MOSFET电路和电源的制作方法

文档序号:16839165发布日期:2019-02-12 21:21阅读:228来源:国知局
MOSFET电路和电源的制作方法

本申请要求于2017年4月7日提交的美国临时申请No.62/483,040的权益和优先权。上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本实用新型涉及金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)电路和电源。



背景技术:

本部分提供与本实用新型相关的背景信息,这些背景信息不一定是现有技术。

多个MOSFET可以串联连接,其有时被称为“堆叠式”MOSFET配置。这些堆叠式MOSFET配置通常使用电容耦合以驱动堆叠式MOSFET配置中不同的MOSFET。具体地,电容器上的电荷变化用于获得用于MOSFET的栅极驱动信号。



技术实现要素:

本部分提供了本实用新型的概述,并非其全部范围或全部特征的全面公开。

根据本实用新型的一个方面,一种MOSFET电路,包括:具有栅极、源极和漏极的第一金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET);以及与所述第一MOSFET串联联接的第二MOSFET。所述第二MOSFET包括栅极、源极和漏极。所述MOSFET电路还包括控制器,所述控制器被配置为向所述第一MOSFET的栅极和所述第二MOSFET的栅极提供控制信号,以在所述第一MOSFET的漏-源电压和所述第二MOSFET的漏-源电压基本上为零时接通或关断所述第一MOSFET和所述第二MOSFET。

根据本实用新型的另一方面,一种MOSFET电路,包括:具有栅极、源极和漏极的第一金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。所述MOSFET电路还包括具有栅极、源极和漏极的第二MOSFET。所述第二MOSFET与所述第一MOSFET串联联接。电压共享电路联接在所述第一MOSFET的漏极和所述第二MOSFET的源极之间。所述电压共享电路包括至少两个串联连接的电阻器或至少两个串联连接的电容器。所述MOSFET电路还包括控制器,所述控制器被配置为向所述第一MOSFET的栅极和所述第二MOSFET的栅极提供相同的控制信号。

根据本实用新型的又一方面,公开了一种电源,所述电源包括主功率开关或同步整流器,所述主功率开关包括上述MOSFET电路或者所述同步整流器包括上述MOSFET电路。

根据本文提供的描述,其他方面和适用领域将变得显而易见。应该理解的是,本实用新型的各个方面可以单独实施或者与一个或更多个其他方面组合实施。还应该理解的是,这里的描述和具体示例仅用于示例的目的,而不意图限制本实用新型的范围。

附图说明

本文描述的附图仅用于选定的实施方式、而不是全部可能的实现方式的示例性目的,并且不旨在限制本实用新型的范围。

图1是根据本实用新型的一个示例性实施方式的MOSFET电路的电路图。

图2是根据本实用新型的另一示例性实施方式的包括电压共享电路的MOSFET电路的电路图。

图3是根据本实用新型的另一示例性实施方式的MOSFET电路的电路图。

图4是根据本实用新型的另一示例性实施方式的包括两个MOSFET电路的开关模式电源的电路图。

图5A是图3的MOSFET电路的示例性模拟电压波形的线状图。

图5B是图3的MOSFET电路的示例性测量电压波形的线状图。

图6是根据本实用新型的另一示例性实施方式的具有多于两个MOSFET开关的MOSFET电路的电路图。

贯穿附图的多个视图,对应的附图标记表示对应的特征。

具体实施方式

现在将参照附图更全面地描述示例性实施方式。

提供示例性实施方式,使得本实用新型将是透彻的且将向本领域的技术人员全面传达范围。提出多个具体细节,诸如具体部件、装置和方法的示例,以提供对本实用新型的实施方式的透彻理解。对于本领域的技术人员来说显而易见的是,不需要采用具体细节,示例性实施方式可以以许多不同形式来体现,以及具体细节和示例性实施方式均不应当被理解为限制本实用新型的范围。在一些示例性实施方式中,没有详细地描述公知的过程、公知的装置结构、和公知的技术。

本文中所使用的术语仅出于描述特定示例性实施方式的目的且不意图进行限制。如本文中所使用,单数形式“一”和“该”可以意图也包括复数形式,除非上下文另有明确指示。术语“包括”、“包含”和“具有”是包含性的且因此指所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件、和/或部件的存在,但是不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或附加。本文中所描述的方法步骤、过程和操作不应被理解为必须要求它们以所讨论或所示出的特定次序来执行,除非具体被认定为执行次序。也将理解,可以采用附加或替选步骤。

尽管术语“第一”、“第二”、“第三”等可以在本文中用于描述各种元件、部件、区域、层和/或区段,但是这些元件、部件、区域、层和/或区段不应当受这些术语限制。这些术语可以仅用于将一个元件、部件、区域、层或区段与另一个区域、层或区段区分。诸如“第一”、“第二”的术语和其它数字术语在本文中使用时不暗示顺序或次序,除非上下文有明确指示。因此,下文讨论的第一元件、第一部件、第一区域、第一层或第一区段可以被称为第二元件、第二部件、第二区域、第二层或第二区段,而不脱离示例性实施方式的教导。

为了便于描述,在本文中可以使用空间相对术语,诸如“内部”、“外部”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等,来描述如图中所示的一个元件或特征与其它的一个或多个元件或特征的关系。除了图中示出的取向之外,空间相对术语可以意图涵盖装置在使用或操作中的不同取向。例如,如果图中的装置被翻转,则描述为在其它元件或特征的“下方”或“下面”的元件将被取向为在该其它元件或特征的“上方”。因而,示例性术语“下方”可以涵盖上方和下方两种取向。该装置可以被另外地取向(旋转90度或以其它取向旋转)且本文中所使用的空间相对描述符被相应地理解。

根据本实用新型的一个示例性实施方式的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)电路在图1中示出并通常由附图标记100表示。如图1所示,MOSFET电路100包括串联联接的MOSFET 102和MOSFET 104,MOSFET电路100有时被称为“堆叠式”MOSFET配置。更具体地,MOSFET 102和MOSFET 104分别包括栅极(G)、源极(S)和漏极(D),MOSFET 102的源极与MOSFET 104的漏极联接。

如图1所示,MOSFET电路100可以包括连接到MOSFET 102的栅极(G)的可选的栅极驱动电路103和连接到MOSFET 104的栅极(G)的可选的栅极驱动电路105。MOSFET 102和MOSFET 104分别被其对应的栅极驱动电路103和栅极驱动电路105控制(例如,驱动)。具体地,栅极驱动电路103向MOSFET 102的栅极(G)提供栅极驱动信号(例如,以接通和关断MOSFET 102),并且栅极驱动电路105向MOSFET 104的栅极(G)提供栅极驱动信号。栅极驱动电路103和栅极驱动电路105可以包括任何合适的电阻器、二极管、开关等配置,用于将栅极驱动信号提供给对应的MOSFET 102和MOSFET 104。

MOSFET电路100包括控制器106。控制器106被配置为向MOSFET 102的栅极驱动电路103和MOSFET 104的栅极驱动电路105提供相同的控制信号。栅极驱动电路103响应于从控制器106接收到的控制信号来操作MOSFET 102,且栅极驱动电路105响应于从控制器106接收到的相同的控制信号来操作MOSFET 104。因此,MOSFET电路100可以被认为是“单驱动器”堆叠式MOSFET电路。

如图1所示,在控制器106和MOSFET 102的栅极驱动电路103之间可以联接有二极管107。当MOSFET 102被关断时,二极管107可以抑制(例如阻断、防止、降低)从MOSFET 102传播到控制器106的反向电压。以这种方式,二极管107可以促进MOSFET 102放电,并且抑制在放电期间从MOSFET 102传播到控制器106的反向电压。

控制器106可以被配置为利用零电压开关(ZVS)来操作MOSFET 102和MOSFET 104。这意味着MOSFET 102的漏-源电压在接通或关断MOSFET 102时基本上为零,且MOSFET 104的漏-源电压在接通或关断MOSFET 104时基本上为零。

例如,从控制器106向MOSFET 102的栅极驱动电路103提供的控制信号和向MOSFET 104的栅极驱动电路105提供的控制信号可以仅在MOSFET 102的漏-源电压基本上为零和MOSFET 104的漏-源电压基本上为零时接通和/或关断MOSFET 102和MOSFET 104。用于促进MOSFET 102和MOSFET 104的ZVS的控制信号的时序可以以任何合适的方式实现,包括感测MOSFET 102和MOSFET 104的各自的漏-源电压。或者,控制信号的时序可以基于与MOSFET电路100联接的其他开关(未示出)的操作时序,或者包含MOSFET电路100的电源(未示出)中的其他开关的操作时序等。

如图1所示,MOSFET 102和MOSFET 104串联联接在电压节点108和基准电位(例如,接地端)之间。在一些实施方式中,电压节点108可以是电源(例如,开关电源,诸如开关模式电源(SMPS),等等)的电压轨的一部分。例如,电压节点108可以是电源的次级(例如,输出)侧上的电压轨的一部分。在这些情况下,MOSFET 102和MOSFET 104可以是电源的同步整流器。

在一些实施方式中,电压节点108可以是电源的初级(例如,输入)侧上的电压轨的一部分。在这些情况下,MOSFET 102和MOSFET 104可以是电源的主功率开关。在其他实施方式中,MOSFET 102和MOSFET 104可以联接在电压节点108和除接地端以外的节点之间,或者可以联接在电源的不同部分之间,或者可以联接在除电源以外的电路中,等等。

如图1所示,MOSFET电路100包括电压共享(例如,电压平衡)电路112。电压共享电路112联接在MOSFET 102的漏极(D)和MOSFET 104的源极(S)之间,并允许MOSFET 102和MOSFET 104共享电压节点108的电压。因此,MOSFET 102和MOSFET 104中的每一个的两端的电压都小于电压节点108的电压。

如下面所进一步解释的,电压共享电路112可以包括电阻器、电容器等的任何合适的组合,以促进MOSFET 102和MOSFET 104两端的电压的共享(例如,平衡)。例如,电压共享电路112可以促进MOSFET 102的漏(D)-源(S)电压以及MOSFET 104的漏(D)-源(S)电压的平衡。

由于MOSFET 102和MOSFET 104每个仅具有电压节点108的电压的一部分,所以串联连接的MOSFET 102和MOSFET 104的击穿电压容量增加(例如,相对于联接在电压节点108和接地端之间的单个MOSFET增加,等等)。例如,串联连接的MOSFET 102和MOSFET 104的击穿电压容量可以大约是MOSFET 102和MOSFET 104中典型的单独一个的击穿电压的2倍(例如,如果MOSFET 102和MOSFET 104中仅有一个联接在电压节点108和接地端之间)。

在一些实施方式中,MOSFET 102两端的电压可以近似等于MOSFET 104两端的电压。例如,MOSFET 102和MOSFET 104可以分别具有电压节点108的大约一半的电压。在其他实施方式中,MOSFET 102两端的电压和MOSFET 104两端的电压可以不相等,MOSFET 102和MOSFET 104中的一个具有比MOSFET 102和MOSFET 104中的另一个更大的电压。

图2示出了根据本实用新型的另一示例性实施方式的MOSFET电路200。如图2所示,电压共享电路212包括串联联接在MOSFET 102的漏极(D)和MOSFET 104的源极(S)之间的电阻器214和电阻器216。位于电阻器214和电阻器216之间的节点218与位于MOSFET 102和MOSFET 104之间(即,在MOSFET 102的源极(S)和MOSFET 104的漏极(D)之间)的节点220联接。

电压共享电路212还包括串联联接在MOSFET 102的漏极(D)和MOSFET 104的源极(S)之间的电容器222和电容器224。位于电容器222和电容器224之间的节点226与位于MOSFET 102和MOSFET 104之间的节点220联接。

电压共享电路212被布置为促进MOSFET 102和MOSFET 104之间的电压共享(例如,平衡电压共享)。例如,电阻器214和电阻器216可以提供静态电压平衡等,以辅助MOSFET 102和MOSFET 104共享MOSFET 102两端和MOSFET 104两端近似相等的电压(例如,使得MOSFET 102和MOSFET 104分别具有电压节点108的大约一半的电压)。

电容器222和电容器224可以提供动态电压平衡等,以辅助MOSFET 102和MOSFET 104共享MOSFET 102两端和MOSFET 104两端近似相等的电压(例如,使得MOSFET 102和MOSFET 104分别具有电压节点108的大约一半的电压)。

虽然图2中示出的电压共享电路212包括串联连接的电阻器214和216以及串联连接的电容器222和224,但是其它实施方式可以仅包括串联连接的电阻器214和216或者串联连接的电容器222和224,或者两者都不包括。在一些实施方式中,电压共享电路212可以包括多于一组串联连接的电阻器、多于一组串联连接的电容器等。此外,串联连接的电阻器可以包括多于两个串联连接的电阻器,串联连接的电容器可以包括多于两个串联连接的电容器。

另外,虽然图2示出串联连接的电阻器214和216以及串联连接的电容器222和224联接在MOSFET 102的漏极(D)和MOSFET 104的源极(S)之间,但是其它实施方式可包括电压共享电路212的不同的连接布置。例如,如果MOSFET 102的漏极(D)与MOSFET 104的源极(S)联接(与图2所示的布置相反),则串联连接的电阻器214和216以及串联连接的电容器222和224可以联接在MOSFET 102的源极(S)和MOSFET 104的漏极(D)之间。

如上所述,在图2中,MOSFET 102的源极(S)与MOSFET 104的漏极(D)联接。在其他实施方式中,MOSFET 102的漏极(D)可以与MOSFET 104的源极(S)联接等。MOSFET 102和MOSFET 104分别可以是P沟道MOSFET、N沟道MOSFET等。在一些实施方式中,MOSFET 102和MOSFET 104可以基本相同。

控制器106可以配置为使用硬件和软件的任何合适的组合来执行操作。例如,控制器106可以包括任何合适的可操作的电路、逻辑门、一个或多个微处理器、存储在存储器中的计算机可执行指令等,以使控制器106执行本文所描述的动作(例如,将控制信号提供给MOSFET 102和MOSFET 104等)。

图3示出了根据本实用新型的另一个示例性实施方式的另一MOSFET电路300。如图3所示,MOSFET电路300包括串联联接的MOSFET Q1和MOSFET Q2。MOSFET Q1和MOSFET Q2联接在电压节点(Vdd)和接地端之间。

栅极驱动控制信号(Vgd)由控制器(未示出)提供给MOSFET Q2的栅极驱动电路。相同的栅极驱动控制信号(Vgd)也被提供给MOSFET Q1的栅极驱动电路。因此,MOSFET电路300可以被认为是“单驱动器堆叠式”MOSFET电路。

电压共享电路312包括在MOSFET Q1的漏极和MOSFET Q2的源极之间串联联接的电阻器R3和电阻器R4。电压共享电路312还包括在MOSFET Q1的漏极和MOSFET Q2的源极之间串联联接的电容器C1和电容器C2。

位于电阻器R3和电阻器R4之间的节点318与位于MOSFET Q1和MOSFET Q2之间的节点320联接。位于电容器C1和电容器C2之间的节点326与位于MOSFET Q1和MOSFET Q2之间的节点320联接。电压共享电路312可以辅助MOSFET Q1和MOSFET Q2维持MOSFET Q1两端和MOSFET Q2两端的共享(例如,平衡)电压(例如,MOSFET Q1和MOSFET Q2分别具有电压(Vdd)的大约一半)。

开关Q3联接在MOSFET Q1的栅极和位于MOSFET Q1与MOSFET Q2之间的节点320之间。开关Q3被联接以接收与提供给MOSFET Q1和MOSFET Q2的相同的栅极驱动信号(Vgd),从而抑制MOSFET Q1在栅极驱动信号(Vgd)处于逻辑低值时接通。

在电压节点(Vdd)是电源的次级输出侧的电压轨的一部分的情况下,MOSFET Q1和MOSFET Q2可以利用ZVS作为同步整流器操作。当电压节点(Vdd)变低时,在MOSFET Q1和MOSFET Q2初始接通之前,电流将流过MOSFET Q1和MOSFET Q2的体二极管。

在电压节点(Vdd)根据指定的时序要求而反转电压(例如,由于开关模式电源的下一个周期/阶段)之前、期间、或之后,MOSFET Q1和MOSFET Q2可以根据感测到的电压信号等基本上同时关断。

在MOSFET Q1和MOSFET Q2的接通状态期间、在MOSFET Q1和MOSFET Q2的关断状态期间、在MOSFET Q1和MOSFET Q2的断开状态期间等,电压共享电路312可以促进MOSFET Q1和MOSFET Q2之间的电压共享(例如,平衡电压共享)。

当MOSFET Q1断开时,二极管D1抑制(例如,阻断、防止、降低)从MOSFET Q1传播到栅极驱动信号节点(Vgd)的反向高电压。开关Q3和与开关Q3联接的电阻器R3形成MOSFET Q1的快速关断电路。

如图3所示,栅极驱动控制信号(Vgd)可以是具有一系列高电压值和低电压值的脉宽调制(PWM)信号,以接通和关断MOSFET Q1和MOSFET Q2。然而,其他实施方式可以包括具有除PWM方波之外的其他形式的栅极驱动控制信号(Vgd)。

在一些实施方式中,MOSFET电路可不包括驱动MOSFET中的一个或多个的任何电容耦合。例如,MOSFET电路可不利用与MOSFET的栅极联接的电容器上的电荷变化来驱动MOSFET。在允许MOSFET的体二极管导通的应用中,当体二极管导通时(例如,当漏-源电压基本上为零时等),电容耦合可能无法正常工作。该体二极管导通可能会错误地触发对电容器进行充电和/或放电,从而导致MOSFET意外接通和/或关断。

图4示出了开关模式电源400,其包括两个MOSFET电路401和403。MOSFET电路401和403可以类似于上述的MOSFET电路100、200、300。

如图4所示,MOSFET电路401与电源400的次级输出侧上的一个电压轨联接。在这种情况下,MOSFET电路401作为电源400的该电压轨的同步整流器操作。

MOSFET电路403与电源400的次级输出侧上的另一电压轨(即,不同于与MOSFET电路401联接的电压轨)联接。在这种情况下,MOSFET电路403作为电源400的另一电压轨的同步整流器操作。

虽然图4中示出MOSFET电路401和MOSFET电路403作为电源400的同步整流器操作,但是在其它实施方式中,MOSFET电路401和MOSFET电路403可以与电源400的初级输入侧上的电压轨联接,以作为主功率开关操作等。

图5A示出了图3中所示的MOSFET电路300的MOSFET Q1和MOSFET Q2的模拟电压波形。图5A的上部迹线505示出了在MOSFET Q1和MOSFET Q2的多个接通和关断事件期间的MOSFET Q1的栅-源电压和MOSFET Q2的栅-源电压。图5A的下部迹线507示出了在MOSFET Q1和MOSFET Q2的多个接通和关断事件期间的MOSFET Q1的漏-源电压和MOSFET Q2的漏-源电压。

图5B示出了图3中所示的MOSFET电路300的MOSFET Q1和MOSFET Q2在MOSFET电路300的操作期间的测量电压波形。图5B的上部迹线509示出了在MOSFET Q1和MOSFET Q2的多个接通和关断事件期间的MOSFET Q1的栅-源电压和MOSFET Q2的栅-源电压。图5B的下部迹线511示出了在MOSFET Q1和MOSFET Q2的多个接通和关断事件期间的MOSFET Q1的漏-源电压和MOSFET Q2的漏-源电压。

图6示出了根据本实用新型的另一示例性实施方式的包括多个MOSFET 602-1至602-N的MOSFET电路600。类似于本文描述的其它示例性MOSFET电路,多个MOSFET 602-1至602-N串联联接(即,在电压节点608和基准电位之间串联联接)。

MOSFET电路600包括多个栅极驱动电路603-1至603-N。多个栅极驱动电路中的每一个向多个MOSFET 602-1至602-N中相对应的一个提供控制信号。

控制器606向栅极驱动电路603-1至栅极驱动电路603-N中的每一个提供相同的控制信号。然后栅极驱动电路603-1至栅极驱动电路603-N中的每一个响应于从控制器606接收到的控制信号操作MOSFET 602-1至MOSFET 602-N中相对应的一个MOSFET。

MOSFET电路600还包括多个二极管607-1至607-(N-1)。二极管607-1至二极管607-(N-1)中的每一个都联接在控制器606和栅极驱动电路603-1至栅极驱动电路603-(N-1)中相对应的一个栅极驱动电路之间,以促进MOSFET 602-1至MOSFET 602-(N-1)中与其对应的MOSFET放电。

电压共享电路612联接在MOSFET 602-1的漏极(D)与MOSFET 602-N的源极(S)之间。电压共享电路612可以辅助促进MOSFET 602-1至MOSFET 602-N之间近似相等的电压共享。

如上所述,MOSFET电路600包括串联联接的多个MOSFET 602-1至602-N,它们可以由来自控制器606的相同的控制信号驱动。虽然MOSFET电路600示出了三个MOSFET,但是其它实施方式可以包括多于三个的MOSFET(例如,四个MOSFET、五个MOSFET等)。

本文所描述的MOSFET电路可用于任何合适的应用,包括作为开关模式电源(SMPS)的主功率开关、同步整流器等。MOSFET电路可以用于在完全接通MOSFET沟道之前允许体二极管导通特定时间的应用。

在另一示例性实施方式中,公开了一种操作MOSFET电路的方法。所述MOSFET电路包括串联联接的第一金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和第二MOSFET。每个MOSFET包括栅极、源极和漏极。每个MOSFET可以具有与该MOSFET的栅极联接的栅极驱动电路,并且可以包括联接在该栅极驱动电路和MOSFET电路的控制器之间的二极管。电压共享电路可以联接在各MOSFET之间。

该方法包括向所述第一MOSFET的栅极和所述第二MOSFET的栅极提供相同的栅极驱动信号,以利用零电压开关(ZVS)来操作所述第一MOSFET和所述第二MOSFET,其中,在接通或关断所述第一MOSFET和所述第二MOSFET时,所述第一MOSFET的漏-源电压和所述第二MOSFET的漏-源电压基本上为零。

在一些实施方式中,所述MOSFET电路可以包括联接在所述第一MOSFET的漏极和所述第二MOSFET的源极之间的电压共享电路,以促进所述第一MOSFET和所述第二MOSFET之间的电压共享(例如,平衡电压共享)。在这些情况下,所述电压共享电路可以包括至少两个串联连接的电阻器和/或至少两个串联连接的电容器。串联连接的电阻器可以提供静态电压平衡网络,串联连接的电容器可以提供动态电压平衡网络。

在一些实施方式中,MOSFET电路可以包括开关,该开关联接在所述第一MOSFET的栅极驱动电路和位于所述第一MOSFET与所述第二MOSFET之间的节点之间。在这些情况下,该方法还可以包括向上述开关提供栅极驱动信号,以在所述栅极驱动信号为低时抑制所述第一MOSFET接通。在一些实施方式中,为第一MOSFET提供栅极驱动信号以及为所述第二MOSFET提供栅极驱动信号可以包括:提供所述栅极驱动信号以控制第一MOSFET和第二MOSFET,使得在接通状态、关断状态、断开状态等期间,第一MOSFET两端的电压与第二MOSFET两端的电压基本相同。

本文公开的任何示例性实施方式和示例性方面可以与本文公开的任何其它示例性实施方式和示例性方面以任意合适的组合使用,而不脱离本实用新型的范围。例如,本文所描述的MOSFET电路可以实现其它操作方法,本文所描述的操作方法可以在其它MOSFET配置中实现等,而不脱离本实用新型的范围。

本实用新型的示例性实施方式和示例性方面可提供以下优点中的任何一个或多个(或没有):减少部件数量;降低成本;降低电路复杂性;增加时序控制精度;提高MOSFET之间的电压共享;提高串联连接的MOSFET的击穿电压容量;降低在MOSFET关断时的前沿电压峰值。

出于示例和说明的目的提供了上述实施方式的描述。这不意图是穷举的或限制本实用新型。即使没有具体示出或描述,特定实施方式的各个元件或特征通常不限于该特定实施方式,而是在可适用的情况下是可互换的并且可以被用在选定的实施方式中。这些元件或特征也可以很多方式变化。这些变化不应当被视为背离本实用新型,并且所有这些修改旨在被包括在本实用新型的范围内。

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