开关模式电源系统技术方案

本实用新型专利技术涉及开关模式电源系统。该开关模式电源SMPS系统包括：接收输入电压的电压输入；SMPS电路，配置为根据输入电压而产生电压输出；以及将至少一个HEMT的衬底耦接到高电压节点的电路。SMPS电路包括：电感、电容和开关元件，配置为利用开关元件的高切换速率生成电压输出；开关元件还包括至少一组共源共栅耦接的器件，每组包括高电子迁移率晶体管HEMT以及与HEMT共源共栅耦接的二极管和场效应晶体管FET中的一者，每个HEMT包括衬底；以及控制器，配置为产生发送到各组的FET和HEMT中至少一者的栅极端子的信号。本实用新型专利技术解决的技术问题是防止电源转换器电路中大的电压尖峰或快速变化的电压电平，实现的技术效果是提供一种电压变化率降低的开关模式电源系统。

【技术实现步骤摘要】
开关模式电源系统
本公开整体涉及电压源电路，更具体地讲，涉及利用高电子迁移率晶体管(HEMT)的电压源电路和系统。
技术介绍
电源转换器电路或电压转换器电路用于将电压源与一种类型的电力(例如交流电(AC)或直流电(DC))相互转换。此类AC源可包括发电机或电力网电源。此类DC源可包括电池或DC电源。其他类型的电源转换器电路包括仅改变电压电平的电路。例如，可根据负载器件的需要来有利地升高或降低DC电压电平。通常，电源转换器电路提供的输出电压电平与输入电压电平不同。直流到直流(DC到DC)电路是一种常见类型的电源转换器。DC到DC电源转换器存储来自电源的输入电能，然后以不同的电压电平(通常以高频率)将该电能释放给输出负载。DC到DC转换器电路通常在功率效率上比线性稳压器要高，这是因为DC到DC转换器电路将较少的功率耗散为热量。通常希望在较高频率下操作开关模式电源转换器电路，因为可通过例如去除低频变压器来减小此类电路的部件尺寸和重量。近年来，随着高频半导体元件的功率的提高，在此类电源转换器中经常使用场效应晶体管(FET)的高频特性和可靠性。具体地讲，包含GaN作为主要成分的基于GaN的半导体，由于其高饱和电子速度和高电压击穿特性而常常被使用。基于GaN的开关器件例如异质结场效应晶体管(FET)优于其他类型的常规FET解决方案，原因在于基于GaN的开关器件具有更高的功率密度、更高的击穿电压和更低的导通电阻。GaNFET通常形成为常开耗尽型器件。对于诸如电源应用的某些应用，常开型器件可能比不上诸如标准FET器件的常关型器件，因为常开型器件通常在操作效率上低于常关型器件，并且常开型器件的驱动电路通常比常关型器件更复杂和昂贵。因此，已知以具有硅FET(Si-FET)的共源共栅配置来配置耗尽型GaNFET以提高效率。GaN-HEMT/Si-FET共源共栅器件可用于此类电源转换器电路中，但它们是有问题的，因为它们通常具有大的电压尖峰或快速变化的电压电平(dv/dt)。例如，电压的变化率可超过100V/ns。在一些应用中，常常发现通用技术的控制是困难的。在同步DC/DC转换器中，大的dv/dt例如由于EMI问题和驱动器不兼容性而成为问题。在一些电路中，期望的最大电压变化率为50V/ns。因此，由于GaN-HEMT/Si-FET共源共栅器件在高电压高功率转换器中的优点，需要降低由流入电路电容器的高电流电平产生的大电压尖峰(dv/dt)以及解决可能会遇到的相关问题。
技术实现思路
本技术解决的一个技术问题是防止电源转换器电路中大的电压尖峰或快速变化的电压电平(dv/dt)。根据本技术的一个方面，提供一种开关模式电源(SMPS)系统，包括：用于接收输入电压的电压输入；SMPS电路，所述SMPS电路被配置为根据所述输入电压而产生电压输出；以及将至少一个HEMT的所述衬底耦接到高电压节点的电路。所述SMPS电路包括：电感元件、电容元件和开关元件，所述电感元件、电容元件和开关元件被配置为利用所述开关元件的高切换速率来生成所述电压输出；所述开关元件还包括至少一组共源共栅耦接的器件，每组共源共栅耦接的器件包括高电子迁移率晶体管(HEMT)，以及与所述HEMT共源共栅耦接的二极管和场效应晶体管(FET)中的一者，其中每个HEMT包括衬底；以及控制器，所述控制器被配置为产生发送到各组共源共栅耦接的器件的FET和HEMT中至少一者的栅极端子的信号。根据一个实施例，耦接到所述衬底的所述电路包括引线或迹线或导线，所述引线或迹线或导线将所述衬底连续地连接到高电压节点或以下中至少一者：开关，所述开关将所述衬底选择性地连接到所述高电压节点；以及分压器，所述分压器耦接到所述高电压节点并且被配置为将所述衬底连接到降低的高电压。根据一个实施例，所述SMPS系统还包括至少一个分压器电路，所述至少一个分压器电路连接在所述高电压节点与至少一个HEMTFET衬底之间，以将所述HEMTFET衬底连接到小于在所述高电压节点处呈现的电压的分压。根据一个实施例，所述SMPS系统还包括开关电路，所述开关电路被配置为将所述至少一个共源共栅耦接的HEMT衬底选择性地耦接到所述高电压节点。根据一个实施例，所述开关电路被耦接以从所述控制器接收控制信号，其中所述控制器能够被操作成在信号占空比的一部分期间将所述至少一个共源共栅耦接的HEMT衬底选择性地连接到所述高电压节点。根据一个实施例，所述开关电路和所述控制器被配置为仅当所述共源共栅耦接的HEMT传导电流时，才将所述至少一个共源共栅耦接的HEMT衬底选择性地连接到所述高电压节点。根据一个实施例，所述开关电路和所述控制器被配置为仅当检测到大电流或电压过冲时，才将所述至少一个共源共栅耦接的HEMT衬底选择性地连接到所述高电压节点。根据一个实施例，所述开关电路和所述控制器被配置为仅当感测到大的电压变化率(dv/dt)时，才将所述至少一个共源共栅耦接的HEMT衬底选择性地连接到所述高电压节点。根据本技术的一个方面，提供一种开关模式电源(SMPS)系统，包括：直流(DC)电压源，所述DC电压源被配置为生成用于DC-DC电压转换器的输入电压；以及所述DC-DC电压转换器还包括：与所述SMPS系统连接的至少一个共源共栅耦接的高电子迁移率晶体管(HEMT)，其中所述至少一个共源共栅耦接的HEMT包括衬底；控制器，所述控制器被配置为产生发送到所述至少一个共源共栅耦接HEMT的至少一个栅极端子的激活信号，以及发送到开关的至少一个偏置控制信号，以将所述至少一个HEMT衬底选择性地连接至高输出电压；以及其中所述控制器生成所述至少一个偏置控制，以在以下中的至少一者期间将所述至少一个共源共栅耦接的HEMT的衬底连接到所述SMPS系统的高输出电压：信号占空比的正部分；所述信号占空比的负部分；当所述至少一个HEMT传导电流时；当检测到大电流或电压过冲时；以及检测到高dv/dt。根据一个实施例，所述SMPS系统还包括分压器电路，所述分压器电路连接在所述输出电压和所述至少一个HEMT衬底之间，用于将所述至少一个HEMT衬底连接到小于所述高电压输出的分压。本技术实现的一个技术效果是提供一种电压变化率降低的开关模式电源系统。附图说明本领域技术人员参照附图阅读本说明书，可以更好地理解本技术，也可以显而易见地认识到本技术的多种特征和优点，在附图中：图1是根据一个实施方案的电源转换器的部分示意图和部分框图。图2是根据一个实施方案的电源转换器的部分示意图和部分框图，其中HEMT衬底连续地连接到高电压输出。图3是根据一个实施方案的电源转换器的部分示意图和部分框图，其中HEMT衬底在占空比部分期间连接到高电压输出。图4是根据一个实施方案的电源转换器的部分示意图和部分框图，其中HEMT衬底在占空比部分期间连接到高电压输出。图5是示出根据一个实施方案的方法的流程图。在不同附图中使用相同的参考符号来指示相同或类似的元件。除非另有说明，否则词语“耦接”及其相关动词形式包括直接连接以及通过本领域已知的方式的间接电连接两者；而且除非另有说明，否则对直接连接的任一描述暗示采用适宜间接电连接形式的替代实施方式。具体实施方式图1是根据一个实施方案的电源转换器的部分示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开关模式电源SMPS系统，其特征在于包括：用于接收输入电压的电压输入；SMPS电路，所述SMPS电路被配置为根据所述输入电压而产生电压输出，所述SMPS电路包括：电感元件、电容元件和开关元件，所述电感元件、电容元件和开关元件被配置为利用所述开关元件的高切换速率来生成所述电压输出；所述开关元件还包括至少一组共源共栅耦接的器件，每组共源共栅耦接的器件包括高电子迁移率晶体管HEMT，以及与所述HEMT共源共栅耦接的二极管和场效应晶体管FET中的一者，其中每个HEMT包括衬底；以及控制器，所述控制器被配置为产生发送到各组共源共栅耦接的器件的FET和HEMT中至少一者的栅极端子的信号；以及将至少一个HEMT的所述衬底耦接到高电压节点的电路。

【技术特征摘要】
2015.12.16 US 62/268,289;2016.04.27 US 15/139,9211.一种开关模式电源SMPS系统，其特征在于包括：用于接收输入电压的电压输入；SMPS电路，所述SMPS电路被配置为根据所述输入电压而产生电压输出，所述SMPS电路包括：电感元件、电容元件和开关元件，所述电感元件、电容元件和开关元件被配置为利用所述开关元件的高切换速率来生成所述电压输出；所述开关元件还包括至少一组共源共栅耦接的器件，每组共源共栅耦接的器件包括高电子迁移率晶体管HEMT，以及与所述HEMT共源共栅耦接的二极管和场效应晶体管FET中的一者，其中每个HEMT包括衬底；以及控制器，所述控制器被配置为产生发送到各组共源共栅耦接的器件的FET和HEMT中至少一者的栅极端子的信号；以及将至少一个HEMT的所述衬底耦接到高电压节点的电路。2.根据权利要求1所述的SMPS系统，其特征在于耦接到所述衬底的所述电路包括引线或迹线或导线，所述引线或迹线或导线将所述衬底连续地连接到高电压节点或以下中至少一者：开关，所述开关将所述衬底选择性地连接到所述高电压节点；以及分压器，所述分压器耦接到所述高电压节点并且被配置为将所述衬底连接到降低的高电压。3.根据权利要求1所述的SMPS系统，其特征在于还包括至少一个分压器电路，所述至少一个分压器电路连接在所述高电压节点与至少一个HEMTFET衬底之间，以将所述HEMTFET衬底连接到小于在所述高电压节点处呈现的电压的分压。4.根据权利要求1所述的SMPS系统，其特征在于还包括开关电路，所述开关电路被配置为将所述至少一个共源共栅耦接的HEMT衬底选择性地耦接到所述高电压节点。5.根据权利要求4所述的SMPS系统，其特征在于所述开关电路被耦接以从所述控制器接收控制信号，其中所述控...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·R·吉塔特，F·鲍温斯，
申请(专利权)人：半导体元件工业有限责任公司，
类型：新型
国别省市：美国,US