用于为开关转换器供电的系统和方法与流程

本公开涉及用于为开关转换器供电的系统和方法。特别地，本公开涉及用于对开关转换器的内部电源进行调节的系统和方法。

背景

功率转换器配备有内部电源，也称为vcc电源，其允许许多控制功能在其功率级的启动之前全面运转。这种功能可以包括故障检测和调节回路，确保转换器的正确且安全的运行。

配备有经调节且稳定的内部电源的电流转换器需要专用的启动电路，这增加了转换器的复杂性和成本。

概述

本公开的目的是解决上述限制中的一个或更多个。根据本公开的第一方面，提供了一种开关转换器，包括：耗尽型功率开关，其经由开关节点耦合到增强型功率开关；和能量存储元件，其经由第一路径耦合到耗尽型功率开关；其中第一路径包括电阻。

例如，耗尽型功率开关可以耦合至正电压并且第二功率开关可以耦合至地。能量存储元件可以适于向开关转换器提供能量。例如，能量存储元件可以是电容器。

可选地，开关转换器可以包括耦合到耗尽型晶体管的电感器，该电感器适于提供电感器电流。

可选地，第一路径包括第一耦合开关。

可选地，电阻包括耦合开关的内部电阻。例如，内部电阻可以是第一耦合开关的导通电阻ron。

可选地，第一耦合开关可以是耗尽型晶体管。例如，第一耦合开关可以基于iii/v族半导体。例如，第一耦合开关可以是gan耗尽型晶体管。

可选地，开关转换器包括将耗尽型功率开关耦合到能量存储元件的第二路径，该第二路径包括第二耦合开关。

例如，第二耦合开关可以是增强型晶体管。增强型晶体管可以具有彼此耦合的栅极端子和漏极端子。

可选地，开关转换器可以适于在第一操作模式下经由第一路径和在第二操作模式下经由第二路径对能量存储元件充电。例如，第一操作模式可以是启动模式，第二操作模式可以是正常模式。

可选地，增强型功率开关和耗尽型功率开关被布置成使得关断增强型功率开关将耗尽型功率开关关断，并且导通增强型功率开关将耗尽型功率开关接通。

可选地，耗尽型功率开关包括寄生电容，并且当增强型功率开关关断时，与寄生电容相关联的电容电流经由第二路径对能量存储元件充电。

可选地，当增强型功率开关导通时，电感器电流经由第二路径对能量存储元件充电。

可选地，开关转换器包括并联连接到耗尽型功率开关的电容器。

可选地，开关转换器包括耦合到增强型功率开关的控制电路，其中能量存储元件适于向控制电路提供能量。

可选地，开关转换器包括适于限制耗尽型功率开关两端的电压的保护电路。

可选地，保护电路包括耦合到能量存储元件的齐纳二极管或耗尽型晶体管。

可选地，转换器可以至少部分地基于iii/v族半导体制成。

可选地，耗尽型功率开关基于iii/v族半导体。例如，iii/v族半导体可以是氮化镓(gan)。

根据本公开的第二方面，提供了一种为包括能量存储元件的开关转换器供电的方法，该方法包括提供经由开关节点耦合到增强型功率开关的耗尽型功率开关；以及经由将耗尽型功率开关耦合到能量存储元件的第一路径对能量存储元件充电，其中第一路径包括电阻。

可选地，该方法包括提供将耗尽型功率开关耦合到能量存储元件的第二路径，其中该第二路径包括耦合开关。

可选地，该方法包括在第一操作模式下经由第一路径对能量存储元件充电和在第二操作模式下经由第二路径对能量存储元件充电。

可选地，耗尽型功率开关包括寄生电容，并且该方法包括关断增强型功率开关以关断耗尽型功率开关，以及经由第二路径使用与寄生电容相关联的电容电流对能量存储元件充电。

可选地，该方法包括提供电感器电流并导通增强型功率开关以接通耗尽型功率开关，使得电感器电流经由第二路径对能量存储元件充电。

关于本公开的第一方面描述的选项对于本公开的第二方面也是共同的。

附图说明

在下面通过示例并参考附图来更详细地描述本公开，在附图中：

图1是根据现有技术的反驰式转换器(fly-backconverter)的图示；

图2是用于对开关转换器供电的方法的流程图；

图3是用于实现图2的方法的开关转换器的图示；

图4是设置有两个充电路径以用于对转换器的内部电源充电的开关转换器的图示；

图5是设置有箝位电路的开关转换器的图示；

图6是设置有箝位电路的又一个开关转换器的图示。

描述

图1示出了用于向负载提供输出电压vout的传统的返驰式功率转换器100。电路100包括所谓的半桥，该半桥通过经由开关节点lx将高压侧功率开关105耦合至低压侧功率开关110而形成。功率开关105和110由两个n沟道增强型晶体管提供。功率开关105的栅极连接到驱动器107，用于提供大约15v的驱动电压。变压器t1具有磁性耦合至次级绕组120的初级绕组115。初级绕组115在一端处耦合至高压侧功率开关105并且在另一端处耦合至输入电压vin。次级绕组120并联耦合至输出电容器c2140。二极管d1142被设置在次级绕组120与输出电容器140之间。

低压侧电路130被提供用于控制低压侧功率开关110。低压侧电路包括连接到驱动器134的控制器u1132，以及用于为低压侧电路供电的电容器c1136。低压侧功率开关110具有耦合至开关节点lx的第一端子、耦合至地的第二端子以及耦合至低压侧驱动器134的第三端子。

第一内部电源电路也称为启动电路150，其由与限流电阻器r1154串联连接的耗尽型晶体管s3152形成。耗尽型晶体管通过控制器u2156进行控制。第二内部电源电路160包括连接到二极管d2164的变压器t1的辅助绕组162。辅助绕组162具有必要的匝数比以提供经调节的电压vcc。

在启动时，电容器c1136首先是被放电的，并且控制器u1由于其需要经调节的电压vcc而被关断以便正确操作。当输入v_in被施加到功率转换器100时，晶体管s3152处于导通状态并且电流对c1充电。一旦c1136两端的电压达到启动电压，则控制器u1132开始操作并启动开关周期。控制器u1通过经由驱动器134控制开关晶体管s2110的导通和截止状态来提供输出调节。一旦导通-截止开关周期发生，第二vcc电路160开始操作，承担在电容器c1136两端提供电压vcc的主要角色。一旦第二电路160操作，第一电路150通过关断高耗散晶体管s3152而关断。电路100相对复杂且繁琐。

图2是对包括能量存储元件的开关转换器供电的方法的流程图。在步骤210处，提供经由开关节点耦合到增强型功率开关的耗尽型功率开关。例如，耗尽型功率开关可以是高压侧功率开关并且增强型功率开关可以是低压侧功率开关。

在步骤220处，经由将耗尽型功率开关耦合到能量存储元件的第一路径对能量存储元件充电。能量存储元件可以是用于为开关转换器的能量消耗部分供电的内部电容器。例如，能量存储元件可以是用于向控制增强型功率开关的控制器提供能量的内部电源。第一路径包括电阻。电阻允许以适当的电压给能量存储元件充电。使用这种方法，能够通过减少部件数量来简化开关转换器的设计。

第一路径可以包括耦合开关。第一路径的电阻可以包括耦合开关的内部电阻。可选地，第一路径的电阻还可以包括用于保护耦合开关和耗尽开关的附加电阻。

图3示出了用于实现图2的方法的开关转换器300的图示。在这个示例中，开关转换器300是反驰式转换器。转换器300包括通过经由开关节点lx将高压侧功率开关305耦合至低压侧功率开关310而形成的半桥。高压侧功率开关由耗尽型晶体管提供，而低压侧功率开关由增强型晶体管提供。

变压器t1具有磁性耦合至次级绕组320的初级绕组315。初级绕组315在一端处耦合至高压侧开关305并且在另一端处耦合至输入电压vin。次级绕组320并联耦合至输出电容器c2340。二极管d1342可以被设置在次级绕组320与输出电容器340之间。

低压侧电路330被提供用于控制低压侧功率开关310。低压侧电路包括连接到驱动器334的控制器u1332，以及用于为低压侧电路供电的电容器c1336。电容器c1336具有耦合到控制器332的第一端子和耦合到地的第二端子。

高压侧功率开关305具有第一端子(例如耦合到初级绕组315的漏极端子)、第二端子(例如，耦合到开关节点的源极端子)和第三端子(例如，耦合到高压侧驱动器352的栅极端子)。可选地，栅极端子可以耦合到地。高压侧功率开关305经由开关s3354(也称为耦合开关)耦合到电容器c1336。例如，开关s3可以是耗尽型晶体管。在可选的实施例中，开关s3可以由另一类型的晶体管提供。可选地，电阻器356可以串联设置在电容器c1336和耦合开关354之间。电阻r1356可用于通过限制电流来保护高压侧功率开关305和/或耦合开关s3354。控制器u2358耦合到耦合开关s3354。高压侧功率开关305、耦合开关s3354、控制器358和可选电阻r1356形成第一内部电源电路，也称为启动电路350，用于对电容器c1336充电。

低压侧功率开关310具有第一端子(例如耦合到开关节点lx的漏极端子)、第二端子(例如，耦合到地的源极端子)和第三端子(例如，耦合到低压侧驱动器334的栅极端子)。第二内部电源电路360由耦合到二极管d2364的变压器t1的辅助绕组362提供。辅助绕组360具有必要的匝数比以提供经调节的电压vcc。

在启动时，电容器c1336首先是被放电的，并且控制器u1被关断。当输入v_in被施加到功率转换器300时，晶体管s3354处于导通状态并且电流i1对c1充电。电容器c1的充电时间是电阻r1356中的电流i1和c1336的电容的函数。一旦c1336两端的电压达到启动电压，则控制器u1332开始操作并启动开关周期。控制器u1332通过经由驱动器334控制低压侧功率开关310的导通和截止状态来提供输出调节。低压侧功率开关310用于控制高压侧功率开关305的源极端子的电压。关断增强型晶体管310将关断耗尽型晶体管305。类似地，导通增强型晶体管310将接通耗尽型晶体管305。一旦第二内部电源电路360操作，因此当它可以向电容器336提供电流i2时，控制器u2358关断耦合开关s3354以防止功率耗散。耦合开关s3可以是双向晶体管，以防止当s2接通(闭合)时电容器c1在反向导通模式下经由s3和s2放电。

通过将高压侧耗尽型晶体管结合作为启动电路的一部分，能够简化功率转换器的设计并降低生产成本。使用这种方法，不需要额外的启动部件，并且栅极控制是简单的。

图4示出了用于实现图2的方法的另一个开关转换器400的图示。反驰式转换器400共享了许多与图3的电路300中所示的部件类似的部件。相同的参考数字已用来表示相应的部件，并且为了简洁起见，不再重复其描述。

在该示例中，第二vcc电路由耦合到控制器u3415的开关s4410形成。开关s4410具有耦合至开关节点lx的第一端子、耦合至电容器c1336的第二端子以及耦合至控制器u3415的第三端子。控制器u3415可以由电容器c1供电。开关s3354和s4410可以是双向晶体管，以防止当s2导通(闭合)时电容器c1经由s3和s2或者经由s4和s2在反向导通模式下放电。

电路400的操作类似于图3的电路300的操作。然而，在电路400中，不需要辅助绕组362和二极管364。相反，用于维持电压vcc的能量是从开关节点lx提取的。控制器u3415适于维持电容器c1两端的电压调节vcc。一旦开关s4410可操作，控制器u2358关断开关s3354以防止功率耗散。

一旦控制器u1332适当地由电容器c1336供电，它就变得可操作，并且增强型晶体管s2310经由驱动器334接通和关断。关断增强型晶体管310将关断耗尽型晶体管305。类似地，导通增强型晶体管310将接通耗尽型晶体管305。当增强型晶体管310导通时，来自初级电感器315的电感器电流经由开关s4410对电容器c1充电。然而，当增强型晶体管310关断时，耗尽型晶体管305的寄生电容经由开关s4410向电容器c1提供电容电流。使用这种方法，不需要辅助绕组电路。

图5示出了用于实现图2的方法的另一开关转换器500。转换器500包括经由开关节点lx耦合至低压侧功率开关510的高压侧功率开关505。高压侧功率开关可以由gan耗尽型晶体管提供。低压侧功率开关可以由gan增强型晶体管或由增强型金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)提供。电感器l1515在一端处耦合到高压侧开关505，且在另一端处耦合到输入电压vin。

低压侧电路530被提供用于控制低压侧功率开关510。低压侧功率开关510具有耦合至开关节点lx的漏极端子、耦合至地的源极端子以及耦合至低压侧电路530的栅极端子。提供电容器c1536以用于为低压侧电路530供电以及为分别控制开关554和562的控制器u2553和u3561供电。

高压侧功率开关505具有耦合到电感器l1515的漏极端子、耦合到开关节点lx的源极端子和耦合到地的栅极端子。可选地，可以在耗尽型晶体管505的漏极和源极之间提供附加电容器507。gan耗尽型晶体管的阈值电压vgsth可以大约为-6v。在图5中，晶体管505的栅极连接到地，但是只要vgs大于阈值电压，该栅极就可以连接到另一电势。

高压侧功率开关505经由两个充电路径耦合到电容器c1336。也被称为启动路径的第一路径包括与电阻r1556和二极管d1557串联耦合的第一开关s1554。电阻r1556可用于通过限制电流来保护高压侧功率开关305和/或开关s1554。提供控制器u2553来控制第一开关s1554。例如，第一开关可以是gan耗尽型晶体管。第二路径包括与二极管564串联耦合的第二开关s2562。提供控制器u3561来控制第二开关s2562。例如，第二开关可以是gan晶体管。第二开关562可以是增强型晶体管ehemt，其栅极端子耦合到其漏极端子。

可以提供箝位电路来保护高压侧功率开关505免受过电流的影响。箝位电路可以包括箝位调节器570、齐纳二极管d3572和二极管d4574。齐纳二极管572具有耦合到第一开关s1554的第一端子和耦合到二极管d4574的第二端子。二极管d4574具有耦合至齐纳二极管572的第一端子和耦合至开关节点lx的第二端子。箝位调节器570可以与电容器c1536并联设置，以调节电源电压。例如，箝位调节器570可以实现为齐纳二极管。二极管d2564、d1557和d4574是可选的，并且被设置成当低压侧功率开关510导通(闭合)时防止电容器c1放电。

在启动时，输入电压vin被施加到转换器。耗尽型晶体管505和554导通，并且电容器c1536经由二极管d1557、电阻r1556和第一开关s1554通过第一路径充电。电容器c1的充电时间是电阻r1556中的电流和c1536的电容的函数。一旦电容器c1被充分充电以给转换器的其他功率消耗元件供电，则转换器的导通-截止周期就可以开始。例如，电容器c1可以充电到+6v。在导通-截止切换期间，转换器被认为处于正常操作模式。在这种正常模式期间，开关s1554断开。

如果c1536两端的电压vcc下降到低于某个值，由电感器l1515提供的能量的一部分可以用于通过导通开关s2562经由第二路径对c1充电。此外，当耗尽型晶体管505的消耗增加时，电容器c2507充当电荷泵电路。因此，来自c2的电容电流可用于经由s2对c1充电。如果输出电容(也称为耗尽型晶体管505的寄生电容)足够大，则不需要附加电容c2507。如果需要，c1也可以通过暂时闭合开关s1554来充电。

包括齐纳二极管d3572的箝位电路用于限制gan耗尽型晶体管505的漏极源极电压，因此再次保护其免受电压过载的影响。

图6示出了图5的电路500的简化版本。图6的转换器600共享了许多与图5的电路500中所示的那些部件类似的部件。相同的参考数字已用来表示相应的部件，并且为了简洁起见，不再重复其描述。

高压侧功率开关505通过第一路径耦合到电容器c1536，该第一路径包括与电阻r1656串联的二极管d1657。第二路径通过二极管d1657和与电阻r1656并联耦合的开关s1654来提供。提供控制器655来控制开关s1654。例如，开关s1654可以是增强型晶体管。

箝位电路由箝位晶体管672提供。例如，箝位晶体管可以是gan增强型晶体管，其具有耦合到电阻r1的漏极端子和经由可选二极管d2674耦合到地的源极端子。箝位晶体管672的栅极和漏极端子耦合。

在启动时，开关s1654断开，电容器c1通过二极管d1657和电阻r1656充电。在正常模式操作中，开关s1闭合，电容器c1可以经由二极管d1657和开关s1654使用电容电流充电。电容电流可以由高压侧开关505的漏极-源极电容器单独提供，或者由该漏极-源极电容器和与高压侧功率开关并联的附加电容器c2507的组合提供。这种方法允许通过进一步减少部件数量来简化电路设计。

以上参考图3、图4、图5和图6描述的电路中的任一个可以全部或部分地基于iii/v族半导体(诸如，氮化镓(gan))来实现。与其硅基对应物相比，gan晶体管显示出相对低的导通电阻并且可以达到更高的开关速度。因此，gan晶体管非常适合用于快速功率开关转换器的设计。与gan增强型晶体管相比，gan耗尽型晶体管具有更好的性能。

因此，使用gan耗尽型晶体管提高了转换器的整体性能。

本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的情况下，所公开的布置的变化是可能的。上文所描述的开关转换器不限于反驰式拓扑结构，并且能够应用于使用半桥配置的任何其他类型的开关转换器。例如，电路可以与降压转换器(buckconverter)或降-升压转换器(buck-boostconverter)一起使用。因此，仅通过示例的方式而不是为了限制的目的做出具体实施例的以上描述。技术人员将清楚，在没有显著改变的情况下，可以对所描述的操作进行微小的修改。