JP2012517162A - Jfet直列回路 - Google Patents

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Abstract

本発明は、第1の接続(1)および第2の接続(2)との間で電流を切換えるためのスイッチングデバイスに関し、スイッチングデバイスは、最下部JFET(J1)が第1の接続(1)に接続されるか、または最下部JFET(J1)が制御スイッチ(M)を介して第1の接続(1)にカスケード回路で接続される少なくとも2つのJFET(J1−J6)と、最下部JFET(J1)に直列に接続される少なくとも1つのさらなるJFET(J2−J5)との直列接続を備え、最下部JFET(J1)から最も離れたJFET(J6)は、最上部JFET(J6)とも称されるとともに、第2の接続(2)にドレイン接続で接続され、JFET(J1−J6)のゲート電圧を安定化するために、安定化回路(D11〜D53)がJFET(J1−J6)のゲート接続と第1の接続(1)との間に接続される。最上部JFET(J6)のゲート接続(G6)における電位を、最上部JFET(J6)のドレイン接続(D6)における電位へ導く追加回路(4)は、最上部JFET(J6)と第2の接続(2)との間で切換えられる。

Description

本発明は、電子回路技術の分野に関し、特に、請求項1のプリアンブルに係る、JFET(接合型電界効果トランジスタ)の直列接続を有するスイッチングデバイスに関する。
最新技術
高動作電圧でスイッチングするための電力スイッチまたはスイッチングデバイスは、電力電子スイッチにおいて、カスケーディングまたはトランジスタの直列配列によって実現され得る。それによって、US6,822,842またはDE19926109 A1によれば、そのようなスイッチデバイスは、たとえば、カスコード回路と称され、それは、図1によって示される、MOSFET Mおよび少なくとも1つのJFET J1の特別な共同回路に基づいている。スイッチは第1の接続1と第2の接続2との間に配列され、MOSFET Mの制御接続7によって制御される。カスコードトポロジに基づく、高動作電圧のためのこの公知のスイッチデバイスは、いくつかのJFET J2…Jiの直列接続、およびしたがって、高阻止電圧を予想する。JFETの保護のために、ダイオード、すなわち、ブロッキング動作において適用される保護ダイオードD1−D5が、JFETのゲート接続に接続される。これらの保護ダイオードは、互いにJFETのゲート接続同士を接続するか、または、いずれの場合も、ゲート接続から、MOSFETも接続されるベース電位の共通接続1に導く。JFETの保護のための、保護ダイオードD1−D5の機能の態様は、US6,822,842において説明されている。
JFETにかかる阻止電圧の不均一な分配は、保護ダイオードD1−D5の異なるまたは大きすぎる接合キャパシタンスによって生じ得る。それによって、特に図1の最上部JFET J6を用いることで、より下位のJFETを用いるよりも、異なるキャパシタンスがゲート接続において作用する。ゲート接続のこの異なる負荷は、阻止電圧の動的分割に大きな影響を与え、最上部トランジスタが接続同士間で完全な電圧まで最初に引き上げられ、最悪の場合には破壊につながる。
発明の説明
したがって、最初に言及したタイプのJFETの直列接続を有するスイッチングデバイスを提供することが、本発明の目的であり、それは言及した欠点を克服する。
この目的は、請求項1の特徴を有する、JFETの直列接続をともなうスイッチングデバイスによって達成される。
第1の接続と第2の接続との間で、電流を切換えるためのスイッチングデバイスは、したがって、少なくとも2つのJFETの直列回路を備え、その最下部JFETは第1の接続に接続されるか、または、直列に配列された制御スイッチを介して第1の接続に接続される。最下部JFETに接続される少なくとも1つのさらなるJFETが存在し、最下部JFETから最も距離が離されたJFETは、最上部JFETとして示されるとともに、そのドレイン接続で第2の接続に接続される。JFETのゲート電圧を安定化するための安定化回路は、JFETのゲート接続と第1の接続との間に接続される。それによって、追加回路が、最上部JFETのゲート接続と第2の接続との間に接続され、この追加回路は、最上部JFETのゲート接続における電位を、最上部JFETのドレイン接続における電位に導き、電圧を低減する。
これによって、スイッチオンされた最上部JFETを用いて、ゲートにおける電圧がソース接続における電圧よりやや上部、好ましくはしかしながら等しく維持され、その手段によって、スイッチオフされたときに、最上部JFETが、追加回路がない場合よりも長い間スイッチオンの状態のままとなる。これによってもまた、最上部JFETにわたる第1および第2の接続間の完全な電圧を防止する。
安定化回路および追加回路を有するネットワークは、さらに上方に配列されるJFETが、スイッチオフ時により緩やかにスイッチオフとされるとともに、より迅速にスイッチオンされ、好ましくは、さらに下方に配列されるJFETより、時間において同期したスイッチオンポイントを有する。
これによって、直列に配列されたトランジスタで構築される電力スイッチの動的な阻止電圧分配が、安定化回路と追加回路の完全な回路ネットワークによって平衡化されるとともに安定化される。
安定化回路は、それ自体、一般的に言ってJFETの各々について、そのゲート接続と第1の接続との間の所与の電流を導き去ることができる。追加回路は安定化回路と共に、直列に接続されたJFETのゲート接続の対称的な電圧負荷の効果を与える。
JFETの直列接続は、カスコード回路における最下部JFETの活性化で実現され得る。それによって、直列接続は、制御スイッチ、たとえば、第1の接続と最下部JFETとの間に接続されるMOSFETを備える。あるいは、JFETは異なるように活性化されてもよく、たとえば、駆動回路によってそのゲート接続の直接活性化がされる最下部JFETである。
最上部JFETの受動活性化の一時的な挙動が、1つまたはより多くのさらなるダイオードによって実現される場合は、これらのさらなるダイオードの直列接続のトータル接合キャパシタンスの選択によって設定され得る。接合キャパシタンスは、直列のさらなるダイオードの選択によって、および/または、個々のさらなるダイオードの設計によって設定され得る。最上部JFETのドレインとゲートとの間の1つまたはより多くのダイオードの完全な阻止電圧またはブレークダウン電圧は、残余のJFETが有するものと、少なくともおよそ等しく選択され得る。
本発明のさらなる好ましい実施形態においては、さらなるダイオードの接合キャパシタンスは低く維持され、これの代わりに、第2の接続と最上部JFET(およびさらなるJFET)のゲートとの間のキャパシタンスが、キャパシタのような個別の素子によって設定される。高速スイッチング挙動は、このような態様で形成される追加の対称ネットワークによって最適化され得る。したがって、対称ネットワークは、JFETのゲートと第1の接続との間に配列されたRCネットワークを備える。たとえば、連続的なJFETのいずれの場合におけるゲートも、さらなるキャパシタンスへの抵抗の直列接続によって、いずれの場合もさらなるキャパシタンスに接続され、最上部JFETのゲートは、好ましくは等しく構築された追加のRC素子によって接続される。
本発明の他の好ましい実施形態においては、最下部JFETを除くJFETのゲートは、いずれの場合も、キャパシタンスと抵抗との直列接続によって第1の接続に接続され、追加的には、最上部JFETのゲートは、追加回路、好ましくは、抵抗とさらなるキャパシタンスとの直列接続の追加のRC素子によって第2の接続に接続される。
本発明のさらなる好ましい実施形態においては、最下部JFETから離れたJFETのゲートは、いずれの場合も、抵抗とキャパシタンスとの直列接続によって第1の接続に接続され、追加的には、JFETのゲートは、1つまたはより多くのダイオードによって第2の接続に接続される。最上部JFETのゲートは、追加回路、好ましくは、抵抗とさらなるキャパシタンスとの直列接続の追加のRC素子によって第2の接続に追加的に接続される。
本発明のさらなる好ましい実施形態においては、キャパシタンス(またはさらなるキャパシタンス)の各々には減衰用の抵抗は存在しないが、1つまたはより多くの、好ましくはさらに上方にあるJFETにだけ存在する。
基本的には、キャパシタンスへの抵抗の並列接続もまた、対称ネットワークにおいて可能である。しかしながら、これによって、静的電圧分割器の発生の結果のような静的損失がトポロジ内で生じる。
対称ネットワークは、好ましくは、対称ネットワークにおけるスイッチング手順の最中に生じる平衡プロセスが、最上部JFETにおいて最小の時定数を有するとともに、最下部JFETにおいて最大の時定数を有するように設計される。このようにすることによって、追加のRC素子(または追加のC素子)のキャパシタンスは、最下部JFETのゲートに接続される最下部のRC素子(またはC素子)のキャパシタンスよりも小さくなる。好ましくは、連続的にそれらの間にあるRC素子またはC素子のキャパシタンスは、上部から下部へと増加する。JFETのゲートにおける平衡プロセスは、安定化回路を伴う対称ネットワークの協調によって、バランスのとれた時定数を有する。
この効果は、−対称ネットワークを有しない回路と比較して−トランジスタまたはJFETがオフに切換えられると、上方にあるJFETによって、個別のゲート接続が個別のソース接続に対するピンチオフ電圧の電位に到達するのにより長い時間がかかる。これによって、より上方側のJFETは、より下方側のJFETよりスイッチオンのままとなり、したがって、上位側のJFETはより緩やかにオフに切換えられる。逆も同様に、スイッチオン時は、上位側のJFETは、追加回路および対称ネットワークを有しないものより、より迅速にオンに切換えられる。理想的には、すべてのJFETにおいて完全に同期したスイッチオンおよびスイッチオフが達成される。
個々のスイッチにおけるプロセスの一時的な軌跡(trajectory)は、スイッチング配列が全体としてできるだけ最適な態様で平衡した挙動を有し、それによって個々のJFETのスイッチングができるだけ同時となるように、対称ネットワークの設計によって互いに一致される。
本発明のさらなる実施形態においては、制御スイッチ、たとえばMOSFETは、線形領域において動作される。接合キャパシタンスによって生成される振動の減衰が、これによって達成される。
したがって、安定化回路は、追加回路および対称ネットワークと共に、第1および第2の接続における電圧間の動的な電圧分割器を形成し、それは、スイッチング時に、JFETの電圧負荷の平滑化を実行する。
高動作電圧を切換えるための公知の電力スイッチまたはスイッチデバイスとは異なり、追加回路、たとえば追加のダイオードの付与によって、トランジスタの動的阻止電圧負荷の平衡化が大いに改善され、さらに、本発明の好ましい実施形態におけるRC素子によって、目標とされる態様で最適化され得る。
さらなる好ましい実施形態は、従属請求項から推測されるべきである。
図面および簡単な説明
本発明の課題が、添付の図面に表わされた好ましい実施例によって、これ以降でより詳細に説明される。
最新技術に従う接合型FETの直列接続を示す図である。 本発明の第1の実施形態を示す図である。 本発明の第2の実施形態を示す図である。 本発明のさらなる実施形態を示す図である。
図中で用いられる参照番号およびその意義は、参照番号のリストにおいて、最終的な態様でリスト化される。基本的には、図中において、同じ部品には同じ参照番号が与えられる。
本発明を実施する方法
高動作電圧のスイッチデバイスのための本発明が、図1に示される。スイッチは、第1または最下部JFET J1およびこの第1のJFET J1に直列に接続される少なくとも1つのさらなるJ2−J6を伴うMOSFET Mのカスコード回路を備える。最下部または第1のJFETは、したがって、カスコード回路において、制御スイッチとして動作するMOSFETによって活性化される。直列に接続され、かつ第1のJFETから最も距離が離れている、JFET中の最後のJFETは、最上部JFET J6として示される。6つのJFETが示されているが、単に例に過ぎず、本発明の他の実施形態においては、一般的には、2つまたはより多くのJFETが存在し得る。安定化回路3は、JFETのゲート電圧を安定化するために設けられる。いずれの場合も連続する2つのJFETのゲート同士間のこの安定化回路は、ブロッキング方向に動作される保護ダイオードD11−D13,D21−D23,…D51−D53の直列接続を備える。各々互いに直列である保護ダイオードD11−D53の数は、必要とされる保護ダイオードD11−D53の阻止電圧に依存する。一般的に、いずれの場合も、1つまたはより多くの保護ダイオードD11−D53が2つの連続するJFETのゲート同士間に予め設定される。本発明の他の実施形態においては、ダイオード以外のスイッチ素子が用いられる。
各場合において、ツェナーダイオード(図1におけるZGS,2−ZGS,6)または抵抗(図2におけるZGS,2−ZGS,6)が、第1のJFETから離れて、JFET J2−J6のゲートとソースとの間に接続される。これらのダイオードまたは抵抗は、静的状態において、個別のゲート電圧を安定化する。
JFETの電圧負荷を平滑化するために、追加回路4が、最上部JFETのゲート接続とドレイン接続との間に接続される。図2によれば、これは、ブロッキング方向に動作される3つのさらなるダイオードD61,D62,D63の直列回路を備える。これらの効果は、最上部JFETのゲート接続における電位が、最上部JFETのドレイン接続の電位に導かれ、それによって、ドレイン接続とゲート接続間にある電位が低減されることである。さらなるダイオードD61,D62,D63は、ゲート接続の対称負荷を確実にするとともに、阻止電圧分配を安定化する。さらに、それらは、最上部JFET J6についてのドレインとゲートとの間の過電圧に対する保護素子としても動作する。
さらなるダイオードに代えて、同じ効果を創出する他のスイッチ要素が、追加回路内に存在してもよく、それらは、たとえば、直列に接続された、1つまたは2つだけあるいはさらなるダイオード、抵抗、キャパシタンスまたはRC回路である。
本発明の好ましい実施形態においては、抵抗または減衰抵抗RSt,1−RSt,5からキャパシタンスCTu,1−CTu,5までのRC素子が、いずれの場合も連続する2つのJFETのゲート同士間に、いずれの場合も1つまたはより多くの保護ダイオードD11−D53に並列に接続される。この場合において、類似した、好ましくは等しく構築されたRC素子が、さらに最上部JFETのゲートおよびドレイン接続間に、追加回路4と並列に接続される。共に、これらすべての言及したRC素子は、対称ネットワーク5を形成する。
そして、完全な回路ネットワークは、したがって、1からn個の追加のダイオードD61,D62,D63を有するとともに、パッシブRCネットワークは減衰抵抗RSt,1…RSt,6およびキャパシタンスCTu,1−CTu,6を有する。
各場合において、ゲート接続間に追加されるトータル接合キャパシタンスは、ダイオードの直列接続によって小さく維持される。追加キャパシタンスCTu,1−CTu,6のおかげで、これは動的阻止電圧分配を最適化、または接合キャパシタンスの独立的な設定が可能とされる。それによって、追加のキャパシタンスCTu,1−CTu,6によって生じる振動を減衰させるために、追加の減衰抵抗RSt,1…RSt,6が追加される。
図3は、本発明の代替的な好ましい実施形態を示し、それにおいては、JFET J1−J6のゲートは互いに接続されないが、いずれの場合も、保護ダイオードD11−D53およびRC素子のそれら独自の回路とともに、個別に第1の接続1へ接続される。図2のように、最上部JFET J6のゲート接続G6は、追加ネットワーク4を介して第2の接続2へ接続される。ここで、追加ネットワーク4は、1つだけまたはより多くの直列接続されたさらなるダイオードD61−D63または他のスイッチ素子、あるいはRC直列素子RSt,6,CTu,6と組合されたさらなるダイオードD61−D63を備えてもよい。ここで、それ自体は任意的でありかつ好ましくは最適化のために適用されるRC素子RSt,1…RSt,6およびCTu,1−CTu,6は、共に対称ネットワーク5を形成する。
図4は、本発明のさらなる実施形態を示し、それにおいては、JFET J1−J6のゲートは互いに接続されないが、いずれの場合も、保護ダイオードD11−D23および個別のゲート接続によって第2の接続に接続される1つまたはより多くの追加のダイオード6のそれら独自の回路とともに個別に接続され、かつRC素子を介して第1の接続1に接続される。保護ダイオードD11−D23および追加のダイオード6は、いずれの場合も、電圧レベルおよび動的挙動(時定数)に対して個別にパラメータ化され得る、ゲート電圧のための電圧分割器を形成する。図中に示されている個別のダイオード6に代えて、いくつかの直列に接続されたダイオードが存在してもよい。図3に設けられるような追加ネットワーク4は、1つまたはより多くの直列に接続されたさらなるダイオードD61−D63または他のスイッチ素子、あるいはRC直列素子RSt,6,CTu,6と組合されたさらなるダイオードD61−D63を備えてもよい。ここで、それ自体は任意的でありかつ好ましくは最適化のために適用されるRC素子RSt,1…RSt,6およびCTu,1−CTu,6は、共に対称ネットワーク5を形成する。
すべての例および本発明の全体として、基本的には、ここで示されるnチャンネル型JFETに代えて、pチャンネル型JFETについて修正された態様においても同様に適用され得る適当な回路である。

Claims (11)

  1. 第1の接続(1)と第2の接続(2)との間で電流を切換えるために、最下部JFET(J1)が前記第1の接続(1)と接続されるかまたは前記最下部JFET(J1)が制御スイッチ(M)を介してカスコード回路で前記第1の接続(1)に接続される、少なくとも2つのJFET(J1−J6)と、前記最下部JFET(J1)に直列に接続される少なくとも1つのさらなるJFET(J2−J5)との直列接続を備え、前記最下部JFET(J1)から最も離れたJFET(J6)は、最上部JFET(J6)として示されるとともに、そのドレイン接続で前記第2の接続(2)に接続され、前記JFET(J1−J6)のゲート電圧を安定化するための安定化回路(D11−D53)は、JFET(J1−J6)のゲート接続と前記第1の接続(1)との間に接続されるスイッチングデバイスであって、
    追加回路(4)は、前記最上部JFET(J6)のゲート接続(G6)と前記第2の接続(2)との間に接続され、この追加回路は、前記最上部JFET(J6)のゲート接続(G6)における電位を、前記最上部JFET(J6)のドレイン接続(D6)における電位に導くことを特徴とする、スイッチングデバイス。
  2. 前記安定化回路(3)は、特に、ブロッキング方向(1)に作用するとともに、いずれの場合も連続するJFET(J1−J6)のゲート接続同士の間または前記JFET(J1−J6)のゲート接続と前記第1の接続(1)との間に配列される保護ダイオード(D11−D53)によって、いずれの場合も、設定可能な電流を前記JFET(J1−J6)のゲート接続から前記第1の接続(1)へそらす、請求項1に記載にスイッチングデバイス。
  3. 前記追加回路(4)は、前記安定化回路(3)と共に、前記JFET(J1−J6)のゲート接続の対称的な電圧負荷の効果をもたらす、請求項1または2に記載のスイッチングデバイス。
  4. 前記追加回路(4)は、前記最上部JFET(J6)のゲート接続(G6)と前記第2の接続(2)との間に、直列にかつブロッキング方向に作用する1つまたはより多くのさらなるダイオード(D61,D62,D63)を含む、先行する請求項のいずれか1つに記載のスイッチングデバイス。
  5. 前記追加回路(4)は、パッシブネットワーク、特に抵抗であり、前記ネットワークまたは抵抗は、前記最上部JFET(J6)のゲート接続(G6)と前記第2の接続(2)との間に接続される、先行する請求項のいずれか1つに記載のスイッチングデバイス。
  6. 連続するJFETのゲート接続同士間の前記安定化回路は、いずれの場合も、第1のトータル阻止電圧を有する少なくとも1つのダイオードを含み、前記ダイオードは、ブロッキング方向に作用し、
    前記追加回路(4)は、第2のトータルブロッキングを有する少なくとも1つのさらなるダイオード(D61,D62,D63)を含み、前記さらなるダイオードは、ブロッキング方向に作用し、
    前記第2のトータル阻止電圧は、前記第1のトータル阻止電圧に、少なくともおよそ等しい、先行する請求項のいずれか1つに記載のスイッチングデバイス。
  7. 前記JFET(J1−J6)のゲートと前記第1の接続との間に配列されるRCネットワークを含む対称ネットワーク(5)が存在する、先行する請求項のいずれか1つに記載のスイッチングデバイス。
  8. 前記対称ネットワーク(5)は、前記対称ネットワーク(5)においてスイッチングの際に生じる平衡プロセスが、前記最上部JFET(J6)においては最小時定数を有するとともに、前記最下部JFET(J1)においては最大時定数を有するように設計される、請求項7に記載のスイッチングデバイス。
  9. 連続するJFET(J1−J6)のゲート接続同士間の前記対称ネットワーク(5)は、いずれの場合も、キャパシタンス(CTu,1−CTu,5)を含むとともに、前記追加回路に並列に、さらなるキャパシタンス(CTu,6)を含み、減衰抵抗(RSt,1−RSt,5,RSt,6)が、前記キャパシタンス(CTu,1−CTu,5)のうちの少なくとも1つ、および/または、前記さらなるキャパシタンス(CTu,6)に直列に接続される、請求項7または8に記載のスイッチングデバイス。
  10. 連続するJFET(J2−J6)のゲート接続同士間の前記対称ネットワーク(5)は、いずれの場合も、前記最下部JFET(J1)および前記第1の接続(1)から離れており、RC素子(RSt,1−RSt,5およびCTu,1−CTu,5)を含むとともに、前記追加回路(4)に並列な追加のRC素子(RSt,6,CTu,6)を含む、請求項7または8に記載のスイッチングデバイス。
  11. 前記回路は、前記制御スイッチ(M)を活性化し、この制御スイッチを線形範囲内で動作させるための活性化回路を含む、請求項10に記載のスイッチングデバイス。
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