CN203243298U - 一种隔离控制双向功率mos管 - Google Patents

Abstract

一种隔离控制双向功率MOS管，是一种电子开关，由MOS管构成，其中MOS管的衬底设置一层二氧化硅绝缘层，绝缘层上设置一层铝电极作为B极，B极与源极S不相连；或者是由MOS管构成，其中MOS管的衬底设置一层N+，并作为B极引出，B极与源极S不相连；本实用新型具有无寄生体二极管，可双向开关导通，可实现隔离控制，信号场只受信号系统的控制不受电源场的影响，本实用新型开关完全打开则可实现模拟开关的功能，效果等同于机械触点开关。

Description

一种隔离控制双向功率MOS管

技术领域

本实用新型涉及一种电子开关，具体地说是一种采用隔离控制可双向开关导通的功率MOS管。 

背景技术

现有的模拟开关采用NMOS、PMOS管并联的结构，当输入电压Vin较低时NMOS管导通，输入电压Vin不高不低时两个MOS管都处于半导通，输入电压Vin较高时PMOS导通，这种方式导通电阻大，限制了其在大功率场合的应用，一般只用于信号处理； 

MOS管等元件在刚问世的时候都是用做信号处理的，所有的信号都是工作在一维系统中。所谓一维系统就是只有一个方向的能量场强，如我们自然界中的重力场。MOS管实际上是一个二维元件，要将二维元件用于一维系统就需将两个系统在某一点联系起来，对于MOS管是将控制信号的B极和源极S相连。当MOS管作为功率电源开关使用的时候，人们依旧沿用原来的BS极相连的结构，这种结构的缺点： 

1衬底寄生二极管，只能做单向开关，源漏反接电路不能关闭。在电机控制等一些领域可以应用到这个寄生二极管做为反向导通开关(或称作续流二极管)，但是二极管上有0.3-0.7V左右的管压降，而且二极管有节电容效应影响开关速度，效率没有MOS管高。 

2因为控制极B和源极S相连，MOS管的开启电压Vgb等于Vgs，开启电压受到源级电位的影响，这就要求MOS管源级必须接 到电源VCC或者电源GND上，局限MOS管作为模拟开关的应用。当NMOS管做为电路上管使用时驱动电压要高于电源电压，需专门设计自举升压驱动电路。 

现有的电子继电器一般采用的是两个MOSFET串联或者两个二极管和两个MOSFET串并联，只能实现双向开关的作用不能像真正的继电器开关可用来通过模拟信号，电路中每个方向都是MOSFET和二极管的串联，导通压降大，一般为1-2V，效率远不如单个MOS管高；现有的双向导通晶闸管同样有导通压降大的问题； 

当常规MOS管反接的时候即使撤掉栅极控制信号关闭MOS管，电子流也会从体二极管中流通，失去了开关功能，流通过程中有一个体二极管管压降产生。 

许多场合如同步整流还需要用到带隔离控制的MOS管，无论电磁隔离还是光耦隔离都增加了系统成本。 

现有的大功率开关管如VMOS，IGBT等等为了提高耐压增大电流都采用纵向结构(受传统控制方式的影响)，缺点是工艺复杂成本高导通电阻略大。 

发明目的 

本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足之处，提供一种与机械继电器导通性能相近，开关速度更优越，且无需光耦等隔离元件控制的电子开关。 

为了实现本实用新型的目的，我们将采用如下技术方案予以实施； 

一种隔离控制双向功率MOS管，由MOS管构成，其特征在于：MOS管的衬底设置一层二氧化硅绝缘层，绝缘层上设置一层铝电极作为B极，B极与源极S不相连。 

一种隔离控制双向功率MOS管，由MOS管构成，其特征在于：MOS管的衬底设置一层N+，并作为B极引出，B极与源极S不相连。 

所述的B极与源极S或漏极D都是NPN结构，可以实现隔离，PN结的结电容可为沟道产生提供足够的电子。 

所述的MOS管的G极与所述的B极之间的电压大于开启电压时，所述的MOS管导通。 

所述的两个隔离控制双向功率NMOS管构成的CMOS，在绝缘层中掺入了带电离子，可控制开启电压。 

所述的两个隔离控制双向功率NMOS管设计成不同的开启电压后，可控制所述的两个隔离控制双向功率NMOS管作为上下管使用时的导通死区时间，避免上下管直通。 

有益效果 

1、无寄生体二极管，可双向开关导通 

2、实现隔离控制，信号场只受信号系统的控制不受电源场的影响，(可以简化控制电路) 

3、如果开关完全打开则可实现模拟开关的功能，效果等同触点开关。 

4、可实现高耐压大电流的横向大功率开关管。 

附图说明

图1为本实用新型A结构的结构框图； 

图2为本实用新型B结构的结构框图； 

图3为本实用新型沟道关闭时的模型图； 

图4为本实用新型沟道开启时的模型图； 

图5为NPN三极管处于关闭状态时的模型图； 

图6为NPN三极管处于导通状态时的模型图； 

图7为常规MOS管处于沟道关闭时的模型图； 

图8为常规MOS管处于沟道开启时的模型图； 

图9为常规MOS管源极漏极反接处于沟道关闭时的模型图； 

图10为本实用新型应用于双NCMOS同向器的电路图； 

图11为本实用新型应用于双NCMOS反相器的电路图 

图12为本实用新型应用于电子继电器的电路图。 

图13为手工版的隔离MOS测试波形图 

具体实施方式

结合附图，对本实用新型做进一步地说明： 

1、一种隔离控制的双向功率MOS管的模型 

如图3和图4所示，是本实用新型的水流模型，垂直方向自上而下受重力场作用，左右受弹簧力和外加开启力作用； 

选用NPN增强型MOS管建立模型，MOS模型为两个对接的单向阀，电容模型为一个带弹簧的活塞； 

水流方向自上而下代表电子的流向，电子运动方向与电流方向相 反，电流方向为自下而上，电路电源VCC在下GND在上； 

当水平方向上控制极GB间未施加电压时，在弹簧力的作用下阀门关闭电路中无电流；控制极GB间施加正偏电压时，相当于外加开启力作用于阀门上使阀门开启，电路导通电子自上而下运动，导通后的电路几乎等同于导线，这是MOS管的最大优点； 

在自然界中如果忽略摩擦力，那么水平方向运动的物体不受垂直方向重力的影响，电路中阀门水平方向开启不受垂直方向重力场的影响，这种控制方式可以实现低压控制高压可以实现隔离控制。 

2、本实用新型与三极管和常规MOS管的对比 

如图5、图6、图7、图8和图9所示，以NPN三极管为例，模型为两个对接的单向阀。在基极B关闭无电流的情况下电路中无电流处于静止关闭状态。当BE结间加一正向偏电压后有电子自E极流向B极，在电场力的作用下电子逐渐加速并具有一定的动能，当电压Vbe超过0.7V时电子具备了足够的能量越过开启势垒区到达虹吸效应区，在虹吸力的作用下电子流增大，三极管的基极B区做的很窄且低参杂，这样只有很少的电流从基极流出，大部分电子都越过开启势垒区到达虹吸效应去，产生电流放大功能；三极管导通后在BC结处有一个反向势垒区产生一个0.6V左右的导通压降。 

常规MOS管导通机理不同于三极管，不受PN结势垒的影响。栅极控制就如同一个阀门，沟道导通之后特性如同导线，这是MOS管优于三极管之处。常规MOS管B极和源极S连在一起，使开启电压受源级S电位的影响Vgb＝Vgs。另外衬底B极与源极S连接后产 生了一个寄生体二极管，这个二极管限制了MOS管的反向开关功能。 

当常规MOS管源漏极反接的时候，即使撤掉栅极控制信号关闭MOS管，电子流也会按如图9中所示的路径从体二极管中流通，失去了开关功能，流通过程中有一个体二极管管压降产生。 

3、实施例1 

如图1和图13所示，手工改装了一个常规MOS管(含体二极管)，在管子背面贴上一层绝缘胶带再在绝缘胶带上面贴一层铜箔胶带，以铜箔带引出线作为控制极B，等效于图1所示结构，测试效果如图13。 

4、实施例2 

如图10和图11所示，采用本实用新型，制作成双NCMOS同向器和双NCMOS反相器；当双NMOS构成的CMOS，在二氧化硅绝缘层中掺入了带电离子，可控制开启电压；当上下两管设计成不同的开启电压后，可避免上下管同时导通的问题。 

5、实施例3 

如图12所示，采用本实用新型，制作成电子继电器，当Vgb＞开启电压开关导通，可通过模拟信号，效果等同单刀开关。 

6、实施例4 

如图2所示，改装了一个常规MOS管(含体二极管)，在管子背面设置一层N+，以N+引出线作为控制极B，等效于图2所示结构。 

Claims (3)

1.一种隔离控制双向功率MOS管，由MOS管构成，其特征在于：MOS管的衬底设置一层二氧化硅绝缘层，绝缘层设置一层铝电极作为B极，B极与源极S不相连。 

2.一种隔离控制双向功率MOS管，由MOS管构成，其特征在于：MOS管的衬底设置一层N+，并作为B极引出，B极与源极S不相连。 

3.根据权利要求2所述的一种隔离控制双向功率MOS管，其特征在于：所述的B极与源极S或漏极D都是NPN结构，可以实现隔离，PN结的结电容可为沟道产生提供足够的电子。 

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