TW201534053A - 隔離式高速開關 - Google Patents

隔離式高速開關 Download PDF

Info

Publication number
TW201534053A
TW201534053A TW104103233A TW104103233A TW201534053A TW 201534053 A TW201534053 A TW 201534053A TW 104103233 A TW104103233 A TW 104103233A TW 104103233 A TW104103233 A TW 104103233A TW 201534053 A TW201534053 A TW 201534053A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
switch
mosfet
capacitor
circuit
turned
Prior art date
Application number
TW104103233A
Other languages
English (en)
Inventor
Kyle K Rakes
Original Assignee
Keithley Instruments
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Keithley Instruments filed Critical Keithley Instruments
Publication of TW201534053A publication Critical patent/TW201534053A/zh

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/04—Modifications for accelerating switching
    • H03K17/041—Modifications for accelerating switching without feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/0412—Modifications for accelerating switching without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the control circuit
    • H03K17/04123—Modifications for accelerating switching without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the control circuit in field-effect transistor switches
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/04—Modifications for accelerating switching
    • H03K17/041—Modifications for accelerating switching without feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/0416—Modifications for accelerating switching without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the output circuit
    • H03K17/04163—Modifications for accelerating switching without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the output circuit in field-effect transistor switches
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/687—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors
    • H03K17/6871—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors the output circuit comprising more than one controlled field-effect transistor
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/687—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors
    • H03K17/6877—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors the control circuit comprising active elements different from those used in the output circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/687—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors
    • H03K17/689—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors with galvanic isolation between the control circuit and the output circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/78—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used using opto-electronic devices, i.e. light-emitting and photoelectric devices electrically- or optically-coupled
    • H03K17/785—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used using opto-electronic devices, i.e. light-emitting and photoelectric devices electrically- or optically-coupled controlling field-effect transistor switches
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/081—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/08104—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit in field-effect transistor switches

Landscapes

  • Electronic Switches (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

一種電路結構以驅動隔離式高速金屬-氧化物-半導體場效電晶體(MOSFET)開關，包括組構以操作如開關之第一MOSFET及第二MOSFET、電容、與該電容並聯之充電構件、與該充電構件串聯之第一開關以及與該充電構件及該電容串聯之第二開關。當第二開關為開啟及第一開關為關閉時，該電容中之儲存電壓傳送至該第一MOSFET及該第二MOSFET的閘極。

Description

隔離式高速開關
本發明係有關能夠在低導通阻抗MOSFET以可接受的速率開關之隔離式高速MOSFET開關電路。
一種隔離式MOSFET開關電路，如第1圖所示，使用光電電池(opto-battery)100，如下更詳細描述，用以提供隔離及提供驅動金屬-氧化物-半導體場效電晶體(metal-oxide-semiconductor field-effect transistors，MOSFET)102及104之閘極動力，驅使MOSFETs 102及104開啟。MOSFETs 102及104係高電壓MOSFETs。這些MOSFETs具有閘極-源極電容，為了清楚起見在第1圖中顯示為電容106及108，以及也分別被稱為電容Ca及Cb。要開啟第1圖之隔離式MOSFET開關電路，關閉開關110以提供10-15mA之電流通過光電電池100之發光二極體(light emitting diode，LED)112。來自LED的光導致小電流(即，10-30μA)流過光電電池100之電流源中。電流流進電容106及108，增加跨過它們電壓以dV/ dt=i/(Ca+Cb)的比例。持續這比例直到齊納二極體(zener-diode)114齊納，其中比例大約為6V，並開始盜取從光電電池100的電流，限制電壓在6V。當在電容和MOSFETs 102及104之閘極-汲極的電壓增加時，MOSFETs 102及104開啟。當MOSFETs 102及104開啟時，MOSFETs 102及104每一個的閘極-汲極電壓開始改變，導致一些閘極電流流至閘極-汲極電容中。MOSFETs 102及104之閘極-汲極電容也影響MOSFETs 102及104的充電及開啟速度。充能給集體的閘極-源極電容至6V的時間越長，開啟隔離型MOSFET開關電路的時間就越長。另外，電壓可以比用於閘極-汲極電容高的多，並且增加開關時間。
在第1圖中之光電晶體116當隔離式MOSFET開關電路為保護電路的部分時是可選擇的及使用。當開關電路應該保護時，光電晶體116將開始減少MOSFETs 102及104之閘極-源極電壓並且開始開啟開關電路。當電路是在保護模式時MOSFETs 102及104是在線性區。光電晶體116必須處理解充能(de-energizing)MOSFETs 102及104電容106及108之電流從6V至需要保護的電壓。
關閉第1圖之開關電路，開啟開關110，切斷至LED 112及光電電池100之電流。與電流源並聯之電阻(為了簡明未示出)放電閘極電容106及108，最終低於MOSFETs 102及104閘極-源極電壓並且關閉開關電路。
然而，較新的MOSFETs，典型地具有較高的閘極電容，且繪示於第1圖之開關電路由於較高的閘極電容係緩慢的開啟這些較新的MOSFETs。
一種替代方案以修正較新的MOSFETs之緩慢開啟為使用閘極隔離變壓器。閘極隔離變壓器提供所需閘極電流以快速開啟MOSFET開關電路。然而，閘極隔離變壓器需要複雜的用於變壓器之驅動電路，以及大且昂貴的變壓器本身。另一替代方案係包括設計上使用另一繞組在供應變壓器上之浮動功率供應。繞組提供在高訊號電壓的高電流。雖然這種類型的設計比增加閘極隔離變壓器較不複雜，它仍然是一種主要的重新設計及增加成本。
所揭露技術解決了現有技術的這些限制。
所揭露技術的實施方式包括結構以驅動隔離式高速金屬-氧化物-半導體場效電晶體(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)開關之電路，其包括組構以操作如開關之第一MOSFET及第二MOSFET、電容、與電容並聯之光電電池、與光電電池串聯之第一開關以及與光電電池及電容串聯之第二開關。
100‧‧‧光電電池
102，104，202，204‧‧‧金屬-氧化物-半導體場效電晶體
106，108，206，208，220‧‧‧電容
110，222，224‧‧‧開關
112，212‧‧‧發光二極體
114‧‧‧齊納二極體
116，216‧‧‧光電晶體
200‧‧‧充電構件
300‧‧‧電晶體
第1圖係習之隔離式MOSFET開關電路。
第2圖係根據所揭露技術的一些實施方式的隔離式高速MOSFET開關電路。
第3圖根據所揭露技術的一些實施方式的另一隔離式高速MOSFET開關電路。
圖示中，不一定需要按照比例、相同或所揭露系統及方法之相應的元件標註相同的參考編號。
第1圖之隔離式MOSFET開關電路足夠快於使用於電路中的原本MOSFETs，然而，這些較舊MOSFETs已經過時。對於置換部件的趨勢使MOSFETs具有較低阻抗。降低阻抗意味著在高電流流過時MOSFET有更少的損失，因此可以設計更高效率的電路。以實現降低阻抗，MOSFET製造商增加了矽晶粒的尺寸。這種尺寸的增加導致閘極電容顯著地增加--數量級大於閘極-源極及閘極-汲極電容。這種電容的增加導致電壓變化率降低。這電壓變化率降低增加其開啟具有較新的MOSFET之開關電路的時間。
所揭露之技術包括隔離式高速MOSFET開關電路，其能夠以更快的速度開關較新的低-導通-阻抗MOSFETs。第2圖之開關電路包括MOSFETs 202及204，具有閘極電容206及208。當MOSFETs 202及204導通時，開關電路的輸出等於輸入且開關電路是導通的。當MOSFETs 202及204截止時，開關電路的輸出不等於 輸入且開關電路可盡可能更多的電壓遠離MOSFET 202及204之個別額定。
第1圖中，因為電容106及108過高且不能被減少，輸出至MOSFETs 102及104之電流需要被增加。在所揭露之技術，如第2圖所示，電容220被使用作為能量儲存槽以保留從充電構件200保留能量，使得電容206及208之充能時間可被減少。充電構件200，可為，例如，光電電池。光電電池為一種隔離裝置，其推動電流通過LED，其導致LED照射一組二極體，其反過來產生一個小電流，其隔離通過LED的電流。光電電池也被稱為光耦合器。然而，充電構件200可以為任何能夠充電電容220之構件。
繪示於第1圖之開關110，已經從第2圖中的電路去除，因此只要功率被供應至系統，充電構件200提供電流。也就是說，充電構件200不斷提供電流到開關電路。當開關電路關閉時，也就是說，輸出不等於輸入，開關222是開啟的因此所有從充電構件200之電流進入充能電容220。電容220比電容206及208大得多。也就是說，電容206及208的典型值為1nF的階層，當電容220為10μF的階層時。電容220可為雙倍數量級大於電容206及208。例如，電容220可為任何地方從0.1μF至100μF。較佳地，電容220為10μF。
當系統需要開關電路開啟時，開啟開關224及關閉開關222。這使電容220與電容206及208並聯連 接。因為電容220被充能且電容206及208未被充能，電流流出電容220且進入MOSFET之電容206及208。電容220因此作為低電抗源，由於在開關222及印刷電路板之走線只有小阻抗。這限制阻抗導致電流以安培的階層流動，因此電容206及208充電快速。因為電容220比電容206及208大得多，在電容220上之電壓減少只是輕微的。這導致MOSFETs202及204開啟非常快。
高開啟電流完全地是由電容220提供。開關電路開啟之後，充電構件200取代轉移至電容206及208中的能量散失，且這增加電容220的電壓恢復至開關電路開啟之前。
第3圖繪示第2圖中的電路增加光電晶體216之保護。然而在此電路中，光電晶體216必須從電容220排出能量以關閉MOSFETs 202及204。這可能會減緩保護電路的反應時間。為了改善反應時間，電晶體300被增加至開關電路，如第3圖所示。電晶體300當需要保護時迅速排出MOSFET 202。當不再需要保護時，充電構件200必須再次充能電容220。然而這種再次充能電容220，可能需要顯著長的時間，這意味著對於開關電路可能在保護電路由於開關電路過載之後一直從事之後需要較長的時間以恢復正常操作。
第2圖及第3圖之電路藉由開啟開關222及關閉開關224。開關224是必須的，因為在第1圖中的原始電路中，光電電池100中的阻抗被使用以排出電容106 及108以關閉MOSFETs 102及104，並且具有開關222開啟，其不存排出電容206及208的路徑。然而開關222必須首先被開啟，或開關224將短路電容220，並且需要用以改善速度的儲存能量將散失。開關224具有高速關閉開關電路的優點，因為它提供了第1圖所使用之電阻更小的阻抗。
第1圖所示之齊納二極體114已從第2圖及第3圖中的電路去除。假如齊納二極體114仍存在電路中，電容220將提供電流至齊納二極體114直到電壓低於6V。這電壓降低藉由排除儲存用於未來開關致動的能量而減少開關頻率。齊納二極體114的原始目的是為了保護MOSFETs 102及104的靜電放電，並創建一個更加一致的開關自閘極源被限制於齊納電壓時關閉。
然而，所揭露的技術，這種保護是不再需要。MOSFETs 202及204具有內建20V齊納保護二極體。由於光電電池被限制於10V，內建齊納保護二極體僅有用的用於保護。
第2圖及第3圖中之開關222及224為光隔離型電晶體，由LEDs驅動(未示出)。數位訊號提供電流之LED時，其照射電晶體以開啟開關。開關222及224需要為10mA之連續電流通過LED來操作，但在開關開啟時間在10mA時相對較慢。因此，電路(未示出)可以被添加至LED去動器以創建短暫100mA脈衝至LED在減少驅動至10mA之前。100mA脈衝高速開啟開關222 或224，且10mA之連續電流保持開關導通，進一步降低了整體的開關時間。
所揭露之技術允許開關電路使用較新的具有較低導通阻抗之MOSFETs以可接受的速率開關隔離式高速MOSFET開關電路。
在一個較佳實施方式等等中已經描述及示出所揭露技術的原理，顯而易見的是在不背離這些原理，所揭露技術可以在配置及細節進行修改。我們要求保護後附之申請專利範圍的精神和範圍內所有的修改和變化。
100‧‧‧光電電池
200‧‧‧充電構件
202‧‧‧金屬-氧化物-半導體場效電晶體
204‧‧‧金屬-氧化物-半導體場效電晶體
206‧‧‧電容
208‧‧‧電容
212‧‧‧發光二極體
220‧‧‧電容
222‧‧‧開關
224‧‧‧開關

Claims (10)

  1. 一種電路結構以驅動隔離式高速金屬-氧化物-半導體場效電晶體(MOSFET)開關，包含：組構以操作如MOSFET開關之第一MOSFET及第二MOSFET；電容；與該電容並聯之充電構件；與該充電構件串聯之第一開關；以及與該充電構件及該電容並聯之第二開關。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電路，更包括保護電路，該保護電路包括第三MOSFET及與該充電構件並聯之電晶體。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電路，其中該保護電路被組構以當該開關電路過載時從該電容排出能量。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中當該MOSFET關閉時，該第一開關為開啟及該第二開關為關閉。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中當該MOSFET開啟時，該第二開關為開啟及該第一開關為關閉。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中該充電構件包括光電電池。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中當該第二開關為開啟及該第一開關為關閉時，在該電容中的儲存 電壓被傳送至該第一MOSFET及該第二MOSFET的閘極。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電路，更包含保護電路，該保護電路包括第三MOSFET及與該充電構件並聯之電晶體。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電路，其中該保護電路被組構以當該開關電路過載時從該電容排出能量。
  10. 一種加速開關隔離式高速金屬-氧化物-半導體場效電晶體(MOSFET)開關的方法，該開關包括組構以操作如MOSFET開關之第一MOSFET及第二MOSFET，以及充電構件，該方法包含：儲存電壓於與該充電構件並聯之電容；以及當與該充電構件串聯之開關為關閉及與該充電構件並聯之第二開關為開啟時，接收在該電容中之該儲存電壓。
TW104103233A 2014-02-06 2015-01-30 隔離式高速開關 TW201534053A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201461936568P 2014-02-06 2014-02-06
US14/522,838 US9559680B2 (en) 2014-02-06 2014-10-24 Isolated high speed switch

Publications (1)

Publication Number Publication Date
TW201534053A true TW201534053A (zh) 2015-09-01

Family

ID=52446311

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW104103233A TW201534053A (zh) 2014-02-06 2015-01-30 隔離式高速開關

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9559680B2 (zh)
EP (1) EP2905899A1 (zh)
JP (1) JP2015149714A (zh)
KR (1) KR20150093114A (zh)
CN (1) CN104836558B (zh)
TW (1) TW201534053A (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108667444A (zh) * 2018-07-26 2018-10-16 深圳市蓝德汽车电源技术有限公司 一种碳化硅mosfet驱动电路
US10601421B1 (en) 2019-08-30 2020-03-24 Ademco Inc. MOSFET based isolation circuit
US11788760B2 (en) 2020-11-04 2023-10-17 Ademco Inc. Power stealing system for low power thermostats

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4581540A (en) 1984-03-16 1986-04-08 Teledyne Industries, Inc. Current overload protected solid state relay
JPH0738545B2 (ja) * 1988-05-12 1995-04-26 株式会社村田製作所 電荷発生型検知素子の信号処理回路
US7088150B2 (en) * 2003-12-05 2006-08-08 Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. Driver-side current clamping with non-persistent charge boost
US7095267B2 (en) * 2004-06-22 2006-08-22 Advantest Corp. MOSFET drive circuit, programmable power supply and semiconductor test apparatus
JP2006025516A (ja) * 2004-07-07 2006-01-26 Toshiba Corp スイッチング素子駆動回路
JP4320735B2 (ja) 2004-12-08 2009-08-26 横河電機株式会社 半導体リレー
JP2008244972A (ja) * 2007-03-28 2008-10-09 Advantest Corp 半導体リレー
JP2009004522A (ja) 2007-06-21 2009-01-08 Hioki Ee Corp 半導体リレー装置
CN103296664A (zh) * 2012-03-02 2013-09-11 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 过压保护电路及使用该过压保护电路的电子装置

Also Published As

Publication number Publication date
US9559680B2 (en) 2017-01-31
US20150222257A1 (en) 2015-08-06
CN104836558A (zh) 2015-08-12
JP2015149714A (ja) 2015-08-20
CN104836558B (zh) 2019-07-02
KR20150093114A (ko) 2015-08-17
EP2905899A1 (en) 2015-08-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108123596B (zh) 一种nmos开关管驱动电路
JP6209205B2 (ja) ＧａＮＦＥＴのゲートの保護のためのドライバ回路のためのシステム及び装置
CN108539964A (zh) 功率开关管的驱动电路及其装置
US9054704B2 (en) Method, system, and apparatus for efficiently driving a transistor with a booster in voltage supply
WO2007089639A3 (en) High voltage gate driver ic (hvic) with internal charge pumping voltage source
CN111713001A (zh) 自供电开关装置以及操作这种装置的方法
WO2017071220A1 (zh) 直流高压电源、高位取能装置及其供电方法
US9755548B2 (en) Bootstrap compensation circuit and power module
GB2559423A8 (en) An isolated high side driver
TW201534053A (zh) 隔離式高速開關
CN117040512A (zh) 耗尽型晶体管的驱动电路
CN105916241A (zh) 辅助电源电路、led驱动电路、led驱动器
CN106708154B (zh) 一种单电源电路和电源系统
CN103682990B (zh) 离子发生器
CN109194126B (zh) 一种电源切换电路
CN203933358U (zh) 一种用于高频低压系统的场效应管驱动电路
CN201918891U (zh) 高压mosfet驱动电路
CN112133238B (zh) 驱动电路与电子设备
CN104053288B (zh) 自适应供电的非隔离降压型led驱动电路
CN209046612U (zh) 一种隔离软启动电路
CN102694535B (zh) 根据负载情况自动调整功耗的结构
US9379601B2 (en) Charge module, driving circuit, and operating method
TWI543503B (zh) 開關電路
CN110401334B (zh) 分时电控电路和高压驱动器
CN114123765B (zh) 一种用于变频一体机的多功能电路及控制方法