[发明专利]用于功率转换的装置和用于将第一电压转换为第二电压的方法

说明书

本发明提供了用于功率转换的装置和用于将第一电压转换为第二电压的方法。该装置包括预充电电路、开关和栅极驱动器电路。开关包括有源半导体开关元件，并且被配置成在第一状态和第二状态之间进行转变。第一状态和第二状态导致电容器与第一端子和第二端子中的至少一个之间的相应的第一电互连和第二电互连。第一端子在第一电压下耦合至第一外部电路，并且第二端子耦合至第二电压。每个栅极驱动器电路包括控制输入、电力连接和驱动输出。每个开关耦合至栅极驱动器电路之一的驱动输出并由栅极驱动器电路之一的驱动输出控制。栅极驱动器电路包括第一栅极驱动器电路，并且第一栅极驱动器电路通过其电力连接从电容器中的至少一个电容器接收电力。

本申请是申请日为2014年3月11日、申请号为“201480028501.9”、发明名称为“用于开关电容转换器的高效率栅极驱动器”的发明专利申请(其是国际申请号为PCT/US2014/023025的PCT申请进入中国国家阶段之后的申请)的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年3月15日提交的美国申请第13/837,796号的优先权日的权益，其内容由此以引用的方式全部并入本文。

技术领域

本发明涉及开关电容转换器，并且更加具体地涉及用于这样的转换器的高效率栅极驱动器。

背景技术

切换模式功率转换器是一种特定类型的功率转换器，其通过使用切换网络将储能元件(即，电感器和电容器)切换为不同电气配置而产生输出电压。开关电容转换器是主要利用电容器来传输能量的一类切换模式功率转换器。在这样的转换器中，电容器和切换器的数量随着转换增益的增加而增加。

如本文使用的，如果开关电容功率转换器产生大于输入电压的输出电压，那么转换增益代表电压增益，或者，如果开关电容功率转换器产生小于输入电压的输出电压，那么转换增益代表电流增益。

图1和图2示出了开关电容功率转换器的两个示例，其接收来自电压源16的输入电压VI，并且向负载18提供输出电压VO。这两个示例也都称为级联倍增器。注意，在图2中，在图1中的电路的多个开关器件被一系列多个器件替代，从而减少跨在电路中的分别的器件的最大电压。

在正常操作中，当泵电容器C1-C3正在被连续地充电和放电时，沿着二极管连接式NMOS晶体管M0-M5的链路泵送电荷包。如图1和图2所示，相电压VP1、VP2是一百八十度异相的。NMOS晶体管M0-M5中的每一个是二极管连接的，从而仅仅允许增压操作(即，VO大于VI)。另外，效率被严重地影响，这是因为在正常操作期间跨晶体管M0-M5中的每一个的电压量明显降低。因此，期望在其欧姆区中操作NMOS晶体管M0-M5，但是由于驱动晶体管M0-M5的困难性和/或复杂性，所以典型地使用PMOS晶体管和高压晶体管两者的组合。

如果在开关电容功率转换器中的晶体管集成在单个衬底上，那么可以期望使用尽可能少的不同的类型的器件。对于给定的半导体工艺，成本与掩膜层的数量有关。随着在半导体工艺中的不同类型的器件的数量的增加，掩膜层的数量也增加，因此成本也增加。

此外，众所周知，在硅中电子具有比空穴更高的迁移率。结果，带有给定导通电阻的NMOS器件具有比带有相同导通电阻的PMOS器件更小的栅极电容。也是真实的是，带有给定栅极电容的NMOS器件具有比带有相同栅极电容的PMOS器件更小的导通电阻。在功率转换器中，因此，理想的是用NMOS器件替代在主功率路径中的尽可能多的PMOS器件并且用低压器件替代尽可能多的高压器件。

发明内容