一開關器件之間，第二節點可以在所述開關的低電壓側或接地側，并且，所述第二開關器件能夠當所述第一節點的電壓高于所述第二節點的電壓時阻斷電壓。所述第二開關器件能夠阻斷的電壓與所述第一開關器件能夠阻斷的電壓相同。所述第二開關器件能夠在兩個方向上阻斷電壓。當所述第一開關器件的所述柵極被偏置得低于所述第一開關器件的閾值電壓時，所述第二開關器件能夠傳導電流。當所述第一開關器件的柵極被偏置得低于所述第一開關器件的所述閾值電壓時，所有的實質電流可以流過所述第二開關器件的單個主溝道。當所述第二開關器件的所述柵極被偏置得高于所述第二開關器件的所述閾值電壓時，與當所述第二開關器件的所述柵極被偏置得低于所述第二開關器件的所述閾值電壓時相比，可以減小在所述第二開關器件兩端的電壓降。所述第二開關器件可以具有正閾值電壓。所述第一開關器件可以具有正閾值電壓。所述第二開關器件可以是HEMT(高電子遷移率晶體管)。所述第二開關器件可以是III族氮化物HEMT。所述第一開關器件可以是HEMT，所述第一開關器件可以是III族氮化物HEMT。 所述第二開關器件可以在結構上與所述第一開關器件相同。在所述第二開關器件兩端的電壓降在所述第三操作模式中可以比在所述第二操作模式中的更小。所述負載可以是電感負載。所述第一開關器件或所述第二開關器件可以包括高壓衰竭型器件和低壓增強型器件， 所述第二溝道可以是所述高壓衰竭型器件的溝道，并且所述第二開關器件的所述閾值電壓可以是所述低壓增強型器件的閾值電壓。所述低壓增強型器件可以至少阻斷與所述高壓衰竭型器件的閾值電壓的絕對值相等的電壓。所述高壓衰竭型器件可以是III族氮化物 HEMT。所述低壓增強型器件可以是III族氮化物HEMT。所述低壓增強型器件可以是SiMOS 器件。所述器件可以包括與所述低壓增強型器件反并聯連接的二極管。所述第一開關器件可以包括高壓衰竭型器件和低壓增強型器件，所述第一溝道可以是所述高壓衰竭型器件的溝道，并且所述第一開關器件的閾值電壓可以是所述低壓增強型器件的閾值電壓。升壓模式功率因數校正電路可以包括下面的特征的一個或多個。所述第一開關器件可以是III-N HEMT。所述第二開關器件可以是III-NHEMT。對升壓模式功率因數校正電路進行操作可包括使得通過所述電感負載的負載電流是不連續的，感測所述負載電流，并且當所述負載電流接近0時，將在所述第二開關器件的柵極上的偏壓從高于所述第二開關器件的閾值電壓的電壓改變為低于所述第二開關器件的閾值電壓的電壓。感測通過所述電感負載的負載電流，使得所述負載電流接近0，并且在接近0后立即提高。當負載電流接近0時，所述第二開關器件從接通切換到斷開，并且所述第一開關器件從斷開切換到接通。在此所述的方法可以包括下面的特征或步驟的一個或多個。在所述第三時間改變所述偏壓與在所述第二時間的開關操作相比，可以減小傳導損耗。
圖la-c示出了低側開關和各種偏置情況的電流路徑的示意圖。圖加-c示出了高側開關和各種偏置情況的電流路徑的示意圖。圖3a_e示出了具有在電感負載上連接的MOSFET的高側開關和各種偏置情況的電流路徑的示意圖。圖如-c示出了升壓模式功率因數校正電路和各種偏置情況的電流路徑的示意圖。圖fe-d示出了低側開關以及各種偏置情況的電流路徑的示意圖。圖k示出了在圖fe-d的電路中的開關器件的偏置方案示意圖。圖6a_d示出了高側開關以及各種偏置情況的電流路徑的示意圖。圖6e示出了在圖6a_d的電路中的開關器件的偏置方案。
圖7示出了低側開關的示意圖。圖8a_d示出了升壓模式功率因數校正電路以及各種偏置情況的電流路徑的示意圖。圖8e示出了在圖8a_d的電路中的開關器件的偏置方案。圖9a_c示出了在圖8中的電路的各種操作情況下的作為時間的函數的輸入電流。通過相同的附圖標記來指示相同的項。
具體實施例方式下面描述低側和高側開關和它們包括的電路，其中，將在圖1-3中所示的續流二極管替換為諸如晶體管的開關器件。在圖如和6a中示出了實施例，其中，圖如包括低側開關，并且圖6a包括高側開關。在圖如和6a中，在圖1和2的電路中使用的續流二極管已經被替換為開關器件41。在一些實施例中，這個器件可與用來調制電流路徑的開關器件 42相同。圖恥和613圖示了當將開關器件42偏置為接通(高)并且將開關器件41偏置為斷開(低)時的電流路徑。圖5c和6c示出當開關器件42被切換為斷開時的電流路徑。 開關器件41可以是增強型器件，其中，閾值電壓Vth > 0，或開關器件41可以是衰竭型器件， 其中，閾值電壓Vth < 0。在高功率應用中，期望使用增強型器件，其具有盡可能大的閾值電壓，諸如Vth > 2V或Vth > 3V ；在0偏壓下的從源極到漏極的高內部勢壘(諸如0. 5-2電子伏特)；高接通-斷開電流比(諸如> IO5)；以及高擊穿電壓(600/1200伏特)和低接通電阻(對于 600/1200V 分別是< 5 或< lOmohm-cm2)。另外，開關器件41必須具有下面的特性。它必須能夠當在端子45/55的電壓低于在端子46/56的電壓時阻斷大電壓。當將開關器件42偏置為高時，出現這個情況，如圖恥和6b中所示。在此使用的術語“阻斷電壓”指的是晶體管的這樣的能力當在晶體管兩端施加電壓時，晶體管防止正常傳導期間的操作電流0. 0001倍以上的電流流過該晶體管。換句話說，在晶體管阻斷對其兩端施加的電壓的時候，通過該晶體管的總電流不大于在正常傳導期間的操作電流的0. 0001倍。在此使用的術語“實質電流”包括至少是正常傳導期間操作電流的10%的任何電流。開關器件41必須能夠阻擋的最大電壓取決于具體電路應用， 但是通常等于或很接近于對開關器件42指定的最大阻斷電壓。在一些實施例中，開關器件 41能在兩個方向上阻斷電壓。當開關器件42被切換為斷開時，開關器件41必須能夠在圖 5c和6c中所示的方向上傳導電流13。而且，當如圖5c或6c所示來偏置電路時，通過開關器件41的所有的實質電流流過該器件的單個主溝道，其中，可以通過柵極電極來調制該溝道的電導率。這與在圖3a_3e中的電路不同，對于圖3a_3e的電路而言，向器件61的柵極施加電壓信號，使得電流從一個溝道(二極管11或63的溝道)向晶體管62的溝道轉移。 開關器件41必須能夠在這個方向上傳導的最大電流取決于具體電路應用，但是通常等于或很接近于對開關器件42指定的最大電流。在一些實施例中，開關器件能夠在兩個方向上傳導電流。在圖5中的電路的詳細操作如下。當例如通過將柵-源電壓Ves42設置得高于器件閾值電壓Vth42而將開關器件42偏置為接通，并且例如通過設置Ves41 < Vth41來將開關器件 41偏置為斷開時，電流13流過電感負載10和開關器件42，如在圖恥中所示。在此，開關器件41被稱作處于“阻擋模式”，因它支持其兩端的電壓，并且同時阻斷電流流過它，即，器件41阻斷電壓。如在圖5c中所示，當開關器件42被切換為斷開時，通過電感負載10的電流不能急劇改變，因此將在端子45的電壓強制得足夠高，以使得通過開關器件41來承載續流電流13。注意，在這種操作模式中，即使不改變Ves41，電流也能夠流過開關器件41。開關器件41的這種模式的操作被稱為“二極管模式操作”。圖5的電路可能比圖1的電路更優選，因為適合于用在這個應用中的晶體管通常比二極管11具有更低的傳導和切換損耗。依賴于開關器件41的電流電平和閾值電壓，當在二極管模式中操作時，通過這個器件的功耗會高得不可接受。在這種情況下，可以通過向開關器件41的柵極施加電壓Ves41 > Vth41來實現低功率操作模式，如圖5d中所示。為了防止從高電壓電源(HV)到地的直通電流，施加在圖k中所示的形式的柵極信號。在圖k中，將其間開關器件42接通并且開關器件41斷開的時間標注為“C”。其對應于在圖恥中所示的操作模式。當將開關器件42 切換為斷開時，在開關器件41傳導續流電流的時間期間，開關器件41的柵極被驅動為高， 這使得開關器件41的漏-源電壓僅是接通狀態電阻(Rds_。n)乘以負載電流。為了防止從高電壓電源(HV)到地的直通電流，必須在開關器件42的斷開和開關器件41的接通之間設置某個空載時間。這些是在圖k中被標注為“A”的時間。在這些空載時間期間，開關器件41 在如上所述的二極管模式中操作。因為與整個切換周期相比這是短的時間，所以總功耗的相對數量低。時間“B”提供了用于開關器件41的主要的損耗系數，并且這對應于當開關器件41被完全增強時的低功率模式。在圖5d中圖示的操作模式允許在傳導損耗上的進一步降低，而切換損耗保持不受影響。在圖5的電路中，當開關器件42被切換為斷開時，當開關器件41的柵極保持為低時(圖5c)以及當其被驅動為高時(圖5d)，所有的實質電流流過開關器件41的主溝道。 這可能優選于在圖3中的電路的操作，對于圖3中的電路的操作而言，在晶體管61保持為低的同時實質電流起初流過二極管，并且一旦晶體管61的柵極被驅動為高，則僅流過主晶體管溝道。在圖3中的二極管11和寄生二極管63通常表現出比適合于用在圖5的電路中的晶體管41更高的切換損耗。另外，在圖5中的開關器件41和42可以是相同或類似的器件，這簡化了這個電路的制造。在圖6中的電路的詳細操作類似于圖5。當例如通過設置Ves42 > Vth42而將開關器件42偏置為接通，并且例如通過設置Ves41 < Vth41來將開關器件41偏置為斷開時，電流13 流過電感負載10和開關器件42，如在圖6b中所示。如在圖6c中所示，當開關器件42切換為斷開時，通過電感負載10的電流不能急劇改變，因此將在端子56的電壓強制得足夠負， 以使得通過開關器件41來承載續流電流13，并且開關器件41現在在二極管模式中操作。 再一次，在這個操作模式中，即使不改變Ves41，電流也能夠流過開關器件41。與圖5的電路相同，可以通過向開關器件41的柵極施加電壓Ves41 > Vth41,可以減少在開關器件41的二極管操作模式期間的功耗，如圖6d中所示。再一次，必須在開關器件42的斷開和開關器件 41的接通之間設置某個空載時間，以避免從高電壓電源(HV)向地的直通電流，因此，使用在圖6e中所示的偏置方案。滿足開關器件41的以上指定的標準的器件的示例是任何材料系統的金屬半導體場效應晶體管(MESFET)；任何材料系統的結型場效應晶體管(JFET)；任何材料系統的高電子遷移率晶體管(HEMT或HFET)，包括垂直器件，諸如電流孔徑垂直電子晶體管 (CAVET)；以及，由上列器件構成的雙向開關，諸如在2008年9月12日提交的美國申請No. 12/209，581中所述的那些，該申請通過引用被整體包含在此。用于HEMT和MESFET的常見材料系統包括Ga/lJnmNmAsJV,或III-V材料，諸如III-N材料、III-As材料和III-P 材料。用于JPET的常見材料包括III-V材料、SiC和Si。優選的是，開關器件41是增強型器件，用于防止意外的接通，以避免對于器件或其他電路部件的損害。因為使用這些器件可以實現大的阻斷電壓，所以特別期望諸如III 族氮化物HFET的III族氮化物(III-N)器件。該器件優選地也表現出高的接入區域導電率(諸如片材電阻< 750ohms/平方)以及具有高擊穿電壓(600/1200伏特)和低接通電阻 (對于600/1200V分別是< 5或< lOmohm-cm2)。該器件也可以包括下面部分的任何一種 表面鈍化層，諸如SiN;場板，諸如斜場板；以及，在柵極之下的絕緣體。在其他實施例中，開關器件41是SiC JFET。在圖7中示出可以用于這里所述的任何實施例的開關器件41上的變化。在這個實施例中，如所示，開關器件41包括連接到低壓增強型(E型)器件96的高壓衰竭型(D型) 器件97。開關器件41的這種構造與當高壓E型器件用于開關器件41時的情況類似地操作。當在節點46的電壓高于在節點45的電壓，并且E型器件96的柵極被偏置為OV或低于E型器件96的閾值電壓時，D型器件97阻斷開關兩端的電壓。這種構造可以是有益的， 因為高壓E型器件通常難以制造。D型器件97能夠阻斷開關兩端的最大電壓降，該最大電壓降對于高電壓應用而言可以是600V或1200V，或應用所要求的其他適當的阻斷電壓。用于高壓器件的通常的D型器件閾值電壓是大約-5至-IOV(D型=負Vth)。E型器件96可以至少阻擋|Vth|，其中，|Vth|是D型器件的閾值電壓的量值(絕對值)。在一些實施例中，E 型器件可以阻斷大約2* I Vth|。在一些實施例中，D型器件可以阻斷大約1200V，并且具有大約-5V的閾值電壓，并且E型器件阻斷至少大約5V，諸如至少大約10V。D型器件97可以是高壓III-NHEMT器件，并且E型器件96可以是Si MOS器件或III-N HEMT器件。當使用 Si MOS器件來用于器件96時，如所示，作為諸如肖特基二極管的低損耗二極管的二極管99 可選地與器件96反并聯，以通過防止在Si MOSFET中固有的寄生反向二極管的接通來減少切換損耗。與圖7中的開關器件41所示的類似的構造也可以用于開關器件42，并且該構造也可以用于在圖6的高側開關中的開關器件41和42。可以在美國申請No. 12/209，581中找到這種構造的操作的更多細節。在圖中示出了升壓模式功率因數校正電路。這個電路類似于在圖如中所示的電路，除了二極管11已經被替換為連接到浮動柵極驅動電路72的開關器件41。開關器件 41必須滿足與在圖5和6中的開關器件41相同的規格。這個電路的操作細節如下。當開關器件42被偏置為接通，并且開關器件41被偏置為斷開時，如圖8b中所示，電流13通過負載30并且通過開關器件42。在節點77的電壓被輸出電容器35保持得足夠高，使得開關器件41處于阻斷模式中，由此沒有任何實質電流通過它。如圖8c中所示，當開關器件42 切換為斷開時，電感器強制在節點76的電壓足夠高，使得開關器件41切換到二極管模式， 并且電流13然后流過電感負載30、開關器件41、和輸出電容器35。與在圖5和6中的電路一樣，如在圖8d中所示，通過向開關器件41的柵極施加電壓Ves41 > Vth41，可以減少在這個電路中的傳導損耗。然而，為了使得這個電路適當地操作， 必須適當地控制由柵極驅動電路72向開關器件41的柵極施加的信號的時序。存在需要分開考慮的三種情形。第一，在圖9a中所示的是負載電流是連續(連續模式)的情形。第二，在圖9b中圖示的是負載電流不連續(不連續模式)從而在工作周期的某個部分期間沒有電流流動的情形。對于這第二種情形，也可能負載電流在工作周期的某個部分期間是負的(在相反方向上流經該負載)。如果存在導向該電路的輸入的任何電感或電容部件，則可能發生這種情性。第三，在圖9c中圖示的是負載電流接近零但是然后立即再一次增大的情形。這種模式被稱為“臨界模式”。如果負載電流是連續的，則至開關器件42和41的柵極信號的時序與在圖5和6 中的電路的類似。為了允許負載電流流過開關器件42，開關器件42被切換為接通，并且開關器件41被切換為斷開，如圖8b中所示。當開關器件42切換為斷開時，電感器強制負載電流通過開關器件41，如圖8c中所示，并且開關器件41處于二極管模式中。當電流流過開關器件41時，通過向開關器件41的柵極施加電壓Ves41 > Vth41，可以減少傳導損耗，如圖8d 中所示。必須在開關器件42的斷開和開關器件41的接通之間設置某個空載時間，以便防止電容器35通過開關器件42和41放電，因此使用在圖8e中所示的偏置方案。在開始下一個切換周期之前，如果在電感器中存儲的能量被完全地轉移到輸出電容器或傳輸通過了開關器件42，則在電感器中的電流可以變為不連續的或變為負的。在開關器件41或回掃晶體管與負載并聯的電路中，諸如在圖5和6中的那些電路，即使在負載電流已經降到零之后，使回掃晶體管被增強也沒有害處。然而，在回掃晶體管位于電感器 30和電容器35之間的圖8的功率因數校正電路中，在負載電流降到0后，使開關器件41被增強將導致錯誤的操作，因為電流將反轉符號，并且開始將輸出電容器放電。在這樣的系統中，必須直接或間接地感測負載電流，并且如果開關器件41是接通，則當電流接近0時它必須斷開。例如，一旦電流已經降低到峰值電流的0.或5%，則可以將開關器件 41斷開。第三種情形，臨界模式與不連續模式實質上相同，其差別在于一旦負載電流接近 0，則開關器件42返回到接通。這意味著切換頻率不是固定的，而是可調整的，就像在滯后控制器中那樣。控制電路因此與不連續情形非常不同，但是關于開關器件42和41的切換順序的要求是相同的。必須感測電流，以了解它何時接近0，并且當電流接近0時，必須將開關器件41斷開。
權利要求
1.一種開關，包括與組件串聯的第一開關器件，所述組件包括負載和第二開關器件，所述第一開關器件包括柵極和第一溝道，所述第二開關器件包括第二溝道，其中，在第一操作模式中，所述第二開關器件能夠阻斷在第一方向上在所述第二開關器件兩端施加的電壓；在第二操作模式中，當在第二方向上在所述第二開關器件兩端施加電壓并且所述第二開關器件的柵極被偏置得低于所述第二開關器件的閾值電壓時，則實質電流流過所述第二溝道；以及在第三操作模式中，當在所述第二方向上在所述第二開關器件兩端施加電壓并且所述第二開關器件的柵極被偏置得高于所述第二開關器件的所述閾值電壓時，實質電流流過所述第二溝道。
2.根據權利要求1所述的開關，其中，所述第一操作模式包括把所述第一開關器件的所述柵極偏置得高于所述第一開關器件的閾值電壓。
3.根據權利要求1-2的任何一項所述的開關，其中，所述第二操作模式包括把所述第一開關器件的所述柵極偏置得低于所述第一開關器件的閾值電壓。
4.根據前述權利要求的任何一項所述的開關，其中，所述第一開關器件在所述柵極的相對的側具有第一端子和第二端子，并且，所述第一端子與所述組件相鄰，且在操作期間， 較之所述第一開關器件的所述第二端子，處于更高的電壓。
5.根據權利要求1-3的任何一項所述的開關，其中，所述第一開關器件在所述柵極的相對的側具有第一端子和第二端子，并且，所述第一端子與所述組件相鄰，且在操作期間， 較之所述第一開關器件的所述第二端子，處于更低的電壓。
6.根據權利要求1-4的任何一項所述的開關，其中，第一節點在所述組件和所述第一開關器件之間，第二節點在所述開關的高電壓側，并且，當所述第一節點處的電壓低于所述第二節點處的電壓時，所述第二開關器件能夠阻斷電壓。
7.根據權利要求1-3或5的任何一項所述的開關，其中，第一節點在所述組件和所述第一開關器件之間，第二節點在所述開關的低電壓側或接地側，并且，當所述第一節點處的電壓高于所述第二節點處的電壓時，所述第二開關器件能夠阻斷電壓。
8.根據前述權利要求的任何一項所述的開關，其中，所述第二開關器件能夠阻斷的電壓與所述第一開關器件能夠阻斷的電壓相同。
9.根據權利要求8所述的開關，其中，所述第二開關器件能夠在兩個方向上阻斷電壓。
10.根據前述權利要求的任何一項所述的開關，其中，當所述第一開關器件的所述柵極被偏置得低于所述第一開關器件的閾值電壓時，所述第二開關器件能夠傳導電流。
11.根據權利要求10所述的開關，其中，當所述第一開關器件的所述柵極被偏置得低于所述第一開關器件的所述閾值電壓時，所有的實質電流流過所述第二開關器件的單個主溝道。
12.根據權利要求11所述的開關，其中，較之當所述第二開關器件的所述柵極被偏置得低于所述第二開關器件的所述閾值電壓時，當所述第二開關器件的所述柵極被偏置得高于所述第二開關器件的所述閾值電壓時，在所述第二開關器件兩端的電壓降被減小。
13.根據前述權利要求的任何一項所述的開關，其中，所述第二開關器件具有正閾值電壓。
14.根據前述權利要求的任何一項所述的開關，其中，所述第一開關器件具有正閾值電壓。
15.根據前述權利要求的任何一項所述的開關，其中，所述第二開關器件是HEMT。
16.根據權利要求15所述的開關，其中，所述第二開關器件是III族氮化物HEMT。
17.根據前述權利要求的任何一項所述的開關，其中，所述第一開關器件是HEMT。
18.根據權利要求17所述的開關，其中，所述第一開關器件是III族氮化物HEMT。
19.根據前述權利要求的任何一項所述的開關，其中，所述第二開關器件在結構上與所述第一開關器件相同。
20.根據前述權利要求的任何一項所述的開關，其中，較之在所述第二操作模式中，在所述第三操作模式中所述第二開關器件兩端的電壓降更小。
21.根據前述權利要求的任何一項所述的開關，其中，所述負載是電感負載。
22.根據前述權利要求的任何一項所述的開關，其中，所述第一開關器件或所述第二開關器件包括高壓衰竭型器件和低壓增強型器件，所述第二溝道是所述高壓衰竭型器件的溝道，并且所述第二開關器件的所述閾值電壓是所述低壓增強型器件的閾值電壓。
23.根據權利要求22所述的開關，其中，所述低壓增強型器件能夠至少阻斷與所述高壓衰竭型器件的閾值電壓的絕對值相等的電壓。
24.根據權利要求22或23所述的開關，其中，所述高壓衰竭型器件是III族氮化物 HEMT。
25.根據權利要求22-M之一所述的開關，其中，所述低壓增強型器件是III族氮化物 HEMT。
26.根據權利要求22-M之一所述的開關，其中，所述低壓增強型器件是SiMOS器件。
27.根據權利要求沈所述的開關，進一步包括與所述低壓增強型器件反并聯連接的二極管。
28.根據前述權利要求的任何一項所述的開關，其中，所述第一開關器件包括高壓衰竭型器件和低壓增強型器件，所述第一溝道是所述高壓衰竭型器件的溝道，并且所述第一開關器件的閾值電壓是所述低壓增強型器件的閾值電壓。
29.一種操作開關的方法，包括在第一時間，權利要求1的所述開關的所述第一開關器件的柵極被偏置得高于所述第一開關器件的閾值電壓，并且所述第二開關器件的柵極被偏置得低于所述第二開關器件的閾值電壓，使得電流從所述開關的高電壓側經過所述負載和經過所述第一開關器件而向所述開關的低電壓側流動；在緊接著所述第一時間的第二時間，改變所述第一開關器件的所述柵極上的偏壓使得低于所述第一開關器件的所述閾值電壓，引起所述第二開關器件在二極管模式中操作，并且阻斷電流向地流動；以及在緊接著所述第二時間的第三時間，改變所述第二開關器件的偏壓使得高于所述第二開關器件的所述閾值電壓。
30.根據權利要求四所述的方法，其中，較之在所述第二時間的開關操作，在所述第三時間改變所述偏壓，減少了傳導損耗。
31.一種升壓模式功率因數校正電路，包括第一開關器件，所述第一開關器件包括第一溝道；電感負載；電容器；以及第二開關器件，所述第二開關器件包括第二溝道，其中，所述第一開關器件連接到在所述電感負載和浮動柵極驅動電路之間的節點，所述第二開關器件被構造來連接到所述浮動柵極驅動電路，并且所述第二開關器件位于所述電感負載和所述電容器之間。
32.根據權利要求31所述的升壓模式功率因數校正電路，其中，在第一操作模式中，所述第二開關器件能夠阻斷在第一方向上在所述第二開關器件兩端施加的電壓；在第二操作模式中，當在第二方向上在所述第二開關器件兩端施加電壓，并且所述第二開關器件的柵極被偏置得低于所述第二開關器件的閾值電壓時，實質電流流過所述第二溝道；以及在第三操作模式中，當在所述第二方向上在所述第二開關器件兩端施加電壓并且所述第二開關器件的柵極被偏置得高于所述第二開關器件的閾值電壓時，實質電流流過所述第二溝道。
33.根據權利要求31或32所述的升壓模式功率因數校正電路，其中，當所述第一開關器件的柵極被偏置得高于所述第一開關器件的閾值電壓、所述第二開關器件的柵極被偏置得低于所述第二開關器件的閾值電壓，并且在所述第二開關器件和所述電容器之間的節點處的電壓足夠高以保持所述第二開關器件處于阻擋模式時，電流通過所述電感負載和所述第一開關器件。
34.根據權利要求31-33之一所述的升壓模式功率因數校正電路，其中，所述第一開關器件是 III-N HEMT。
35.根據權利要求31-34之一所述的升壓模式功率因數校正電路，其中，所述第二開關器件是 III-N HEMT。
36.一種用于操作權利要求31的升壓模式功率因數校正電路的方法，包括使通過所述電感負載的負載電流是連續的；在第一時間，把所述第一開關器件的柵極偏置得高于所述第一開關器件的閾值電壓， 并且把所述第二開關器件的柵極偏置得低于所述第二開關器件的閾值電壓，使得電流流過所述第一開關器件；在緊接著所述第一時間的第二時間，把在所述第一開關器件的柵極上的偏壓改變得低于所述第一開關器件的所述閾值電壓，引起所述第一開關器件在阻斷模式中操作并且所述第二開關器件在二極管模式中操作，使得電流流過所述第二開關器件；以及在緊接著所述第二時間的第三時間，把在所述第二開關器件的所述柵極上的偏壓改變得高于所述第二開關器件的所述閾值電壓，其中，較之所述第二時間和所述第三時間之間的開關操作，在所述第三時間改變所述偏壓，減少了傳導損耗。
37.一種用于操作權利要求31的升壓模式功率因數校正電路的方法，包括使通過所述電感負載的負載電流是不連續的；感測所述負載電流；以及當所述負載電流接近0時，把在所述第二開關器件的柵極上的偏壓從高于所述第二開關器件的閾值電壓的電壓改變為低于所述第二開關器件的所述閾值電壓的電壓。
38.一種用于操作權利要求31的升壓模式功率因數校正電路的方法，包括感測通過所述電感負載的負載電流；使所述負載電流接近0并且在接近0后立即提高；并且當所述負載電流接近0時，把所述第二開關器件從接通切換到斷開，并且把所述第一開關器件從斷開切換到接通。
全文摘要
本發明描述了包括電感負載和開關器件的功率開關電路。開關器件可以是低側開關或高側開關。一些開關是晶體管，使得能夠當在晶體管兩端施加電壓時阻斷電壓，或防止實質電流流過晶體管。
文檔編號H03K17/64GK102165694SQ200980137436
公開日2011年8月24日 申請日期2009年9月18日 優先權日2008年9月23日
發明者詹姆斯·霍尼亞 申請人:特蘭斯夫公司