专利名称：用于驱动作为同步整流器的功率mos器件的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于驱动功率半导体器件的方法和装置，尤其涉及用于驱动作为同步整流器的功率MOS器件的方法和装置。
背景技术：
受日益增加的对于提高效率的需求的驱动，并且由于超低Rdson(导通电阻)功率MOSFET的有效性而使其成为可行，在低压应用中，用MOSFET代替PN或者Schottky整流二极管变得流行起来。一个典型的实例是汽车的交流发电机。通过用适当驱动的MOSFET代替二极管整流桥(其下降超过两伏特)，人们可以对总的交流发电机效率提高10％到15％。图1显示了这样的一种现有技术系统，其使用MOSFET代替二极管。
对于这样一种系统的设计者来说，问题之一是找到一种驱动FET的方式，其模仿二极管的性能，但没有二极管的局限性。
本发明的一个目的是提供驱动整流MOSFET的方式，其不受现有技术的局限。
图2，包括图2A至2C，显示了一种已知的执行图1中示出的同步整流器MOSFET的方式。
图2A显示了该电路的原理，其显示了一个MOSFET；图2B显示了用图表展示的Id比Vds的静态操作；图2C显示了图2A的电路的波形。
当Vds为正时，FET20的主体二极管是反向偏置的，并且MOSFET关闭。工作点是图2B的区段3。如果将一个AC波形加载到该器件上，工作点将最终达到图2B的点1，在那里满足条件Vds＝-Von。结果，Schmidt触发器10的输出将增高，并且功率MOSFET20接通。工作点移向图2B的区段4。最终AC波形变为正，并且工作点达到点2。满足条件Vds＞Voff，并且Schmidt触发器将关闭功率MOSFET。
这种电路的实际应用难以实现，因为在一个通常噪声很大的环境中，必须紧紧地控制阈值，需要非常低的偏移比较器。在一个典型应用中，对于100A左右的电流，将使用1毫欧的MOSFET。结果是在点2处，1毫伏的偏移将产生不希望有的1A负电流。该问题的根源在于设计者试图通过感测一个带有几乎为零的寄生电阻的器件两端的电压来再现一个电流过零检测。
因此，本发明的目的是提供一种改进的用于操作作为同步整流器的功率MOS器件的电路和方法。
发明内容
根据本发明，MOS器件作为同步整流器来工作，并且仅当电流低时，功率MOS器件的视在(apparent)Rdson人为地增加，致使零交叉检测变得简单。根据一个实施例，功率MOSFET是一个复合晶体管，其由一个具有高Rdson的小晶体管和一个具有低Rdson的大晶体管组成。
在另一个实施例中，一个运算放大器驱动MOSFET的栅极，该运算放大器在输入端处有一个偏移基准电压，致使漏极-源极电流与漏极-源极电压的关系曲线具有一个阈值，其允许电流过零检测。
从下面的详细描述来看，本发明的其它目标、特征和优点将变得很明显。
参照附图，在后面详细描述中，将更详细地描述本发明，其中
图1示意性地显示了一个已知的用于整流交流发电机的输出的同步整流器的实施方式；图2包括图2A、2B和2C，显示了已知的用于驱动该同步整流器的MOSFET的实施方式、一个用于同步整流器的电流Id比Vds的图表；和一个显示Id、Vds、Vgs比时间的图表；图3显示了根据本发明的一个电路；图4包括图4A和4B，显示了图3的波形；图5包括图5A、5B和5C，显示了更进一步的实施方式，包括Vds比Id的图表，和Id、Vds、Vgs比时间的函数的波形；图6是一个电路图，其显示了根据本发明的闭环操作；和图7是一个根据本发明的电路示意图。
具体实施例方式
现在参照附图，更详细地描述本发明。图3显示了实施本发明的一个电路。图3中显示的电路的操作如下根据图3的功率MOSFET晶体管200包括第一大器件200A和第二小器件200B。第一Schmidt触发器100A驱动器件200A的栅极，第二Schmidt触发器100B驱动器件200B的栅极。如果将一个AC波形加载到用于整流的器件的漏极-源极路径上，工作点将最终达到图4A中示出的点1，在那里满足条件Vds＝-Von1。结果，Schmidt触发器的输出将增高，并且MOSFET200B将接通。如果电流增加足以达到图4A的点5，主功率MOSFET200A也将接通。当电流减少致使达到图4A的点6，主功率MOSFET200A回到关闭状态。最终，AC波形将变为正，并且工作点将达到图4A的点2。满足条件Vds＞Voff，并且Schmidt触发器将完全关闭功率MOSFET(MOSFET200B变为断开)。点2处的反向电流是Voff/Rdson1，而不是如现有技术中的Voff/Rdson。通过适当地选择FETM和M1，能够显著地提高反向电流，或者能够选择较高阈值的电压。在许多应用中，可以并行地放置M和M1以执行几个晶体管。
图5A显示了另一个实施例，其中在一个闭合回路中驱动功率晶体管的栅极，致使接近零，Id/Vds曲线展示了一个阈值，其使得很容易检测过零电流而几乎没有任何偏移。在此实施例中，运算放大器300驱动MOSFET200。当图5A的Vds(区段3)上的电压变为负时，如区段2所示(见图5B)，Vgs开始增加以保持条件Vds＝Vf1。最终，运算放大器将在区域1饱和，并且功率MOSFET将完全接通。功率MOSFET两端的Vds将随着区段1中的电流再次增加。当电流再次降低并且Vds降回Vf1时，运算放大器将保持Vds处于Vf1直到Vgs等于0，其后Vds将再次增加，如区段3所示。现在用一个廉价的、容易实施的大偏移比较器，能够非常容易地执行零电流检测。
现在参照图6，示出了一个Vds电压控制回路60。控制回路60驱动MOSFET62而致使其模拟一个理想二极管。控制回路60描述了一个普通伺服回路，其具有一个求和元件66、一个可选校正电路67和一个增益元件68。在求和点66处的+和-标志表示运算放大器300(图5A)的同相和倒相输入。校正电路67是一个频率补偿网络，根据经典系统控制理论，其运行以在动态响应、稳定性和永久误差之间获得一个合适的权衡。校正电路67是任选的，因为运算放大器模型是可用的，通常利用闭环控制合并所使用的内部补偿。
闭环控制60的操作提供的一个特征是保持功率MOSFET62两端的大约-20毫伏的电压降。控制回路60根据一原则操作，即用闭环反馈驱动MOSFET62的栅极，以关于一个-20毫伏基准64保持Vds电压恒定。当Vds为正时，MOSFET62关闭，并且通过控制回路60的操作，当Vds变为负时，MOSFET62完全接通。控制回路60是一个简单的闭环反馈控制系统，其提供一个线性反馈控制。根据控制回路60提供的控制，MOSFET62的操作获得同步整流，其中MOSFET62作为一个具有平滑操作的理想二极管出现。控制回路60提供MOSFET62的操作，致使当MOSFET62在一个负象限(图5B)操作时，MOSFET62具有一个同相Vds/Vgs增益。MOSFET62的参数转平滑且稳定的，致使极大地减少了EMI干扰，从而提供明显的操作增强。当Vds电压降超过基准64的值时，控制回路60确保MOSFET62保持在完全接通状态。
现在参照图7，根据本发明的实施例的一个示意图一般显示为电路70。同步整流电路70基于一个小的负电压基准71提供用于MOSFET75、77的Vds电压控制。电路70提供的闭环控制优选地具有一个线性增益，并且提供一个合适的闭环控制技术以确保MOSFET75、77模拟一个理想二极管。MOSFET75、77显示为平行操作，但可以合并为一个单独的MOS器件，例如，具有一个单独的栅极控制。
在受高EMI或者噪声干扰的苛刻环境中，可以修改图7中阐明的电路，以具有改进的dv/dt抗扰性。例如，可以提供一个Vgs比较器，当栅极电压低于MOSFET阈值时，将栅极74、76缩短至源极78、79。Vgs比较器将Vgs的值与一个低于MOSFET75、77的阈值电压的固定电压值比较。当MOSFET75、77中的电流接近零时，闭环控制倾向于将栅极74、76拉到零，因为闭环控制试图将Vds电压保持在等于期望值。Vgs比较器产生一个指示Vgs具有低电压值的逻辑信号。将该逻辑信号用作一个安全值，以通过接通栅极74、76和源极78、79之间的低阻抗通路，避免在有干扰的环境中MOSFET75、77的错误导通(false conduction)。
因为电路70的简单和紧凑，执行该闭环控制技术所使用的元件可以是与功率MOSFET75、77分开的，或者是直接嵌入在MOSFET75、77中作为它们的控制功能的一部分。例如，电路70可以集成到一个包括功率MOSFET75和/或77的元件中。通过提供一个闭环控制，本发明消除了振荡，该振荡可能由于Vds电压阈值中的不稳定性或者不一致性引起，例如，可以由制造公差引起。因此，即使受控制的MOSFET具有不同的阈值或者由于元件公差操作上有变化，闭环控制也能够消除根据本发明的实施例操作的同步整流器中的操作变化。通过提供更好的闭环性能，Vds转变变得更为平滑，因而提高了元件EMI性能。
尽管已经参照其中的特定实施例描述描述了本发明，然而对于本领域普通技术人员来说，很多其它改变和修改以及其它应用将变得很明显。因此，本发明不应当由此处特定公开来限定，而应由所附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种同步整流器，包括一个MOSFET器件；和一个栅极驱动器，用于驱动该MOSFET器件的栅极，该MOSFET器件包括耦接的第一和第二MOSFET晶体管，第一和第二MOSFET晶体管的漏极-源极路径平行以通过MOSFET晶体管的漏极-源极路径接收用于整流的交流电波形，第一晶体管具有一个低导通电阻，第二晶体管具有一个高导通电阻，藉此，当流过该MOSFET器件的电流低于一个阈值时，该MOSFET器件的视在导通电阻增加，从而实现过零检测。
2.如权利要求1所述的同步整流器，其中该栅极驱动器包括一个Schmidt触发器，该Schmidt触发器输出端耦接到MOSFET器件的栅极，并且Schmidt触发器的输入端耦接到MOSFET的漏极-源极路径的两端。
3.如权利要求2所述的同步整流器，其中该Schmidt触发器包括两个Schmidt触发器，一个用于具有低导通电阻的第一晶体管，另一个用于具有高导通电阻的第二晶体管。
4.如权利要求2所述的同步整流器，其中该Schmidt触发器的输入端耦接到MOSFET器件的漏极-源极电压的两端。
5.一个同步整流器，包括一个功率MOS器件和一个驱动该功率MOS器件的栅极的放大器，该放大器具有一个耦接到该功率MOS器件的漏极或者源极中的一个的第一输入端和耦接到基准电压的第二输入端，该基准电压耦接到第二输入端和该功率MOS器件的漏极或者源极中的另一个之间，藉此，当MOSFET两端的漏极-源极电压接近基准电压时，放大器将漏极-源极电压保持在基准电压直到栅极-源极电压近似等于零，从而能够用一个偏移比较器实现过零电流检测。
6.一种驱动作为同步整流器的MOSFET的方法，包括当流经MOSFET的漏极-源极路径的电流低于一个阈值级别时，增加MOSFET的视在漏极至源极导通电阻(Rdson)，从而实现过零检测。
7.如权利要求6所述的方法，进一步包括提供两个漏极-源极路径平行的MOSFET，一个MOSFET具有高导通电阻，另一个具有低导通电阻。
8.如权利要求7所述的方法，进一步包括感测MOSFET的漏极-源极路径两端的电压，首先接通具有高导通电阻的MOSFET，并且当电流增加超过一个开阈值级别时，接通具有低导通电阻的MOSFET。
9.如权利要求8所述的方法，进一步包括当电流减少低于一个关阈值级别时，断开具有低导通电阻的MOSFET，其后当电流进一步降低时，断开具有高导通电阻的MOSFET。
10.如权利要求9所述的方法，其中开阈值级别和关阈值级别是不同的。
11.如权利要求6所述的方法，其中通过提供一个偏移电压以保持漏极-源极电压充分恒定直到栅极-源极电压近似于零，在低于所述阈值级别的电流级别时增加视在漏极-源极导通电阻。
12.一种用于驱动作为同步整流器的功率MOSFET的方法，包括耦接漏极-源极路径平行的第一和第二MOSFET器件，以通过该漏极-源极路径接收用于整流的交流电波形，第一MOSFET具有一个低导通电阻，第二MOSFET具有一个高导通电阻，藉此，当流过该MOSFET的电流低于一个阈值时，这两个平行的MOSFET的视在导通电阻增加从而实现过零检测。
13.如权利要求12所述的方法，进一步包括耦接Schmidt触发器的输入端，其中该触发器的输出端耦接到MOSFET的栅极，并且感测MOSFET两端的漏极-源极电压以确定何时接通和断开第一和第二MOSFET。
14.如权利要求13所述的方法，包括提供两个Schmidt触发器，一个用于具有低导通电阻的第一MOSFET，另一个用于具有高导通电阻的第二MOSFET。
15.一种用于驱动包括功率MOS器件的同步整流器的方法，方法包括提供一个驱动功率MOS器件的栅极的放大器，该放大器具有一个耦接到该功率MOS器件的漏极或者源极中的一个的第一输入端和耦接到基准电压的第二输入端，该基准电压耦接到第二输入端和该功率MOS器件的漏极或者源极中的另一个之间，当MOSFET两端的漏极-源极电压接近基准电压时，将漏极-源极电压保持在基准电压处直到栅极-源极电压近似等于零，从而能够用偏移比较器实现电流过零检测。
16.一个同步整流器，包括一个用于提供整流操作的MOSFET器件；一个耦接到该MOSFET器件的漏极和源极中的至少一个的反馈信号；一个控制电路，所述控制电路耦接到所述反馈信号并且可操作地提供一个栅极控制信号；该栅极控制信号被加载到该MOSFET器件的一个栅极，并且可操作地保持整流操作；和一个耦接到控制电路的基准电压，该控制电路用于对闭环控制起作用，藉此MOSFET器件模仿一个理想二极管。
17.如权利要求16所述的同步整流器，其中所述控制电路和基准电压被集成到一个带有MOSFET器件的公用元件中。
18.一种用于控制MOSFET Vds电压的方法，包括获得一个电压基准，该电压基准对提供至MOSFET的控制信号起作用；操作一个与所述基准电压结合的闭环控制以将所述控制信号提供给MOSFET；基于一个MOSFET参数将一个反馈提供给的所述闭环控制，藉此控制MOSFET的Vds电压以模拟一个理想二极管。
19.如权利要求18所述的方法，进一步包括以所述闭环控制提供一个线性增益。
20.如权利要求18所述的方法，进一步包括降低与Vds电压阈值中的变化相关的灵敏度。
全文摘要
一个同步整流器，其包括一个MOSFET器件和一个用于驱动该MOSFET器件的栅极的栅极驱动器，该MOSFET器件包括耦接的第一和第二MOSFET晶体管，它们的漏极－源极路径平行，以通过MOSFET晶体管的漏极－源极路径接收一个用于整流的交流电波形，第一晶体管具有低导通电阻，第二晶体管具有高导通电阻，藉此，当流过该MOSFET器件的电流低于一个阈值时，该MOSFET器件的视在导通电阻增加，从而实现过零检测。
文档编号H02M7/00GK1985431SQ200380102332
公开日2007年6月20日 申请日期2003年10月14日 优先权日2002年10月11日
发明者B·C·那达, X·德富如特斯, A·墨瑞尔 申请人:国际整流器公司