[发明专利]回授式组件块与二极管桥式整流器及方法

说明书

相关申请

本申请关联并要求在2008年1月23日提交的美国临时申请61/022968、以及在2008年9月25日提交的美国专利申请12/238308的权益，并通过后者要求在2007年9月26日提交的题为“可调节的场效应整流器(Adjustable Field Effect Rectifier)”的美国临时申请60/975467的权益，且被共同受让。

技术领域

本发明总地涉及半导体整流器，且更具体地涉及用于改进二极管电桥的性能的回授式自动控制结构及用于这种结构的方法。

背景技术

全电桥或半电桥的二极管电桥是非常常见的电路元件，用以执行对振荡输出信号的整流。半电桥由两个二极管构成，并具有三个外部电极。它们通常在开关模式电源电路中用于输出整流，诸如正激、推挽、半电桥和全电桥拓扑结构。对于信号的一种极性，电流流过一个二极管(处于导通状态)，且不流过另一个二极管(处于截止状态)。对于相反的极性，二极管切换它们的状态：导通的二极管变为截止状态，截止的二极管变为导通状态。这种两个二极管之间的电流切换导致整流。

在信号整流期间的能量损耗由各个二极管的性能所决定。对于实际二极管的实现方式，其受理想二极管的公式所限制：

I_F/I_R≤exp(qV_F/kT)

其中，I_F是正向电流，V_F是正向偏压，I_R是漏电流，以及室温T下kT/q＝0.0259V。因此，某些整流比要求正向电压降大于一些限定值

V_F＞0.0259ln(1+I_F/I_R)

例如，对于导电电流为10A漏电流为10μA的二极管，则正向电压降大于0.358。一些二极管接近于该理论限定值，因此给通过常规技术来进行改进的空间非常小。一旦电子器件在较低电压下运行，则该理论限定值将导致二极管效率非常低。例如，如果电源采用3.3V，则在半电桥上的损耗将是大约0.358/3.3＝11％。对现代开关模式电源来说，这种在整流上的高能量损耗是不可接受的。

为了克服整流器电桥在低压应用中的高损耗，采用同步整流。一种方法是采用MOSFET来执行二极管的整流功能。然而，同步整流的电路的实现方式非常复杂。需要控制器来提供栅电压并将MOSFET从导通变到截止状态。需要传感器告知控制器所施加的电压的信号已经变化。这种附加的信号处理降低了由同步整流器构成的半电桥的运行速度。因此，人们需要复杂得多的且昂贵的电路替代两个二极管。

所以，长期以来都存在对一种桥式整流器的需要，该桥式整流器能够在低压下高效工作，而无需复杂电路，且没有常规同步整流器的频率范围限制。

发明内容

提出一种回授式组件块(RBB)作为新的半导体器件，具体地，其被成对用于形成高效的二极管半电桥，该二极管半电桥能够在低压下运行而没有不可接受的损耗。每一RBB具有4个电极：源极、漏极、栅极和探测极。在一实施例中，在每一RBB的源极和漏极之间的电流可以由栅极电压所控制。第一RBB的探测电极为第二RBB的栅电极提供回授信号。来自探测电极的该信号可以被用于在导通和截止状态之间开关邻近的半导体器件，该邻近的半导体器件形成一对中的第二器件。因此，根据本发明用一对RBB构成的半电桥仅仅具有三个外部接点。由两个RBB制成的具有共阳极或共阴极的半电桥实施例显示出比理想二极管性能更好的性能，类似于同步整流器。由于半电桥仅仅有三个接点，避免了常规同步整流器控制信号的复杂性。

附图说明

图1示出了示意性的4-端子回授式组件块(RBB)的结构。源极和漏极之间的电流由栅电极所控制。探测电极可以被用作附加电流控制或作为回授信号的源；

图2示出了将两个图1所示的RBB组合形成的回授式半电桥。每一RBB的探测电极被连接到另一RBB栅电极用于在导通和截止状态之间自动切换。在一实施例中，两个n型(p型)RBB将构成共阳极(共阴极)的回授式半电桥。

图3示意了组合成二极管全电桥的共阳极和共阴极半电桥，电流用箭头指示。

图4图示出正向电压降随所施加电流的变化图。与20μA漏电流的理想二极管(蓝)相比，共阳极(红)和共阴极(绿)半电桥具有更小的电压降。

图5示出了根据本发明的回授式半电桥的示意性I-V曲线。负电阻区对应于栅电压超过阈电压时从截止到导通状态的自动切换。

图6示出回授式半电桥倍流整流设计。