JP6708486B2 - 双方向mosfetスイッチ、及びマルチプレクサ - Google Patents

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Description

本発明は双方向MOSFETスイッチ、及び少なくとも2つの双方向MOSFETスイッチを有するマルチプレクサに関する。
提供する回路トポロジーは、「共通ソース」とも呼ばれ、且つ図1に示されている双方向信号配線に対する既に周知のMOSFET回路トポロジーに基づく。
トランジスタを導通状態に切り替えるためには、抵抗器R1を介して必要なゲート・ソース電圧を生成し、且つT1とT2の2つのゲートの入力容量を充電する制御電流が必要である。この制御電圧が信号電圧にガルバニック的に接続される場合、制御電流は、使用されるMOSFETのタイプ(Nチャネル又はPチャネル)に基づいて、トランジスタ仕様の範囲において信号電圧よりも大きいか又は小さいものでなければならず、それによってT1とT2を導通状態に切り替えることができる。これは高電圧信号において技術的に困難になる可能性がある。制御電流が信号電流に重なる可能性があり、且つ接点AまたはBを介してカウンタ電位へ流れることも不利である。したがって、この回路変形は測定電圧信号の配線に対して不利である。
したがって、その場合しばしば制御電流は光起電性に行われ(図2参照)、これは一方において制御部に対してガルバニック的分離をもたらし、且つ他方において制御電流が信号電流に重なることを防ぐ。その場合、T1とT2のゲートの制御に対して、一次側で最初にLED1に供給しなければならない比較的大きい制御電流を必要とすることは不利である。例えばフォトダイオードD1によって二次側に生成される制御電流は相対的に小さく、このことはT1とT2の迅速活性化を阻害する。
例えばマルチプレクサを実現させる際にこの方式のスイッチが幾つか必要になる場合、ガルバニック的に分離されるこの制御方式をそれぞれのトランジスタ対に対して個別に実装しなければならない。これは技術的に困難である。
検査技術と測定技術において、例えば自動化されたテスタに対して、タスク設定、信号電圧及び電流は、数千個の個別スイッチによって構成されて、且つ電流をアンペア領域まで、電圧を数キロボルトまで接続しなけらばならないスイッチマトリクスを用いて接続される。信号電圧が接触危険性のある電圧である場合、各制御部に対する安全上の理由から制御部とスイッチを互いに安全に分離するために、空間距離と沿面距離、及び絶縁に対する基準値はそれぞれ該当する安全規格(例えばIEC60950、IEC61010等)に基づいて遵守されなければならない。一方はスイッチング素子の混成された構造によって、及び他方はマトリクスの他のスイッチング素子からも絶縁しなければならない制御配線によって限定される大きな間隔は、大きなパッキング密度を有する構造を困難にするが、それは構造のコストを上げ、場合によっては構造をさらに大きくすることを必要とする。
光起電性の制御に対してガルバニック的に分離するための別の変形は、2つの小さいコンデンサを用いる容量制御がある。しかしこれは交流信号のみを伝達することが可能であり、その交流信号はT1とT2に対して必要なゲート・ソース電圧を供給するために結局は再び整流しなければならない。
さらに、変圧器を用いる費用のかかる高価な制御が知られている。その場合も交流信号のみを伝達することが可能であり、交流信号は次に二次的に整流しなければならない。
制御部におけるガルバニック的な分離によって、接続される電流に制御電流が重なることが回避され、且つ制御電圧が信号電圧と異なる電位を持つことが可能になる。その場合、2つのトランジスタT1とT2のゲートを充電し、それによってこれらを十分迅速に導通状態に切り替えることができるようにするための技術的な障害は、ガルバニック的な分離を介してできる限り効率的に伝達しなければならない伝達すべきエネルギにある。光起電性を用いる通常の制御において、結合区間のLED受信ダイオードの損失を補整するために比較的多量のエネルギを必要とするが、これは多数のスイッチを有するマルチプレクサアセンブリにおいて極めて大きな電力損失をもたらすことが考えられる。
本発明は、双方向MOSFET回路トポロジーを改良することを課題の基礎に置く。
この課題は、請求項1に記載の双方向MOSFETスイッチ、もしくは請求項11に記載のマルチプレクサによって解決される。
本発明に基づく双方向MOSFETスイッチは、入力部と出力部と、そのソース端子及びゲート端子によって互いに接続される2つのMOSFETトランジスタとを含み、その場合、入力部と出力部は2つのMOSFETトランジスタのそれぞれのドレイン端子に接続され、制御ユニットに接続されて電位分離部(Potentialtrennung)を用いてガルバニック的に絶縁される制御入力部を含み、制御ユニットは別のMOSFETトランジスタを介して電界効果トランジスタに対する制御電流を切り替えるために設置され、電界効果トランジスタは2つのMOSFETトランジスタを切り替えるため、制御電流によって2つのMOSFETトランジスタにおけるゲートとソースとの間にゲート電圧Vgsを生成させるために設置され、及び、端子にガルバニック的に接続されて、かつ2つのMOSFETトランジスタに対するゲート制御電流を生成するために設置される浮遊電圧源(potentialfreien Spannungsquelle(無電位電源))を含む。
本発明に基づく双方向MOSFETスイッチは、この回路トポロジーに対して、交流電圧信号の場合でも少ない制御電流で十分に制御できる利点を持つ。
電界効果トランジスタは、2つのMOSFETトランジスタを活性化するために、及び電流飽和とそれによって引き起こされる高抵抗状態によって制御電流をゲート・ソース電圧に変化させるために設置することができる。この制御電流は、飽和することにより電界効果トランジスタによって制限される。したがって電界効果トランジスタは高抵抗の定電流源を意味する。高められた活性化電流を短時間流すだけでT1とT2のゲートまで充電される。
電界効果トランジスタは、2つのMOSFETトランジスタを非活性化するために、制御電流が流れていない状態において、2つのMOSFETトランジスタのゲートを低抵抗において2つのMOSFETトランジスタのソースに接続するために設置することができる。電界効果トランジスタの低抵抗の抵抗器は、T1とT2のVgsをトランジスタの閾値電圧以下に確実に維持できることによって、交流信号の接続において、T1とT2の寄生容量と共に対応する小さいRC素子のみを構成し、それによって漏洩電流挙動を改良する利点を持つ。
浮遊電圧源又は浮遊電圧供給部は、2つのMOSFETトランジスタの2つのドレイン端子の一方にガルバニック的に接続することができる。これは、制御ユニットに対する電圧供給源の簡単な実装を可能にする。浮遊電圧源はDC/DCコンバータの二次側、バッテリ、又は例えばエネルギハーベストまたは太陽電池によって発電式に生成される電圧であってよい。
浮遊電圧源は、制御ユニットに対する電圧供給部及び電流供給部であることができ、これは回路構造を簡略化する。
浮遊電圧源は、電界効果トランジスタを高抵抗(高インピーダンス)で制御するための、及び2つのMOSFETトランジスタのゲート容量を充電するための制御電流を生成するために設置することができる。高められた活性化電流を短時間流すだけでT1とT2のゲートまで充電される。それによってトランジスタT1とT2は迅速に導通状態に切り替えられる。
制御ユニットは、別のMOSFETトランジスタのスイッチング状態を記憶するために設置することができる。制御ユニットは最も単純な場合フリップフロップであってよく、これはアナログスイッチのスイッチング状態を記憶する。これは容易な双方向スイッチングを可能にする。
別のMOSFETトランジスタは、浮遊電圧源のゲート制御電流を制御ユニットに記憶されたスイッチング状態に応じて切り替えるために設置することができる。簡単な双方向スイッチングがこれを許可する。
2つのMOSFETトランジスタはNチャネルタイプであってよく、及び浮遊電圧源はその負電位を用いて2つのMOSFETトランジスタの一方のドレイン端子に接続することができ、又は2つのMOSFETトランジスタはPチャネルタイプであってよく、及び浮遊電圧源はその正電位を用いて2つのMOSFETトランジスタの一方のドレイン端子に接続することができる。この態様において、回路は容易にトランジスタの両タイプに対して実現することができる。
2つのMOSFETトランジスタがNチャネルタイプである場合、別のMOSFETトランジスタはPチャネルタイプであってよく、又はその場合、2つのMOSFETトランジスタがPチャネルタイプである場合、別のMOSFETトランジスタはNチャネルタイプであってよい。この態様において回路は容易にトランジスタの両タイプに対して実現することができる。
本発明に基づくマルチプレクサは、前述のような少なくとも2つの双方向MOSFETスイッチを含み、その場合、電位分離部と浮遊電圧源は全ての双方向MOSFETスイッチに対して共通に設けられる。本発明に基づくマルチプレクサは、交流信号に対しても回路トポロジーに対する僅かな制御電流で十分に制御可能であり、これは特にスイッチングマトリクスに対するマルチプレクサにおける高いスケーラビリティを可能にする利点を持つ。
本発明を以下実施例において添付の図面に基づいて詳細に説明する。
従来技術による双方向MOSFETスイッチを示す。 従来技術による光起電性に生成される制御電流を有する双方向MOSFETスイッチを示す。 本発明の一実施例に基づく双方向MOSFETスイッチを示す。 本発明の一実施例に基づくマルチプレクサを示す。 本発明の一実施例に基づく保護回路を有する双方向MOSFETスイッチを示す。 本発明の一実施例に基づく、図3との比較において補完的トランジスタを有する双方向MOSFETスイッチを示す。
(実施例1)
図3は双方向MOSFETスイッチ、詳しく言えば2つのMOSFETトランジスタT1とT2によって構成される回路トポロジーの第1の実施例を示す。2つの双方向MOSFETトランジスタT1とT2はそのソース端子Sとゲート端子Gによって互いに接続され、いわば事実上の双方向スイッチング素子を意味する。通常のゲート・ソース抵抗は低い「ピンチオフ」電圧を有する電界効果トランジスタT3によって置き換えられる。電界効果トランジスタT3はそのゲート端子とそのソース端子を用いて2つのMOSFETトランジスタT1とT2のソースに接続される。ドレイン端子は2つのMOSFETトランジスタT1とT2のゲートに接続される。
制御電流が流れない場合、電界効果トランジスタT3は、ゲート端子がT1とT2のソース端子に接続される相対的に低抵抗の接続を意味する。すなわちゲートが放電された場合、2つのトランジスタT1とT2は非導通状態に切り替えられる。制御電流を小さく維持するために通常使用される高抵抗の抵抗器は、T1とT2の寄生容量と共にRC素子を構成するので、交流信号を接続する場合に欠点を現すと考えられる。これは、Sにおける急速な電位シフトの際にGにおける電位を最早Sによって補整することができないことによって、T1とT2の漏洩電流挙動に不利な影響を及ぼすと考えられる。これは、発生する電圧Vgsによって、場合によりT1とT2が既に若干の導通状態になることをもたらす可能性がある。さらに、高抵抗の抵抗器はT1とT2の緩慢な非活性化時間をもたらす。
上記の欠点は電界効果トランジスタT3の使用によって回避される。信号電圧の極性に基づいて、T1とT2の2つの「ボディ」ダイオードの一方は導通するが、しかし2つのトランジスタT1とT2の一方は常に遮断方向に切り替えられ、これはスイッチが極性に拘わらず非導通状態になることをもたらす。
さらに本発明に基づく回路トポロジーは、2つのトランジスタT1とT2を導通状態に切り替えるための別の回路部分によって構成される。「浮遊」電圧源V1は、二次的に回路の入力部Aにガルバニック的に接続される。浮遊電圧源V1は、最も単純な場合、スイッチング状態メモリとしてのフリップフロップである制御ユニット又は制御部C1に対する電圧供給部を意味する。さらに入力部AにトランジスタT1のドレイン端子が接続される。トランジスタT2のドレイン端子は回路の出力部Bに接続される。
制御ユニットC1の入力部は、中に電位分離部I1が設けられた制御配線又は回路の制御バスDに接続される。制御ユニットC1の出力は別のMOSFETスイッチングトランジスタT4を制御する。Dが制御バスである場合、制御ユニットC1においてT4に対する制御信号のデコーディングも行われる。T4が導通状態に切り替えられた場合、電圧源V1は制御電流をT4を介して電界効果トランジスタT3へ移動させる。この制御電流は、電界効果トランジスタT3が飽和し、次に高抵抗の定電流源の役を演じることにより、電界効果トランジスタT3によって制限される。活性化時点に短時間だけT1とT2のゲートまで充電されることによって、電界効果トランジスタT3によって調整される定電流よりも大きな活性化電流が流れる。電位分離部I1は、制御電流がV1、T4、T3及びT1の回路のみに流れる結果をもたらす。
したがってトランジスタT1とT2は迅速に導通状態に切り替えられる。このことと、管理して制限される制御電流とは、T1とT2の制御電流電力損失とスイッチング電力損失とを小さく維持するという、この回路の利点を意味する。T1の「ボディ」ダイオードを介して、制御電流はT1の非活性化状態においても常に電圧源V1へ還流することができ、それによってT1とT2は常にSにおける電位に関わりなく制御電流によって制御される。
この回路トポロジーの別の利点は、制御電流が浮遊電圧源V1からV1、T4、T3及びT1の回路のみを流れることが可能で、且つ端子A又はBを介して流れることができず、したがって端子A及びBの外部では信号電流に重ならないという事実である。
ここに述べた回路の全ての部品は、信号電圧の高さを考慮して、接触危険性のある電圧に対し、制御出力に対する安全上重要な絶縁よりもはるかに容易に実現できる十分に高い機能絶縁性を持たなければならない。図3においてトランジスタT1とT2は通常のブロッキングNチャネルMOSFETトランジスタとして形成され、その一方でトランジスタT4は通常のブロッキングPチャネルMOSFETトランジスタとして形成される。
(実施例2)
図4にマルチプレクサとしての、ここでは1:2マルチプレクサとしての回路トポロジーを示す。対応して、入力部Aに並列に接続されて、且つ2つの出力部BとB1が生成される図3に基づく2つの双方向MOSFETスイッチが設けられる。
有利な態様において、電位分離部I1は2つの制御部C1とC2に対して、及び電圧源V1、例えばDC/DCコンバータに対して中央に実装される。これは、空間距離と沿面距離、絶縁、部品数、及びパッキング密度の要求を考慮すれば大きな技術的簡略化を意味する。これは特に、例えば1:1000マルチプレクサのように大量の個別スイッチを有するマルチプレクサに対する事例である。
制御配線Dと供給電圧V1は、回路基板の領域の中央外部に、信号電圧の配線領域から切り離して信号電圧から絶縁される。「スイッチング領域」の内部は、端子Aとのガルバニック的接続によって同一の電圧を、もしくはV1の二次側電圧によってAにおける信号電圧に対して異なる電位のみを持ち、したがってAに対する絶縁要求は極めて僅かである。これは、制御電子機器CへのAにおける電位の電圧重畳を発生させないので、このようなスイッチングマトリクスのパッキング密度を高め、もしくはスイッチングマトリクスを機能的により安全にする。
T1とT2のゲートを最早直接制御する必要がないので、Dにおける回路の制御部に対する必要電力は僅かでよい。したがって技術的な仕様は簡略化され、且つ制御電力を減少させることができる。
電位分離部I1は、制御電流がV1、T4、T3及びT1の回路のみに流れる結果をもたらす。したがって、マルチプレクサアセンブリにおいて電位分離部を個別スイッチのそれぞれに対して取り付ける必要はなく(極端な場合、マルチプレクサに対し1個のみでよい)、及びDにおける制御電流は電位分離部によって損失が僅かしか生じない高抵抗の入力部を移動するのみでよいので、信号電力は僅かでよい。
(実施例3)
図5に示すように、本発明に基づく回路トポロジーは、電流を制限する抵抗器と電流を制限するダイオードとの通常の保護回路を容易に補完することができる。このような回路は図4に基づくマルチプレクサにおいて使用することもできる。詳細には、ツェナーダイオードZ1がソースSとゲートGの間に接続され、及び抵抗器R1がソースと電界効果トランジスタT3の間に接続され、及び抵抗器R2が別のMOSFETトランジスタT4と電界効果トランジスタT3もしくはゲートGとの間に接続される。
(実施例4)
本発明に基づく回路トポロジーは、市販のNチャネルまたはPチャネルのMOSFETトランジスタをスイッチングトランジスタT1及びT2として使用することができるが、その場合、電力トランジスタもしくは高電圧トランジスタ又は高周波トランジスタであってもよい。図6に、図3との比較において補完的なトランジスタ選択を示す。この種の回路は図4に基づくマルチプレクサにおいて使用することもできる。
A 入力部
B 出力部
B1 出力部
C 制御電子機器
C1 制御ユニット
C2 制御ユニット
D 制御入力部
D1 フォトダイオード
G ゲート
I1 電位分離部
LED1 発光ダイオード
R1 抵抗器
R2 抵抗器
S ソース
T1 MOSFETトランジスタ
T1.1 MOSFETトランジスタ
T2 MOSFETトランジスタ
T2.1 MOSFETトランジスタ
T3 電界効果トランジスタ
T3.1 電界効果トランジスタ
T4 MOSFETトランジスタ
T4.1 MOSFETトランジスタ
V1 浮遊電圧源
Vgs ゲート電圧
Z1 ツェナーダイオード

Claims (9)

  1. 双方向MOSFETスイッチであって、
    ソース端子同士及びゲート端子同士を互いに接続され2つのMOSFETトランジスタ(T1、T2)と、前記2つのMOSFETトランジスタ(T1、T2)の一方のドレイン端子に接続され入力部(A)と、前記2つのMOSFETトランジスタ(T2、T2)の他方のドレイン端子に接続された出力部(B)とを備え、
    ゲート端子とソース端子とが接続されており、前記ゲート端子が、前記2つのMOSFETトランジスタ(T1、T2)のソース端子に接続されておりドレイン端子が、前記2つのMOSFETトランジスタ(T1、T2)のゲート端子に接続されたジャンクションFETトランジスタ(T3)と、
    ドレイン端子が、前記ジャンクションFETトランジスタ(T3)のドレイン端子に接続された別のMOSFETトランジスタ(T4)と、
    前記入力部(A)と前記別のMOSFETトランジスタ(T4)のゲート端子との間に接続され、前記別のMOSFETトランジスタ(T4)によるジャンクションFETトランジスタ(T3)への制御電流を切り替えるように構成された制御ユニット(C1)と、
    前記制御ユニット(C1)に、電位分離部(I1)によって電気的に絶縁された状態で接続され制御入力部(D)と、
    前記入力部(A)に電気的に絶縁された状態で接続され、該入力部(A)と前記別のMOSFETトランジスタ(T4)のソース端子との間に接続され、前記別のMOSFETトランジスタ(T4)を介しての前記ジャンクションFETトランジスタ(T3)のドレイン端子への制御電流を生成するように構成された浮遊電圧源(V1)と、
    をさらに備え、双方向MOSFETスイッチ。
  2. 前記浮遊電圧源(V1)は前記2つのMOSFETトランジスタ(T1、T2)の一方ドレイン端子電気的に絶縁された状態で接続されている、請求項記載の双方向MOSFETスイッチ。
  3. 前記浮遊電圧源(V1)は、無電位電源であって、前記制御ユニット(C1)に対する電圧供給源及び/又は電流供給源である、請求項1又は2記載の双方向MOSFETスイッチ。
  4. 前記浮遊電圧源(V1)は、前記ジャンクションFETトランジスタ(T3)を高インピーダンスにおいて制御するために、及び前記2つのMOSFETトランジスタ(T1、T2)のゲート容量を充電するための制御電流を生成するために設置されている、請求項1〜の何れか記載の双方向MOSFETスイッチ。
  5. 前記制御ユニット(C1)は、前記別のMOSFETトランジスタ(T4)に対する制御信号をデコーディングし、前記別のMOSFETトランジスタ(T4)のスイッチング状態を記憶するために設置されている、請求項1〜の何れか記載の双方向MOSFETスイッチ。
  6. 前記別のMOSFETトランジスタ(T4)は、前記浮遊電圧源(V1)の制御電流を前記制御ユニット(C1)に記憶されたスイッチング状態に応じて切り替えるために設置されている、請求項1〜の何れか記載の双方向MOSFETスイッチ。
  7. 前記2つのMOSFETトランジスタ(T1、T2)はNチャネルタイプであり、及び前記浮遊電圧源(V1)の負電位前記2つのMOSFETトランジスタ(T1、T2)の一方のドレイン端子に接続され、又はその場合、前記2つのMOSFETトランジスタ(T1、T2)はPチャネルタイプであり、及び前記浮遊電圧源(V1)の正電位前記2つのMOSFETトランジスタ(T1、T2)の一方のドレイン端子に接続されている、請求項1〜の何れか記載の双方向MOSFETスイッチ。
  8. 前記2つのMOSFETトランジスタ(T1、T2)がNチャネルタイプである場合、前記別のMOSFETトランジスタ(T4)はPチャネルタイプであり、又はその場合、前記2つのMOSFETトランジスタ(T1、T2)がPチャネルタイプである場合、前記別のMOSFETトランジスタ(T4)はNチャネルタイプである、請求項1〜の何れか記載の双方向MOSFETスイッチ。
  9. マルチプレクサであって、
    請求項1〜8の何れかに記載の双方向MOSFETスイッチを少なくとも2つ有し、
    1つの前記電位分離部(I1)と1つの前記浮遊電圧源(V1)とが全ての前記双方向MOSFETスイッチに対して共通に設けられている、マルチプレクサ。
JP2016116476A 2015-06-10 2016-06-10 双方向mosfetスイッチ、及びマルチプレクサ Active JP6708486B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

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