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共源共栅的整流器

阅读：764发布：2020-05-11

IPRDB可以提供共源共栅的整流器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种由高压结构与低压结构以共源共栅结构相连接而构成的表现出低正向电阻和快速开关时间的高压整流器设备。所述的高压结构是具有两对栅极和源极端的双向常开半导体开关，当任意一个栅极端反向偏置时关断。所述低压结构是二极管，优选地为肖特基或势垒二极管。所述设备便于形成集成电路。当所述开关的任意一对端被钳位于零伏时，该设备有二极管的作用，或者第二对端可以被用来提供三端可控整流器的功能。其它可行的应用是利用四个所述设备形成桥式整流器的集成电路以及作为与IGBT连接的反并联的二极管。，下面是共源共栅的整流器专利的具体信息内容。

1.一种开关高压整流器设备，包括：

由二极管构成的低压结构；

由常开半导体开关构成的高压结构，其中该高压和低压结构以共源共栅 结构相连接，所述共源共栅结构包括具有正极端和负极端的所述二极管，并 且其中所述正极端连接到信号输入端和所述常开半导体开关的栅极，所述负 极端连接到所述常开半导体开关的第一源极，并且其中所述常开半导体开关 的第二源极包括信号输出端。

2.如权利要求1所述的设备，其中：

所述二极管的正极端连接到所述常开半导体开关的第一栅极端，并且在所述常开半导体开关的第二源极端与第二栅极端之间提供有耦合结 构。

3.如权利要求2所述的设备，其中所述的低压结构和高压结构被制作 于共同衬底上并且被封装以形成集成电路。

4.如权利要求2所述的设备，其中所述耦合结构是直接连接，从而所 述设备实现二极管功能。

5.如权利要求4所述的设备，该设备与IGBT相结合，该IGBT具有发 射极和集电极端并且以反并联关系连接到所述开关高压整流器设备的正极 和负极端。

6.如权利要求5所述的设备，其中所述开关高压整流器设备和所述IGBT 被构造于共同衬底上作为单个集成电路的一部分。

7.如权利要求2所述的设备，其中所述的耦合结构是外部可控电压源， 从而所述开关高压整流器设备实现三端可控开关整流器功能。

8.如权利要求1所述的设备，其中所述低压结构是肖特基或势垒二极 管。

9.如权利要求1所述的设备，其中所述开关高压整流器设备被构造和 配置成具有二极管的功能。

10.如权利要求1所述的设备，其中所述开关高压整流器设备被构造和 配置成具有三端可控整流器的功能。

11.如权利要求1所述的设备，该设备与IGBT相结合，该IGBT具有 发射极和集电极端并且以反并联关系连接到所述开关高压整流器设备的正 极和负极端。

12.如权利要求11所述的设备，其中所述开关高压整流器设备和所述 IGBT被构造于共同衬底上作为单个集成电路的一部分。

13.一种包括四个如权利要求1所述的开关高压整流器设备的桥式整流 器设备，该四个开关高压整流器设备被分别称为第一开关高压整流器设备、 第二开关高压整流器设备、第三开关高压整流器设备和第四开关高压整流器 设备，其中：所述信号输入端具有正极端的功能，且所述信号输出端具有负极端的功 能，并且其中所述第一开关高压整流器设备的正极端与所述第四开关高压整 流器设备的负极端被连接到第一桥路输入端；

所述第二开关高压整流器设备的正极端与所述第三开关高压整流器设 备的负极端被连接到第二桥路输入端；

所述第一开关高压整流器设备和第二开关高压整流器设备的负极端被 连接到第一桥路输出端；

所述第三开关高压整流器设备和第四开关高压整流器设备的正极端被 连接到第二桥路输出端；以及所述桥式整流器设备用于在所述第一桥路输入端和第二桥路输入端接 收AC输入电压，并且在所述第一桥路输出端和第二桥路输出端提供全波整 流的DC电压。

14.如权利要求13所述的桥式整流器设备，其中所述四个开关高压整 流器设备被构造于共同衬底上作为单个集成电路的一部分。

15.一种包括四个如权利要求1所述的开关高压整流器设备的设备，被 构造和配置为具有全桥整流器的功能。

16.一种包括四个如权利要求4所述的开关高压整流器设备的桥式整流 器设备，该四个开关高压整流器设备被分别称为第一开关高压整流器设备、 第二开关高压整流器设备、第三开关高压整流器设备和第四开关高压整流器 设备，其中：所述第一开关高压整流器设备的输入端与所述第四开关高压整流器设 备的输出端被连接到第一桥路输入端；

所述第二开关高压整流器设备的输入端与所述第三开关高压整流器设 备的输出端被连接到第二桥路输入端；

所述第一开关高压整流器设备和第二开关高压整流器设备的输出端被 连接到第一桥路输出端；

所述第三开关高压整流器设备和第四开关高压整流器设备的输入端被 连接到第二桥路输出端；以及所述桥式整流器设备用于在所述桥路输入端接收AC输入电压，且在所 述桥路输出端提供全波整流的DC电压。

17.如权利要求16所述的桥式整流器设备，其中所述四个开关高压整 流器设备被构造于共同衬底上作为单个集成电路的一部分。

18.如权利要求16所述的桥式整流器设备，其中所述耦合结构是直接 连接，从而所述桥式整流器设备实现二极管功能。

说明书全文

技术领域

本发明涉及高压整流器设备，特别地是涉及比常规设备明显表现出低正 向导电及开关损耗的设备。

背景技术

双极型整流器通常被用于高压应用(例如200-300伏以上)。此类整流 器通常以p-i-n结构实现以便提供足够的反向击穿能力。然而，为使该设备 正常运行，其本征区必须呈现高阻。这导致正向导电模式下的高的压降，在 许多大电流的应用中，这是能量损耗的主因。
在一些情况下，整流器可以由用专用控制电路控制的开关替代。此类整 流器被称作同步整流器电路并且具有减少正向导电损耗的优势并提供快速 开关，但是这需要应用有源电路对请求状态进行检测并实现自操作开关。
专利号为6,483,369，名称为“COMPOSITE MOSFET CASCODE SWITCHES FOR POWER CONVERTERS”的美国专利试图尝试一种减少高 压开关正向电阻的方法。在该专利设备中，存在将具有大晶粒尺寸高压 MOSFET晶体管与具有小晶粒尺寸低压MOSFET晶体管以共源共栅排列相 连接而构成的用于改善效率及开关速度的复合结构。然而，该方法的缺陷在 于其需要附加控制电路来执行同步整流器功能。
因此，仍然需要一种应用于高压的简单、低耗及快速开关的整流器设备。

发明内容

本发明通过提供一种复合设备，该复合设备包括与例如肖特基二极管或 类似低压二极管以共源共栅结构相连接的常开双向开关，从而符合上述需 要。优选地，所述两部分被制造在共同衬底上并且以最少数量的引脚封装成 集成电路，例如，仅用2个引脚。其余元件可以包含于所述集成电路中以提 供附加功能。
此类双向开关能够在两个方向上导通和阻断电流，该开关通常利用两个 控制引脚或栅极来实现以便控制在两个源极端之间的电流。所述设备是常开 的：为使所述设备关闭必须在至少一组独立的栅极-源极对之间施加负偏压。 如果其中一个栅极是反偏的，在源极端之间将不会有电流。例如，在申请号 为4,608,590的美国专利中示出了此类设备。
优选地，所述低压二极管被连接在一组栅极-源极对之间以便使所述复 合设备实现自驱动。通过将另一组栅极-源极对的两端相互连接可以将其电 压保持在零伏，或者外部控制信号可被用于提供一个功能类似于SCR(可控 硅整流器)或半导体闸流管的三端设备。此外，多个设备可以结合：例如， 四个所述设备可以被制造成IC以构成整流桥，或者其中一个所述设备可以 和绝缘栅双极晶体管(IGBT)以反并联的方式集成以为所述IGBT提供整流 (freewheeling)或反向电流保护功能。同样地，上述提及的相关申请 Ser.No.＿＿阐明了所述整流器设备在高压升压转换器中的应用。对于本领域 的技术人员，所述设备的其他应用将通过以下描述变得更加明显。
本发明与常规的高压整流器相比提供了显著减少的导电损耗，并且同时 因为没有引入恢复电流而显著提高了开关速度。所述小型肖特基整流器的电 容性位移电流将是唯一的反向电流，通常比双极型高压整流器的反向电流小 几个数量级。
因此，本发明的一个目的是提供一种具有极低正向导电损耗和快速开关 时间的高压整流器结构。
此外，本发明的一个目的是提供一种由低压二极管和双向常开开关以共 源共栅结构相连接而构成的整流器设备。
本发明的另一个目的是利用此设备进行多种电路应用，包括但并不限 于，能够实现整流器功能的两端设备、作为SCR或半导体闸流管功能的三 端设备、全桥整流器、或与IGBT形成反并联结构。
本发明另外的一个目的是提供此设备作为集成电路。
本发明的其它特点和优点将从以下参照附图的本发明的描述中变得更 加明显。

附图说明

图1显示了可以用作根据本发明的设备的元件的双向常开开关；
图2显示了提供二极管整流器功能的本发明的示例性实施；
图3显示了提供三端可控整流器的本发明的示例性实施；
图4A显示了常规全桥整流器的拓扑，并且图4B显示了用以提供图4A 中的桥式整流器功能的本发明的实施；
图5A显示了在发射极和集电极端之间以反并联结构与常规二极管相连 接的IGBT，图5B显示了使用依据本发明的整流器设备的图5A中所示的电 路的实施。
全部附图中，相同的部件使用相同的附图标记。

具体实施方式

图1显示了可以作为依据本发明所述设备的元件之一的双向常开半导体 开关。所述的开关通常表示为10，是可以在第一源极端12和第二源极端14 间对双向电流进行导通和阻断的已知设备。由连接在第一栅极端18和源极 端12的偏置电压源16以及连接在第二栅极端22和源极端14之间的第二电 压源20来提供控制。此类设备的特性是当一组或两组所述的栅极-源极对承 受小于规定阈值的负偏置时，所述设备将关闭，也就是说，将在所述源极端 之间维持电压。只有当两栅极电压均为零时，电流才能从所述的两源极端之 间流过。此类设备在商业上作为分立元件可以从不同来源获得，且利用IC 制作技术制造这些设备已经公知。
图2说明了如何应用图1中的开关10构成高压整流器。所示的该设备 通常表示为30，其中包括开关10及低压整流器32，例如肖特基或势垒整流 器，将所述低压整流器的正极34连接到栅极端18，且将其负极36连接到源 极端12。优选地，开关10和二极管32制作在共同衬底上，并封装成具有外 部可接触的“正极”和“负极”端38和40的集成电路。为了使设备30具 有二极管的功能，源极端14通过外部跳线或直接内部连接被直接连接到栅 极端22上。
在设备30中，当输入端38和输出端40间的电压VAK为正值时，电流 将流入低压二极管32，并且栅极端18的偏置电压VGS1将等于二极管32的 前向压降。由于这是正电压，因此设备10将保持导通状态。
当VAK变为负值时，二极管32将反向偏置，并将产生等于或大于开关 10的栅极阈值的电压，随后该设备将关闭并维持该全部的VAK电压。
图3显示了如何将设备30改造成三端可控整流器。此设备通常表示为 30’，该设备利用所述第二栅极-源极对22-14作为控制以触发所述设备的开 启和关闭，因此可以在不用此类设备典型的闩锁机制的情况下效仿半导体闸 流管或SCR的功能。也就是说所述开关可以独立于提供给其电源引脚上的 电压而启动。这里，源极14与栅极22的直接连接被外部控制信号源所取代， 表示为电压源42，其在零到适当负值间变化。当所述控制信号电压为零时， 开关10的状态由仅由VAK确定。当所述控制信号电压为负值时，开关10关 闭，独立于VAK。因此设备30’的功能类似于SCR或半导体闸流管。
图4A表示为46，是具有连接于端50和52之间的AC输入48和在端 54和56之间提供正负DC输出电压的常规全桥整流器电路。图4B显示了 利用图2中所示整流器设备30a-30d实现如46所示的桥式电路。
这里，所述AC电压源的一端连接到整流器设备30a和30d之间的端50， 并且另一端连接到整流器设备30b和30c之间的端52。在整流器设备30a与 30b之间和30c与30d之间分别提供输出54和56。所显示的结构通过整流 器设备30提供了高电压、低导电损耗及快速开关的全桥整流器电路的功能。
图5A显示了与二极管62反并联连接的常规IGBT60。图5B显示了与 图5A相同的电路结构，只是其中的二极管62被替换成了整流器设备30。
尽管本发明是参考特定实施例进行描述的，本领域技术人员可以很容易 做出各种变化、修改以及其他使用。因此，本发明不能局限于此处公开的特 殊实例，而仅由所附权利要求的完整范围限定。
相关申请的交叉引用
本发明基于2004年8月23日提交的美国临时申请60/603,589，并要求 其优先权，其全部的公开内容作为引用结合于此。
本发明还涉及以Marco Soldano(代理人案号2-4813)的名义于2005年8 月11日提交的名称为“SELF-DRIVEN SYNCHRONOUS RECTIFIED BOOST CONVERTER WITH INRUSH CURRENT PROTECTION USING BIDIRECTIONAL NORMALLY ON DEVICE”的美国专利申请No.＿＿＿＿， 其全部的公开内容作为引用结合于此。
相关专利内容
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