CN102301595A - 控制结型场效应晶体管的器件 - Google Patents

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CN102301595A CN2010800055485A CN201080005548A CN102301595A CN 102301595 A CN102301595 A CN 102301595A CN 2010800055485 A CN2010800055485 A CN 2010800055485A CN 201080005548 A CN201080005548 A CN 201080005548A CN 102301595 A CN102301595 A CN 102301595A
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Abstract

本发明涉及一种使得能够使用习惯用于控制MOSFET/IGBT的栅极控制电路控制JFET晶体管的器件。该器件包括：由串联的电容器(C1)和栅极电阻器(Rg)组成的第一单元，所述第一单元连接在控制电路(10)的第一输出端(100)与JFET晶体管的栅极(G)之间；由串联的二极管(D1)和放电电阻器(R1)组成的第二单元，所述第二单元连接在第一单元的电容器(C1)与栅极电阻器(Rg)之间，还连接到栅极控制电路(10)的第二输出端(101)。

Description

控制结型场效应晶体管的器件
技术领域
本发明涉及控制JFET(结型场效应晶体管)晶体管的器件。
背景技术
JFET晶体管是包含其功能是允许或禁止电流在漏极(D)与源极(S)之间流动的控制栅极(G)的已知电源开关。如果栅极与源极之间的电压VGS接近零，则这样的晶体管是耗尽型(常开)晶体管。这意味着在控制电压VGS不存在的情况下，漏极-源极沟道导通或者是导通的。相反，如果在不存在栅极与源极之间的电压VGS的情况下漏极-源极沟道不导通，则JFET晶体管是增强型(常闭)晶体管。
耗尽型JFET晶体管要求将负电压VGS施加在栅极与源极之间，以便将晶体管截止。这种电压通常位于-5V到-15V之间。
增强型JFET晶体管要求将正电压VGS施加在栅极与源极之间，以便将晶体管导通。这种正电压通常位于+1V到+3V之间。
由于JFET晶体管相对较新，还没有设计出专门控制它们的器件。因此，美国专利6,661,276已经建议生产一种用于控制增强型JFET晶体管的器件，该增强型JFET晶体管包含习惯用于控制MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)晶体管的栅极控制电路10。这种控制器件显示在附图1A中。
如文献US 6,661,276所述，传统MOSFET晶体管要求电压VGS高于10V，而增强型JFET晶体管要求电压VGS位于1V与3V之间。因此，现有技术的文献建议通过加入特定电路修改MOSFET的栅极控制电路10以便控制JFET。参考图1A，栅极控制电路10因此包含经由特定电路与JFET晶体管的栅极连接的第一输出端100、和与JFET晶体管的源极(S)连接的第二输出端101。就其本身而言，用于修改栅极控制电路10以便控制JFET晶体管的特定电路包含与晶体管的栅极(G)连接和与由第二电阻器R1和电容器C1并联组成的组件串联的栅极电阻器Rg，这种组件与控制电路10的第一输出端100连接。电阻器R1被选择成将JFET晶体管导通之后流过栅极(G)的电流限制在大约100mA(毫安)的可接受值上，并且使电容器C1的充分、迅速放电成为可能。
与MOSFET晶体管相反，JFET晶体管固有地包含连接在它的栅极与它的源极之间和由栅极-源极二极管Dgs和栅极-源极电容器Cgs并联组成的两个寄生部件。在现有技术的文献US 6,661,276中未描述这两个寄生部件。
例如，考虑如下值：
-等于0V或15V的控制电路的输出电压Vs；
-具有10Ω阻值的栅极电阻器Rg；
-具有100Ω阻值的第二电阻器R1；
-具有10nF(毫微法)电容和可充电到12V的电容器C1；以及
-具有3V的正向电压的栅极-源极二极管Dgs，
当描述在现有技术中的器件导通并处在导通状态下时，它的操作如下。
将控制电路10的输出电压控制成15V，以便导通JFET晶体管。
最初，当电路的电容器C1、Cgs未充电时，整个15V输出电压施加在栅极电阻器Rg上，因此，栅极电阻器Rg将电流设置成1.5A(图1B)。
然后，一旦电容器C1和栅极-源极电容器Cgs充满电，就通过二极管Dgs的正向电压将JFET的栅极电压VGS设置成3V。因此，12V的电压出现在由电容器C1和电阻器R1并联组成的组件的两端上。因此，当栅极-源极电容器Cgs被充电时，因此无法阻止120mA的电流通过栅极-源极二极管流入电路中(图1C)。但是，这个可能高达几安培的电流可能使二极管Dgs变差，并且在电阻器R1中造成由散热引起的损失。由于电阻器R1被选择成具有较小值(为了实现JFET晶体管的迅速开关，这是绝对必要的)，所以这种情况更加如此。
发明内容
本发明的目的是提供一种控制JFET晶体管的器件，当导通JFET晶体管时，不引起散热损失，并且没有使二极管变差的风险。
这个目的是通过包含如下的控制JFET晶体管的器件达到的：
-包含第一输出端和与JFET晶体管的源极连接的第二输出端的栅极控制电路；
-由串联的电容器和栅极电阻器组成的第一组件，所述第一组件连接在控制电路的第一输出端与JFET晶体管的栅极之间；以及
-由串联的二极管和放电电阻器组成的第二组件，这个第二组件一端连接在第一组件的电容器与栅极电阻器之间，而另一端与栅极控制电路的第二输出端连接。
按照一种特征，所述二极管的取向是从JFET晶体管的源极到栅极导通，以便当JFET晶体管被切换到导通状态时，防止电流流过电阻器R1。
按照另一种特征，所述栅极控制电路能够输送15伏的电压，以便导通JFET晶体管。
优选的是，将本发明的控制器件设计成控制增强型JFET晶体管。
按照本发明，所使用的JFET晶体管由例如碳化硅或氮化镓制成，从而赋予它低的导通电阻。
附图说明
其它特征和优点将出现在参考如下附图给出的详细描述中：
-图1A到图1C示出了用于控制JFET晶体管的现有技术控制器件的电路图；以及
-图2A到图2C和图3示出了控制JFET晶体管的本发明控制器件的电路图。
具体实施方式
既然所使用的部件是相同的，用在图形中的标号在示出现有技术的图1A到图1C与示出本发明的图2A到图2C和图3之间保持不变。
图1A到图1C上面已经描述过。
显示在图2A到图2C和图3中的本发明的控制器件旨在控制增强型JFET晶体管。可以看出，它也可以用于控制耗尽型JFET晶体管。
按照本发明，受控JFET晶体管最好由宽带隙材料，例如，碳化硅或氮化镓制成，以便具有低导通状态电阻(RDSon)，因此造成有限损失，和以便承受得住高压(高于600V)。众所周知，JFET晶体管包含其功能是允许或禁止电流在漏极(D)与源极(S)之间流动的控制栅极(G)。
此外，还已知JFET晶体管包含寄生部件。这些寄生部件由并联地放置在JFET晶体管的栅极(G)与源极(S)之间的栅极-源极二极管Dgs和栅极-源极电容器Cgs组成。尤其使二极管Dgs的取向是从JFET晶体管的栅极到源极导通。
更确切地说，增强型JFET晶体管可以用在几千赫兹到几十万赫兹的频率上的开关应用、像变速驱动那样的应用、开关式电源、或不间断电源(UPS)中。
本发明的控制器件包含例如设计成控制MOSFET/IGBT(金属氧化物半导体场效应晶体管/绝缘栅双极晶体管)和例如能够输送0V的输出电压Vs或15V的正输出电压Vs的栅极控制电路10。这种栅极控制电路10包含例如由电源供给的输入端、第一输出端100、和直接与JFET晶体管的源极连接的第二输出端101。
假设使用位于1V与3V之间的正电压、例如3V导通增强型JFET晶体管，为了控制JFET晶体管，必须修改MOSFET/IGBT栅极控制电路10。为此，本发明的控制器件包含加入栅极控制电路10中以便能够控制JFET晶体管的特定电路。如上所述，加入的特定电路必须特别限制控制器件中的损失，因此优化由控制器件和JFET晶体管组成的组件的能效。
为了使损失最小，本发明在于防止电流流过JFET晶体管的栅极，因此流入整个控制器件中。为此，用在本发明中的特定电路包含由串联在栅极控制电路10的第一输出端100与JFET晶体管的栅极(G)之间的电容器C1和栅极电阻器Rg组成的第一组件。因此，当栅极-源极电容器Cgs和电容器C1充满电时，就没有电流流入控制器件中。
按照本发明，为了使电容器C1放电，甚至部分放电，本发明的器件的特定电路包含由串联的第二电阻器R1和二极管D1组成的第二组件。该第二组件一端连接在电容器C1与栅极电阻器Rg之间，另一端与控制电路10的第二输出端101连接。二极管D1被连接成从JFET晶体管的源极到栅极导通，以便当JFET被切换到导通状态时，防止电流流过电阻器R1。因此，电容器C1的放电电阻器R1不再直接在JFET晶体管的栅极(G)的控制线，它与二极管D1串联的地点使得只在电容器C1的放电周期期间才在电阻器中散热。
例如，考虑如下值：
-等于0V或15V的控制电路的输出电压Vs；
-具有10Ω阻值的栅极电阻器Rg；
-具有100Ω阻值的第二电阻器R1；
-具有10nF电容和可充电到12V的电容器C1；以及
-具有3V的正向电压的栅极-源极二极管Dgs，
本发明的控制器件的操作如下。
当导通该器件时，控制电路10施加的电压是15V。
最初，电容器C1和Cgs仍然未充电，因此15V的整个电压都施加在栅极电阻器Rg上。该电阻器Rg具有例如10Ω的阻值，因此供应给JFET晶体管的栅极的电流是1.5A(图2B)。
当电容器C1和Cgs充满电时，电容器C1两端的电压是12V，并且，电容器Cgs两端的电压通过二极管Dgs的正向电压降、即3V设置。因此，栅极电阻器Rg两端的电压是0V，和因此，只要JFET晶体管保持在导通状态上，就没有电流流过该电阻器Rg，或流过JFET晶体管的栅极(图2C)。
一旦截止，作为输出从控制电路10施加的电压Vs因此是0V。然后12V的初始电压出现在电阻器R1的两端上，使电容器C1通过电阻器R1和二极管D1放电(图3)。然后，在电阻器R1中出现由散热引起的损失。栅极-源极电容器Cgs也放电到电路的所有电压相互抵消。
本发明的控制器件也适用于控制耗尽型JFET晶体管。当栅极控制电路10输送0V的输出电压Vs时，简单地保证JFET晶体管保持在截止状态，即，具有低于其导通阈值(取决于制造商，可能从-5V到-3V)的电压VGS就足够了。为此，有必要使电容器C1中的电荷保持足够高的水平。为了使电容器C1中的电荷保持足够高的水平，可以周期性地控制JFET晶体管，例如，通过迅速地开关它，以便经常对电容器再充电，或应用对电容器C1充电的外部电路。
因此，本发明的控制器件使JFET晶体管可以在JFET晶体管未切换时没有散热损失地得到控制。
当然，在不偏离本发明范围的情况下，可以想像出其它变种和些许改进等，以展望等效手段的使用。

Claims (6)

1.一种控制JFET晶体管的器件，其特征在于，它包含：
-包含第一输出端(100)和与JFET晶体管的源极(S)连接的第二输出端(101)的栅极控制电路(10)；
-由串联的电容器(C1)和栅极电阻器(Rg)组成的第一组件，所述第一组件连接在控制电路(10)的第一输出端(100)与JFET晶体管的栅极(G)之间；以及
-由串联的二极管(D1)和放电电阻器(R1)组成的第二组件，该第二组件一端连接在第一组件的电容器(C1)与栅极电阻器(Rg)之间，而另一端与栅极控制电路(10)的第二输出端(101)连接。
2.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述二极管(D1)的取向是从JFET晶体管的源极(S)到栅极(G)导通。
3.如权利要求1和2之一所述的器件，其特征在于，所述栅极控制电路(10)能够输送15伏的电压，以便导通JFET晶体管。
4.如权利要求1至3之一所述的器件，其特征在于，所述JFET晶体管是增强型JFET晶体管。
5.如权利要求1至4之一所述的器件，其特征在于，所述JFET晶体管由碳化硅制成。
6.如权利要求1至4之一所述的器件，其特征在于，所述JFET晶体管由氮化镓制成。
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