CN107431482A - 高压开关 - Google Patents

Abstract

一种高压开关设备通过以下形成：将若干个常导通的晶体管例如JFET彼此串联连接，其中，每个晶体管的漏极连接至下一个的源极；将常导通的晶体管的链与常关断的开关部件例如MOSFET串联连接，其中，常关断的开关部件的漏极连接至链中的第一个晶体管的源极；以及对每个晶体管，连接电压钳位器件例如二极管，其中，电压钳位器件的阳极连接至晶体管的源极，而电压钳位器件的阴极连接至链中的下一个晶体管的栅极。

Description

高压开关

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年1月8日提交的美国专利申请第14/592,542号的权益，由此该申请的全部公开内容通过引用并入本文。

背景技术

本主题一般涉及使用多个半导体器件的半导体开关，具体地，涉及使用多个串联器件的高压共源共栅开关。

发明内容

一种高压开关设备可以通过以下形成：将若干个常导通的晶体管例如结型场效应晶体管(JFET)彼此串联连接，其中，每个晶体管的漏极连接至下一个的源极；将常导通的晶体管的链与常关断的开关部件例如金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)串联连接，其中，常关断的开关部件的漏极连接至链中的第一个晶体管的源极；以及对每个晶体管连接电压钳位器件例如二极管，电压钳位器件的阳极连接至晶体管的源极，电压钳位器件的阴极连接至链中的下一个晶体管的栅极。这个布置有助于确保：偏置(或漏)电流在晶体管之间均匀地分布并且不取决于晶体管的参数；以及总的偏置电流仅是单个电压钳位二极管的偏置电流的两倍，并且不取决于串联连接的晶体管的数量，其中，所述总的偏置电流是因使电路偏置而造成的额外的泄露。

提供该发明内容来以简化的方式引入下面在具体实施方式中进一步描述的一系列构思。该发明内容不意在识别所要求保护的主题的关键特征或重要特征，也不意在用于限制所要求保护的主题的范围。此外，所要求保护的主题不限于解决在本公开内容的任何部分中指出的任何或全部缺点的限定。

附图说明

从下面结合附图以示例的方式给出的描述中可以得到更详细的理解。

图1是包括JFET链和MOSFET以及多个电压钳位二极管的示例性开关电路的电路示意图。

图2示出了具有附加的负载电路的图1的电路。

图3示出了示例性负载电路。

图4示出了图2的示例性电路加上动态平衡电路。

图5示出了图2的示例性电路加上采用替选配置的动态平衡电路。

图6是包括JFET链和MOSFET以及多个电压钳位二极管的另一示例性开关电路的电路示意图。

图7是包括JFET链和MOSFET以及多个电压钳位二极管的又一示例性开关电路的电路示意图。

图8示出了具有附加的负载电路和动态平衡电路二者的图7的示例性电路。

图9示出了具有附加的负载电路和采用替选配置的动态平衡电路二者的图7的示例性电路。

具体实施方式

高压开关设备可以由多个部件通过以下形成：将若干个常导通的晶体管例如JFET彼此串联连接，并且与常关断的开关部件例如MOSFET串联连接，其中，每个器件的漏极连接至下一个的源极；以及对每一个晶体管，连接电压钳位器件例如二极管，二极管的阳极连接至晶体管的源极，二极管的阴极连接至链中的下一个晶体管的栅极。开关部件串联放置在链中的第一个晶体管之前。

该布置有助于保证：偏置(或漏)电流在晶体管之间均匀地分布并且不依赖于晶体管的参数；以及总的偏置电流仅是单个电压钳位二极管的偏置电流的两倍，并且不依赖于串联连接的晶体管的数量，其中，所述总的偏置电流是因使电路偏置而造成的额外的泄漏。

开关部件可以是高压或低压器件。例如，在使用低压常关断半导体开关部件的情况下，所使用的低压常关断的半导体开关部件可以是MOSFET、JFET、静电感应晶体管(SIT)、BJT或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。具有从15伏特至50伏特的典型的额定电压的低压常关断的硅MOSFET适合用作本文描述的高压开关设备的开关部件。开关部件也可以是高压MOSFET、JFET、BJT、IGBT或相似的器件。

例如，晶体管可以是常导通的JFET或MOSFET。常导通的SiC JFET是可靠的并且可以阻断电压高于1000伏特的常导通SiC JFET是市场上可买到的。阻断电压在1000伏特至5000伏特范围的SiC JFET对形成高压开关设备是有用的。实际上，虽然n沟道器件更有可能被使用，但是晶体管和开关部件器件可以是n沟道或p沟道器件。可以增加诸如电阻器的负载电路和诸如电容器的动态平衡电路以提高性能。

电压钳位器件可以是当电压低于期望的钳位电压时传导非常小的漏电流并且当电压达到期望的钳位电压时传导大电流的任何器件或电路块。例如，雪崩二极管在该功用上表现良好，在期望的钳位电压处具有可靠且稳定的雪崩击穿的SiC MOSFET同样如此。

这种类型的高压开关设备可以提供相对地低漏电流、高饱和电流、高额定电压以及低成本。这些设备在诸如高压电力转换这样的应用中可能有用，例如在需要3千伏特至15千伏特的电力设备的应用。例如，其他的应用包括：高压电机驱动和牵引系统；高压脉冲生成器；高压直流(HVDC)输电系统；柔性交流输电系统(FACTS)；超高压电容器充电；脉冲功率；脉冲生成器；以及测试装置等。

图1是示例性高压开关10的示意图。开关10包括开关器件MOSFET M1，所述开关器件MOSFET M1可以是低压常关断的器件。此外，实际上其可以是任何类型的开关部件，例如，MOSFET、JFET、BJT或IGBT。开关10还包括多个晶体管，JFET J1至Jn，所述晶体管可以是高压常导通的器件。此外，实际上晶体管也可以例如是MOSFET。晶体管以漏极至源极(drain tosource)的方式串联连接在链中。

链中的第一个晶体管J1的源极连接至开关器件MOSFET M1的漏极。第一个晶体管J1的栅极连接至开关器件MOSFET M1的源极。因此，JFET J1与MOSFET M1以共源共栅配置连接。将MOSFET M1和晶体管J1至Jn的链串联连接，以在端子100处的最后一个晶体管Jn的漏极与端子300处的MOSFET M1的源极之间形成电流通路。MOSFET M1的栅极连接至端子200。

对于除了链中的第一个晶体管J1之外的链中每个晶体管，存在与晶体管相关联的钳位器件D2至Dn，其中，钳位器件的阳极连接至链中的前一个晶体管的源极，而钳位器件的阴极连接至晶体管的栅极。除了链中的第一个晶体管J1之外的每个晶体管具有从相关联的晶体管J2至Jn的栅极流出的相关联的偏置电流IB2至IBn。

高压开关10经由耦接至MOSFET M1的栅极端子的栅极端子200被控制。当高电平电压信号(通常从+5伏特至+15伏特)被施加到栅极端子200时，MOSFET M1导通，并且根据共源共栅电路的操作方法，JFET J1也导通。JFET J1的导通使JFET J1的漏极端子与源极端子之间的电压降VDS1降低到非常小的值，通常小于2伏特，这转而使JFET J2的源极端子与栅极端子之间的电压降VSG2降低到非常小的值，这是因为电压降VDS1等于电压降VSG2与电压钳位器件D2的阴极端子与阳极端子之间的电压降VKA2的总和。因此，JFET J2的等于-VSG2的栅极-源极电压增加到高于JFET J2的阈值电压的值，从而使JFET J2导通，其中，所述JFETJ2的阈值电压通常具有从-5伏特至-15伏特的值。JFET J2的导通以相同的方式使JFET J3至Jn导通。

当低电平电压信号(通常从0伏特至-5伏特)被施加到栅极端子200时，MOSFET M1关断，并且根据共源共栅电路的操作方法，JFET J1也关断。当JFET J1关断时，电压降VDS1和VKA2二者均增加，直到电压降VKA2达到电压钳位器件D2的钳位电压并且被钳位到电压钳位器件D2的钳位电压为止。VDS1的进一步的增加没有增加电压降VKA2，而是增加电压降VSG2，并且降低JFET J2的等于-VSG2的栅极-源极电压。当JFET J2的栅极-源极电压降低到低于JFET J2的阈值电压的值时，JFET J2关断并且开始支持漏极端子100与源极端子300之间的进一步电压增加。在JFET J2关断之后，电压降VDS1被钳位到和电压钳位器件D2的钳位电压与JFET J2的关断的源极-栅极电压的总和相等的值，其暗示了用于选择电压钳位器件的尺寸规格。JFET J2的关断以相同的方式使JFET J3至Jn关断。

在图1的高压开关设备10中，通过JFET J2至Jn的漏极至栅极漏电流，分别提供用于使电压钳位器件D2至Dn偏置的漏电流。在该布置中，电压钳位器件D2至Dn中的每一个的漏电流仅由相关联的晶体管J2至Jn确定。理想地，如果晶体管J2至Jn中的每一个具有相同的漏极至栅极漏电流IB(意味着IB2＝IB3＝…＝IBn＝IB)，则链中的最后一个晶体管Jn将必须提供IBn+IBn-1＝2x IB的漏电流，以使电压钳位器件Dn-1和Dn偏置，并且晶体管J2至Jn-1中的每个将必须提供漏电流IB，以使其相关联的电压钳位器件偏置。链中的第一个晶体管J1将必须流入(sink)使电压钳位器件D3偏置的漏电流IB3。在图1的示例中，JFET J2至Jn的漏电流可以随着时间和操作温度而变化。这转而可以影响电压钳位器件D2至Dn的操作。

图2示出了使得用于偏置钳位器件D2至Dn的电流独立于JFET J2至Jn的漏电流的方式。图2描绘了由图1所示的所有器件加上多个负载电路R2至Rn组成的高压开关20。每个负载电路R2至Rn连接在相应的JFET J2至Jn的漏极端子与栅极端子之间。负载电路R2至Rn中的每一个可以仅仅是具有预定电阻值的电阻器。

负载电路R2至Rn中的每一个可以是具有随着端子电压增加而增加的电阻的动态电阻器，以在高端子电压时提供可控的漏电流并且在低端子电压时提供低阻抗。图3示出了动态电阻器30的非限制性示例，其包括具有漏极端子、栅极端子以及源极端子的常导通的晶体管31以及反馈电阻器32。常导通的晶体管31的漏极端子和栅极端子分别连接至图3中的动态电阻器的输入端子33和输出端子34。电阻器32连接在常导通的晶体管31的源极端子与栅极端子之间，并且位于常导通的晶体管31的漏极至源极电流通路。

再次参照图2，负载电路R2至Rn的布置如图2所呈现，负载电路R2至Rn将在关断状态期间分别提供所需的漏电流以使钳位器件D2至Dn偏置。因此，钳位器件D2至Dn的操作将不取决于JFET J1至Jn的漏电流和参数，这意味着不需要预选JFET J1至Jn。如果用相同的偏置电流IB使钳位器件D2至Dn偏置，则被引入用于使钳位器件D2至Dn偏置的总的附加的漏电流至多是偏置电流IB的两倍，并且不取决于JFET的数量。图2的负载电路R2至Rn的布置的另一优势在于，在导通状态期间，负载电路R2至Rn拉高了栅极端子处的电势，并且使JFETJ2至Jn中的每一个的栅极-源极p-n结正向偏置，这大大增加了JFET J2至Jn的饱和电流并且提高了图2中的高压开关设备20的脉冲电流处理能力。

在图2的高压开关设备20中，在导通的瞬态期间，JFET J1至Jn可能不会同时导通。链中的第一个JFET JFET J1可能最先导通，而链中的最后一个JFET Jn可能最后导通。这可能造成可靠性问题，因为最后导通的一个将必须在很短时间段内支持全阻断电压。为了解决该问题，如图4所示，可以使用一个或更多个动态平衡电路C2至Cn来在开关瞬态期间使JFET J1至Jn的导通过程和关断过程同步。

图4示出了与图2的高压开关设备20相似的高压开关设备40。区别是在于，开关40包括动态平衡电路C2至Cn。动态平衡电路C2至Cn中的每一个连接在JFET J2至Jn中的一个的栅极端子与MOSFET M1的源极端子之间。动态平衡电路C2至Cn中的每一个趋向于在开关瞬态期间保持相应的高压常导通的JFET的栅极端子处的电势，这有助于减少延迟时间并且使JFET J2至Jn的导通过程和关断过程同步。动态平衡电路C2至Cn中的每一个可以是电容器或者串联连接的电容器和电阻器。如果动态平衡电路C2至Cn的电容太大，则动态平衡电路C2至Cn可能造成JFET J1至Jn的电压分布不平衡。因此，应该优化动态平衡电路C2至Cn的电容，以实现导通过程和关断过程的同步以及JFET J1至Jn的平衡的电压分布。

图5示出了高压开关设备50，其是对图4的开关40的修改。与图4相反，在图5中，动态平衡电路C2a至Cna中的每一个与电压钳位器件D2至Dn中的一个并联连接。然而，这不会对动态平衡电路C2a至Cna的基本操作方法有任何改变。图5中的高压开关设备50的一个优点在于，动态平衡电路C2a至Cna中的每一个支持关断状态下的与相应的电压钳位器件的钳位电压相同的电压。因此，与图4的高压开关设备40中的动态平衡电路C2至Cn相比，图5的高压开关设备50中的动态平衡电路C2a至Cna需要低得多的额定电压。

图6示出了大体上基于图1的开关10的示例高压开关设备60。区别在于，电压钳位器件D2的阳极端子现在连接至MOSFET M1的源极端子。该修正对电压钳位器件D2的基本操作方法没有任何改变。链中的第一个JFET J1和MOSFET M1形成具有常关断的操作模式以及大致上与JFET J1的阻断能力相同的阻断能力的共源共栅电路。如图7所示，该共源共栅电路可以由单个高压常关断的器件例如高压常关断的JFET、高压常关断的MOSFET或者高压常关断的IGBT所替代。

图7示出了与图6的开关60相似的高压开关设备70。区别在于，在图7中，使用具有栅极端子、漏极端子以及源极端子的高压常关断的MOSFET M2来代替由图6的JFET J1和MOSFET M1所形成的共源共栅。在图7所示的配置中，也可以在M2的位置处使用其他类型的高压常关断的半导体器件。例如，除了MOSFET之外，高压常关断的JFET、MOSFET、BJT或IGBT同样可行。在图7所示的配置中，所选择的高压常关断的器件和高压常导通的晶体管器件理想地应该具有大约相同的阻断能力。

开关70的操作与图6的开关60类似。如图8和图9所示，可以将附加的负载电路和动态平衡电路添加至开关70，以控制电压钳位器件D2至Dn的漏电流并且使JFET J2至Jn的导通过程和关断过程同步。

图8示出了基于图7的开关70的高压开关设备80。区别在于，图8的开关80包括附加的负载电路R2至Rn以及附加的平衡电路C2至Cn，其中，附加的负载电路R2至Rn中的每一个连接在JFET J2至Jn中的一个的漏极端子与栅极端子之间，附加的平衡电路C2至Cn中的每一个连接在JFET J2至Jn中的一个的栅极端子与高压常关断的MOSFET M2的源极端子之间。

图9示出了也基于图7的开关70的高压开关设备90。如同图8的开关80，开关90包括负载电路R2至Rn，负载电路R2至Rn中的每一个连接在JFET J2至Jn中的一个的漏极端子与栅极端子之间。开关90还包括动态平衡电路C2a至Cna，但是这里每一个与电压钳位器件D2至Dn中的一个并联连接。

在描述如图所示的本公开内容的主题的实施方式时，为了清楚起见，使用了特定的术语。然而，不意在将所要求保护的主题限制于如此选择的特定术语，而将要理解的是，每个特定的要素包括以相似的方式进行操作来实现相似的目的的所有的技术等同物。

该书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本发明，并且也使本领域的任何技术人员能够实施本发明——包括组成和使用任何设备或系统以及实施任何所包含的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可以包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与本权利要求的语言文字并无区别的结构要素，或者如果这样的其他示例包括与本权利要求的语言文字无实质区别的等效的结构要素，则这样的其他示例意在处于本权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种高压开关，包括：

开关器件，所述开关器件是具有栅极端子、漏极端子以及源极端子的常关断的n沟道器件；

晶体管的链，所述晶体管是均具有栅极端子、漏极端子以及源极端子的常导通的n沟道JFET，其中，所述晶体管以漏极至源极的方式串联连接，其中，所述链中的第一个晶体管的源极连接至所述开关器件的漏极；

对于所述链中的从所述链中的第二个晶体管到所述链中的倒数第二个晶体管的每个晶体管，存在与所述晶体管相关联的钳位器件，其中，所述钳位器件的阳极连接至所述晶体管的源极，而所述钳位器件的阴极连接至所述链中的下一个晶体管的栅极；并且

对于所述链中的从所述链中的第二个晶体管到所述链中的最后一个晶体管的每个晶体管，负载电路包括电阻器，所述负载电路连接在所述晶体管的漏极与所述晶体管的栅极之间。

2.根据权利要求1所述的高压开关，还包括：

附加的钳位器件，其中，所述附加的钳位器件的阳极连接至所述链中的第一个晶体管的源极，而所述附加的钳位器件的阴极连接至所述链中的第二个晶体管的栅极，

其中，所述链中的第一个晶体管的栅极连接至所述开关器件的源极。

3.根据权利要求1所述的高压开关，还包括：

附加的钳位器件，其中，所述附加的钳位器件的阳极连接至所述开关器件的源极，而所述附加的钳位器件的阴极连接至所述第二个晶体管的栅极，

其中，所述链中的第一个晶体管的栅极连接至所述开关器件的源极。

4.根据权利要求1所述的高压开关，还包括：

第一附加钳位器件，其中，所述第一附加钳位器件的阳极连接至所述开关器件的源极，而所述第一附加钳位器件的阴极连接至所述链中的第一个晶体管的栅极；

第二附加钳位器件，其中，所述第二附加钳位器件的阳极连接至所述链中的第一个晶体管的源极，而所述第二附加钳位器件的阴极连接至所述链中的第二个晶体管的栅极；以及

附加的负载电路，所述附加的负载电路连接在所述晶体管的漏极与所述链中的第一个晶体管的栅极之间。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的高压开关，其中：

所述开关器件是n沟道MOSFET、JFET、SIT、BJT或IGBT。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的高压开关，其中：

所述开关器件是n沟道MOSFET。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的高压开关，其中：

所述开关器件具有50V或更小的额定电压。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的高压开关，其中：

每个负载电路还包括晶体管。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的高压开关，还包括：

对于所述链中的从所述链中的第二个晶体管到所述链中的最后一个晶体管的每个晶体管，动态平衡电路包括电容器，所述动态平衡电路连接在所述晶体管的栅极与所述开关器件的源极之间。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的高压开关，还包括：

对于从所述链中的第二个晶体管到所述链中的倒数第二个晶体管的每个晶体管，动态平衡电路包括电容器，所述动态平衡电路连接在所述晶体管的源极与所述链中的下一个晶体管的栅极之间。