一种复合功率晶体管装置及其控制方法与流程

本发明涉及一种复合功率晶体管装置及其控制方法，在特定的实施例中，涉及用于抑制包括彼此串联的高边及低边开关的功率转换系统中的开关节点振铃效应(switching node ringing)的控制方法。

背景技术：

1、随着技术的不断进步，各种处理器例如数字信号处理器(dsps)，现场可编程门阵列(fpgas)，中央处理器和/或类似处理器(cpus)，变得越来越流行。各个处理器工作于低压(例如，低于1v)下，并消耗大量的电流。期间，输入电压总线保持不变(例如12v)或提升至更高的水平(例如48v)取决于不同的应用场景或设计需要。

2、在需要低压输出的高压应用中，传统上利用两个级联功率晶体管将输入高电压转换为合适的低电压供给处理器。然而，这种电源架构增加了系统的成本和复杂性。

3、为了降低系统的功耗及复杂程度，工作于高压应用场景的处理器可以由功率转换器供电。例如降压转换器(buck converter)的功率转换器包括两个串联的功率开关。不接地的第一功率开关称为高边开关。接地的第二功率开关称为低边开关。高边开关与低边开关相耦合的共同节点为功率转换器的开关节点。分别利用低边栅极驱动电路和高边栅极驱动电路来控制低边开关和高边开关的栅极。低边栅极驱动电路的偏置电压由受控偏置电压源提供。高边栅极驱动电路可能需要比连接到功率转换器的输入电压源电压更高的栅极电压。

4、高边开关与低边开关可以是金属氧化物半导体场效应管(mosfet)。mosfet是电压控制器件。当mosfet的栅极被施加栅极驱动电压，并且栅极驱动电压高于mosfet阈值电压时，在mosfet的源极与漏极之间会形成导电沟道。另一方面，当栅极驱动电压低于mosfet阈值电压时，相应的，mosfet被关断。

5、在实际操作中，功率开关的导通和关断会导致各种问题。例如，高边开关的快速导通会导致在电流路径上产生寄生电感。低边开关的体二极管中电荷耗尽等效为电容。具有低导通电阻(rdson)的高边开关，寄生电感和电容形成具有高q值的lc振荡电路。这个具有高q值的lc振荡电路会在开关节点处产生显著的电压过冲和欠阻尼振铃(under-dampedringing)，从而导致电磁干扰(emi)问题。欠阻尼振铃的存在，需要给检测流过高边开关电流的检测电路设置较长的消隐时间(blanking time)。此外，功率开关的快速导通可能会引发电压尖峰从而损坏功率开关。为了克服电压尖峰，必须使用更高电压等级(voltagerating)的mosfets。更高等级的mosfets会增加系统的成本。上述问题可以通过降低开关节点电压的转换速率来解决。然而，降低开关节点电压的转换速率可能会增加功率开关的开关损耗。开关损耗随着频率的增加而增加。因此，这种解决方案舍弃了高频应用操作(例如，超过1mhz)。此外，在高电压到低电压转换应用中，高边开关的导通脉冲非常窄。在没有更长消隐时间的情况下，开关节点上的振铃效应可能会使电流检测电路的无法正常工作。因为高边开关的导通脉冲非常窄，消隐时间可能会比高边开关的导通时间更长。在这种操作情况下，电流检测电路不能准确地检测流过高边开关的电流。最好是有一种简单并且可靠的控制方法来减少开关节点上的振铃效应以解决上述各种问题，从而为处理器提供可靠的电源供给。

技术实现思路

1、利用本公开的优选实施例提出了一种复合功率晶体管装置及其控制方法，用于减少包括串联的高边开关和低边开关的功率转换系统开关节点的振铃效应，可以使上述问题或其他问题得以解决或规避，并且通常可以获得技术上的优势。

2、根据一个实施例，一种装置包括第一开关组件，其包括并联地耦合在该装置的第一极和第二极之间的第一数量晶体管单元，其中第一数量晶体管单元的栅极彼此耦合，并且第一数量晶体管单元的栅极配置为耦合到第一栅极驱动电路的输出端，第二开关组件包括并联的耦合在该装置的第一极和第二极之间的第二数量晶体管单元，其中第二数量晶体管单元的栅极彼此耦合，第二数量晶体管单元的栅极配置为耦合到第二栅极驱动电路的输出端，以及其中在第一栅极驱动电路与第二栅极驱动电路之间设置延时时间。

3、根据另一个实施例，一种方法包括关断低边开关的第一开关组件，在关断低边开关的第一开关组件后第一延时时间后，关断低边开关的第二开关组件，导通高边开关的第二开关组件，并且在导通高边开关的第二开关组件后第二延时时间后，导通高边开关的第一开关组件。

4、根据另一个实施例，一个系统包括串联在第一电压总线和第二电压总线之间的高边开关和低边开关，其中，高边开关包括由第一数量高边晶体管单元并联耦合的第一高边开关组件，以及第二高边开关组件包含并联的第二数量高边晶体管单元，以及低边开关包括并联的第一数量低边晶体管单元耦合的第一低边开关组件，以及第二低边开关组件包括并联的第二数量低边晶体管单元，第一高边驱动器配置为为第一高边开关组件中的第一数量高边晶体管单元提供第一高边驱动信号。第二高边驱动器配置为为第二数量高边晶体管单元提供第二高边驱动信号，第一低边驱动器配置为为第一低边开关组件中的第一数量低边晶体管单元提供第一低边驱动信号，以及第二低边驱动器配置为为第二低边开关组件中的第二数量低边晶体管单元提供第二低边驱动信号。

5、上述内容大致概括了本公开的特征和技术优势，以便更好地理解以下对本公开的详细描述。下文将描述本公开的其他特征和优点，这些特征和优点构成本公开的权利要求的主题。本领域技术人员应当理解，所公开的概念和具体实施例可以容易地用作修改或设计其他结构或工艺的基础，以实现与本公开的相同目的。本领域技术人员还应该认识到，这样的等效构造不脱离所附权利要求中所陈述的本公开的精神和范围。

技术特征：

1.一种装置，包括：

2.根据权利要求1所述的装置，其中：

3.根据权利要求1所述的装置，其中：

4.根据权利要求3所述的装置，其中：

5.根据权利要求1所述的装置，其中：

6.根据权利要求5所述的装置，其中：

7.根据权利要求1所述的装置，其中：

8.一种方法包括：

9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：

10.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：

11.根据权利要求8所述的方法，其中：

12.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：

13.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：

14.根据权利要求13所述的方法，其中：

15.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：

16.根据权利要求8所述的方法，其中降压转换器包括所述高边开关，所述低边开关和电感，以及其中：

17.一种系统，包括：

18.根据权利要求17所述的系统，其中：

19.根据权利要求17所述的系统，其中：

20.根据权利要求17所述的系统，进一步包括：

技术总结
本申请涉及一种复合功率晶体管装置，包括第一开关组件，其包括并联的耦合在该装置第一极与第二极之间的第一数量晶体管单元，其中，第一数量晶体管单元的栅极彼此耦合，并且第一数量晶体管单元的栅极耦合到第一栅极驱动电路的输出端；以及第二开关组件，其包括并联的耦合在该装置第一极与第二极之间的第二数量晶体管单元，其中，第二数量晶体管单元的栅极彼此耦合，并且第二数量晶体管单元的栅极耦合到第二栅极驱动电路的输出端，以及其中，在第一栅极驱动电路的输出端与第二栅极驱动电路的输出端设置延时时间。

技术研发人员：倪川
受保护的技术使用者：瓴芯科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13