[发明专利]可降低半导体功率转换电路震荡的电路结构及方法

说明书

技术领域

本发明是有关一种电路设计与半导体功率装置的架构，例如以金属氧化 物半导体场效应晶体管为基础的装置，特别是指一种具新颖性的改良的电路 结构设计与装配方法，其可降低半导体功率装置如同步转换器或者转换电路 的振铃。

背景技术

传统的功率金属氧化物半导体场效应晶体管(power MOSFET)装置一 直艰难地面对可能导致击穿(shooting through)问题的振铃震荡(ringing oscillation)。振铃震荡与击穿(shooting through)问题引起过度浪费与效能的 损失，特别是在如同步电压转换器(Synchronous Buck Converter)、半桥式转 换器(halfbridge converter)或者转换器(inverters)等转换电路中是两功率 金属氧化物半导体场效应晶体管是以互补设计来做为转换。两被串联连接并 穿越过一电压源的金属氧化物半导体场效应晶体管一般各称为高侧与低侧 (LS)金属氧化物半导体场效应晶体管。低侧金属氧化物半导体场效应晶体 管先关闭以开始转换电路。关闭低侧金属氧化物半导体场效应晶体管，迫使 低侧金属氧化物半导体场效应晶体管的本体二极管(body diode)开始运作， 以接管电流。经延迟后，高侧金属氧化物半导体场效应晶体管开始运作，而 迫使低侧金属氧化物半导体场效应晶体管的本体二极管关闭。然而，低侧金 属氧化物半导体场效应晶体管的本体二极管关闭的动作导致回复电流 (recovery current)的突变端(abrupt termination)。在这区间，回复电流也流 经金属氧化物半导体场效应晶体管的寄生电感与转换电路的线路电感(trace inductances)。因此，回复电流的突变端在转换电路上产生严重的震荡，例如 在转换电路上产生的振铃。

这些振铃震荡可能会导致非刻意地启动低侧金属氧化物半导体场效应晶 体管。这个无心且非预期中的启动低侧金属氧化物半导体场效应晶体管的动 作一般称作击穿效应。至今很多研究探讨如何减小振铃现象的不良影响。

如图1A所示，其是一典型地传统电压转换器10的电路架构示意图。电 压转换器10包含有一高侧金属氧化物半导体场效应晶体管15与一低侧金属 氧化物半导体场效应晶体管20，其是串联连接于一具有表示为Vin的输入电 压的输入端25与一接地端30间。低侧金属氧化物半导体场效应晶体管20 的漏极端在中间点35连接至高侧金属氧化物半导体场效应晶体管15的源极 端并连接，而中间点35该穿越过电感L与电容C连接至负载40。在电压转 换器10高速运作的情况下，当高侧与低侧的金属氧化物半导体场效应晶体管 同步启动时，击穿状态将变成一问题，因为其将产生击穿电流流动于输入端 25与接地端30。击穿状态导致过度地散逸与效能损失。为了避免击穿问题， 控制电路45被用来控制栅极信号，以产生高侧与低侧金属氧化物半导体场效 应晶体管的栅极信号间的截止时间。如图1B所示，其显示出一介于在高侧 金属氧化物半导体场效应晶体管15关闭而低侧金属氧化物半导体场效应晶 体管20启动时的截止时间，因此能有效防止高侧与低侧金属氧化物半导体场 效应晶体管同时启动。

然而，这样的控制电路无法有效地防止振铃震荡如图1C所示。如图1C 所示，电路电感是相当高的。因此，在高侧金属氧化物半导体场效应晶体管 启动的时间，振铃震荡有可能防止。这样过度的振铃震荡可能结合至转换器 的DC输出并且引起敏感的负载电路，而产生故障。