[发明专利]电感负载功率开关电路

说明书

本申请是申请人为2009年9月18日、申请号为PCT/US2009/057554(进入中国国家阶段日期2011年3月23日、中国申请号200980137436.2)的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及功率开关电路，具体地说，涉及使用电感负载的功率开关电路。

背景技术

单侧开关是一种开关构造，其中，开关器件用于将负载连接到处于低电势的节点——“低侧”开关，或将负载连接到处于高电势的节点——“高侧”开关。在图1a中示出了低侧构造，并且在图2a中示出了高侧构造，其中，通过高电压(HV)源来表示在高电势的节点，并且通过接地端子来表示在低电势的节点。在两种情况下，当负载10是电感负载时，当该开关器件断开时，需要续流二极管11(有时称为回扫二极管)来提供用于续流负载电流的路径。例如，如在图1b中所示，当通过施加比器件阈值电压V_th大的栅-源电压V_gs以把将开关器件12偏置为高时，电流13流过负载10，并且流过该开关器件12，二极管11被反向偏置，使得没有大电流通过它。当如图1c中所示，通过施加栅-源电压V_gs<V_th来把开关器件12切换到低时，通过电感负载10的电流不能急剧终止，因此电流13流过负载10和二极管11，同时没有大电流流过开关器件12。分别在图2b和2c中示出了用于详细描述当开关被偏置为高时，和当开关被断开(切换为低)时的流过高侧开关构造的电流的类似的视图。

理想地，在图1和2的电路中使用的续流二极管11在接通状态中具有低的传导损耗以及良好的开关特性，从而最小化在切换期间的瞬变电流，因此，通常使用肖特基二极管。然而，对于一些应用，肖特基二极管不能够支持足够大的反向偏置电压，因此必须使用表现出较高电导率和切换损耗的高压二极管。通常是晶体管的开关器件12可以是增强型(通常断，V_th>0)器件或衰竭型(通常通，V_th<0)器件，其中，增强型也称为E型，并且衰竭型也称为D型。在功率电路中，增强型器件通常用于防止意外接通，以避免对于器件或其他电路部件的损害。在图1和2中的电路的关键问题是大多数高压二极管通常显示高电导率和切换损耗。而且，在高压PIN二极管中的反向恢复电流增加了晶体管的损耗。

对于在图1和2中所示的构造的一种替代方式是替代地使用同步整流，如在图3a-e中所示。除了包括与二极管11反并联的高压金属氧化物半导体(MOS)晶体管61之外，图3a与图2a相同。标准MOS晶体管固有地包含反并联的寄生二极管，因此可以被表示为与二极管63反并联的晶体管62，如图3a中所示。可以在图3b中看出，当开关器件12被偏置为高，并且MOS晶体管61被偏置为低时，MOS晶体管61和二极管11两者阻断与在负载上的电压相等的电压，使得整个电流13流过负载10和开关器件12。当开关器件12切换到低时，如图3c中所示，二极管11通过将栅-漏电压箝位到比晶体管的V_th小并且比寄生二极管的接通电压小的值，来防止晶体管62和寄生二极管63接通。因此，几乎所有的续流电流(freewheeling current)流过二极管11，而仅小的无关紧要的部分流过晶体管沟道和寄生二极管。如在图3d中所示，MOS器件61然后可以被偏置为高，这导致在晶体管62的沟道导电率上的提高，由此使得大多数的续流电流流过晶体管沟道。然而，必须在开关器件12的断开和晶体管62的接通之间设置某个空载时间，以避免从高电压电源(HV)向地的直通电流。因此，紧接着开关器件12从高向低切换后和紧接着开关器件12从低向高切换之前，二极管11接通一定时间。虽然这减少了在没有MOS晶体管61的情况下由二极管11引发的传导损耗，但是其引发了二极管11的完全切换损耗，而与二极管保持接通多长时间无关。

如在图3e中所示，在图3a-d中的电路原理上可以在没有二极管11的情况下操作。在该情况下，寄生二极管63执行与二极管11在图3a-d的电路中执行的功能相同的功能。然而，寄生二极管63通常具有差得多的切换特性，并且承受比标准高压二极管更大的切换损耗，导致提高了的功率损耗，因此通常优选图3a-d的电路。