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CN105391281B - 含常导通晶体管和常关断晶体管的开关的系统和方法 - Google Patents

含常导通晶体管和常关断晶体管的开关的系统和方法 Download PDF

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CN105391281B CN201510543258.0A CN201510543258A CN105391281B CN 105391281 B CN105391281 B CN 105391281B CN 201510543258 A CN201510543258 A CN 201510543258A CN 105391281 B CN105391281 B CN 105391281B
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Abstract

本发明涉及含常导通晶体管和常关断晶体管的开关的系统和方法。根据一个实施例，一种电路包括第一驱动器，其具有被配置为耦合至常关断晶体管的控制节点的第一输出端。第一驱动器被配置为以共源共栅模式在第一输出端处驱动第一开关信号并且被配置为以直接驱动模式在第一输出端处驱动第一恒定电压。该电路还包括第二驱动器，其具有被配置为耦合至常导通晶体管的控制节点的第二输出端，其中常导通晶体管具有耦合至常关断晶体管的第一负载路径端的第二负载路径端。第二驱动器被配置为以直接驱动模式在第二输出端处驱动第二开关信号。

Description

含常导通晶体管和常关断晶体管的开关的系统和方法
相关申请的交叉参考
本申请涉及以下共同未决和共同受让的专利申请：2014年8月29日提交的代理案号为INF 2014 P 50929的序列号为14/473,207的申请，其全部内容以引用的方式引入本申请。
技术领域
本发明总体上涉及电子设备，更具体地，涉及用于含常导通晶体管和常关断晶体管的开关的系统和方法。
背景技术
电源系统被广泛用于计算机到汽车的许多电子应用中。通常，电源系统内的电压通过操作加载有电感器或变压器的开关执行DC-DC、DC-AC和/或AC-DC转换来生成。这种系统的一个种类包括切换模式电源(SMPS)。SMPS通常比其他类型的功率转换系统更加有效，因为通过电感器或变压器的可控充电和放电来执行功率转换并且减少了由于电阻压降引起的功耗而产生的能量损失。
其中，用于SMPS的特定拓扑包括升降压变换器和反激(flyback)变换器。升降压变换器通常利用电感器，而反激变换器隔离负载并且可以通过变压器的使用增加电压变换率。除能量存储元件(电感器或变压器)之外，开关的操作特别重要，尤其在高压应用中。
发明内容
根据一个实施例，一种电路包括第一驱动器，其具有被配置为耦合至常关断晶体管的控制节点的第一输出端。第一驱动器被配置为以共源共栅模式在第一输出端处驱动第一切换信号，并且被配置为以直接驱动模式在第一输出端处驱动第一恒定电压。该电路还包括第二驱动器，其具有被配置为耦合至常导通晶体管的控制节点的第二输出端，其中常导通晶体管具有耦合至常关断晶体管的第一负载路径端的第二负载路径端。第二驱动器被配置为以直接驱动模式在第二输出端处驱动第二切换信号。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优点，现在结合附图进行以下描述，其中：
图1a和图1b示出了传统的组合切换电路；
图2a至图2c示出了根据本发明实施例的切换电路；
图3示出了根据另一实施例的组合切换电路；
图4a至图4c示出了根据又一实施例的组合切换电路；
图5示出了利用示例性组合切换电路的示例性切换模式电源电路；
图6示出了示例性方法的流程图；以及
图7示出了又一示例性方法的流程图。
不同附图中的对应数字和符号通常表示对应的部件，除非另有指定。绘制附图以清楚地示出优选实施例的相关方面并且不需要按比例绘制。为了更清楚地示出特定实施例，表示相同结构、材料或处理步骤的变化可以跟随附图的数字。
具体实施方式
以下详细讨论优选实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明提供了可以在各种具体条件下实施的许多可应用发明概念。所讨论的具体实施例仅仅示出了制造和使用本发明的具体方式，而不限制本发明的范围。
参照用于具有与常关断晶体管串联耦合的常导通晶体管的开关的系统和方法的具体条件中的优选实施例描述本发明。本发明的实施例还可以应用于利用这种电路结构的各种系统，诸如切换模式电源。
在本发明的实施例中，用于驱动具有与常关断晶体管串联的常导通晶体管的组合开关的开关控制器包括：第一驱动电路，被配置为驱动常关断晶体管(诸如增强模式MOSFET)的栅极；以及第二驱动电路，被配置为驱动常导通晶体管(诸如JFET或氮化镓(GaN)HEMT)的栅极。在一个操作模式中，第一驱动电路提供导通常关断器件的偏置电压，并且第二驱动电路提供使常导通晶体管导通和关断的一系列脉冲。在该操作模式中，第二驱动电路有效地直接驱动常导通器件。在另一操作模式中，常导通器件操作为共源共栅器件，并且经由第一驱动电路将一系列脉冲提供给常关断器件的栅极。在一个实例中，通过将常导通器件的栅极耦合至常关断器件的源极并且通过将第二驱动电路的输出置于高阻状态来将常导通器件偏置为共源共栅器件。
在一些实施例中，控制器包括耦合在常导通器件的栅极和常关断器件的源极之间的开关。当组合开关被操作为共源共栅器件时，开关被闭合以将常导通器件的栅极耦合至常关断器件的源极。另一方面，当组合开关被操作为直接驱动器件时，开关断开以允许第二驱动电路驱动常导通器件的栅极。
特定类型的功率晶体管(诸如结型场效应晶体管(JFET)和氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT))起“常导通”器件的作用，原因在于当零电压被施加在晶体管的栅极和源极之间时它们处于导通状态。为了使这些晶体管关断，充分大的负栅极电压被施加在晶体管的栅极和源极之间。例如，在GaN HEMT的情况下，该反向电压可以在大约-5V和大约-8V之间；然而，该范围外的关断电压还可以在一些器件中发生。因此，在一些系统中，诸如利用充电泵来生成负偏置电压的系统，存在常导通器件会在充电泵具有足够的时间产生足够大的负电压来关断常导通器件之前的器件的电源轨之间引起短路的风险。此外，还存在各种故障条件期间的短路的风险。
如图1a所示，解决该问题的一种方式是将常导通器件与常关断器件(诸如处于共源共栅配置的增强模式MOSFET器件)串联。如图所示，常导通器件102的源极在节点S’处耦合至常关断器件104的漏极，并且常关断器件104的栅极G被驱动电路106所驱动。
这里，常关断器件104的栅极G用作被驱动电路106所驱动的控制端，而常导通器件102的栅极连接至常关断器件104的源极S。在启动期间，常导通器件和常关断器件的串联组合是非导电的。一旦必要的电源电压变得可用，就可以利用输入信号驱动常关断器件，使得常导通器件用作共源共栅器件。如果流过开关的电流被迫使反向，则常关断器件104的本体二极管BD变成正向偏置。由于电路拓扑(即，将常导通晶体管102的源极节点S’与常关断晶体管104的源极节点S连接)，常导通器件保持其导通状态，即，VGD>0。
然而，当操作为共源共栅时，组合器件存在多种问题。首先，由于常导通器件102的栅极-源极电容被高电源驱动而不被低栅极驱动电源电压驱动，所以会发生切换损失。此外，由于常关断器件104(其可以是非常大的器件以处理低电流并具有低阻抗)的漏极电容，可能会发生附加的切换损失。由于常关断器件104的寄生漏极电容在操作期间被充电和放电，所以损失了电能。
共源共栅结构的另一个问题在于，对常关断器件104可能存在电压应力。例如，在操作期间，节点S’处的电压可能由于从常导通器件102的漏极的电容耦合而具有大电压瞬变。换句话说，节点S处的电压在常导通器件102的负阈值之外，并且在一些切换条件下可能达到20V以上。
图1b示出了另一种方式，其中可以操作包括常导通晶体管和常关断晶体管的组合器件。这里，使用驱动器108直接驱动常导通器件102的栅极G1，并且根据欠压锁定块110的输出导通常关断器件104的栅极G2，其中欠压锁定块110在电源112达到足以关断常导通器件102的电压之后导通常关断器件104。在正常操作期间，常关断器件104保持在导通状态。在启动和故障条件期间，常关断器件104可以闭合，并且二极管D1通过将常导通器件102的栅极G1钳位于常关断器件104的源极电压来防止常关断器件的漏极电压达到高电压。然而，在这种直接驱动结构中，可能需要专用驱动器来驱动常导通器件102和常关断器件104的栅极G1和G2。直接驱动方法的另一问题在于，串联器件两端的高反向电流导致常导通器件102两端的大压降。
在根据本发明的一个实施例中，常导通器件和串联耦合的常关断器件可以被选择性地配置为驱动为共源共栅器件(其中，利用用作共源共栅晶体管的常导通器件，根据输入信号导通和关断常关断器件)或者驱动为直接驱动器件(其中，利用在直接驱动操作期间导通的常关断器件，根据输入信号导通和关断常导通器件)。在图2a中示出了这种实施例，其示出了包括与常关断器件204串联耦合的常导通器件202的示例性组合开关和驱动系统200。常关断器件204的本体二极管由二极管210表示。如图所示，通过驱动电路206来驱动常关断器件204，并且利用三态驱动电路208来驱动常导通器件202。开关218被配置为选择性地将常导通器件202的栅极G1耦合至常关断器件204的源极S。
驱动电路206从电源216接收其电能。因此，驱动电路206的输出电压可以在节点S处的常关断器件204的源极电压与常关断器件204的源极电压和电源216的电压的总和之间切换。在一些实施例中，电源216的电压VP足以导通常关断器件204，但是也足以低到避免常关断器件204的栅极的过应力。例如，电压VP可以在大约5V和大约12V之间的范围，然而在其他实施例中，也可以使用该范围外的电压。
可以使用本领域已知的驱动电路来实施驱动电路206。例如，在一些实施例中，Texas Instruments UCC 275x可用于实现驱动电路206。可以使用本领域已知的DC电源系统和方法来实现电源216。例如，电源216可以使用开关模式电源中的变压器的次级或辅助绕组以及二极管和/或同步整流器来实施。在一些实施例中，电压VP可以被进一步使用例如线性电压调节器来调节。可选地，可以使用其他已知的电源方案。
三态驱动电路208从电源VN(具有连接至常导通器件202的源极节点S’的正端)接收其电源。因此，三态驱动电路208的输出电压可以在用于VN的电压范围的电源214的负端处的电压与电源214的正端处的电压之间切换。在一些实施例中，电源214的电压VN足以向常导通器件202的栅极G1提供足够的负关断电压来在各种操作条件下提供裕度。在一个实施例中，对于具有大约-5V和大约-8V之间的阈值的常关断器件来说，电压VN在大约10V和大约-15V的范围内。然而，该范围外的电压取决于特定实施例和所使用的器件类型。例如，GaNHEMT器件的阈值可以随温度和操作条件而改变，因为其对温度和漂移效果敏感。
在一个实施例中，当在管脚Tri处确认逻辑LOW时，三态驱动电路208操作为驱动电路，并且当在管脚Tri处确认逻辑HIGH时，具有高阻输出。可选地，可以反转管脚Tri处的逻辑控制信号。例如，当在管脚Tri处确认逻辑LOW时，三态驱动电路208可操作为驱动电路，并且当在管脚Tri处确认逻辑HIGH时，可具有高阻输出。根据各个实施例，三态驱动电路208可以使用本领域已知的三态驱动电路来实现。例如，IXYS的IXYS 609低侧MOSFET驱动器可以用于实现三态驱动电路208。类似于电源216，电源214也可以使用本领域已知的DC电源系统和方法来实现。例如，可以使用切换模式电源中的变压器的次级或辅助绕组以及二极管和/或同步整流器来实现电源214。在一些实施例中，还可以进一步使用例如线性电压调节器来调节电压VN。可选地，还可以使用其他已知电源方案。
在一个实施例中，通过开关218的状态来确定组合开关和驱动系统200的操作模式，无论三态电路208是否具有高输出阻抗，并且驱动电路206或208提供切换信号。图2b示出了处于直接驱动模式的组合开关和驱动系统的操作，并且图2c示出了处于共源共栅模式的组合开关和驱动系统的操作。
在一个实施例中，通过断开开关218、经由驱动电路206向常导通器件204提供导通电压并经由三态驱动电路208向常导通器件202提供切换信号来以直接驱动模式操作组合开关和驱动系统220。在一些实施例中，通过在输入节点VinC处向驱动电路206提供逻辑HIGH来将导通电压提供给常关断器件204。通过向三态驱动电路208的输入VinD提供切换信号并向三态驱动电路208的三态模式输入管脚Tri提供逻辑低来将切换信号提供给常关断器件202。在操作期间，开关218被断开以防止三态驱动电路208的输出与常关断器件204的源极节点S短路。
在一个实施例中，通过闭合开关218、经由驱动电路206向常导通器件204提供切换信号、将常导通器件202的栅极G1耦合至常关断器件204的源极节点S来以共源共栅模式操作组合开关和驱动系统230。三态驱动电路208的输出被设置为高阻以避免偏移常关断器件204的源极节点S的偏置。在一些实施例中，通过向三态驱动电路208的三态模式输入管脚Tri提供逻辑LOW来将三态驱动电路208设置于三态模式，并且经由输入管脚VinC向驱动电路206提供切换信号。
图3示出了根据另一实施例的组合开关和驱动系统300，其包括附加模式控制电路装置。如图所示，输入信号Mode(模式)控制组合开关和驱动系统300的模式，使得当逻辑HIGH被提供给Mode输入时，系统以共源共栅模式进行操作，并且当逻辑LOW被提供给Mode输入时，系统以直接驱动模式进行操作。如图所示，Mode输入信号被提供给开关218、三态输入管脚Tri以及多路复用器302和304。因此，当逻辑HIGH被提供给Mode输入信号时，开关218被闭合并且三态驱动电路208的输出被设置为高阻，从而将常关断器件204的源极节点S耦合至常导通器件202的栅极G1。模式输入信号还经由多路复用器304将输入切换信号Vin路由至驱动电路206的输入VinC并且经由多路复用器302将逻辑LOW信号路由至三态驱动电路208的输入VinD，从而将输入切换信号路由至驱动电路206。在一些实施例中，逻辑HIGH信号可以被提供给三态驱动电路208的输入VinD，因为三态驱动电路208以高阻输出模式进行操作。
另一方面，当逻辑LOW被施加给Mode输入信号时，开关218被断开并且三态驱动电路208被配置为驱动常导通器件202的栅极G1，从而直接驱动常导通器件202。模式输入信号还经由多路复用器302将输入切换信号Vin路由至三态驱动电路208的输入VinD，并且经由多路复用器304将逻辑HIGH信号路由至驱动电路206的输入VinC，从而将输入切换信号路由至驱动电路208并导通常关断器件204。
应该理解，图3所示组合开关和驱动系统300仅仅是组合开关和驱动系统的一个具体示例性实例。在可选实施例中，可以使用其他功能类似的电路和拓扑。例如，在一些实施例中，可以反转Mode输入信号的极性，使得HIGH Mode输入信号选择直接驱动模式，而LOWMode输入信号选择共源共栅模式。在一些实施例中，可以使用多位选择逻辑。
图4a至图4c示出了根据本发明的又一实施例的组合开关和驱动系统。这里，代替使用开关和三态驱动电路来配置针对常导通器件202的连接，通过选择性地驱动耦合至常导通器件202和常关断器件204的栅极的放大器来使能操作的直接驱动模式和操作的共源共栅模式。
图4a示出了被配置为以直接驱动模式进行操作的驱动系统400。如图所示，驱动系统400包括：驱动电路206，具有耦合至常关断器件204的栅极连接G2的输出端；以及驱动电路402，具有耦合至常导通器件202的栅极连接G1的输出端。电源214的正端、电源216的负端、驱动电路206的负端以及驱动电路402的正端耦合至常关断器件204的源极S。
在操作的直接驱动模式期间，常关断器件210的栅极连接G2经由驱动电路206例如被偏置为电源216的正电压VP，从而导通常关断器件204。在一个实施例中，可以通过在驱动电路206的输入VinC处施加逻辑高来导通常关断器件204。然后，向驱动电路402的输入VinD施加切换信号。在一个实施例中，驱动电路402的输出将常导通器件202的栅极处的输入G1在常关断器件204的源极节点S处的电压和电源214的负端处的电压之间进行切换。当在栅极驱动器402的负电源电压处偏置常导通器件202的栅极节点G1时，常导通器件202闭合。当在常关断器件204的源极电压S(栅极驱动器的正端)处偏移栅极节点202时，常导通器件202导通。在一个实施例中，分别根据常关断器件204和常导通器件202的阈值电压来设置电源216和214的电压VP和VN。在一个实例中，对于驱动系统400来说，电源216的电压VP在大约5V和大约12V之间，并且电源402的电压VN在大约10V和大约15V之间。在可选实施例中，可以使用不同的电压。
图4b示出了被配置为以共源共栅模式进行操作的驱动系统400。这里，驱动电路402的输入VinD被设置为逻辑高以将常关断器件204的源极节点S的电压施加于常导通器件202的栅极G1。切换电压被施加给驱动电路206的输入VinC，驱动电路206又将切换信号施加于常关断器件204的栅极连接G2。
图4c示出了根据又一实施例的组合开关和驱动系统420的实施例，其包括附加模式控制电路装置。在这种情况下，切换信号被施加给多路复用器302和304的输入端，其选择性地将切换信号路由至处于直接驱动模式的常导通器件202的栅极连接G1和处于共源共栅模式的常关断器件204的栅极连接G2。
在一个实施例中，当Mode输入为高时，示例性组合开关和驱动系统420以共源共栅模式进行操作。这里，当Mode输入为高时，多路复用器302选择逻辑高输入并将逻辑高输入施加给驱动电路402的输入VinD，从而导通常导通器件202。多路复用器302将切换信号施加给驱动电路206的输入VinC，驱动电路206又将切换信号施加给常关断器件204。
当Mode输入为低时，示例性组合开关和驱动系统420以直接驱动模式进行操作。这里，当Mode输入为低时，多路复用器302选择切换信号并将切换信号施加给驱动电路402的输入VinD，从而将切换信号施加给常导通器件202。多路复用器304将逻辑高信号施加给驱动电路206的输入VinC，驱动电路206又导通常关断器件204。应该理解，图4c所示的组合开关和驱动系统420仅仅是组合开关和驱动系统的一个特定示例性示例。在可选实施例中，可以使用其他功能类似的电路和拓扑。
图5示出了根据本发明实施例的切换模式功率转换器500，其被配置为将AC输入信号(诸如输入端口Vin处的50Hz至60Hz线电压)转换为输出端口Vout处的DC输出电压。例如，在一个实施例中，切换模式功率转换器400被配置为将120VAC或240VAC输入50Hz至60Hz功率线输入电压转换为大约400V的DC输出电压。可选地，可以使用相同或不同频率范围处操作的其他输入和电压。
切换模式功率转换器500包括使用根据本文描述的实施例的示例性组合开关和驱动器502和506实施的H桥。该H桥经由电感器512耦合至输入端口Vin。在切换模式功率转换器500的操作期间，组合开关和驱动器502和506磁化和去磁化电感器512，使得功率从输入端口Vin传送至输出端口Vout。包括MOSFET开关晶体管的切换电路504和508被操作为同步整流器，其提供返回电流路径并且在一些实施例中还使用二极管来实现。电容器514表示切换模式功率转换器500的输入电容，并且电容器510表示切换模式功率转换器500的负载电容。每个示例性组合开关和驱动器502和506都包括与常关断器件串联耦合的常导通器件，并且被配置为接收输入管脚Vin处的切换信号和输入管脚M处的模式选择信号。在一个实施例中，控制器518向示例性组合开关和驱动器502和506以及向切换电路504和508提供切换信号，其定时被配置为将输入端口Vin处的AC输入信号转换为端口Vout处的DC输出信号。控制器518可以使用本领域已知的H桥偏置切换模式功率控制器来实现。在一些实施例中，控制器518可以使用来自切换模式功率转换器500的各个节点和电流分支的电流和/或电压反馈以提供输出电压、输出电流和/或输入电流的反馈控制。例如，耦合至组合开关和驱动器506和502的信号S1、S2的切换以及耦合至切换电路504和508的信号S3和S4的切换可以被配置为提供可控输出电压和可控输入电流，来实现功率因数校正。
在一个实施例中，示例性组合开关和驱动器502和506的每一个都被配置为当在输入管脚M处确认逻辑HIGH时以共源共栅模式进行操作以及在输入管脚M处确认逻辑LOW时以直接驱动模式进行操作。在可选实施例中，可以反转模式选择信号的极性。极性传感器516被配置为感应输入线电压Vin的极性并根据感应的线电压产生模式信号M1和M2。
在一个实施例中，选择用于示例性组合开关和驱动器502和504的操作模式，使得减少切换损失并且避免常导通器件两端的高压反转偏置条件。例如，当输入端口Vin处的电压具有正极性时，耦合至控制信号S1的组合开关和驱动器506主要用作开关，并且耦合至控制信号S2的组合开关和驱动器502主要用作二极管。因此，当输入端口Vin处的电压具有正极性时，组合开关和驱动器502可被配置为共源共栅器件，并且组合开关和驱动器506可被配置为直接驱动器件。通过在用作二极管时操作组合开关和驱动器502作为共源共栅器件，可以避免常导通器件两端的大反向电压。尽管切换损失稍高，但在特定应用(尤其在中电压的高切换频率下)中可以减小总体损失。在其他应用和在不同条件下，任何其他可能的组合(在共源共栅模式下操作的开关、直接驱动的开关或者共源共栅模式和直接驱动下)可以根据特定的系统及其规格来使用。
当Vin改变极性时，器件502和506改变其功能。现在502用作开关，而506用作二极管。对示例性组合开关和驱动器502、506分配的模式被反转。例如，组合开关和驱动器506被操作为直接驱动器件，而组合开关和驱动器502被操作为共源共栅器件。通过动态地改变示例性组合开关和驱动器502和506的操作模式并且在切换模式功率转换器500的各个操作阶段期间，由于常关断器件的寄生电容引起的切换损失的减小而可以实现增加的效率。
图6示出了驱动组合开关的示例性方法600的流程图，其中组合开关包括与常关断晶体管串联耦合的常导通晶体管。该方法例如可以与图2a至图2c和图3的实施例结合使用。在一个实施例中，在步骤602中确定组合开关是否以共源共栅模式或直接驱动模式进行操作。例如，如在图4的实施例中描述的，可以基于输入AC信号的极性来进行这种确定。如果选择共源共栅模式，则在步骤604中，使用第一驱动电路将第一切换信号耦合至常关断晶体管的控制节点。随后在步骤606中，第二驱动电路耦合至常导通晶体管的控制节点，同时其输出处于高阻状态。在步骤608中，闭合常导通晶体管的控制节点和常关断晶体管的源极端之间耦合的开关。
如果在步骤602中选择直接驱动模式，则在步骤610中，使用第二驱动电路将第二切换信号耦合至常导通晶体管的控制节点。在步骤612中，使用第一驱动电路将高于阈值电压的恒定电压耦合至常关断晶体管的控制节点。断开在常导通晶体管的控制节点与常关断晶体管的源极端之间耦合的开关。
图7示出了驱动组合开关的示例性方法700的流程图，其中组合开关包括与常关断晶体管串联耦合的常导通晶体管。例如可以结合图4a至图4c的实施例使用该方法。在一个实施例中，在步骤702中确定组合开关是否以共源共栅模式或直接驱动模式进行操作。例如，如图4的实施例所描述的，可以基于输入AC信号的极性来进行这种确定。如果选择共源共栅模式，则在步骤704中使用第一驱动电路将第一切换信号耦合至常关断晶体管的控制节点。随后在步骤706中，第二驱动电路用于将常导通晶体管的控制节点与常关断晶体管的源极节点耦合。
如果在步骤702中选择直接驱动模式，则在步骤708中使用第二驱动电路将第二切换信号耦合至常导通晶体管的控制节点。在步骤710中，使用第一驱动电路将恒定电压耦合至常关断晶体管的控制节点。
根据一个实施例，一种电路包括第一驱动器，其具有被配置为耦合至常关断晶体管的控制节点的第一输出端。第一驱动器被配置为以共源共栅模式在第一输出端处驱动第一切换信号并且被配置为以直接驱动模式在第一输出端处驱动第一恒定电压。该电路还包括第二驱动器，其具有被配置为耦合至常导通晶体管的控制节点的第二输出端，其中常导通晶体管具有耦合至常关断晶体管的第一负载路径端的第二负载路径端。第二驱动器被配置为以直接驱动模式在第二输出端处驱动第二切换信号。
在一个实施例中，第二驱动器被进一步配置为在共源共栅模式下在第二输出端处处于高阻，并且该电路还包括耦合在常导通晶体管的控制节点与常关断晶体管的第二负载路径端之间的开关，并且开关被配置为在直接驱动模式下断开且在共源共栅模式下闭合。第一驱动器包括耦合在第一参考电压节点与常关断晶体管的第二负载路径端之间的第一电源端，并且第二驱动器包括耦合在常导通晶体管的第二负载路径端与第二参考电压节点之间的第二电源端。
在一个实施例中，第一切换信号具有在第一参考电压节点的电压与常关断晶体管的第二负载路径端的电压之间进行转换的电压，并且第二切换信号包括在常导通晶体管的第二负载路径端的电压与第二参考电压节点的电压之间进行转换的电压。
该电路可进一步包括：第一电源，耦合在第一参考电压节点与常关断晶体管的第二负载路径端之间；以及第二电源，耦合在常导通晶体管的第二负载路径端与所述第二参考电压节点之间。该电路可进一步包括控制器，其被配置为：将输入切换信号耦合至第一驱动器的输入端，确认将第二驱动器配置为在第二输出端处具有高阻的控制信号，并且在共源共栅模式下闭合开关；将输入切换信号耦合至第二驱动器的输入端，将恒定电压施加于第一驱动器的输入端，并且在直接驱动模式下断开开关。在一些实施例中，恒定电压包括常关断晶体管的导通电压。
根据一些实施例，该电路还包括常导通晶体管和常关断晶体管。例如，常导通晶体管可包括GaN HEMT器件，并且常导通晶体管的第二负载路径端包括GaN HEMT的源极。在一个实施例中，常关断晶体管为增强模式MOSFET晶体管，增强模式MOSFET晶体管的第一负载路径端为增强模式MOSFET晶体管的漏极，并且增强模式MOSFET晶体管的第二负载路径端为增强模式MOSFET晶体管的源极。
在一个实施例中，第一驱动器包括耦合在第一参考电压节点与常关断晶体管的第二负载路径端之间的第一电源端，以及第二驱动器包括耦合在常关断晶体管的第二负载路径端与第二参考电压节点之间的第二电源端。
一种操作开关的方法，开关包括与常关断晶体管串联耦合的常导通晶体管，该方法包括：在共源共栅模式下，使用第一驱动电路将第一切换信号驱动至常关断晶体管的控制节点，并且导通具有耦合至第二驱动电路的输出端的控制节点的常导通晶体管。该方法还包括：在直接驱动模式下，使用第二驱动电路将第二切换信号驱动至常导通晶体管的控制节点，并且使用第一驱动电路将第一恒定电压驱动至常关断晶体管的控制节点并断开开关。
该方法可进一步包括：在共源共栅模式下，将耦合至常导通晶体管的控制节点的第二驱动电路置于高输出阻抗状态，并且闭合耦合在常导通晶体管的控制节点与常关断晶体管的负载路径端之间的开关。常关断晶体管可使用FET晶体管来实现，并且常关断晶体管的负载路径端包括常关断晶体管的源极。
在共源共栅模式下，开关将常导通晶体管的控制节点耦合至常关断晶体管的源极端。常关断晶体管可使用增强模式MOSFET来实现，并且常导通晶体管可使用GaN HEMT来实现。
在一个实施例中，该方法进一步包括：在第一驱动电路的电源端之间施加第一电源电压，并且在第二驱动电路的电源端之间施加第二电源电压。施加第一电源电压可包括：向第一驱动电路的正电源端施加第一电压参考节点，并且将常关断晶体管的负载端耦合至第一驱动电路的负电源端。施加第二电源电压可包括：向第二驱动电路的负电源端施加第二电源参考节点，并且将常导通晶体管的负载端耦合至第二驱动电路的正电源端。
根据又一实施例，一种切换模式电源包括：多个组合切换电路，包括与第二切换开关电路串联耦合的第一组合切换电路，以形成第一串联组合。多个组合切换电路中的每一个切换电路均包括：常导通晶体管；常关断晶体管，具有耦合至常导通晶体管的第二负载路径端的第一负载路径端；以及第一驱动器，包括耦合至常关断晶体管的控制节点的第一输出端。第一驱动器被配置为以共源共栅模式在第一输出端处驱动第一切换信号并且被配置为以直接驱动模式在第一输出端处驱动第一恒定电压。多个组合切换电路中的每一个切换电路还包括第二驱动器，其具有耦合至常导通晶体管的控制节点的第二输出端。第二驱动器被配置为以直接驱动模式在第二输出端处驱动第二切换信号，多个组合切换电路中的每一个切换电路均被配置为在共源共栅模式下将常导通晶体管的控制节点与常关断晶体管的源极连接。
在一个实施例中，第二驱动器还被配置为在共源共栅模式下在第二输出端处具有高阻，并且多个组合切换电路中的每一个切换电路均进一步包括耦合在常导通晶体管的控制节点与常关断晶体管的第二负载路径端之间的开关。开关被配置为在直接驱动模式下断开且在共源共栅模式下闭合。
实施例的优势包括：减少切换损失以及由于反向偏置常导通晶体管的压降而引起的损失。实施例的又一优势包括：操作与常关断晶体管串联耦合的常导通晶体管而无需对常关断晶体管施加过应力的能力。因此，常关断器件的大小可以以减少切换损失的方式进行配置。
实施例的其他优势包括：通过选择操作模式的最佳组合来优化针对不同应用的可能性。
虽然参照所示实施例描述了本发明，但说明不是用于限制的目的。本领域技术人员在阅读说明书的基础上可以明白所示实施例的各种修改和组合以及本发明的其他实施例。例如，示例性电源系统和其他示例性驱动系统可以使用在序列号为14/473,207的共同未决申请代理案号INF 2014 P 50929中公开的堆叠驱动电路来实现。

Claims (21)

1.一种电路，包括：
第一驱动器，包括被配置为耦合至常关断晶体管的控制节点的第一输出端，所述第一驱动器被配置为以共源共栅模式在所述第一输出端处驱动第一切换信号并且被配置为以直接驱动模式在所述第一输出端处驱动第一恒定电压，其中所述常关断晶体管具有位于所述常关断晶体管的第一负载路径端与所述常关断晶体管的第二负载路径端之间的第一负载路径；以及
第二驱动器，包括被配置为耦合至常导通晶体管的控制节点的第二输出端，所述第二驱动器被配置为以所述直接驱动模式在所述第二输出端处驱动第二切换信号并且被配置为以共源共栅模式在所述第二输出端处驱动静态信号，其中所述常导通晶体管具有位于所述常导通晶体管的第三负载路径端与所述常导通晶体管的第四负载路径端之间的第二负载路径，所述常关断晶体管的所述第二负载路径端耦合至所述常导通晶体管的所述第三负载路径端。
2.根据权利要求1所述的电路，其中：
所述第二驱动器被进一步配置为在共源共栅模式下在所述第二输出端处处于高阻抗；以及
所述电路进一步包括耦合在所述常导通晶体管的控制节点与所述常关断晶体管的第一负载路径端之间的开关，所述开关被配置为在所述直接驱动模式下断开且在所述共源共栅模式下闭合。
3.根据权利要求1所述的电路，其中：
所述第一驱动器包括所述第一驱动器的第一电源端以及配置为耦合至所述常关断晶体管的第一负载路径端的所述第一驱动器的第二电源端；以及
所述第二驱动器包括所述第二驱动器的第三电源端以及被配置为耦合至所述常导通晶体管的第三负载路径端的所述第二驱动器的第四电源端。
4.根据权利要求3所述的电路，其中：
所述第一切换信号包括在所述第一驱动器的第一电源端的电压与所述常关断晶体管的第一负载路径端的电压之间进行转换的电压；以及
所述第二切换信号包括在所述常导通晶体管的第三负载路径端的电压与所述第二驱动器的第三电源端的电压之间进行转换的电压。
5.根据权利要求3所述的电路，进一步包括：
第一电源，耦合在所述第一驱动器的第一电源端与所述第一驱动器的第二电源端之间；以及
第二电源，耦合在所述第二驱动器的第三电源端与所述第二驱动器的第四电源端之间。
6.根据权利要求1所述的电路，进一步包括：所述常导通晶体管和所述常关断晶体管。
7.根据权利要求6所述的电路，其中所述常导通晶体管包括GaNHEMT器件，并且所述常导通晶体管的第三负载路径端包括所述GaNHEMT器件的源极。
8.根据权利要求7所述的电路，其中所述常关断晶体管包括增强模式型MOSFET晶体管，所述增强模式型MOSFET晶体管的第二负载路径端包括所述增强模式型MOSFET晶体管的漏极，并且所述增强模式型MOSFET晶体管的第一负载路径端包括所述增强模式型MOSFET晶体管的源极。
9.一种电路，包括：
第一驱动器，包括被配置为耦合至常关断晶体管的控制节点的第一输出端，所述第一驱动器被配置为以共源共栅模式在所述第一输出端处驱动第一切换信号并且被配置为以直接驱动模式在所述第一输出端处驱动第一恒定电压，其中所述常关断晶体管具有位于所述常关断晶体管的第一负载路径端与所述常关断晶体管的第二负载路径端之间的第一负载路径；
第二驱动器，包括被配置为耦合至常导通晶体管的控制节点的第二输出端，所述第二驱动器被配置为以所述直接驱动模式在所述第二输出端处驱动第二切换信号并且被配置为以共源共栅模式在所述第二输出端处驱动静态信号，其中所述常导通晶体管具有位于所述常导通晶体管的第三负载路径端与所述常导通晶体管的第四负载路径端之间的第二负载路径，所述常关断晶体管的所述第二负载路径端耦合至所述常导通晶体管的所述第三负载路径端；以及
控制器，被配置为
将输入切换信号耦合至所述第一驱动器的输入端，确立将所述第二驱动器配置为在所述第二输出端处具有高阻的控制信号，并且在所述共源共栅模式下闭合开关，其中所述开关耦合在所述常导通晶体管的控制节点与所述常关断晶体管的第一负载路径端之间，以及
将所述输入切换信号耦合至所述第二驱动器的输入端，将恒定电压施加于所述第一驱动器的输入端，并且在所述直接驱动模式下断开所述开关。
10.根据权利要求9所述的电路，其中所述恒定电压包括所述常关断晶体管的导通电压。
11.一种操作开关的方法，所述开关包括与常关断晶体管串联耦合的常导通晶体管，所述方法包括：
在共源共栅模式下，使用第一驱动电路将第一切换信号驱动至所述常关断晶体管的控制节点，并且持续地导通具有耦合至第二驱动电路的输出端的控制节点的所述常导通晶体管；以及
在直接驱动模式下，使用第二驱动电路将第二切换信号驱动至所述常导通晶体管的控制节点，并且使用所述第一驱动电路将第一恒定电压驱动至所述常关断晶体管的控制节点并断开耦合在所述常导通晶体管的控制节点与所述常关断晶体管的负载路径端之间的开关。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
在所述共源共栅模式下，将耦合至所述常导通晶体管的控制节点的第二驱动电路置于高输出阻抗状态，并且闭合耦合在所述常导通晶体管的控制节点与所述常关断晶体管的负载路径端之间的所述开关。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述常关断晶体管包括FET晶体管，并且所述常关断晶体管的负载路径端包括所述常关断晶体管的源极。
14.根据权利要求11所述的方法，其中在所述共源共栅模式下，所述开关将所述常导通晶体管的控制节点耦合至所述常关断晶体管的源极端。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述常关断晶体管包括增强型MOSFET，并且所述常导通晶体管包括GaN HEMT。
16.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：在所述第一驱动电路的电源端之间施加第一电源电压，并且在所述第二驱动电路的电源端之间施加第二电源电压。
17.根据权利要求16所述的方法，其中施加所述第一电源电压包括：向所述第一驱动电路的正电源端施加第一电压参考节点，并且将所述常关断晶体管的负载端耦合至所述第一驱动电路的负电源端。
18.根据权利要求16所述的方法，其中施加所述第二电源电压包括：向所述第二驱动电路的负电源端施加第二电源参考节点，并且将所述常导通晶体管的负载端耦合至所述第二驱动电路的正电源端。
19.一种切换模式电源，包括：
多个组合切换电路，其中所述多个组合切换电路包括与第二组合切换电路串联耦合的第一组合切换电路，以形成第一串联组合，并且所述多个组合切换电路中的每一个组合切换电路均包括：
常导通晶体管；
常关断晶体管，具有耦合至所述常导通晶体管的第二负载路径端的第一负载路径端；
第一驱动器，包括耦合至所述常关断晶体管的控制节点的第一输出端，所述第一驱动器被配置为以共源共栅模式在所述第一输出端处驱动第一切换信号并且被配置为以直接驱动模式在所述第一输出端处驱动第一恒定电压；以及
第二驱动器，包括耦合至所述常导通晶体管的控制节点的第二输出端，所述第二驱动器被配置为以所述直接驱动模式在所述第二输出端处驱动第二切换信号，并且被配置为以共源共栅模式在所述第二输出端处驱动静态信号，其中所述多个组合切换电路中的每一个组合切换电路均被配置为以所述共源共栅模式将所述常导通晶体管的控制节点与所述常关断晶体管的源极连接。
20.根据权利要求19所述的切换模式电源，其中：
所述第二驱动器进一步被配置为在所述共源共栅模式下在所述第二输出端处具有高阻抗；以及
所述多个组合切换电路中的每一个组合切换电路均进一步包括耦合在所述常导通晶体管的控制节点与所述常关断晶体管的第二负载路径端之间的开关，所述开关被配置为在所述直接驱动模式下断开且在所述共源共栅模式下闭合。
21.根据权利要求19所述的切换模式电源，进一步包括极性传感器，所述极性传感器耦合至所述切换模式电源的输入端，其中所述切换模式电源被配置为根据耦合至所述切换模式电源的输入端的信号的极性在直接驱动模式和共源共栅模式之间改变。
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