低损耗DC/DC变换器以及直流对直流功率变换方法技术

本发明专利技术提供了一种包括ＤＣ／ＤＣ变换器的设备和直流对直流功率变换方法，所述设备包括：输出级，其包含一对输出功率晶体管；和栅极驱动器，其与该对输出功率晶体管的至少第一晶体管相连并被配置成在到达最终电压值之前步进到离散中间电平。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电流变换器，更具体地说，本专利技术涉及直流对直流 (DC/DC)变换器。
技术介绍
在一些用途中，可以使用高切换频率来操作DC/DC变换器。例如， 为了满足对于特定负载的响应时间要求，可能需要处于几十到几百兆 赫兹量级上的切换频率。然而，对于更高切换频率，作为栅极切换损 耗结果而耗散的功率就可能增大到不可接受的水平。图1表示在称作"降压(buck)"配置的降压配置中的一种DC/DC 变换器系统100。其中脉宽调制控制器(PWM控制器)110控制p型 开关(p-switch) 120和n型开关(n-switch) 130， p型开关120和n 型开关130使用大功率晶体管来实现。负载140可以经电感器150和 电容器160而耦合到p型开关120和n型开关130的输出。系统100可能以多种方式消耗功率，其中每种方式都会降低系统 的效率。例如，由接通状态漏极/源极电阻(称作Rds.。》导致的电阻损 耗使系统的效率降低。为减少由R^。n导致的功率损耗，可能要使用更 大的晶体管。然而，更大的晶体管在栅极与源极之间呈现增大的电容Cgs。而这又增大了被称为晶体管栅极损耗的损耗。对于跨电容Cgs以频率f切换的电压V，栅极损耗由下面的公式(1)给出栅极损耗^/2CgsV2f 公式(1)<formula>formula see original document page 7</formula>在较低频率下(例如在约100kHz量级上的频率)，栅极损耗可能显著小于R^。n。然而，当使用较高切换频率时，栅极损耗可以构成系统100中的功率消耗的主要部分。
技术实现思路
概括地说，在本专利技术的一个实施方案中提供了一种DC/DC变换器， 其包括第一开关，用以响应在第一控制终端处的接通电压而在第一输 出终端上输出第一电压。所述变换器也可以包括第二开关，以便响应 在第二控制终端处的接通电压而在与第一输出终端相连的第二输出终 端上输出第二电压。第一控制终端可以选择性地、顺序地接到N个不同电压之一，其 中N为整数且N〉2，所述N个不同电压包括至少一个初始电压、 一个 中间电压、 一个最终电压，所述中间电压介于所述初始电压和所述最 终电压之间。第二控制终端可以选择性地接到M个不同电压之一，其 中M为整数且M〉2。第一开关和第二开关例如可以包括第一和第二晶体管，其中第一 和第二输出终端包括第一和第二晶体管的相关漏极，并且其中第一和 第二控制终端包括第一和第二晶体管的相关栅极。所述变换器也可以包括耦合至第一控制终端的第一多级控制器。 第一多级控制器可以包括N个驱动器，从n=l到n=N的每个驱动器选 择性地将一个不同电压Vn施加到第一控制终端上，其中n为整数。N 个驱动器可以选择性地施加不同电压，其施加时间足以使在第一控制 终端处的电压基本上与该不同电压相称。所述变换器还可以包括耦合至第二控制终端的第二多级控制器。 第二多级控制器可以包括M个驱动器，从m=l到m=N的每个驱动器 选择性地将不同电压Vm施加到第二控制终端上，其中m为整数。第 一和第二多级控制器可以交替地接通第一开关和第二开关。第一输出 终端和第二输出终端可以经例如一个电感器和一个电容器而耦合至负 载。概括地说，在本专利技术另一个实施方案中， 一个直流对直流(DC/DC) 变换器包括一个集成电路。集成电路包括第一开关，以响应在第一控 制终端处的接通电压而在第一输出终端上输出第一电压。集成电路也 可以包括第二开关，以响应在第二控制终端处的接通电压而在与第一输出终端相连的第二输出终端上输出第二电压。所述集成电路也可以包括耦合至第一控制终端的第一多级控制器。第一多级控制器可以包括N〉2个驱动器，其中11=1到r^N驱动器 各自选择性地将一个不同电压Vn施加到第一控制终端上。N个驱动器 中至少一个可以包括一个相关电容。所述变换器也可以包括一个与集成电路分立的电容器，其中该电 容器的电容包含在N个驱动器之一的相关电容中。该电容器可以是P 个电容器之一，其中P个电容器中的每一个电容器的电容包含在N个 驱动器中至少一个的相关电容中，其中P为非零正整数。集成电路也可以包括一个耦合至第二控制终端的第二多级控制 器。第二多级控制器可以包括M>2个驱动器，其中m=l到m=N驱动 器各自选择性地将一个不同电压Vm施加到第二控制终端上。一般地，在一个实施方案中， 一个直流对直流变换器可以由包括I 个开关的第一切换组件组成，以便响应在第一相关控制终端处的接通 电压而在第一相关输出终端上输出电压，第一相关输出终端各自与配 置成将电压输出到负载的第一切换组件输出终端相连。I个开关中的一 个或多个开关也可以包括耦合至第一相关控制终端的第一相关多级控 制器。第i个第一相关多级控制器可以包括N(i)个驱动器，n(i)=l到 n(i"N(i)个驱动器中的每一个选择性地将一个不同电压Vn(i)施加到第 一相关控制终端上，其中N(i)对于I个开关中的至少一个开关来说大于 2， I、 i、 N①和n(i)均为非零正整数。所述变换器可以进一步包括第二切换组件，该第二切换组件由J 个开关组成。该J个开关中的每个开关均可以响应在第二相关控制终 端处的接通电压而在第二相关输出终端上输出电压。每一个第二相关 输出终端可以与第二切换组件输出终端相连。第二切换组件输出终端 可以与第一切换组件输出终端相连。在上述J个开关中， 一个或多个开关也可以包括耦合至一个第二 相关控制终端的第二相关多级控制器。例如，第j个第二相关多级控制 器可以包括N(j)个驱动器，n(j)=l到n(j"N(j)个驱动器中的每一个选择 性地将不同电压V^施加到第二相关控制终端上，其中N(D对于J个开 关中的至少一个开关来说大于2，其中J、 j、 N(j)和n(j)均为非零正整数。概括地说，根据本专利技术一个实施方案所提供的方法可包括如下步 骤:交替地在包括I个开关的第一切换组件的输出端产生第一输出电压 而在包括J个开关的第二切换组件的输出端产生第二输出电压。第一 切换组件的输出端可以与第二切换组件的输出端相连。产生第一输出电压可以包括接通第一切换组件，这可以包括选择性地将n(i)=l到n(i"N(i)个不同电压V^)施加到I个开关中的第i个开 关的相关控制终端上。选择性地施加不同电压V^)可以包括施加令第i个开关断开的电压V1(i)、再施加中间电压VintW、和其后施加令第i个开关接通的最终电压V刚)，其中Vi碑)介于VKi)与V邓)之间，其中I、 J、 i、 N(i)和n(i:)均为非零正整数。产生第二输出电压可以包括接通第二切换组件。接通第二切换组 件可以包括选择性地将m(j)=l到m(j一M(j)个不同电压V一)施加到J个 开关中的第j个开关的相关控制终端上。选择性地施加不同电压Vm(j) 可以包括施加令第j个开关断开的电压V1(j)、再施加中间电压Vint(j)、 和其后施加令第j个开关接通的电压VM(j)，其中V阔)介于V他与VM(j) 之间，其中j、 M(j)和m(j)均为非零正整数。该方法可以进一步包括滤波第一输出电压和第二输出电压以产生 一个基本直流的电压。可以将该基本直流的电压施加到一个负载上。接通第一切换组件可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包括ＤＣ／ＤＣ变换器的设备，包括：　　　　输出级，其包含一对输出功率晶体管；和　　　　栅极驱动器，其与该对输出功率晶体管的至少第一晶体管相连并被配置成在到达最终电压值之前步进到离散中间电平。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：S苏塔迪亚，
申请(专利权)人：马维尔国际贸易有限公司，
类型：发明
国别省市：BB[巴巴多斯]