專利名稱：半橋反激和正激的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及開關(guān)，特別涉及級聯(lián)開關(guān)。
背景技術(shù)：
級聯(lián)開關(guān)通常設(shè)計有兩個或更多串聯(lián)連接的M0SFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)或者IGBT (絕緣柵雙極晶體管)。例如，在兩個晶體管級聯(lián)開關(guān)中，一個晶體管耦接到負載，并且第二個晶體管被串聯(lián)耦接在第一晶體管和地面之間。該晶體管被接通和關(guān)斷，以便按照要求或需要切換負載電流。跨級聯(lián)開關(guān)中包括的全部串聯(lián)的功率晶體管分配負載電壓。例如，兩個800V額定MOSFET可以被串聯(lián)連接，用于開關(guān)1000V或者更大的負載。級聯(lián)開關(guān)的普遍問 題是如何驅(qū)動高端MOSFET或者IGBT，即最靠近負載耦接的晶體管。在常規(guī)方法中，與電阻器串聯(lián)的諸如齊納二極管的高電壓電源被用于打開高端晶體管，并且流過高端晶體管的負載電流被用于無源關(guān)掉晶體管。低端晶體管即最靠近地面耦接的晶體管，被用脈沖低電壓電源接通并關(guān)斷。該方法的缺點是，無源關(guān)掉高端晶體管高度取決于負載電流，并且在關(guān)掉高端晶體管期間，在低端晶體管電壓限制器上存在高的耗散。

發(fā)明內(nèi)容
本文公開了實施方式，其中低電壓電源被用于打開級聯(lián)開關(guān)的高端晶體管。這里所述的其他實施方式使用本地驅(qū)動級與負載電流無關(guān)地有源關(guān)掉級聯(lián)開關(guān)的高端晶體管。這些實施方式的各種可以如本文所述的彼此組合，從而產(chǎn)生級聯(lián)開關(guān)，其中低電壓電源被用于打開該開關(guān)的高端晶體管，并且該高端晶體管被與負載電流無關(guān)地有源地關(guān)閉。本文所述的另外的實施方式提供了一部分，被用于關(guān)掉高端晶體管的關(guān)掉能量的恢復(fù)、雪崩保護和無損耗開關(guān)。根據(jù)電路的實施方式，該電路包括高端開關(guān)、低端開關(guān)、二極管、具有初級繞組和次級繞組的變壓器和被連接到初級繞組的第一端子的輸入端。高端開關(guān)具有源極、連接到驅(qū)動源的柵極和連接到初級繞組的第二端子的漏極。低端開關(guān)具有連接到地的源極、連接到驅(qū)動源的柵極和連接到高端開關(guān)的源極的漏極。該二極管被連接在高端開關(guān)的柵極和初級繞組的第一端子之間。當(dāng)?shù)投碎_關(guān)關(guān)閉，直到高端開關(guān)關(guān)閉時，該二極管與初級繞組和高端開關(guān)形成電流回路以循環(huán)電流。根據(jù)開關(guān)負載的方法的實施方式，該方法包括:驅(qū)動連接到變壓器的初級繞組的第一端子的輸入端，該變壓器具有連接到負載的次級繞組；接通或關(guān)斷低端開關(guān)，該低端開關(guān)具有漏極、連接地的源極、連接到驅(qū)動源的柵極；接通或關(guān)斷高端開關(guān)，該高端開關(guān)具有連接到初級繞組的第二端子的漏極、連接到低端開關(guān)的漏極的源極和連接到驅(qū)動源的柵極；以及當(dāng)?shù)投碎_關(guān)關(guān)閉并且高端開關(guān)關(guān)閉時，在由初級繞組、高端開關(guān)和二極管形成的回路中循環(huán)電流，其中二極管連接在高端開關(guān)的柵極和初級繞組的第一端子之間。根據(jù)電路的另一個實施方式，該電路包括具有初級繞組和次級繞組的變壓器、連接到初級繞組的第一端子的輸入端、具有源極、連接到驅(qū)動源的柵極和連接到初級繞組的第二端子的漏極的高端開關(guān)和具有連接到地的源極、連接到驅(qū)動源的柵極和連接到高端開關(guān)的源極的漏極的低端開關(guān)。二極管被連接在高端開關(guān)的柵極和初級繞組的第一端子之間。該二極管適于在關(guān)閉高端開關(guān)期間使電流在具有初級繞組和高端開關(guān)的回路中循環(huán)，并且當(dāng)在高端開關(guān)關(guān)閉之后初級繞組斷開連接時，電流經(jīng)由變壓器中的磁場被轉(zhuǎn)移到次級繞組。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)閱讀下列詳細說明和依據(jù)察看附圖會認識到額外特點和優(yōu)點。


附圖的元件不必須 相互之間按比例。類似的參考數(shù)字指示相應(yīng)的類似部分。各種所述實施方式的特征能夠組合，除非其彼此排斥。實施方式在附圖中示出并且在隨后的描述中詳述。圖1示出包括負載和耦接到負載的級聯(lián)開關(guān)的電路的方框圖，該級聯(lián)開關(guān)具有有低電壓電源輸入的高端功率晶體管。圖2示出包括負載、耦接到負載的級聯(lián)開關(guān)和用于與負載電流無關(guān)地有源關(guān)閉級聯(lián)開關(guān)的高端晶體管的裝置的電路的方框圖。圖3示出包括負載和耦接到負載的級聯(lián)開關(guān)的電路的方框圖，該級聯(lián)開關(guān)具有耦接到同一低電壓電源輸入的高端功率晶體管和低端功率晶體管。圖4示出包括負載和耦接到負載的級聯(lián)開關(guān)的電路的方框圖，該級聯(lián)開關(guān)具有耦接到不同低電壓電源輸入的高端功率晶體管和低端功率晶體管。圖5示出包括負載、耦接到負載的級聯(lián)開關(guān)和能量恢復(fù)裝置的電路的方框圖。圖6示出包括負載、耦接到負載的級聯(lián)開關(guān)和用于與負載電流無關(guān)地有源關(guān)閉級聯(lián)開關(guān)的聞端晶體管的雙極晶體管的電路的方框圖。圖7示出包括負載、耦接到負載的級聯(lián)開關(guān)和用于與負載電流無關(guān)地有源關(guān)閉級聯(lián)開關(guān)的多個功率晶體管的雙極晶體管的電路的方框圖。圖8示出包括負載、耦接到負載的級聯(lián)開關(guān)和用于級聯(lián)開關(guān)的電壓限制電路的電路的方框圖。圖9示出包括負載和耦接到負載并具有無損耗開關(guān)的級聯(lián)開關(guān)的電路的方框圖。圖10示出半橋反激電路的方框圖。圖11示出根據(jù)另一個實施方式的半橋反激電路的方框圖。圖12示出半橋正激變換器電路的方框圖。圖13示出根據(jù)另一個實施方式的半橋正激變換器電路的方框圖。
具體實施方式
圖1示出耦接到負載110的級聯(lián)開關(guān)100的實施方式。該負載110還被連接到輸入源120。該級聯(lián)開關(guān)100開關(guān)該負載電流，并且包括耦接到負載110的第一功率晶體管102和與第一功率晶體管102串聯(lián)耦接的第二功率晶體管104，以便第二功率晶體管104在地面和第一功率晶體管102之間。在一個實施方式中，級聯(lián)晶體管102、104是功率M0SFET。在另一個實施方式中，級聯(lián)晶體管102、104是IGBT。在所有情況下，第二功率晶體管104(在本文中也被稱作低端晶體管或開關(guān))響應(yīng)于耦接到低端晶體管104的柵極的脈沖低電壓源130接通和關(guān)斷。第一功率晶體管102 (在本文中也被稱作高端晶體管或開關(guān))響應(yīng)于與第二功率晶體管相同的脈沖源或者耦接到高端晶體管102的柵極的DC源130接通和關(guān)斷。在第一種情形中，級聯(lián)開關(guān)100的兩個晶體管102、104從例如由控制電路提供的相同脈沖源驅(qū)動。在第二種情形中，低端晶體管104是從脈沖源驅(qū)動的，并且高端晶體管102是從例如也由控制電路提供的DC電源電壓驅(qū)動。其中高端晶體管102是從DC電源電壓驅(qū)動的第二種方案對于例如1000V和更高的高電壓應(yīng)用可以是更有利的。在每種情形中，根據(jù)這個實施方式高電壓電源不被用于接通高 端晶體管102。相反，低電壓打開驅(qū)動被用于級聯(lián)開關(guān)100的高端和低端晶體管102、104兩者。圖2示出耦接到負載110的級聯(lián)開關(guān)200的另一個實施方式。該級聯(lián)開關(guān)200具有與圖1中相同的功率晶體管102、104的串聯(lián)設(shè)置，然而高端晶體管102被耦接到本地驅(qū)動級202,本地驅(qū)動級202與負載電流無關(guān)地有源關(guān)閉聞端晶體管102。該聞端和低端功率晶體管102、104能夠每個都具有如上面參考圖1所述的低電壓輸入源130，或者替換地相反高端晶體管102可以具有高電壓輸入源。該高端晶體管102經(jīng)由本地驅(qū)動級202被與負載電流無關(guān)地有源關(guān)斷。圖1和圖2中所示的實施例可以被組合從而產(chǎn)生級聯(lián)開關(guān)，其中低電壓電源被用于打開高端晶體管102，并且該高端晶體管102也被與負載電流無關(guān)地有源關(guān)閉。圖3示出耦接到負載的級聯(lián)開關(guān)300的實施方式。根據(jù)本實施方式該負載是變壓器，具有初級繞組(Pl)和次級繞組(SI)。該初級繞組Pl被連接到輸入源V2，并且次級繞組SI經(jīng)由整流二極管D3被連接到由電壓V3表示的負載。該級聯(lián)開關(guān)300包括被耦接到初級繞組Pl的高端MOSFET Q2和在地面和高端MOSFET Q2之間串聯(lián)耦接的低端MOSFET Ql。根據(jù)這個實施方式，低端MOSFET Ql的柵極經(jīng)由電阻器Rl被耦接到脈沖低電壓源VI。高端MOSFET Q2的柵極經(jīng)由電阻器R2和整流二極管D4被耦接到與低端MOSFET Ql相同的脈沖低電壓源VI。整流二極管D4的陰極被連接到電阻器R2，并且陽極被連接到脈沖源VI。根據(jù)本實施方式，級聯(lián)開關(guān)300的功率晶體管Ql和Q2從相同的低電壓脈沖源Vl驅(qū)動。如圖3所示的級聯(lián)開關(guān)300進一步包括二極管D2，二極管D2起到電壓限制器的作用，用于將高端MOSFET Q2的柵源電壓(Vgs)保持在安全水平以下，例如低于20V。通常，脈沖低電壓源Vl的振幅低于該安全水平(在這個實例中是20V)，因此電壓限制器二極管D2被提供作為安全措施。高端MOSFET Q2的柵極還被耦接到整流二極管D5的陽極，整流二極管D5的陰極被耦接到瞬時電壓抑制(TVS)二極管Dl的陰極。TVS 二極管Dl的陽極被連接到地。TVS 二極管Dl起到高電壓齊納二極管的作用。在打開級聯(lián)開關(guān)300期間，脈沖源Vl打開低端MOSFET Ql，并且整流二極管D4開始導(dǎo)通。在導(dǎo)通狀態(tài)中，整流二極管D4通過電阻器R2充電高端MOSFET Q2的輸入電容，打開高端MOSFET Q2。在關(guān)掉級聯(lián)開關(guān)300期間，脈沖源Vl關(guān)掉低端MOSFET Ql，這又使Ql的漏源電壓(Vds)開始上升。當(dāng)MOSFET Ql的Vds達到TVS 二極管Dl的閾值電壓時，整流二極管D5開始導(dǎo)通，并且負載電流從低端MOSFET Ql轉(zhuǎn)移到TVS 二極管Dl。負載電流通過高端MOSFETQ2的柵源電容器Cgs，Cgs放電。當(dāng)Cgs放電時，該高端MOSFET Q2關(guān)閉。同樣，根據(jù)本實施方式，關(guān)閉高端MOSFET Q2取決于負載電流。當(dāng)Vgs達到電壓限制器二極管D2的-Vf (正向電壓)時，電流從Cgs轉(zhuǎn)移到二極管D2。電流流過電壓限制器二極管D2，直到高端MOSFET Q2完全關(guān)閉。圖4示出類似于圖3中所示的實施方式的級聯(lián)開關(guān)400的實施方式，然而低端MOSFET Ql是從脈沖源Vl驅(qū)動的，并且高端MOSFET Q2是從DC電源V4驅(qū)動的。圖4中所示的實施方式可以對于例如1000V和更高的高電壓應(yīng)用更有利。下面描述級聯(lián)開關(guān)的額外的實施方式。為了便于說明，在這些實施方式的每個中，級聯(lián)開關(guān)的高端和低端晶體管被示為連接到相同低電壓脈沖源。然而，如上所述該高端和低端晶體管能夠被連接到不同輸入源。圖5示出類似 于圖3中所示的實施方式的級聯(lián)開關(guān)500的實施方式，然而整流二極管D5的陰極代替TVS 二極管被耦接到能量恢復(fù)電路510。該能量恢復(fù)電路510包括電容器Cl和C2和整流二極管Dl、DlO和D11。該能量恢復(fù)電路510在關(guān)斷級聯(lián)功率晶體管Ql和Q2期間存儲來自負載的能量，并且在隨后的功率晶體管Ql和Q2的開關(guān)循環(huán)期間重新使用所存儲的能量為負載供電。圖5中所示的電路具有全波整流器520，全波整流器520包括二極管D6、D7、D8和D9，用于整流向負載的AC輸入源V2。在打開級聯(lián)開關(guān)500期間，脈沖源Vl打開低端MOSFET Ql，并且整流二極管D4開始導(dǎo)通，通過電阻器R2充電高端MOSFET Q2的輸入電容。高端MOSFET Q2響應(yīng)打開。在這里，電壓限制器二極管D2維持高端MOSFET Q2的Vgs低于如前面所述的安全水平。在關(guān)閉級聯(lián)開關(guān)500期間，脈沖源Vl關(guān)閉低端MOSFET Q1，并且Ql的Vds相應(yīng)地開始上升。當(dāng)?shù)投薓OSFET Ql的Vds達到總線電壓的一半(B卩，跨Cl、DIO、C2的電壓的一半，或者換句話說整流輸入電壓)，整流二極管D5開始導(dǎo)通，并且負載電流從低端MOSFET Ql轉(zhuǎn)移到能量恢復(fù)電路510的輸入電容器Cl。負載電流通過高端MOSFET Q2的Cgs。當(dāng)高端MOSFET Q2的Cgs響應(yīng)于負載電流而放電時，高端MOSFET Q2關(guān)閉。當(dāng)高端MOSFET Q2的Vgs達到電壓限制器二極管D2的-Vf時，電流從Cgs轉(zhuǎn)移到電壓限制器二極管D2。電流流過二極管D2，直到高端MOSFET Q2完全關(guān)閉。能量被容納在能量恢復(fù)電路510的電容器Cl中，并且在級聯(lián)開關(guān)500的下一個開關(guān)循環(huán)中被重新使用，從而提高效率，而不是如圖3和4中所示的實施方式完成的在TVS 二極管上耗散能量。二極管Dl、DIO、Dll和電容器Cl和C2一起形成無源因數(shù)校正電路，其恢復(fù)部分開關(guān)能量。圖6示出類似于圖3所示的實施方式的級聯(lián)開關(guān)600的另一個實施方式，然而提供了附加裝置，該附加裝置被耦接到高端MOSFET Q2的柵極，并且與負載電流無關(guān)地有源關(guān)閉高端MOSFET Q2。根據(jù)本實施方式，該裝置是具有基極、發(fā)射極和集電極的雙極結(jié)晶體管(BJT) Q3，其中基極被耦接到整流二極管D4的陰極和整流二極管D2的陽極之間的節(jié)點，發(fā)射極在整流二極管D2的陰極和電阻器R2之間的節(jié)點被耦接到高端MOSFET Q2的柵極，并且集電極被耦接到高端MOSFET Ql和低端MOSFET Q2的串聯(lián)連接之間的節(jié)點。電阻器R3被耦接在BJT Q3的基極和集電極之間。在打開級聯(lián)開關(guān)600期間，脈沖源Vl打開低端MOSFET Ql，并且整流二極管D2和D4開始導(dǎo)通并通過電阻器R2充電高端MOSFET Q2的輸入電容。高端MOSFET Q2響應(yīng)打開。BJT Q3停止，因為Q3的基極發(fā)射極電壓(Vbe)是負的。在關(guān)閉級聯(lián)開關(guān)600期間，脈沖源Vl關(guān)閉低端MOSFET Q1，并且Ql的Vds開始上升。這依次使二極管D2和D4變?yōu)榉聪蚱?，并且使得BJT晶體管Q3導(dǎo)通并放電高端MOSFET Q2的Cgs，關(guān)閉Q2。在M0SFETQ1和Q2兩者上的電壓同時上升。根據(jù)本實施方式，高端MOSFETQ2的關(guān)閉時間不取決于負載電流，意思指例如如單個MOSFET的情形中仍舊存在關(guān)閉時間對負載電流的微小的相關(guān)性。該電路拓撲不廣生關(guān)閉時間對負載電流的任何附加相關(guān)性。圖7示出類似于圖6中所示的實施方式的級聯(lián)開關(guān)700的實施方式，然而附加的功率晶體管Q4與第一和第二功率晶體管Ql和Q2串聯(lián)耦接，以便跨全部串聯(lián)連接的功率晶體管分配應(yīng)用到負載的電壓。還以與BJT Q3相同的配置設(shè)置附加的BJT Q5，用于與負載電流無關(guān)地有源關(guān)閉功率晶體管Q4。更詳細地，BJT Q5具有基極、發(fā)射極和集電極，其中基極被耦接到整流二極管D4 的陰極和整流二極管Dl的陽極之間的節(jié)點，發(fā)射極在整流二極管Dl的陰極和電阻器R4之間的節(jié)點被耦接到功率晶體管Q4的柵極，并且集電極被耦接到功率晶體管Q4和Q2的串聯(lián)連接之間的節(jié)點。電阻器R5被耦接在BJT Q5的基極和集電極之間。在打開級聯(lián)開關(guān)700期間，脈沖源Vl打開MOSFET Q1，并且整流二極管D5和D2開始導(dǎo)通并通過電阻器R2充電功率晶體管Q2的輸入電容。晶體管Q2響應(yīng)地打開。BJT晶體管Q3截止，因為Q3的Vbe是負的。整流二極管D4和Dl也開始導(dǎo)通并且通過電阻器R4充電功率晶體管Q4的輸入電容，并且Q4響應(yīng)地打開。BJT晶體管Q5也截止，因為Q5的Vbe是負的。在關(guān)閉級聯(lián)開關(guān)700期間，脈沖源Vl關(guān)閉MOSFET Q1，并且Ql的Vds開始上升。這依次使整流二極管D2和D5變?yōu)榉聪蚱?，并且使得BJT晶體管Q3導(dǎo)通并放電高端MOSFETQ2的Cgs。晶體管Q2響應(yīng)地關(guān)閉。類似地，整流二極管Dl和D4變?yōu)榉聪蚱?，并且BJT晶體管Q5導(dǎo)通并放電MOSFET Q4的Cgs，并且Q4關(guān)閉。該電壓在全部三個M0SFETQ1、Q2和Q4上同時上升。根據(jù)本實施方式，與用圖6所不的實施方式一樣,MOSFET Q1、Q2和Q4的關(guān)閉時間不取決于負載電流，意思指例如像用于單個M0SFET，仍舊可以存在關(guān)閉時間對負載電流的微小的相關(guān)性。同時，該電路拓撲不產(chǎn)生關(guān)閉時間對負載電流的任何附加相關(guān)性。在關(guān)閉期間，因為部件容許限度，級聯(lián)開關(guān)中包括的一個功率晶體管能夠在其他的之前獲得最大電壓。這個晶體管進入雪崩模式，直到另一個功率晶體管關(guān)閉。雪崩的持續(xù)時間是非常小的，例如小于20ns，并且在功率晶體管上耗散的雪崩能量通常較好地低于晶體管的雪崩能量。然而，如果功率晶體管不具有雪崩能力，那么能夠引入電壓限制器。圖8示出類似于圖6所示的實施方式的級聯(lián)開關(guān)800的實施方式，具有附加的電壓限制器電路。根據(jù)一個實施方式，第一電壓限制器包括與MOSFET Ql并聯(lián)連接的整流二極管D6和TVS 二極管Dl。第二電壓限制器包括與MOSFET Q2并聯(lián)連接的整流二極管D7和TVS 二極管D8。TVS 二極管Dl和D8起到高電壓齊納二極管的作用，從而分別保護MOSFETQl和Q2。第一和第二電壓限制器通過防止或至少最小化雪崩條件保護MOSFET Ql和Q2。根據(jù)另一個實施方式，設(shè)置整流二極管D5來代替二極管D6、Dl、D7和D8。整流二極管D5具有耦接到負載源V2的陰極和耦接到低端MOSFET Ql的源的陽極，并且保護Ql不受雪崩條件。在這個情形中，該低端MOSFET Ql經(jīng)受輸入電壓，并且高端MOSFET Q2經(jīng)受變壓器反射電壓和由漏電感引起的尖峰。進一步地，如本文中前面所述的能夠?qū)壜?lián)開關(guān)進一步增強。例如，通過確保變壓器反射電壓等于負載輸入電壓并且當(dāng)電壓等于或者接近零時打開級聯(lián)開關(guān)，可以提供無損耗開關(guān)。圖9示出類似于圖6所示的實施方式的級聯(lián)開關(guān)900的實施方式。與圖6相比，如圖9所示的級聯(lián)開關(guān)900具有附加電容器Cl和電阻器R4，其中電容器Cl與串聯(lián)連接的MOSFET Ql和Q2并聯(lián)耦接，并且電阻器R4將脈沖電壓源Vl耦接到整流二極管D4的陽極。電阻器R4使得級聯(lián)開關(guān)900能夠不對稱開關(guān)，即打開和關(guān)閉時段不同。當(dāng)MOSFET Ql和Q2關(guān)閉時，電流從MOSFET Ql和Q2移動到電容器Cl。該負載電流充電電容器Cl，并且在級聯(lián)開關(guān)900上不存在損耗，因為當(dāng)次級二極管D3開始導(dǎo)通時，電容器Cl由負載電流充電，直到電壓達到某一值。當(dāng)來自變壓器(P1/S1)的全部能量被釋放到次級繞組SI時，二極管D3停止導(dǎo)通，并且開始在開關(guān)電容(M0SFET+C1)和變壓器電感之間擺動。當(dāng)級聯(lián)開關(guān)900上的電壓達到零時，開關(guān)900打開，并且電容器Cl中存儲的關(guān)閉能量放電到負載輸入源V2。圖10示出類似于圖3中所示的實施方式的半橋反激電路的實施方式，然而二極管D5被連接在高端開關(guān)Q2的柵極和連接輸入源V2的初級繞組Pl的終端之間。根據(jù)本實施方式，在關(guān)斷高端開關(guān)Q2期 間二極管D5與初級繞組Pl和高端開關(guān)Q2形成電流循壞回路。更詳細地，高端開關(guān)Q2具有源極、柵極和漏極，其中柵極通過電阻器R2和二極管D4連接到脈沖驅(qū)動源VI，漏極連接到初級繞組Pl的第二終端。低端開關(guān)Ql具有源極、柵極和漏極，其中源極連接到地，柵極通過電阻器Rl連接到脈沖驅(qū)動源VI，漏極連接到高端開關(guān)Q2。二極管D5的陽極連接到高端開關(guān)Q2的柵極，并且二極管D5的陰極連接到初級繞組Pl的輸入終端。當(dāng)?shù)投碎_關(guān)Ql被關(guān)閉并且高端開關(guān)Q2處于關(guān)閉過程中時，二極管D5、初級繞組Pl和聞端開關(guān)Q2形成電流回路。在聞端開關(guān)Q2被關(guān)斷后，在這個回路中循環(huán)的電流被轉(zhuǎn)移到變壓器的次級繞組SI，保存能量并增加電路效率。為此，二極管D3的陽極被連接到次級繞組SI的端子，并且二極管D3的陰極被連接到負載。該負載由圖10中的電壓V3表示。在關(guān)閉高端開關(guān)并且二極管D3正向偏置之后，初級繞組Pl被斷開連接時，二極管D5將電流從回路經(jīng)由變壓器中的磁場轉(zhuǎn)移到次級繞組SI。當(dāng)關(guān)閉高端開關(guān)Q2時，二極管D3變?yōu)檎蚱?。聞端開關(guān)Q2關(guān)閉，當(dāng)在回路中流動的電流放電聞端開關(guān)Q2的棚源電容(Cgs)時，二極管D3變?yōu)檎蚱谩Ｓ啥O管D5、初級繞組Pl和高端開關(guān)Q2形成的回路中的電流通過高端開關(guān)Q2的柵源電容Cgs。當(dāng)二極管D5正向偏置并且關(guān)閉高端開關(guān)Q2時，形成電流回路。當(dāng)高端開關(guān)Q2的漏源電壓(Vds)上升到在半橋輸入(V2)的電壓水平之上時，二極管D5正向偏置。高端開關(guān)Q2的漏源電壓Vds上升到在低端開關(guān)Ql開始關(guān)閉之后的時段的輸入的電壓水平之上。當(dāng)脈沖源Vl無效時，低端開關(guān)Ql開始關(guān)閉。這又使低端開關(guān)Ql的漏源電壓Vds開始上升。當(dāng)?shù)投碎_關(guān)Ql的Vds達到輸入電壓V2時，二極管D5開始導(dǎo)通，并且負載電流從低側(cè)開關(guān)Ql轉(zhuǎn)移到二極管D5。當(dāng)二極管D5導(dǎo)通并且高端開關(guān)Q2的Cgs放電時，能量被保存在由二極管D5、初級繞組Pl和高端開關(guān)Q2形成的電流回路中。
在高端開關(guān)Q2的Cgs完全放電并且Q2關(guān)閉之后，電壓限制器二極管D2維持電流回路。根據(jù)本實施方式，高端開關(guān)Q2的關(guān)閉取決于負載電流。當(dāng)高端開關(guān)Q2的柵源電壓(Vgs)達到電壓限制器二極管D2的正向電壓時，電流從高端開關(guān)Q2的Cgs轉(zhuǎn)移到二極管D2。電流流過電壓限制器二極管D2，直到高端開關(guān)Q2完全關(guān)閉。當(dāng)高端開關(guān)Q2關(guān)閉時，Q2的漏源電壓(Vds)上升，直到次級繞組SI上的電壓變?yōu)榈扔赩3，并且二極管D3開始導(dǎo)通，將能量從變壓器的初級側(cè)轉(zhuǎn)移到次級側(cè)。圖11示出類似于圖10中所示的實施方式的半橋反激電路的實施方式，然而高端開關(guān)Q2的柵極和低端開關(guān)Ql的柵極被連接到不同驅(qū)動源。在如圖10所示的實施方式中，兩個開關(guān)柵極都連接到同一脈沖電壓驅(qū)動源VI。具體地，高端開關(guān)Q2通過電阻器R2和二極管D4被連接到脈沖電壓驅(qū)動源Vl，低端開關(guān)Ql通過電阻器Rl被連接到脈沖電壓驅(qū)動源VI。可見，開關(guān)Q1、Q2兩者的柵極通過相同引腳(S卩，提供用于脈沖電壓驅(qū)動源Vl的引腳)外部使用。相比之下，圖11示出連接到不同驅(qū)動源的高端開關(guān)Q2的柵極和低端開關(guān)Ql的柵極。特別是，高端開關(guān)Q2的柵極通過電阻器R2和二極管D4被連接到DC電壓驅(qū)動源V4。該DC電壓驅(qū)動源V4可以是 為電路供給的內(nèi)部Vcc，因此高端開關(guān)Q2的柵極不可外部使用。低端開關(guān)的柵極通過電阻器Rl被連接到脈沖電壓驅(qū)動源VI。該脈沖電壓源Vl是提供引腳的外部源，因此低端開關(guān)Ql的柵極通過這個引腳可外部使用。例如，該低端開關(guān)Ql可以在與高端開關(guān)Q2分離的半導(dǎo)體沖模上制造。在這個情形中，低端開關(guān)Ql的柵極經(jīng)由用于脈沖電壓驅(qū)動源輸入的引腳是外部可使用的。根據(jù)本實施方式，高端開關(guān)Q2的柵極由內(nèi)部DC電源電壓V4供電，因此不可經(jīng)由引腳外部使用。圖12示出半橋正激變換器電路的實施方式。在開關(guān)導(dǎo)通相期間通過變壓器動作，半橋正激變換器將能量直接傳遞到正激變換器的輸出。在打開半橋開關(guān)期間，即Ql和Q2導(dǎo)通期間，存在兩個平行的過程。在一個過程中，二極管D7直接偏置(導(dǎo)通)，并且電流從輸入電壓源V2通過變壓器(初級Pl和次級S2有效)和感應(yīng)器LI到負載，該負載由電阻器R3和電容器Cl的并聯(lián)組合表示。在第二過程中，變壓器的初級側(cè)暴露于輸入電壓源V2。在打開期間，磁化電流從零上升到值Im。在當(dāng)Ql和Q2關(guān)閉時的關(guān)閉期間，發(fā)生下列過程。該脈沖源輸出變?yōu)榱?，使得低端開關(guān)Ql關(guān)閉。這又使Ql的漏源電壓(Vds)上升。當(dāng)Ql的Vds實現(xiàn)特定水平的輸入電壓輸入時，電流分為兩部分:負載電流路徑(通過LI)和磁化電流路徑(通過D5)。在負載電流路徑中，二極管D7變?yōu)榉聪蚱貌⑶易罱K關(guān)閉。這又使二極管D6開始導(dǎo)通并且繼續(xù)運載感應(yīng)器LI電流。在磁化電流路徑中，二極管D5開始導(dǎo)通并且磁化電流放電聞端開關(guān)Q2的棚源電容(Ces),關(guān)閉Q2。當(dāng)聞端開關(guān)Q2關(guān)閉時，電壓上升到輸入電壓V2的電平(例如如果用于Pl和SI的匝數(shù)相同，或者V2*Nsl/Npl )，那么二極管D3開始導(dǎo)通，使磁化電流返回輸入電壓源V2。圖13示出類似于圖12中所示的實施方式的半橋正激變換器電路的實施方式，然而在這里如例如參考圖11所述，高端開關(guān)Q2的柵極和低端開關(guān)Ql的柵極被連接到不同驅(qū)動源V4、V1。諸如“第一”、“第二”等等的術(shù)語被用于描述各種元件、區(qū)、段等等，并且不是意圖限制。貫穿整個說明書，類似的術(shù)語涉及類似的元件。
如這里所使用的，術(shù)語“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等等是開放術(shù)語，其指示一定的元件或器件的存在，但不排除附加的元件或器件。冠詞“a”、“an”和“該”旨在包括復(fù)數(shù)以及單數(shù)，除非上下文中清楚地給出相反指示。應(yīng)當(dāng)理解，這里所述的各種實施方式的特征可以彼此合并，除非給出明確地相反表不。盡管這里已經(jīng)說明并描述具體的實施方式，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不偏離本發(fā)明的保護范圍的情況下，多種替代和/或同等的實施可以替代所示和所述的具體實施方式
。本申請旨在涵蓋這里討論的這些具體實施方式
的任何修改或者變化。因此， 旨在本發(fā)明僅僅由權(quán)利要求及其等價物限定。
權(quán)利要求
1.一種電路,包括: 變壓器，具有初級繞組和次級繞組； 輸入端，被連接到所述初級繞組的第一端子； 高端開關(guān)，具有源極、連接到驅(qū)動源的柵極和連接到所述初級繞組的第二端子的漏極； 低端開關(guān)，具有連接到地的源極、連接到驅(qū)動源的柵極和連接到所述高端開關(guān)的所述源極的漏極；以及 二極管，連接在所述高端開關(guān)的柵極和所述初級繞組的所述第一端子之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述高端開關(guān)的柵極和所述低端開關(guān)的柵極被連接到相同的驅(qū)動源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述高端開關(guān)的柵極和所述低端開關(guān)的柵極被連接到不同的驅(qū)動源。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路，其中，所述高端開關(guān)的柵極被連接到DC電壓驅(qū)動源，所述低端開關(guān)的柵極被連接到脈沖電壓驅(qū)動源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，當(dāng)所述低端開關(guān)關(guān)閉并且所述高端開關(guān)關(guān)閉時，所述二極管、所述初級繞組和所述高端開關(guān)適于形成電流回路。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電路，進一步包括被連接在所述次級繞組的端子和負載之間的附加二極管，其中，所述 二極管適于在所述高端開關(guān)關(guān)閉并且所述附加二極管響應(yīng)于所述高端開關(guān)關(guān)閉而正向偏置之后所述初級繞組斷開連接時，將電流從所述回路經(jīng)由所述變壓器中的磁場轉(zhuǎn)移到所述次級繞組。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電路，其中，所述高端開關(guān)適于關(guān)閉，并且所述附加二極管適于響應(yīng)于在所述回路中流動的電流對所述高端開關(guān)的柵源電容放電而正向偏置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述二極管適于響應(yīng)于所述高端開關(guān)的漏源電壓上升到所述輸入端的電壓電平之上而正向偏置，其中，在所述低端開關(guān)開始關(guān)閉之后的時段，所述高端開關(guān)的所述漏源電壓上升到所述輸入端的電壓電平之上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，進一步包括附加二極管，所述附加二極管具有連接在所述高端開關(guān)的源極和所述低端開關(guān)的漏極之間的陽極，和連接到所述高端開關(guān)的柵極的陰極。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，進一步包括附加二極管和電感，其中所述附加二極管具有連接到所述次級繞組的端子的陽極，和連接到所述電感的一端的陰極，其中，所述電感的另一端連接到所述負載。
11.一種開關(guān)負載的方法，包括: 驅(qū)動連接到變壓器的初級繞組的第一端子的輸入端，所述變壓器具有連接到所述負載的次級繞組； 接通和關(guān)斷低端開關(guān)，所述低端開關(guān)具有漏極、連接到地的源極、連接到驅(qū)動源的柵極； 接通和關(guān)斷高端開關(guān)，所述高端開關(guān)具有連接到所述初級繞組的第二端子的漏極、連接到所述低端開關(guān)的漏極的源極和連接到驅(qū)動源的柵極；以及 當(dāng)所述低端開關(guān)關(guān)閉并且所述高端開關(guān)關(guān)閉時，在由所述初級繞組、所述高端開關(guān)和二極管形成的回路中循環(huán)電流，其中所述二極管連接在所述高端開關(guān)的柵極和所述初級繞組的第一端子之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，進一步包括當(dāng)在所述高端開關(guān)關(guān)閉并且連接在所述次級繞組和所述負載之間的附加二極管響應(yīng)于所述高端開關(guān)的關(guān)閉而正向偏置之后所述初級繞組斷開連接時，將電流從所述回路經(jīng)由所述變壓器中的磁場轉(zhuǎn)移到所述次級繞組。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，進一步包括:關(guān)閉所述高端開關(guān)，以及響應(yīng)于所述高端開關(guān)的柵源電容通過在所述回路中流動的所述電流而被放電，正向偏置所述附加二極管。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，進一步包括:響應(yīng)于所述高端開關(guān)的漏源電壓上升到所述輸入端的電壓電平之上，正向偏置所述二極管，其中，在所述低端開關(guān)開始關(guān)閉之后的時段所述高端開關(guān)的所述漏源電壓上升到所述輸入端的電壓電平之上。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，進一步包括:響應(yīng)于所述高端開關(guān)的柵源電容放電，經(jīng)由連接在所述高端開關(guān)的源極和所述高端開關(guān)的柵極之間的附加二極管維持所述電流回路。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，進一步包括將所述高端開關(guān)的柵極和所述低端開關(guān)的柵極連接到相同的驅(qū)動源。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，進一步包括將所述高端開關(guān)的柵極和所述低端開關(guān)的柵極連接到不同的驅(qū)動源。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，進一步包括:將所述高端開關(guān)的柵極連接到DC電壓驅(qū)動源，將所述低端開關(guān)的柵極連接到脈沖電壓驅(qū)動源。
19.一種電路,包括: 變壓器，具有初級繞組和次級繞組； 輸入端，被連接到所述初級繞組的第一端子； 高端開關(guān)，具有源極、連接到驅(qū)動源的柵極和連接到所述初級繞組的第二端子的漏極； 低端開關(guān)，具有連接到地的源極、連接到驅(qū)動源的柵極和連接到所述高端開關(guān)的源極的漏極；以及 二極管，連接在所述高端開關(guān)的柵極和所述初級繞組的所述第一端子之間，所述二極管適于在所述高端開關(guān)關(guān)閉期間使電流在具有所述初級繞組和所述高端開關(guān)的回路中循環(huán)，并且當(dāng)在所述高端開關(guān)關(guān)閉之后所述初級繞組斷開連接時將所述電流經(jīng)由所述變壓器中的磁場轉(zhuǎn)移到所述次級繞組。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的電路，進一步包括連接在所述次級繞組的第一端子和負載之間的附加二極管，其中，所述二極管適于在所述高端開關(guān)關(guān)閉并且所述附加二極管響應(yīng)于所述高端開關(guān)關(guān)閉而正向偏置之后所述初級繞組斷開連接時，將電流從所述回路經(jīng)由所述變壓器中的磁場轉(zhuǎn)移到所述次級繞組。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的電路， 其中，所述高端開關(guān)適于關(guān)閉，并且所述附加二極管適于響應(yīng)于在所述回路中流動的電流對所述高端開關(guān)的柵源電容放電而正向偏置。
全文摘要
本公開涉及半橋反激和正激。本發(fā)明提供的電路包括高端開關(guān)、低端開關(guān)、二極管、具有初級繞組和次級繞組的變壓器和被連接到初級繞組的第一端子的輸入端。高端開關(guān)具有源極、連接到驅(qū)動源的柵極和連接到初級繞組的第二端子的漏極。低端開關(guān)具有連接到地的源極、連接到驅(qū)動源的柵極和連接到高端開關(guān)的源極的漏極。該二極管被連接在高端開關(guān)的柵極和初級繞組的第一端子之間。當(dāng)?shù)投碎_關(guān)關(guān)閉，直到高端開關(guān)關(guān)閉時，該二極管與初級繞組和高端開關(guān)形成電流回路以循環(huán)電流。
文檔編號H02M3/335GK103227569SQ20131003974
公開日2013年7月31日 申請日期2013年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月31日
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