CN110226287B - 具有无源保护电路的电源电路切换装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电源电路切换装置，其包括：两个切换端子；高压耗尽型晶体管和低压增强型晶体管，它们串联设置在两个切换端子之间；第一端子，其用于接收切换信号并经由驱动电路电连接到高压晶体管的栅极；以及第二端子，其用于接收控制信号并电连接到低压晶体管的栅极。该装置包括常开保护电路，其电连接在第二端子与高压晶体管的栅极之间，以在驱动电路未被供电时，保持高压晶体管处于截止状态。

Description

具有无源保护电路的电源电路切换装置

技术领域

本发明涉及一种双控电源电路切换装置。

背景技术

从文献“A dual-mode Driver IC with Monolithic Negative Drive-VoltageCapability and Digital Current-Mode Controller for Depletion-Mode GaN HEMT”(Yue Wen和Al,2016年IEEE Transaction on Power Electronic)中获知这样的装置。该装置包括两个切换端子，这使得能够选择性地向连接到其端子的电源电路供给能量。该装置还包括用于接收切换信号的第一端子，该第一端子经由驱动电路电连接到高压耗尽型晶体管的栅极。

高压耗尽型晶体管的截止状态通过在该晶体管的栅极与源极之间施加低于阈值电压的负电压而获得。由于该负电压例如在开启切换装置时或者当以降级模式工作时可能是不可用的，因此装置配备有与高压晶体管串联连接的低压增强型晶体管。通过分别“双控制”串联连接的高压晶体管和低压晶体管中的每一个，精准控制切换电路的开路状态或闭合状态。更确切地说，现有技术的切换装置的状态包括用于接收控制信号的第二端子，该第二端子电连接到低压晶体管的栅极。

因此，即使在不存在施加到高压晶体管的栅极的负电压的情况下，控制信号也使得能够将低压晶体管切换到截止状态并且检查该切换装置的开路状态。

切换装置可以具有“激活”工作模式，其对应于“正常”工作模式，其中，装置的开路状态或闭合状态由切换信号控制。其还可以具有“闲置”工作模式，其对应于装置的“低消耗”或调试模式。

在后一种模式下，切换装置处于开路状态并且装置的各个有源元件未被供电。这是例如高压晶体管的栅极的驱动电路的情况。如果没有电源，则该电路具有高阻抗输出，然后施加至高压晶体管的栅极的电压浮动并且不受控制。然后，由于漏极与栅极之间的耦合效应，高压晶体管的漏极上的可能的过电压可以保持或者将高压晶体管切换到截止状态，而不管切换装置是否停用。在这种情况下，整个切换电压施加至低压晶体管的端子。该电压可以例如高于600V，并且超过该晶体管可以支持的雪崩电压。

为了防止该问题，文献US20150171750提出将二极管置于高压晶体管的栅极与装置的地之间。该二极管具有将高压晶体管的栅极电压限制到大致等同于装置的电压(更确切地说，等同于二极管的阈值电压)的效果。

在所引用的文献中，驱动电路电连接到高压晶体管的源极。因为高压晶体管的栅极电压Vg基本维持在零，所以该晶体管的导通状态或截止状态通过向源极施加电压Vs来控制，该电压Vs使得能够将电压Vgs强加在栅极与源极之间，该电压Vgs高于或低于该晶体管的阈值电压。更确切地说，高压耗尽型晶体管通过在其栅极与其源极之间施加零电压差而关闭。该电压差(虽然高于阈值电压并因此足以使晶体管关闭)导致有效漏源电阻的建立。已知由于栅源电压(相对于阈值电压)高，因此这种高压晶体管的漏源电阻一直较低。高漏源电阻在传导高电流强度时对于装置的能源效率是非常有害的。

另外，并且不管选择什么方案来防止高压晶体管的非故意导通状态，从切换装置的正常工作模式切换到闲置工作模式可能导致在其端子之间出现瞬变电压或瞬变电流。如果不能完美控制从一个工作模式到另一个工作模式的切换，则这些电压或电流可能损害高压晶体管或低压晶体管。

本发明的目的在于至少部分地纠正上述问题中的至少一个。具体地，本发明的目的在于提供一种可以安全地放置并保持在闲置模式的双控切换装置。

发明内容

为了实现这些目的中的一个，本发明的主题在其最广泛的可接受范围内提出一种电源电路切换装置，其包括两个切换端子；高压耗尽型晶体管和低压增强型晶体管，所述低压晶体管的雪崩电压低于所述高压晶体管的雪崩电压，并且两个晶体管串联设置在两个切换端子之间；用于接收切换信号的第一端子，其经由驱动电路电连接到高压晶体管的栅极；以及用于接收控制信号的第二端子，其电连接到低压晶体管的栅极。

根据本发明，切换装置包括常开保护电路并且电连接在第二端子与高压晶体管的栅极之间，以在驱动电路未被供电时，保持该高压晶体管处于截止状态。

根据本发明的其它优势和非限制性特点，单独地或技术上可行的组合地采取：

·所述无源保护电路包括双极型晶体管和电阻，该电阻置于该双极型晶体管的发射极中；

·所述双极型晶体管的基极电连接到第二端子，所述双极型晶体管的集电极电连接到所述装置的地并且所述电阻电连接到所述高压晶体管的栅极；

·所述保护电路在第二端子与所述装置的地之间包括第二电阻；

·所述高压晶体管的源极电连接到所述低压晶体管的漏极；

·所述高压晶体管是基于GaN或SiC的HEMT晶体管；

·所述低压晶体管是基于硅的MOSFET晶体管；

·所述高压晶体管的雪崩电压高于600V；

·所述装置还包括控制装置，其电连接到第一端子和第二端子，以处理控制信号并选择性地发送切换信号；

·所述驱动电路由至少一个供电电压源电力驱动；

·所述控制装置电连接到用于选择性地使其接通或断开的至少一个电源。

附图说明

本发明的其它特性和优点将从以下参照附图进行的本发明的详细描述而显现，在附图中：

-图1示出了根据本发明的切换装置；

-图2示出了根据本发明的切换装置的激活模式与闲置模式之间的过渡图；以及

-图3示出了本发明的具体示例性实施方式。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的切换装置1。在该附图中以虚线示出了连接到装置1的两个切换端子2a、2b的电源电路的负载P和发生器G。

发生器G可以具有高电压，例如，600V或更大，并且电源电路和切换装置1中流动的电流可以具有高强度，例如，大约1A。众所周知，切换装置1选择性地向负载P施加发生器G电压。其因此充当由几伏特数量级的较小切换信号控制的电源开关。

切换装置1具有用于接收该切换信号的第一端子3。该第一端子3经由驱动电路4电连接到高压耗尽型晶体管5的栅极。

“高压晶体管”是指包括漏极、源极和栅极的晶体管，施加至栅极的低幅值电压(几伏特的数量级)使得能够将漏极与源极之间的连接切换到导通状态或截止状态。在截止状态下，漏极与源极之间产生的电压可以具有高幅值，例如，600V或更大，而不损坏晶体管。

耗尽型晶体管具有负阈值电压(通常在-5V到-2V之间)。因此，栅极与源极之间的电压必须是负的并低于该阈值电压，以将该晶体管切换到截止状态。

高压增强型晶体管可以是例如基于GaN或SiC的HEMT晶体管。该类型的晶体管具有高幅值的雪崩电压(即，晶体管的漏极与源极之间在不损坏的情况下可施加的最大电压，其可以是击穿电压)，雪崩电压被选择为高于电源电路发生器的电压，例如，大于600V。

在切换装置的正常工作中，高压晶体管的源极处于0V。为了使得能够根据切换信号的性质来控制高压晶体管处于导通状态或截止状态，驱动电路4连接到第一电压源VDR+和第二电压源VDR-。驱动电路从第一源VDR+供给有第一电压，其大小高于高压晶体管的阈值电压。其可以是例如2V的电压。驱动电路还从第二源VDR-供给有第二电压，其大小低于高压晶体管的阈值电压。其可以是例如-8V的电压。根据提供至第一输入端子13的切换信号的值，第一电压或第二电压被施加至高压晶体管的栅极，由此使得能够选择性地将其切换到导通状态或截止状态。

根据图1中对切换装置1的描述，高压晶体管5与低压晶体管6串联设置在两个切换端子2a、2b之间。换言之，高压晶体管5的漏极电连接到两个切换端子2a、2b中的一个，高压晶体管5的源极连接到低压晶体管6的漏极，并且低压晶体管6的源极连接到两个切换端子2a、2b中的另一个。

增强型晶体管具有正阈值电压。因此，栅极与源极之间的电压必须是正的并高于该阈值电压，以将该晶体管切换到导通状态。

低压晶体管可以是基于硅的MOSFET晶体管。该低压晶体管的雪崩电压低于高压晶体管的雪崩电压。其可以是例如30V的数量级。

切换装置1的第二端子7连接到低压晶体管6的栅极。该第二端子7被设计为接收控制信号。

如图1中的示意图所示，高于施加至第二端子7的低压晶体管阈值电压的正控制信号将低压晶体管切换到导通状态，低压晶体管的源极连接到电路接地。在该第一工作模式下(对应于装置1的正常激活工作状态)，切换装置1的开路状态或闭合状态由提供至第一端子3的切换信号指示。

相反，当具有低于低压晶体管的阈值电压的电压的控制信号被提供至第二端子7时，低压晶体管处于截止状态模式。在该工作模式下，切换装置1处于开路状态，而与提供至第一输入端子3的切换信号的值无关。应当提醒的是，当装置1处于该开路状态时，具有低于低压晶体管的阈值电压的电压的控制信号(该晶体管的漏极具有被高压晶体管的泄漏电流拉动的浮动电压)建立在低压晶体管的雪崩电压处，该雪崩电压如上所述可以是30V。

切换装置1还包括控制电路8，其用于根据切换装置1的激活或闲置工作模式来处理控制信号和/或发送切换信号。控制电路8具有两个输出端，分别电连接到第一端子3和第二端子7。该控制电路还包括用于接收切换信号的第一输入端9和用于接收信号以激活装置1的第二输入端10。

为了使控制电路8能够控制开启、关闭并检查电压源VDR+、VDR-的正常运行，控制电路8经由电连接15a、15b连接到这些电源。

根据本发明的一个方面，控制电路8形成状态机，使得能够使装置处于装置1的工作模式中的一个，并且用于控制在这些模式之间的安全过渡，如以下段落中所描述的。控制电路8可以例如被集成为可编程逻辑门系统或分力组件，或者甚至作为被适当编程为再现下面详细描述的行为的微控制器。

控制电路8电连接到高压晶体管和低压晶体管的栅极，以控制这些晶体管的截止状态或导通状态，尤其是在从装置的一个工作模式切换到另一个时。单独且直接控制晶体管的栅极使得能够保护不受瞬时效应的影响，瞬时效应可能发展并损坏晶体管中的一个。这还保护装置免于未受保护工作。

如图2中的过渡模型所示意性表示的，装置1的工作模式由提供至控制电路8的第二输入端10的激活信号的电平确定。

当该激活信号具有第一电平(例如，5V)时，切换装置1以正常(即激活)工作模式进行控制。在该工作模式下，控制电路8将控制信号提供至第二端子7，其中控制信号的电压大于低压晶体管的阈值电压，使得其被切换到导通状态。同时，控制电路将提供至控制电路8的第二输入端的切换信号发送至第一端子3，使得开关控制高压晶体管5。在该工作模式下，装置的有源元件的供电电压源VDR+、VDR-由控制电路8控制工作，以递送等于它们的设定电压(在10％内)的第一电压和第二电压。而且，在该工作模式下，保护电路11(该请求的随后部分中详细描述)不工作，即，其被控制为开路。

当激活信号具有与第一电平不同的第二电平时(例如，0V)，装置1处于待机工作模式下，即，其不工作。在该工作模式下，控制电路8将控制信号提供至第二端子7，其中该控制信号的电压低于低压晶体管6的阈值电压，使得将其切换到截止状态。同时，控制电路8将零电压或足够低的电压施加至第一端子3，使得高压晶体管5经由驱动电路4处于截止状态。而且，在该模式下，向装置的有源元件，尤其是向驱动电路4供给电力的电压源被控制电路8控制关闭。

切换装置1的激活(即，从闲置模式切换到激活模式)由控制电路8在激活信号的上升沿上检测。在该上升沿上，控制电路8发起向装置的有源元件供电的电压源的建立。当很好地建立这些电压源时，控制电路使装置1处于如上所述的正常工作模式。如果这些电压无法正确建立，则控制电路8保持装置1处于闲置模式，即，高压晶体管和低压晶体管这两者都被控制为处于截止状态。控制电路8可以通过附加信号(图1中未示)来信号通知该故障。

“正确建立电压源”意味着它们递送等于它们的设定电压(在10％内)的电压。控制电路8经由连接15a、15b连接到源VDR+、VDR-，这使得其能够接收由这些源实际递送的电压并且将它们与设定电压进行比较。控制电路8由此能够检测其良好的工作条件。

切换装置1的停用(即，从激活模块切换到闲置模式)由控制电路8在激活信号的下降沿上检测。在该下降沿上，控制电路在第一步骤期间触发在第一端子3上施加零电压或足够低的电压，以经由驱动电路4将高压晶体管5切换到截止状态。然后，在第二步骤中，控制电路8向第二端子7施加电压，这使低压晶体管处于截止状态。然后，控制电路8控制向装置1的有源元件供电的电压源的断开，尤其是，驱动电路4的源VDR+、VDR-并因此由这些源递送的电压无法继续保证。

切换装置1的停用可以由除了激活信号的下降沿之外的事件引起。这可以例如是指示故障的事件或者可能造成切换装置的故障的事件。例如，如果当切换装置1处于激活模式时，控制电路8检测到由电压源VDR+、VDR-向驱动电路4供给的第一电压和/或第二电压相对于它们的设定值偏离多于10％，则这可能使装置1切换到闲置状态。

如在本申请的序言中看到的，在闲置模式下，高压晶体管的栅极具有浮动电压，该浮动电压可能受因耦合效应而在高压晶体管5的漏极上出现的电压影响。然后，该晶体管可以从截止状态非受控地切换到导通状态，这可能损坏切换装置1，尤其损坏低压晶体管6。

为了防止该现象，根据本发明的另一个方面，切换装置1包括保护电路11，其常开地电连接在第二端子7与高压晶体管5的栅极之间。

保护电路11的功能是当驱动电路未被供电时，切换并保持高压晶体管5处于截止状态。保护电路11是常开的，其不要求电源执行其功能，并且甚至在不存在装置供给电压的情况下，当停用装置时，其也可以工作。当切换装置处于激活工作模式时，保护电路被控制为停用。因此，其构成集成安全性保护电路(通常称为“失效安全”)。

当切换装置1不工作时，驱动电路4的输出具有高阻抗。因此，高压晶体管5的栅极电压浮动且不受控。因此，保护电路的目的在于将该电压置于给定值，由此将高压晶体管5切换到截止状态。这避免向低压晶体管6的端子施加发生器G的整个电压，这可能损坏该晶体管。

图3例示了本发明的该方面的第一实施方式。在该附图中可以识别出已经关于本发明的一般说明描述的两个切换端子2a、2b、高压晶体管5、低压晶体管6、驱动电路4、控制电路8和两个端子3、7。

保护电路11由PNP双极型晶体管12和电阻13组成，电阻13位于双极型晶体管的发射极中。

双极型晶体管12的基极电连接到第二端子7。集电极置于装置的地，并且电阻13连接到高压晶体管5的栅极。

保护电路在第二输入端子7与装置的地之间还包括第二电阻14。

当装置1的控制信号高于低压晶体管的阈值电压时，并因此当切换装置1激活工作时，双极型晶体管12开路并且保护电路11对高压晶体管5的工作没有影响，并因此对切换装置1整体的工作没有影响。

更确切地说，当双极型晶体管12的基极电压大于其发射极的电压时，满足该条件。基极电压对应于低压晶体管6的栅极的控制。另选地，发射极电压等于由驱动电路的电压源VDR+、VDR-递送的第一电压和第二电压。使得在装置的正常工作期间双极型晶体管12有效开路，低压晶体管的控制电压由此被选择为高于驱动电路4的电压源VDR+所递送的第一电压。

如果相反，切换装置1的控制信号低于低压晶体管6的阈值电压，并因此当切换装置处于闲置模式时，双极型晶体管12在第一接地电阻13上闭合。然后，所形成的电路导致将高压晶体管的栅极电压置于接近0V的电压。当低压晶体管处于截止状态模式时，高压晶体管的源极大致处于该低压晶体管的雪崩电压处(其可以是30V的数量级)。因此，在高压晶体管的栅极与源极之间施加有低于其阈值电压的电压，保证其截止状态。

当然，本发明不限于所描述的实施方式，并且可以在不超出如权利要求所限定的本发明的范围的情况下，提供另选实施方式。

由此，虽然已经公开了结合了与控制电路相关联的保护电路的切换装置，但这些元件中的每一个也都可以在具有与以上描述的不同的架构的切换装置中单独操作。

为了避免任何疑惑，该说明书中的术语“电连接”或“电链接”用于指示两个元件直接或间接彼此连接。

Claims (11)

1.一种电源电路切换装置（1），该电源电路切换装置（1）包括：

- 两个切换端子（2a、2b）；

- 高压耗尽型晶体管（5）和低压增强型晶体管（6），它们串联布置在所述两个切换端子（2a、2b）之间，所述低压增强型晶体管（6）的雪崩电压低于所述高压耗尽型晶体管（5）的雪崩电压；

- 第一端子（3），所述第一端子（3）用于接收切换信号，并经由驱动电路电连接到所述高压耗尽型晶体管（5）的栅极；

- 第二端子（7），所述第二端子（7）用于接收控制信号，并电连接到所述低压增强型晶体管（6）的栅极；

所述装置的特征在于，该装置包括常开保护电路（11），所述常开保护电路（11）电连接在所述第二端子（7）与所述高压耗尽型晶体管（5）的栅极之间，其中所述保护电路被设计为在所述切换装置（1）处于未被供电的未激活状态时，将所述高压耗尽型晶体管（5）的栅极电压置于能够截止所述高压耗尽型晶体管（5）的值。

2.根据权利要求1所述的切换装置，其中，所述保护电路（11）包括双极型晶体管（12）和电阻（13），所述电阻（13）位于所述双极型晶体管（12）的发射极中。

3.根据权利要求2所述的切换装置，其中，所述双极型晶体管（12）的基极电连接到所述第二端子（7），所述双极型晶体管的集电极电连接到所述装置的地，并且所述电阻电连接到所述高压耗尽型晶体管（5）的栅极。

4.根据权利要求1-3中的一项所述的切换装置，其中，所述保护电路（11）在所述第二端子（7）与所述装置（1）的地之间包括第二电阻（14）。

5.根据权利要求1-3中的一项所述的切换装置，其中，所述高压耗尽型晶体管（5）的源极电连接到所述低压增强型晶体管（6）的漏极。

6.根据权利要求1-3中的一项所述的切换装置，其中，所述高压耗尽型晶体管（5）是基于GaN或基于SiC的HEMT晶体管。

7.根据权利要求1-3中的一项所述的切换装置，其中，所述低压增强型晶体管（6）是基于硅的MOSFET晶体管。

8.根据权利要求1-3中的一项所述的切换装置，其中，所述高压耗尽型晶体管（5）的雪崩电压高于600V。

9.根据权利要求1-3中的一项所述的切换装置，该切换装置还包括控制装置（8），该控制装置（8）电连接到所述第一端子（3）和所述第二端子（7），用于处理所述控制信号并选择性地发送所述切换信号。

10.根据权利要求9中的一项所述的切换装置，其中，所述驱动电路（4）由至少一个供电电压源（VDR+、VDR-）供电。

11.根据权利要求10所述的切换装置，其中，所述控制装置（8）电连接到至少一个供电电压源以选择性地将其打开和或关闭。