本發(fā)明涉及一種雙向MOSFET開關(guān)和一種至少帶兩個(gè)雙向MOSFET開關(guān)的多路復(fù)用器。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)中，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以一種已知的雙向信號(hào)連接的MOSFET電路拓?fù)錇榛A(chǔ)， 也常稱為“公源極”，如圖1所示。

為了將晶體管切換至導(dǎo)通狀態(tài)，控制電流需要通過電阻R1產(chǎn)生必要的柵源電壓，并對(duì)T1和T2的兩個(gè)柵極進(jìn)行充電。如果控制電壓電耦合到信號(hào)電壓，它必須比信號(hào)電壓大或小，這樣T1和T2才能被切換至導(dǎo)通狀態(tài)，控制電壓取決于MOSFET的類型（N或P溝道）、晶體管規(guī)格。對(duì)于高電壓信號(hào)來說在技術(shù)上有一定難度。缺點(diǎn)在于，控制電流會(huì)與信號(hào)電流疊加并通過輸入端A或輸出端B流向反電勢(shì)。因此此種接通方式對(duì)于測(cè)量電壓信號(hào)的電路連接來說并不具有優(yōu)點(diǎn)。

因此通常還需要產(chǎn)生光電控制電流（見圖2），一方面可提供控制電流，另一方面還能阻止控制電流與信號(hào)電流疊加。缺點(diǎn)在于，對(duì)T1和T2的柵極的驅(qū)動(dòng)需要稍微大一些的控制電流，首先必須向LED1供電；其次次級(jí)側(cè)（例如光電二極管（D1））產(chǎn)生的控制電流較小，會(huì)對(duì)T1和T2的快速導(dǎo)通造成影響。

若此種開關(guān)的形式需適用于多種情況，例如在用在一種多路復(fù)用器時(shí)，必須分別采用對(duì)每對(duì)晶體管分別通電的控制方式，這在技術(shù)上并不容易實(shí)現(xiàn)。

在測(cè)試和測(cè)量中，例如自動(dòng)連接測(cè)試器的任務(wù)，通過開關(guān)矩陣連接信號(hào)電壓和電流，該矩陣中包含上千個(gè)獨(dú)立開關(guān)， 接通電流必須在安培級(jí)，接通電壓必須達(dá)到幾千伏。信號(hào)電壓為接觸危險(xiǎn)的電壓時(shí)，出于安全原因，須遵守相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)（例如，IEC60950，IEC61010等）中關(guān)于空氣間隙和爬電距離以及絕緣方面的規(guī)定，從而可以將控制器和開關(guān)絕緣。最大距離一方面與開關(guān)元件的混合結(jié)構(gòu)有關(guān)，另一方面與控制線路有關(guān)，控制線路必須與矩陣中的其它開關(guān)元件絕緣，而且排列結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了生產(chǎn)成本，而且整體結(jié)構(gòu)也變大了。

已知一種相對(duì)于光電控制器的電流阻斷結(jié)構(gòu)為電容控制，包括兩個(gè)小的電容。電容只能傳輸交流信號(hào)，最后還需要再次整流之后才能給T1和T2的柵極提供必要的柵源電壓。

此外，還已知一種配有變壓器的高成本結(jié)構(gòu)。此種結(jié)構(gòu)只能傳輸交流信號(hào)，而且必須進(jìn)行次級(jí)側(cè)整流。

在控制過程中，通過電流絕緣避免控制電流與需接通的電流疊加，并要允許控制電壓具有與信號(hào)電壓不同的電勢(shì)。實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的難點(diǎn)在于電能的傳輸，在電流絕緣的同時(shí)必須盡可能有效傳輸電能，從而給兩個(gè)晶體管T1和T2的柵極充電，在通電狀態(tài)下可完全快速導(dǎo)通。通過光電控制時(shí)需要較多的能源，用于彌補(bǔ)LED接收器二極管連接段的損耗，在設(shè)置多路復(fù)用器時(shí)需使用很多開關(guān)，會(huì)導(dǎo)致很大的功率損耗。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種改進(jìn)的雙向MOSFET電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

通過一種雙向MOSFET開關(guān)和多路復(fù)用器解決達(dá)到上述目的。

本發(fā)明的雙向MOSFET開關(guān)包括一個(gè)輸入端和輸出端和兩個(gè)MOSFET晶體管，晶體管與源極和柵極分別彼此連接，同時(shí)輸入端和輸出端分別連接兩個(gè)MOSFET晶體管的漏極，一具有電絕緣裝置的電絕緣控制輸入端與一控制器連接，控制器通過第三個(gè)MOSFET晶體管接通一FET-晶體管，一與輸入端連接的浮動(dòng)電源通過所述第三個(gè)MOSFET晶體管向FET晶體管提供控制電流，F(xiàn)ET晶體管的作用在于通過控制電流在柵極和兩個(gè)MOSFET晶體管的源極之間產(chǎn)生相同的柵源電壓Vgs，浮動(dòng)電源作用在于產(chǎn)生兩個(gè)MOSFET-晶體管的柵極的控制電流。

根據(jù)本發(fā)明的雙向MOSFET開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)在于，對(duì)交流電壓信號(hào)來說，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所需的控制電流較小。

FET晶體管可在整流之后，將柵-源電壓下的控制電流轉(zhuǎn)換成飽電流，產(chǎn)生高阻抗?fàn)顟B(tài)，導(dǎo)通兩個(gè)MOSFET晶體管?？刂齐娏饔蒄ET晶體管限制進(jìn)入飽和狀態(tài)。從而產(chǎn)生高阻抗恒流電源。接通時(shí)電流在短時(shí)間內(nèi)流到T1和T2的柵極進(jìn)行充電。

FET晶體管可在無控制電流流通的狀態(tài)下經(jīng)過整流后，將兩個(gè)低阻抗MOSFET晶體管的柵極與兩個(gè)MOSFET晶體管的源極連接，從而斷開兩個(gè)MOSFET晶體管。FET晶體管的低阻抗電阻的優(yōu)點(diǎn)在于，在接通交流信號(hào)時(shí)，只能形成T1和T2的帶寄生電容的小RC電路，因此可以改善漏電特性，進(jìn)而保持T1和T2的Vgs在晶體管閾值電壓下。

浮動(dòng)電源可與兩個(gè)MOSFET晶體管之一的漏極通電連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器的簡(jiǎn)單供電。浮動(dòng)電源可以是產(chǎn)生電流的DC/DC換流器的次級(jí)側(cè)、電池或電壓，例如能源采集器或太陽能電池。

浮動(dòng)電源可為控制器供電，從而簡(jiǎn)化了電路系統(tǒng)。

浮動(dòng)電源可整流的方式是，產(chǎn)生控制電流來形成FET晶體管的高阻抗，然后給兩個(gè)MOSFET晶體管的柵極電容充電。因此升高的接通電流只能在短時(shí)間內(nèi)流到T1和T2的晶體管并充電。晶體管T1和T2可在接通狀態(tài)下快速導(dǎo)通。

控制器可整流的方式是，控制第三個(gè)MOSFET晶體管的接通狀態(tài)。最簡(jiǎn)單的情況是，控制器可以是一種觸發(fā)器，觸發(fā)器可存儲(chǔ)第三個(gè)MOSFET晶體管的控制信號(hào)并可解碼改變其接通狀態(tài)。這也是一種比較簡(jiǎn)單的雙向接通方式。

還可采用N溝道類型的第三個(gè)MOSFET晶體管。浮動(dòng)電源的負(fù)電勢(shì)可與兩個(gè)MOSFET晶體管中的一個(gè)晶體管的漏極連接。通過這種方式可實(shí)現(xiàn)兩種類型晶體管的連接。

如果采用P溝道類型的第三個(gè)MOSFET晶體管，則另兩個(gè)MOSFET晶體管是N溝道類型，或，第三個(gè)OSFET晶體管為N溝道類型，則另兩個(gè)MOSFET晶體管為P溝道類型。通過這種方式可實(shí)現(xiàn)兩種類型晶體管的連接。

本發(fā)明的多路復(fù)用器包括至少兩個(gè)如上所述的雙向MOSFET開關(guān)，所有雙向MOSFET開關(guān)共用一個(gè)所述電絕緣裝置（I1）和所述浮動(dòng)電源（V1。本發(fā)明的多路復(fù)用器的優(yōu)點(diǎn)在于，對(duì)于交流電壓信號(hào)來說，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只需要較小的控制電流，允許多路復(fù)用器有很高的擴(kuò)展性，尤其對(duì)于開關(guān)矩陣來說。

附圖說明

圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中的雙向MOSFET開關(guān)；

圖2 示出了現(xiàn)有技術(shù)中的帶光電控制電流的雙向MOSFET開關(guān)；

圖3 示出了本發(fā)明的雙向MOSFET開關(guān)的一個(gè)實(shí)施例；

圖4 示出了本發(fā)明的一種多路復(fù)用器的一個(gè)實(shí)施例；

圖5 示出了本發(fā)明的帶保護(hù)線路的雙向MOSFET開關(guān)的一個(gè)實(shí)施例；

圖6 示出了本發(fā)明的與圖3對(duì)比的采用其它類型晶體管的雙向MOSFET開關(guān)的一個(gè)實(shí)施例。

具體實(shí)施方式

以下通過具體實(shí)施方式，并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

圖3所示的是第一種雙向MOSFET開關(guān)的實(shí)施例，更準(zhǔn)確地說是一種包括兩個(gè)MOSFET晶體管T1和T2的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。兩個(gè)MOSFET晶體管T1和T2的源極S彼此連接、柵極G彼此連接，從而構(gòu)成雙向開關(guān)元件?，F(xiàn)有技術(shù)通常采用的柵源電阻由一個(gè)帶低“夾斷”電壓的FET晶體管T3替換。FET晶體管T3的柵極和源極連接至兩個(gè)MOSFET晶體管T1和T2的源極，其漏極連接至兩個(gè)MOSFET晶體管T1和T2的柵極。

無控制電流時(shí)，F(xiàn)ET晶體管T3使T1和T2的柵極和源極形成低阻抗連接，柵極放電且兩個(gè)晶體管T1和T2被切換至非導(dǎo)通狀態(tài)。現(xiàn)有技術(shù)中采用的高阻抗電阻保持較小的控制電流，在接通AC信號(hào)時(shí)有一個(gè)缺點(diǎn)，由于構(gòu)成了T1和T2帶寄生電容的RC電路，因此可能會(huì)對(duì)T1和T2的爬電特性造成不良的影響，S出現(xiàn)快速電勢(shì)差時(shí)，G上的電勢(shì)不能用S的電勢(shì)補(bǔ)償。從而可能造成T1和T2通過一些產(chǎn)生的電壓Vgs導(dǎo)電。此外高阻抗電阻也會(huì)造成T1和T2之間的關(guān)斷時(shí)間變長(zhǎng)。

上述缺點(diǎn)可通過使用FET晶體管T3克服?？筛鶕?jù)信號(hào)電壓的產(chǎn)生極，T1、T2的兩個(gè)“主”二極管中的一個(gè)二極管通電，但是兩個(gè)晶體管T1或T2的一個(gè)晶體管在相反方向上一直是接通的，從而保證開關(guān)保持在與電極無關(guān)的非導(dǎo)電狀態(tài)中。

本發(fā)明的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還包括一個(gè)電路元件， 將兩個(gè)晶體管T1和T2切換至導(dǎo)通狀態(tài)?！案?dòng)”電源V1的次級(jí)側(cè)與線路的輸入端A電連接。向控制單元或控制器C1供電，控制單元或控制器的一個(gè)較為簡(jiǎn)單的實(shí)例是觸發(fā)器，它作為開關(guān)狀態(tài)存儲(chǔ)器。輸入端A連接晶體管T1的漏極，晶體管T2的漏極與線路的輸出端B連接。

控制器C1的輸入端與一條控制線路或線路的一個(gè)控制線路D連接，該線路中設(shè)置有一個(gè)電絕緣裝置I1?？刂破鰿1的輸出端連接第三個(gè)MOSFET開關(guān)晶體管T4以對(duì)其進(jìn)行控制。D是一條控制線路，在控制器C1中還設(shè)置了T4的控制信號(hào)編碼。T4通電連接，電源V1通過T4向FET T3提供控制電流。控制電流由FET T3限制成為飽和電流，并成為高阻抗恒定電源。在接通的瞬間給T1和T2的柵極充電，并在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到比FET T3形成的恒定電流更大的接通電流。電絕緣裝置I1的作用在于，保證控制電流只在V1，T4，T3和T1線路中傳輸。

晶體管T1和T2很快被切換到導(dǎo)通狀態(tài)?？刂葡薅ǖ目刂齐娏鳂?gòu)成的線路優(yōu)點(diǎn)在于，T1和T2的控制電流損耗功率和斷流損耗功率較低。通過T1“主”二極管之后，斷開狀態(tài)下的控制電流從T1回流到電源V1，同時(shí)T1和T2可一直通過控制電流控制，而與S上的電勢(shì)無關(guān)。電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于， 浮動(dòng)電源V1的控制電流只能流經(jīng)線路V1，T4，T3和T1，并不會(huì)通過輸入端A或輸出端B，在輸入端A和輸出端B外也不會(huì)與信號(hào)電流疊加。

相對(duì)于信號(hào)電壓的大小，上述線路的所有元件必須有具有足夠的絕緣功能，該絕緣比有接觸危險(xiǎn)電壓的控制線路安全絕緣更容易實(shí)現(xiàn)。圖3中還顯示了T1和T2為正常封裝的N溝道類型MOSFET晶體管，同時(shí)T4為正常封裝的P溝道類型的MOSFET晶體管。

圖4中顯示了多路復(fù)用器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這里是1:2的多路復(fù)用器。相應(yīng)地，圖4中顯示了兩個(gè)雙向MOSFET開關(guān)，其并聯(lián)連接至輸入端A，并有兩個(gè)輸出端B和B1。該多路復(fù)用器中僅有一個(gè)電絕緣裝置I1和一個(gè)浮動(dòng)電源，即所有雙向MOSFET開關(guān)共用一個(gè)所述電絕緣裝置（I1）和一個(gè)所述浮動(dòng)電源（V1）。

電絕緣裝置I1在兩個(gè)控制器C1、C2和電源V1的中間位置，它可以是一個(gè)DC/DC換流器。從空氣間隙、爬電距離、絕緣、元件數(shù)量和排列密度來看這是一種在技術(shù)上非常簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)形式。還可以是一種包括很多個(gè)雙向開關(guān)的多路復(fù)用器，例如1:1000多路復(fù)用器。

控制線路D和電源V1在電路板外部可以集中，并與信號(hào)電壓線路區(qū)域和信號(hào)電壓絕緣。在“范圍”內(nèi)部可通過輸入端A形成電連接，或通過V1的次級(jí)側(cè)電壓形成與A的信號(hào)電壓不同的電勢(shì)，這對(duì)A的絕緣要求非常少。同時(shí)會(huì)增加開關(guān)排列密度，更確切地說就是功能上更穩(wěn)定，因?yàn)锳上的電勢(shì)不會(huì)給控制電路C造成電弧。

D上的線路控制中只需要很少的功率，因?yàn)椴槐刂苯涌刂芓1和T2的柵極。同時(shí)在技術(shù)結(jié)構(gòu)上更加簡(jiǎn)化并減少了控制線路。

電絕緣裝置I1用于保持控制電流只能流經(jīng)線路V1，T4，T3和T1，多路復(fù)用器排列中的每個(gè)開關(guān)都要絕緣（在例外情況下每個(gè)多路復(fù)用器只需要一次），而且信號(hào)功率低，因?yàn)镈的控制信號(hào)只能由高阻抗輸入端發(fā)出，電勢(shì)絕緣產(chǎn)生的功率損耗也很小。

本發(fā)明的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)單增加限制電流電阻和限制電流二極管的保護(hù)線路，如圖5所示。此種類型的線路還可使用在圖4中顯示的多路復(fù)用器中。具體地，源極S和柵極G之間連接一個(gè)穩(wěn)壓二極管Z1，在源極和FET T3之間連接一個(gè)電阻R1，在第三個(gè)MOSFET T4和FET T3或者柵極G之間連接一個(gè)電阻R2。

本發(fā)明的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可采用N或P溝道的MOSFET晶體管作為T1和T2開關(guān)晶體管，還可以是功率和高壓晶體管或HF晶體管。圖6中顯示了可作為圖3的補(bǔ)充的其它類型的晶體管選項(xiàng)。此種線路也能用在圖4所示的多路復(fù)用器中。