包括常閉和常開(kāi)器件的共源共柵開(kāi)關(guān)以及包括這樣的開(kāi)關(guān)的電路的制作方法
【專(zhuān)利摘要】描述了包括共源共柵布置的常閉半導(dǎo)體器件和常開(kāi)半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)包括連接在常開(kāi)器件的柵極與常閉器件的源極之間的電容器。開(kāi)關(guān)還可以包括與電容器并行地連接在常開(kāi)器件的柵極與常閉器件的源極之間的齊納二極管。開(kāi)關(guān)還可以包括反向串行布置在常閉器件的柵極與源極之間的一對(duì)齊納二極管。還描述了包括多個(gè)常開(kāi)和/或多個(gè)常閉器件的開(kāi)關(guān)。常開(kāi)器件能夠是諸如SiC?JFET的JFET。常閉器件能夠是諸如Si?MOSFET的MOSFET。常開(kāi)器件能夠是高電壓器件并且常閉器件能夠是低電壓器件。還描述了包括開(kāi)關(guān)的電路。
【專(zhuān)利說(shuō)明】包括常閉和常開(kāi)器件的共源共柵開(kāi)關(guān)以及包括這樣的開(kāi)關(guān)的電路
[0001]這里所使用的章節(jié)標(biāo)題僅用于組織目的并且不應(yīng)理解為以任何方式限制這里描述的內(nèi)容。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本申請(qǐng)一般地涉及半導(dǎo)體器件，并且更具體地，涉及包括共源共柵布置的常閉器件和常開(kāi)高電壓器件的開(kāi)關(guān)和包括這樣的開(kāi)關(guān)的電路。
【背景技術(shù)】
[0003]常常被稱(chēng)為“共源共柵”的源極開(kāi)關(guān)電路是包括常閉選通器件和常開(kāi)高電壓器件的復(fù)合電路使得該組合用作常閉功率半導(dǎo)體器件。器件具有三個(gè)外部端子:源極、柵極和漏極。選通器件能夠是低電壓功率半導(dǎo)體器件，其能夠利用小的驅(qū)動(dòng)信號(hào)快速地切換。該選通器件能夠是低電壓場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其漏極端子連接到高電壓常開(kāi)器件的源極端子。在控制器件的柵極上添加保護(hù)器件能夠用于簡(jiǎn)化布局并且增強(qiáng)器件可靠性。復(fù)合電路適合于封裝為用于替代晶體管的三端子器件。
[0004]在美國(guó)專(zhuān)利N0.4664547、美國(guó)專(zhuān)利N0.7719055、美國(guó)專(zhuān)利N0.6822842B2、美國(guó)專(zhuān)利N0.655050B2和美國(guó)專(zhuān)利N0.6633195B2中公開(kāi)了共源共柵電路。
[0005]然而，仍然需要具有低切換損耗并且改進(jìn)了對(duì)于切換速度的控制的共源共柵開(kāi)關(guān)器件。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]提供了一種開(kāi)關(guān)，其包括:
[0007]第一常開(kāi)半導(dǎo)體器件，其包括柵極、源極和漏極；
[0008]第一常閉半導(dǎo)體器件，其包括柵極、源極和漏極；
[0009]其中，第一常開(kāi)半導(dǎo)體器件的源極連接到第一常閉半導(dǎo)體器件的漏極；并且
[0010]其中，第一常開(kāi)半導(dǎo)體器件的柵極經(jīng)由第一電容器連接到第一常閉半導(dǎo)體器件的源極。
[0011]還提供了一種電路，其包括如上所述的開(kāi)關(guān)。
[0012]這里闡述本教導(dǎo)的這些和其它特征。
【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0013]本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是，下面描述的附圖僅用于示出目的。附圖不意在以任何方式限制本教導(dǎo)的范圍。
[0014]圖1A是包括共源共柵布置的常閉器件Q4和常開(kāi)器件Ql的開(kāi)關(guān)的示意圖，其中，電容器C6和齊納二極管D3彼此并行地連接在常閉器件的源極與常開(kāi)器件的柵極之間并且一對(duì)齊納二極管D5和D6反向串行連接在常閉器件的柵極與源極之間。[0015]圖1B是圖1A中闡述的開(kāi)關(guān)的示意圖，其還包括彼此并行地連接在常閉器件Q4的源極與常開(kāi)器件Ql的漏極之間的一對(duì)二極管D1，其中，二極管Dl的陰極連接到常開(kāi)器件的漏極。
[0016]圖1C是圖1A中闡述的開(kāi)關(guān)的示意圖，其還包括連接在常閉器件Q4兩端的電容器C7和齊納二極管D7。
[0017]圖2A是圖1A中闡述的開(kāi)關(guān)，其還包括串行連接在常閉器件Q4的柵極與電容器C6和常開(kāi)器件Ql的柵極之間的電連接之間的二極管D2和電阻器R1。
[0018]圖2B是圖1A中闡述的開(kāi)關(guān)，其還包括經(jīng)由串行的二極管D2和電阻器Rl連接到電容器C6與常開(kāi)器件Ql的柵極之間的電連接的DC電源。
[0019]圖3是包括以共源共柵布置連接的常閉器件Q4和常開(kāi)器件Ql的開(kāi)關(guān)的示意圖，其中，電容器C6和齊納二極管D3被示出為彼此并行地連接在常閉器件Q4的源極與常開(kāi)器件Ql的柵極之間，并且其中，電阻器RlOO和二極管DlOO也被示出為彼此并行地并且與電容器C6和齊納二極管D3串行地連接在電容器C6和齊納二極管D3與常開(kāi)器件Ql的柵極之間，并且其中，齊納二極管D3和二極管DlOO的陰極都連接到常開(kāi)器件的柵極。
[0020]圖4是包括以共源共柵布置連接的常閉器件Q4和常開(kāi)器件Ql的開(kāi)關(guān)的示意圖，其中電容器C6和齊納二極管D3被示出為彼此并行地連接在常閉器件Q4的源極與常開(kāi)器件Ql的柵極之間，并且其中，電阻器RlOO和二極管DlOl還示出為彼此并行地并且與電容器C6和齊納二極管D3串行地連接在電容器C6和齊納二極管D3與常開(kāi)器件的柵極之間，并且其中，齊納二極管D3的陰極和二極管DlOl的陽(yáng)極連接到常開(kāi)器件Ql的柵極。
[0021]圖5是圖1A中闡述的開(kāi)關(guān)的示意圖，其還包括串行連接在常閉器件Q4的柵極與常開(kāi)器件Ql的漏極之間的電阻 器R200和電容器C200。
[0022]圖6是開(kāi)關(guān)的示意圖，該開(kāi)關(guān)包括具有柵極、源極和漏極的單個(gè)常閉器件Q4和均具有柵極、源極和漏極的多個(gè)常開(kāi)器件Ql1-Qln，其中，單個(gè)電容器C6和單個(gè)齊納二極管D3被示出為彼此并行地連接在常閉器件Q4的源極與常開(kāi)器件Ql1-Qln的公共柵極之間。
[0023]圖7是開(kāi)關(guān)的示意圖，該開(kāi)關(guān)包括具有柵極、源極和漏極的單個(gè)常閉器件Q4和均具有柵極、源極和漏極的多個(gè)常開(kāi)器件Qi1-Qin，其中，各電容器Ce1-Cen和齊納二極管D31-D3n彼此并行地連接在常閉器件Q4的源極與各常開(kāi)器件Ql1-Qln的柵極之間。
[0024]圖8是開(kāi)關(guān)的示意圖，該開(kāi)關(guān)包括均具有柵極、源極和漏極的多個(gè)常閉器件Q4n和均具有柵極、源極和漏極的多個(gè)常開(kāi)器件Qln，其中，單個(gè)電容器C6和單個(gè)齊納二極管D3被示出為彼此并行地連接在常閉器件的公共源極與常開(kāi)器件的公共柵極之間。
[0025]圖9是開(kāi)關(guān)的示意圖，該開(kāi)關(guān)包括具有柵極、源極和漏極的單個(gè)常閉器件Q4和劃分為均具有柵極、源極和漏極的第一組Ql1-Qln (示出了 911和912)和第二組921-02? (示出了 (^1和Q22)的多個(gè)常開(kāi)器件,其中,第一電容器C61和第一齊納二極管D31被不出為彼此并行地連接在常閉器件的源極與第一組一個(gè)或多個(gè)常開(kāi)器件Ql1-Qln的公共柵極之間，并且其中，第二電容器C62和第二齊納二極管D32被示出為彼此并行地連接在常閉器件的源極與第二組一個(gè)或多個(gè)常開(kāi)器件Q2rQ2n的公共柵極之間，并且其中，二極管D2和電阻器Rl1被示出為串行地連接在常閉器件Q4的柵極與第一電容器Ce1和第一組常開(kāi)器件Ql1-Ql1JA公共柵極之間的電連接之間，并且其中，二極管D2和電阻器Rl2被示出為串行地連接在常閉器件Q4的柵極與第二電容器C62和第二組常開(kāi)器件Q2rQ2n的公共柵極之間的電連接之間。
[0026]圖1OA和圖1OB是示出操作期間的圖1B的器件中的各點(diǎn)處的電壓的示意圖，其中，在圖1OA中示出了接通的器件，并且在圖1OB中示出了斷開(kāi)之后的器件。
[0027]圖1lA-圖1lC示出了如圖1B中所示的開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)波形。
【具體實(shí)施方式】
[0028]為了解釋本發(fā)明的目的，這里使用“或”表示“和/或”，除非另有所述，或者除非使用“和/或”是不恰當(dāng)?shù)?。這里使用“包括”不意在是限制性的。此外，一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式的描述使用詞語(yǔ)“包括”，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是，在一些特定情況下，實(shí)施方式能夠使用表述“基本上由…構(gòu)成”和/或“由…構(gòu)成”來(lái)替代使用“包括”。還應(yīng)理解的是，在一些實(shí)施方式中，步驟的順序或者執(zhí)行某些動(dòng)作的順序是不重要的，只要本教導(dǎo)仍然是可操作的。此外，在一些實(shí)施方式中，能夠同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)或更多步驟或動(dòng)作。
[0029] 描述包括共源共柵布置的常閉器件和常開(kāi)高電壓器件的開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)包括連接在常開(kāi)(例如，高電壓)器件的柵極與常閉(例如，低壓)器件的源極之間的電容器。電容器能夠用于回收柵極電荷并且簡(jiǎn)化開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速度的控制。特別地，在關(guān)閉轉(zhuǎn)換期間在Miller(SP，柵-漏)電容中傳輸?shù)碾姾赡軌蛴糜谔峁┫乱唤油〞r(shí)段所要求的電荷。該電荷存儲(chǔ)在連接在常開(kāi)器件的柵極與常閉器件的源極之間的電容器中。通過(guò)選擇電容器的電容值，能夠限定開(kāi)關(guān)速度并且切換速度準(zhǔn)獨(dú)立于開(kāi)關(guān)電流。這允許更好的EMI (電磁干擾)控制而無(wú)需使用抑制電氣振蕩的大的無(wú)源元件(被稱(chēng)為阻尼器)。電容器的添加是對(duì)于其中沒(méi)有回收電荷并且使用其它技術(shù)來(lái)控制切換速度的傳統(tǒng)共源共柵電路的顯著改進(jìn)。此外，這里所描述的電容的使用是幾乎無(wú)損耗的并且要求最少的組件。
[0030]如這里使用的，“常開(kāi)”表示在沒(méi)有柵極偏置的情況下傳導(dǎo)電流并且要求柵極偏置來(lái)阻擋電流流動(dòng)的器件。如這里使用的，“常閉”表示在沒(méi)有柵極偏置的情況下阻擋電流并且當(dāng)施加?xùn)艠O偏置的情況下傳導(dǎo)電流的器件。如這里使用的，“高電壓”是100伏特以上的電壓并且“低壓”是小于100伏特(例如，20-50V)的電壓。
[0031]如這里使用的，電路的“連接到”電路中的另一組件或點(diǎn)或者連接在電路中的兩個(gè)組件或點(diǎn)之間的組件能夠直接或間接地連接到電路中的其它組件或點(diǎn)。如果連接中沒(méi)有插入組件，則該組件直接連接到電路中的另一組件或點(diǎn)，并且如果連接中存在一個(gè)或多個(gè)插入組件，則該組件間接地連接到電路中的另一組件或點(diǎn)。如果電路中的第一組件或點(diǎn)被描述為經(jīng)由第三組件連接到電路中的第二組件或點(diǎn)，則該第三組件電連接在電路中的第一組件或點(diǎn)與電路中的第三組件或點(diǎn)之間。電路中的第一組件或點(diǎn)以及第三組件能夠直接或間接地連接在一起。類(lèi)似地，電路中的第二組件或點(diǎn)和第三組件能夠直接或間接地連接在一起。
[0032]描述源極切換(即，共源共柵)構(gòu)造的包括連接在常閉器件的源極與常開(kāi)器件的柵極之間的電容器的若干開(kāi)關(guān)。在圖1A中示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的開(kāi)關(guān)。圖1A是包括共源共柵布置的具有柵極、源極和漏極的常閉器件Q4和具有柵極、源極和漏極的常開(kāi)器件Ql的開(kāi)關(guān)的示意圖，其中，電容器C6和二極管D3被示出為并行地連接在常閉器件的源極與常開(kāi)器件的柵極之間。雖然在圖1A中示出了齊納二極管D3，但是也可以使用其它類(lèi)型的二極管。如圖1A中所示，齊納二極管D3的陰極連接到常開(kāi)器件的柵極。齊納二極管D3能夠防止常開(kāi)器件的柵極電壓為負(fù)同時(shí)還防止常開(kāi)器件的柵極電壓過(guò)高(這會(huì)強(qiáng)制常閉器件變?yōu)檠┍?。在圖1A中，“k”表示到常閉器件Q4的源極的開(kāi)爾文連接。開(kāi)爾文連接是可選的，并且能夠在高功率應(yīng)用中使用。
[0033]如圖1A中所示，一對(duì)齊納二極管D5和D6反向串行連接在常閉器件的柵極與源極之間。圖1A中所示的齊納二極管D5和D6是能夠用于防止Q4的柵極超過(guò)操作限制的可選的箝位二極管。例如，齊納二極管D5和D6能夠防止由于雜散電感和高di/dt產(chǎn)生的峰值電壓導(dǎo)致的對(duì)于低壓開(kāi)關(guān)器件Q4 (例如，Si MOSFET或SiC JFET)的損害。圖1A中所示的二極管D5和D6能夠在這里所描述的任何實(shí)施方式中使用。
[0034]常開(kāi)器件Ql能夠是高電壓(例如，100V以上)常開(kāi)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。常閉器件Q4能夠是低電壓(例如，< 100V)常閉晶體管。
[0035]圖1B是進(jìn)一步包括彼此并行地連接在常閉器件的源極與常開(kāi)器件的漏極之間使得二極管Dl的陰極連接到常開(kāi)器件的漏極的一對(duì)二極管Dl的開(kāi)關(guān)的示意圖。二極管Dl是可選的。圖1B中所示的二極管Dl能夠在這里所描述的任何實(shí)施方式中使用。二極管能夠減少開(kāi)關(guān)用作同步整流器時(shí)的傳導(dǎo)損耗。在圖1B中，“k”表示到常閉器件Q4的源極的開(kāi)爾文連接。開(kāi)爾文連接是可選的，并且能夠在高功率應(yīng)用中使用。雖然在圖1B中示出了齊納二極管D3，但是也可以使用其它類(lèi)型的二極管。
[0036]根據(jù)輸出電容的比率，電容器和/或齊納二極管能夠被添加到開(kāi)關(guān)中的常閉器件的兩端。圖1C是開(kāi)關(guān)的示意圖，該開(kāi)關(guān)進(jìn)一步包括連接在常閉器件Q4兩端的電容器C7和齊納二極管D7。齊納二極管D7能夠在漏極電壓過(guò)高時(shí)減少常閉器件的雪崩能量。電容器C7能夠減緩關(guān)閉。圖1C中所示的電容器和/或齊納二極管能夠在這里所描述的任何實(shí)施方式中使用。在圖1C中，“k”表示到常閉器件Q4的源極的開(kāi)爾文連接。開(kāi)爾文連接是可選的，并且能夠在高功率應(yīng)用中使用。雖然在圖1C中示出了齊納二極管D3，但是也可以使用其它類(lèi)型的二極管。
[0037]這里描述的開(kāi)關(guān)能夠與具有各種增強(qiáng)特性的單個(gè)封裝組合地使用以進(jìn)一步改變切換速度并減少導(dǎo)通損耗。根據(jù)一些實(shí)施方式，能夠通過(guò)從柵極驅(qū)動(dòng)器或從DC電源向電容器C6添加較小的DC偏置來(lái)減小導(dǎo)通損耗。在圖2A中示出了從柵極驅(qū)動(dòng)器向電容器C6添加DC偏置的實(shí)施方式。如圖2A中所示，二極管D2和電阻器Rl串行地連接在常閉器件的柵極與電容器C6和常開(kāi)器件的柵極之間的電連接之間。圖2A中所示的二極管D2和電阻器Rl能夠在這里所描述的任何實(shí)施方式中使用。在圖2A中，“k”表示到常閉器件Q4的源極的開(kāi)爾文連接。開(kāi)爾文連接是可選的，并且能夠在高功率應(yīng)用中使用。雖然在圖2A中示出了齊納二極管D3，但是也可以使用其它類(lèi)型的二極管。
[0038]圖2B中示出了從DC電源向電容器C6添加DC偏置的實(shí)施方式。如圖2B中所示，DC電源經(jīng)由串行的二極管D2和電阻器Rl連接到電容器C6與常開(kāi)器件Ql的柵極之間的電連接。圖2B中所示的DC電源、二極管D2和電阻器Rl能夠在這里所描述的任何實(shí)施方式中使用。在圖2B中，“k”表示到常閉器件Q4的源極的開(kāi)爾文連接。開(kāi)爾文連接是可選的，并且能夠在高功率應(yīng)用中使用。雖然在圖2B中示出了齊納二極管D3，但是也可以使用其它類(lèi)型的二極管。
[0039]圖3是包括以共源共柵布置連接的具有柵極、源極和漏極的常閉器件Q4和具有柵極、源極和漏極的常開(kāi)器件Ql的開(kāi)關(guān)的示意圖。如圖3中所示，電容器C6和二極管D3被示出為彼此并行地連接在常閉器件Q4的源極與常開(kāi)器件Ql的柵極之間。雖然圖3中示出了齊納二極管D3，但是也可以使用其它類(lèi)型的二極管。如圖3中所示，電阻器RlOO和二極管DlOO示出為彼此并行地并且與電容器C6和齊納二極管D3串行地連接在電容器C6和齊納二極管D3與常開(kāi)器件的柵極之間。而且，如圖3中所示，齊納二極管D3和二極管DlOO的陰極都連接到常開(kāi)器件的柵極。該布置能夠用于加速開(kāi)關(guān)的接通。在圖3中還示出了可選的箝位二極管D5和D6。圖3中所示的電阻器RlOO和二極管DlOO能夠在這里所描述的任何實(shí)施方式中使用。在圖3中，“k”表示到常閉器件Q4的源極的開(kāi)爾文連接。開(kāi)爾文連接是可選的，并且能夠在高功率應(yīng)用中使用。
[0040]圖4是包括以共源共柵布置連接的具有柵極、源極和漏極的常閉器件Q4和具有柵極、源極和漏極的常開(kāi)器件Ql的開(kāi)關(guān)的示意圖，其中電容器C6和二極管D3被示出為彼此并行地連接在常閉器件Q4的源極與常開(kāi)器件Ql的柵極之間。雖然在圖4中示出了齊納二極管D3，但是也可以使用其它類(lèi)型的二極管。如圖4中所示，電阻器RlOO和二極管DlOl也示出為彼此并行地并且與電容器C6和齊納二極管D3串行地連接在電容器C6和齊納二極管D3與常開(kāi)器件的柵極之間。而且，如圖4中所示，齊納二極管D3的陰極和二極管DlOl的陽(yáng)極連接到常開(kāi)器件的柵極。該布置能夠用于加速開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)。在圖4中還示出了可選的箝位二極管D5和D6。圖4中所示的電阻器RlOO和二極管DlOO能夠在這里所描述的任何實(shí)施方式中使用。在圖4中，“k”表示到常閉器件Q4的源極的開(kāi)爾文連接。開(kāi)爾文連接是可選的，并且能夠在高功率應(yīng)用中使用。
[0041]圖5是圖1A中闡述的開(kāi)關(guān)的示意圖，其還包括串行連接在常閉器件的柵極與常開(kāi)器件的漏極之間的電阻器R200和電容器C200。電容器C200能夠用于控制開(kāi)關(guān)的切換速度。在圖5中還示出了可選的箝位二極管D5和D6。圖5中所示的串行地連接在常閉器件的柵極與常開(kāi)器件的漏極之間的電阻器R200和電容器C200能夠在這里描述的任何實(shí)施方式中使用。在圖5中，“k”表示到常閉器件Q4的源極的開(kāi)爾文連接。開(kāi)爾文連接是可選的，并且能夠在高功率應(yīng)用中使用。雖然在圖5中示出了齊納二極管D3，但是也可以使用其它類(lèi)型的二極管。
[0042]還提供了包括多個(gè)常開(kāi)器件和單個(gè)或多個(gè)常閉器件的開(kāi)關(guān)。在圖6-圖9中示出了包括多個(gè)常開(kāi)器件和單個(gè)或多個(gè)常閉器件的實(shí)施方式的示意圖，并且在下面進(jìn)行描述。雖然在這些圖中示出了齊納二極管D3，但是也可以使用其它類(lèi)型的二極管。
[0043]圖6是開(kāi)關(guān)的示意圖，該開(kāi)關(guān)包括具有柵極、源極和漏極的單個(gè)常閉器件Q4和均具有柵極、源極和漏極的多個(gè)常開(kāi)器件Ql1-Qln，其中，常開(kāi)器件Ql1-Qln的柵極連接在一起以形成公共柵極，并且其中，單個(gè)電容器C6和單個(gè)齊納二極管D3被示出為彼此并行地連接在常閉器件Q4的源極與常開(kāi)器件Ql1-Qln的公共柵極之間。在圖6中，二極管Dl被示出為彼此并行地連接在常閉器件Q4的源極與常開(kāi)器件Ql1-Qln的公共漏極之間。二極管Dl是可選的。在圖6中還示出了可選的箝位二極管D5和D6。在圖6中，“k”表示到常閉器件Q4的源極的開(kāi)爾文連接。開(kāi)爾文連接是可選的，并且能夠在高功率應(yīng)用中使用。
[0044]圖7是開(kāi)關(guān)的示意圖，該開(kāi)關(guān)包括具有柵極、源極和漏極的單個(gè)常閉器件Q4和均具有柵極、源極和漏極的多個(gè)常開(kāi)器件Ql1-Qln，其中，各電容器C6n和齊納二極管D3n被示出為彼此并行地連接在常閉器件Q4的源極與各常開(kāi)器件Ql1-Qln的柵極之間。在圖7中，二極管Dl被示出為彼此并行地連接在常閉器件Q4的源極與常開(kāi)器件Ql1-Qln的公共漏極之間。二極管Dl是可選的。在圖7中還示出了可選的箝位二極管D5和D6。在圖7中，“k”表示到常閉器件Q4的源極的開(kāi)爾文連接。開(kāi)爾文連接是可選的，并且能夠在高功率應(yīng)用中使用。
[0045]圖8是開(kāi)關(guān)的示意圖，該開(kāi)關(guān)包括均具有柵極、源極和漏極的多個(gè)常閉器件Q41-Q4n和均具有柵極、源極和漏極的多個(gè)常開(kāi)器件Ql1-Qlnt5如圖8中所示，常開(kāi)器件Ql1-Qln的柵極連接在一起以形成公共柵極。如圖8中所示，常閉器件Q41-Q4n的柵極連接在一起以形成公共柵極，常閉器件Q4rQ4n的源極連接在一起以形成公共源極，并且各常閉器件Q41-Q4n的漏極連接到多個(gè)常開(kāi)器件中的一個(gè)的源極。而且，如圖8中所示，單個(gè)電容器C6和單個(gè)齊納二極管D3彼此并行地連接在常閉器件的公共源極與常開(kāi)器件的公共柵極之間。在圖8中，二極管Dl被示出為彼此并行地連接在常閉器件Q41-Q4n的公共源極與常開(kāi)器件Ql1-Qln的公共漏極之間。二極管Dl是可選的。在圖8中還示出了可選的箝位二極管D5和D6。
[0046]圖9是開(kāi)關(guān)的示意圖，該開(kāi)關(guān)包括具有柵極、源極和漏極的單個(gè)常閉器件Q4和均具有柵極、源極和漏極的兩組常開(kāi)器件Ql1-Ql1^P 9242#如圖9中所示，第一組常開(kāi)器件Ql1和Ql2的柵極連接在一起以形成用于第一組常開(kāi)器件的公共柵極并且第二組常開(kāi)器件021和Q22的柵極連接在一起以形成用于第二組常開(kāi)器件的公共柵極。而且，如圖9中所示，第一電容器Ce1和第一齊納二極管Ds1被不出為彼此并行地連接在常閉器件的源極與第一組常開(kāi)器件的公共柵極之間，并且第二電容器C62和第二齊納二極管D32被示出為彼此并行地連接在常閉器件的源極與第二組常開(kāi)器件的公共柵極之間。而且，如圖9中所示，二極管D2和電阻器Rl1被示出為串行地連接在常閉器件的柵極與第一組常開(kāi)器件的公共柵極之間，并且，二極管D2和電阻器Rl2被示出為串行地連接在常閉器件的柵極與第二組常開(kāi)器件的公共柵極之間。二極管D2和電阻器是可選的。在圖9中還示出了可選的箝位二極管D5和D6。在圖9中，“k”表示到常閉器件Q4的源極的開(kāi)爾文連接。開(kāi)爾文連接是可選的，并且能夠在高功率應(yīng)用中使用。
[0047]由于電路僅具有三個(gè)端子，因此其能夠被安裝并且封裝為三端子器件并且用于替代單個(gè)晶體管。
[0048]根據(jù)一些實(shí)施方式，常開(kāi)器件Ql能夠是諸如高電壓JFET (例如，SiC JFET)的高電壓器件。常開(kāi)器件進(jìn)行高功率開(kāi)關(guān)。高電壓器件能夠具有大于100V的額定電壓。根據(jù)一些實(shí)施方式，常開(kāi)器件能夠是如美國(guó)專(zhuān)利N0.6767783 (其通過(guò)引用整體并入這里)中公開(kāi)的SiC JFET0適合的商業(yè)上可用的常開(kāi)器件是符合標(biāo)準(zhǔn)SJDP120R085的由SemiSouthLaboratories, Inc.制造的 1200V 常開(kāi) SiC JFET。
[0049]根據(jù)一些實(shí)施方式，Q4能夠是低壓開(kāi)關(guān)器件，其示例性的非限制示例是SiMOSFET0低電壓器件能夠具有小于100V的額定電壓。示例性低電壓器件具有大約40V(例如，38-42V)的額定電壓和常開(kāi)器件Ql的電阻的5%-10%的Rds。該器件的切換允許主開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。
[0050]連接在常開(kāi)器件的柵極與常閉器件的源極之間的電容器C6用于在主開(kāi)關(guān)的柵漏電容中再循環(huán)電荷。能夠選擇電容器的電容值以提供具有想要的開(kāi)關(guān)速度的開(kāi)關(guān)。根據(jù)一些實(shí)施方式，電容器C6能夠具有1000-100000nF的電容值。根據(jù)一些實(shí)施方式，電容器C6能夠具有2200-6800pF的電容值。[0051]與電容器C6并行地連接在常開(kāi)器件的柵極與常閉器件的源極之間的齊納二極管D3通常具有大約20V (例如，18-22V)的阻斷電壓。齊納二極管D3能夠防止常開(kāi)器件Ql的柵極為負(fù)，從而其不能夠被接通。齊納二極管D3還能夠防止常開(kāi)器件Ql的柵極由于雪崩或泄漏電流而過(guò)高，從而Q4不會(huì)出現(xiàn)雪崩。
[0052]在常閉器件Q4的柵極和源極之間反向串聯(lián)的齊納二極管D5和D6是箝位二極管，其能夠防止Q4的柵極由于例如雜散電感和高di/dt導(dǎo)致的高峰值電壓而超過(guò)制造限制。二極管D5和D6是可選的。
[0053]二極管Dl是可選的反向?qū)ǘO管。在低開(kāi)關(guān)頻率的一些應(yīng)用中，與同步整流器性能Q4/Q1相比，使用額外的二極管可以降低導(dǎo)通損耗。
[0054]圖1OA和圖1OB是示出操作期間的器件中的各點(diǎn)處的電壓的示意圖。如圖1OA和圖1OB中所示，Q4的源極升高直到達(dá)到常開(kāi)器件的閾值并且不再有電流流過(guò)。結(jié)果，沒(méi)有發(fā)生切換。在圖1OA中示出了接通的器件。如圖1OA中所示，Q4的柵極為高(IOV)并且Q4的漏極為低(0V)，并且結(jié)果，常開(kāi)器件Ql導(dǎo)通。在接通轉(zhuǎn)換期間，C6放電Q4的漏柵電容，從而其變?yōu)樨?fù)，但是由齊納二極管D3箝位。
[0055]在圖1OB中示出了斷開(kāi)之后的器件。如圖1OB中所示，常閉器件Q4的柵極變?yōu)榱?，常開(kāi)器件Ql導(dǎo)通并且升高常閉器件Q4的漏極，Ql的漏柵電容提升電容器C6，并且最大電壓由D3箝位。
[0056]在這里描述的開(kāi)關(guān)中，接通轉(zhuǎn)換期間的常閉器件Q4的柵極電荷來(lái)自加速接通的電容器C6。電容器C6在斷開(kāi)期間被充電。特別地，在斷開(kāi)之后，常開(kāi)器件Ql的漏柵電容提升電容器C6的電壓。
[0057]電容器C6的電容值能夠變化以影響切換行為。例如，C6的較小的電容將提供更快的接通，但是較慢的斷開(kāi)。常開(kāi)器件的電容Cds能夠用于對(duì)Q4輸出電容進(jìn)行充電。
[0058]還提供了包括上述開(kāi)關(guān)的電路。開(kāi)關(guān)能夠在采用開(kāi)關(guān)晶體管的任何應(yīng)用中使用。示例性電路包括諸如降壓、升壓、前饋、半橋和Cuk的電源。
[0059]實(shí)驗(yàn)
[0060]能夠通過(guò)參考下面的示例進(jìn)一步理解本發(fā)明的實(shí)踐，這些示例僅是示出的目的并且不意在限制本發(fā)明。
[0061]制造并且測(cè)試這里描述的開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)包括單個(gè)常開(kāi)器件和單個(gè)常閉器件，并且具有如圖1B中所示的構(gòu)造。常開(kāi)器件Ql是SiC JFET0常閉器件是Si MOSFET0在開(kāi)關(guān)中使用的電容器C6具有4700pF的電容。開(kāi)關(guān)中使用的齊納二極管D3、D5和D6均具有18V的齊納電壓。開(kāi)關(guān)還包括一對(duì)二極管Dl,如圖1B中所示。
[0062]圖1lA-圖1lC示出了開(kāi)關(guān)的切換波形。圖1lA是斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)的切換波形。圖1lB是接通的開(kāi)關(guān)的切換波形。在圖1lA-圖1lC中，51是在常開(kāi)器件的漏極(即，共源共柵漏極)處測(cè)量的電壓，52是在常開(kāi)器件的源極處測(cè)量的電壓，53是在常開(kāi)器件的柵極處測(cè)量的電壓，并且54是在常閉器件的漏極(即，共源共柵源極)處測(cè)量的電壓。測(cè)量的di/dt是?2A/nS但是所使用的探針是IOOMHz探針，因此di/dt的實(shí)際值能夠更快。
[0063]如圖1lA-圖1lC中所示，常閉器件的柵極由于常開(kāi)器件Ql的接通而變高(例如，10V)。在接通期間，C6的電壓落到零并且將電流提供給常閉器件Q4的柵極，補(bǔ)償Q4的漏柵電容。這加速了開(kāi)關(guān)的接通。[0064]雖然前述說(shuō)明利用示出目的的示例教導(dǎo)了本發(fā)明的原理，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員通過(guò)閱讀本公開(kāi)理解的是，在不偏離本發(fā)明的真實(shí)范圍的情況下，能夠?qū)π问胶图?xì)節(jié)進(jìn)行各種改變。
【權(quán)利要求】
1.一種開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)關(guān)包括: 第一常開(kāi)半導(dǎo)體器件，所述第一常開(kāi)半導(dǎo)體器件包括柵極、源極和漏極； 第一常閉半導(dǎo)體器件，所述第一常閉半導(dǎo)體器件包括柵極、源極和漏極； 第一電容器；以及 第一二極管； 其中，所述第一常開(kāi)半導(dǎo)體器件的源極連接到所述第一常閉半導(dǎo)體器件的漏極； 其中，所述第一常開(kāi)半導(dǎo)體器件的柵極經(jīng)由第一電容器連接到所述第一常閉半導(dǎo)體器件的源極；并且 其中，所述第一二極管與所述第一電容器并行地連接在所述第一常開(kāi)半導(dǎo)體器件的柵極與所述第一常閉半導(dǎo)體器件的源極之間，其中，所述第一二極管的陰極連接到所述第一常開(kāi)半導(dǎo)體器件的柵極并且所述第一二極管的陽(yáng)極連接到所述第一常閉半導(dǎo)體器件的源極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)，其中，所述第一二極管是第一齊納二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的開(kāi)關(guān)，其中，所述第一齊納二極管具有15-25V的齊納電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)關(guān)進(jìn)一步包括第二齊納二極管和第三齊納二極管，所述第二齊納二極管和所述第三齊納二極管反向串行連接在所述第一常閉半導(dǎo)體器件的柵極與源極之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)關(guān)進(jìn)一步包括第一二極管和第二二極管，所述第一二極管和所述第二二極管彼此并行地連接在所述第一常開(kāi)半導(dǎo)體器件的漏極與所述第一常閉半導(dǎo)體器件的源極之間，使得所述第一二極管和所述第二二極管中的每一個(gè)的陰極連接到所述第一常開(kāi)半導(dǎo)體器件的漏極。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)關(guān)進(jìn)一步包括二極管和電阻器，所述二極管和所述電阻器串行連接在所述第一常閉半導(dǎo)體器件的柵極與所述第一電容器和所述第一常開(kāi)半導(dǎo)體器件的柵極之間的電連接之間，其中，所述二極管的陽(yáng)極連接到所述第一常閉半導(dǎo)體器件的柵極。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)關(guān)進(jìn)一步包括電阻器和二極管，所述電阻器和所述二極管彼此并行地并且與所述第一電容器串行地布置在所述第一常開(kāi)半導(dǎo)體器件的柵極與所述第一電容器之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的開(kāi)關(guān)，其中，所述二極管的陰極連接到所述第一常開(kāi)半導(dǎo)體器件的柵極。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的開(kāi)關(guān)，其中，所述二極管的陽(yáng)極連接到所述第一常開(kāi)半導(dǎo)體器件的柵極。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)關(guān)進(jìn)一步包括電阻器和第二電容器，所述電阻器和所述第二電容器串行地布置在所述第一常閉半導(dǎo)體器件的柵極與所述第一常開(kāi)半導(dǎo)體器件的漏極之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)，其中，所述第一常開(kāi)半導(dǎo)體器件是高電壓器件。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)，其中，所述第一常開(kāi)半導(dǎo)體器件是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)，其中，所述第一常開(kāi)半導(dǎo)體器件是SiC結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)，其中，所述第一常閉半導(dǎo)體器件是低電壓器件。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)，其中，所述第一常閉半導(dǎo)體器件是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)，其中，所述第一常閉半導(dǎo)體器件是Si金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)，其中: 所述開(kāi)關(guān)進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)額外的常開(kāi)半導(dǎo)體器件； 所述一個(gè)或多個(gè)額外的常開(kāi)半導(dǎo)體器件中的每一個(gè)的漏極連接到所述第一常開(kāi)半導(dǎo)體器件的漏極； 所述一個(gè)或多個(gè)額外的常開(kāi)半導(dǎo)體器件中的每一個(gè)的源極連接到所述第一常閉半導(dǎo)體器件的漏極；并且 所述第一常開(kāi)半導(dǎo)體器件的柵極連接到所述一個(gè)或多個(gè)額外的常開(kāi)半導(dǎo)體器件中的每一個(gè)的柵極以形成公共柵極，并且其中，所述公共柵極經(jīng)由所述第一電容器連接到所述第二常閉半導(dǎo)體器件的源極。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)，其中: 所述電路進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)額外的常開(kāi)半導(dǎo)體器件； 所述一個(gè)或多個(gè)額外的常 開(kāi) 半導(dǎo)體器件中的每一個(gè)的漏極連接到所述第一常開(kāi)半導(dǎo)體器件的漏極； 所述一個(gè)或多個(gè)額外的常開(kāi)半導(dǎo)體器件中的每一個(gè)的源極連接到所述第一常閉半導(dǎo)體器件的漏極；并且 所述一個(gè)或多個(gè)額外的常開(kāi)半導(dǎo)體器件的柵極中的每一個(gè)經(jīng)由電容器連接到所述第二常閉半導(dǎo)體器件的源極。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)，其中: 所述電路進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)額外的常開(kāi)半導(dǎo)體器件和一個(gè)或多個(gè)額外的常閉半導(dǎo)體器件； 所述一個(gè)或多個(gè)額外的常開(kāi)半導(dǎo)體器件中的每一個(gè)的漏極連接到所述第一常開(kāi)半導(dǎo)體器件的漏極； 所述一個(gè)或多個(gè)額外的常開(kāi)半導(dǎo)體器件中的每一個(gè)的柵極連接到所述第一常開(kāi)半導(dǎo)體器件的柵極以形成公共柵極，并且其中，所述公共柵極經(jīng)由所述第一電容器連接到所述第一常閉半導(dǎo)體器件的源極； 所述一個(gè)或多個(gè)額外的常開(kāi)半導(dǎo)體器件中的每一個(gè)的源極連接到所述一個(gè)或多個(gè)額外的常閉半導(dǎo)體器件中的單獨(dú)的一個(gè)的漏極； 所述一個(gè)或多個(gè)額外的常閉半導(dǎo)體器件中的每一個(gè)的源極連接到所述第一常閉半導(dǎo)體器件的源極；并且 所述一個(gè)或多個(gè)額外的常閉半導(dǎo)體器件中的每一個(gè)的柵極連接到所述第一常閉半導(dǎo)體器件的柵極。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)，其中，所述第一電容器具有1000-100000nF的電容。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)，其中，所述第一電容器具有2200-6800pF的電容。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)，其中，所述第一電容器具有至少25V的額定電壓。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)，其中，所述第一常開(kāi)半導(dǎo)體器件是寬帶隙結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)關(guān)進(jìn)一步包括DC電壓源，其中，所述DC電壓源適于將DC偏置提供給所述第一電容器。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)關(guān)進(jìn)一步包括二極管和電阻器，所述二極管和電阻器串行連接在所述DC電壓源與所述第一電容器和所述第一常開(kāi)半導(dǎo)體器件的柵極之間的連接之間，其中，所述二極管的陽(yáng)極連接到所述第一常閉半導(dǎo)體器件的柵極。
26.根據(jù)權(quán)利要求6所述的開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)關(guān)進(jìn)一步包括DC電壓源，所述DC電壓源連接到所述常閉半導(dǎo)體器件的柵極，其中，所述DC電壓源適于將DC偏置: 經(jīng)由串行連接在所述第一常閉半導(dǎo)體器件的柵極與所述第一電容器和所述第一常開(kāi)半導(dǎo)體器件的柵極之間的連接之間的所述二極管和所述電阻器提供到所述第一電容器；以及 提供到所述常閉半導(dǎo)體器件的柵極。
27.一種電路，所述電路包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)。
【文檔編號(hào)】H03K17/74GK103493374SQ201280017874
【公開(kāi)日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2012年3月22日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月13日
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