交流開關電路的製作方法
2023-11-04 01:46:57 1
專利名稱：交流開關電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及交流功率控制，具體地說，涉及用於交流功率控制的交流開關電路。
背景技術：
交流功率控制向工作於該領域的技術人員提供一批獨特的挑戰。目前有少數幾種固態電器件，如半導體開關元件及三端雙向可控矽開關元件，允許對交流功率進行直接控制。對於半導體開關元件和三端雙向可控矽開關元件兩者而言，開關時間相對較長。這樣較長的開關時間通常使這些器件限於低頻應用，如典型的50-60赫茲的交流頻率。另外，為了便於工作於直流環境而將交流轉換成直流的全波整流，除了其它問題外，能導致令人討厭的電流諧波及高頻傳導輻射，如果沒有濾波，會導致無法接受的噪聲通過交流供電線返回電力公司。
發明內容
本發明的目的是提供克服先有技術中的上述缺點的用於交流功率控制的交流開關電路。
根據本發明的第一方面，提供一種交流開關電路，它包括具有第一源極、第一柵極和第一漏極的第一場效應電晶體(FET)；具有第二漏極、連接到所述第一源極的第二源極和連接到所述第一柵極的第二柵極的第二FET；具有連接到所述第一源極的第一正極和連接到所述第一漏極的第一負極的第一二極體；以及具有連接到所述第二源極的第二正極和連接到所述第二漏極的第二負極的第二二極體。
在一個實施例中，所述第一FET和所述第二FET為N型MOSFET。
根據本發明的第二方面，提供一種交流開關電路，它包括具有第一源極、第一柵極和第一漏極的第一FET；具有第二漏極、連接到所述第一源極的第二源極和連接到所述第一柵極的第二柵極的第二FET；具有連接到所述第一漏極的第一正極和連接到所述第一源極的第一負極的第一二極體；以及具有連接到所述第二漏極的第二正極和連接到所述第二源極的第二負極的第二二極體。
在一個實施例中，所述第一FET和所述第二FET為P型MOSFET。
根據本發明的第二方面，提供一種裝置，所述裝置包括交流開關電路，所述交流開關電路包括具有第一源極、第一柵極和第一漏極的第一FET，具有第二漏極、連接到所述第一源極的第二源極和連接到所述第一柵極的第二柵極的第二FET，具有連接到所述第一源極的第一正極和連接到所述第一漏極的第一負極的第一二極體，以及具有連接到所述第二源極的第二正極和連接到所述第二漏極的第二負極的第二二極體；以及連接到所述第一柵極和所述第二柵極並且連接到所述第一源極和所述第二源極的開關控制電路，所述開關控制電路有助於所述交流開關電路以超過200赫茲的頻率工作。
在一個實施例中，所述裝置還包括連接到所述交流開關電路的負載，其中所述開關控制電路便利於對通過所述負載的電流進行脈寬調製。
在另一個實施例中，所述開關控制電路配置成使所述交流開關電路以高於20千赫茲的頻率工作。
根據本發明的第三方面，提供一種集成電路中的交流開關電路，所述交流開關電路包括具有第一柵極、第一漏極和公共源極的第一FET；具有第二柵極、第二漏極和所述公共源極的第二FET；具有連接到所述公共源極的第一正極和連接到所述第一漏極的第一負極的第一二極體；以及具有連接到所述公共源極的第二正極和連接到所述第二漏極的第二負極的第二二極體。
在一個實施例中，所述第一柵極連接到所述第二柵極。
根據本發明的第四方面，提供一種在集成電路中切換交變電流的方法，所述方法包括從電源接收交變電流；以及把所述交變電流加在開關電路的兩個MOSFET器件的兩個漏極上，其中所述兩個MOSFET器件具有公共的源極區並且所述兩個MOSFET器件的柵極連接在一起，並且所述開關還包括反向並聯在每個MOSFET器件上的二極體，使所述交變電流通過所述公共源極區流動。
下面將參考附圖描述本發明的實施例，附圖中類似的參考符號表示相似的元件，附圖中圖1圖解說明依據一個實施例的包括反並聯二極體的交流金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)開關。
圖2圖解說明依據一個實施例的交流MOSFET開關的更詳細的形態，包括MOSFET的固有寄生二極體。
圖3圖解說明當交流MOSFET開關的一個實施例用於控制電流時輸送給負載的電流。
圖4A-4C圖解說明依據一個實施例的電源濾波器及其對由交流MOSFET開關驅動的負載所吸取的電流的影響。
圖5圖解說明依據一個實施例的包括緩衝器的交流MOSFET開關設計。
圖6圖解說明依據一個實施例的交流MOSFET開關的包含兩個N溝道金屬氧化物半導體(NMOS)型MOSFET器件的單個集成電路器件。
具體實施例方式
儘管在這裡將舉例說明並敘述特定的實施例，但本專業的普通技術人員應意識到廣泛的可選擇和/或等效的實現方案可用來取代所展示並描述的特定實施例，而並不背離本發明的範疇。本申請意欲包含這裡所討論的實施例的任何改編或變更。因此，顯然，我們的意圖是只用權利要求書界定本發明。
以下的討論是在MOSFET器件的情形下進行的。讀者應可理解這裡所描述的原理也可應用於其它的電晶體器件。
現在參見圖1，其中圖解說明依據一個實施例的交流MOSFET開關110，包含反並聯二極體112、114。對於圖中的MOSFET142、144來說，所述兩個MOSFET的源極連接到接點102。在一個實施例中，MOSFET142、144為功率MOSFET。另外，它們的柵極電連接到接點104。這樣的連接是為了使兩個MOSFET142、144以單一交流MOSFET開關的形式工作。這樣，通過把大於閾電壓VTH的柵極-源極電壓VGS加到這兩個MOSFET142、144，兩個MOSFET都會導通電流120。
圖1還圖解說明兩個二極體112、114。這兩個可以是寄生的或外在的二極體112、114與它們相應的MOSFET反向並聯。如下面進一步描述的，這兩個二極體112、114可用來對MOSFET的內部的反並聯二極體進行分流。所以，如圖所示，兩個二極體112、114的正極被連接到相應的MOSFET的源極，而其負極被連接到相應的漏極。
圖1還圖解說明用於控制輸送給負載的功率的交流MOSFET開關。如前面所提到的，交流MOSFET開關110包括兩個MOSFET142、144。交流MOSFET開關110控制著通過負載130的電流120。這可以由開關控制電路140實現，所述電路給構成交流MOSFET開關110的兩個MOSFET142、144施加柵極-源極電壓。在所展示的實施例中，電荷泵偏置電路150通過交流電源的火線172與中性線174的連接把電流輸送到開關控制電路140。
圖2圖解說明依據一個實施例的利用P型MOSFET的交流MOSFET開關的更詳細的形態，包括MOSFET242、244的固有寄生二極體232、234。圖中還圖解說明可被用來對MOSFET內部的反並聯二極體232、234進行分流的反並聯二極體212、214。應當指出，兩個MOSFET242、244的源極在接點204被連接在一起。另外，兩個MOSFET242、244的柵極在接點206被連接在一起。當施加小於閾電壓VTH的電壓VGS280時，MOSFET242、244將被」斷開」，並且其內部反向偏置PN結將實質上阻止電流流過MOSFET。
當施加大於閾電壓VTH的電壓VGS280給MOSFET242、244的共同源極和柵極時，MOSFET242、244便被接通以便使電流流過所述交流MOSFET開關。應當指出，所述電流取決於交流電壓源的極性而以相反的方向流過MOSFET242或244。即，以通常用於直流電路的相反方向，也就是在N型MOSFET中從漏極到源極，而在P型MOSFET中從源極到漏極。相反的電流不會導致任何問題，因為MOSFET是純雙向器件，即，當施加適當的柵極電壓並且形成導電溝道時，電流可從漏極流向源極或從源極流向漏極。通常，當MOSFET的源/漏電壓極性相反時，由圖2中的寄生二極體234、232所代表的內部PN結，將最終接通以使電流271流過。應當指出，寄生二極體234、232並不與MOSFET244、242分離，舉例來說，寄生二極體234是作為電晶體244結構中一部分的PN結。一旦柵極電壓被撤除，所述寄生二極體便在電流反向時導通，這便使得單個的MOSFET不適於交流電271、273的控制。圖2中的MOSFET242、244的共源極配置使得其中一個寄生二極體處在反向偏置狀態，而反向偏置實際上防止電流在MOSFET無論是導通還是斷開時流經寄生二極體232、234。
再參見圖1，開關控制電路140和電荷泵電路150被用於提供對施加給MOSFET142、144的柵極電壓的控制。在所展示的實施例中，開關控制電路140可以是由外部控制的脈寬調製電路。在所展示的實施例中，電荷泵150利用交流電網來給脈寬調製電路供電。另外，調製控制信號的頻率可以是固定的，而調製的佔空比，如下面所述，被用來確定輸送給負載130的功率。在另一個實施例中，交流MOSFET開關的柵極與源極可由具有最小導通時間及變化頻率的電路來驅動，以確定輸送給負載130的功率。
圖3圖解說明當一個實施例中的交流MOSFET開關被用來控制電流時輸送給負載的電流。例如，正如上面關於圖1的討論，開關控制電路140可以是脈寬調製電路。在這種情況下，輸送給負載130的功率可以通過改變脈衝控制信號的佔空比來控制。圖3圖解說明來自火線和中性線的輸入電壓310的例子。圖3還圖解說明，在暗影區域320，為交流MOSFET開關110被接通以使電流流過負載130的時間。電壓310及電流320被規一化以便使它們共用同一包絡線。所以在所展示的實施例中，佔空比為50％的柵極-源極電壓的驅動信號便會導致等於可用總功率一半的有效功率被輸送給負載。通過使用脈寬調製技術，輸送給負載的功率電平可以通過控制由開關控制電路中脈寬調製所產生的脈衝寬度來調節。決定傳送給負載的功率的方程式為Pavg=Vrms2Rd]]>其中Vrms為交流電源的均方根電壓值，R為負載的電阻值，而d為驅動交流MOSFET的脈寬調製器的佔空係數。通過觀察這個方程式，傳送給負載的功率為脈寬調製器的佔空係數的線性函數。當佔空係數為0時負載功率為0，而當佔空係數為1時負載功率最大。
在交流MOSFET開關的柵極和源極由具有最小導通時間的電路與頻率可變振蕩器(VFO)的組合來驅動的另一個實施例中，輸送給負載130的功率取決於P＝V2÷R×f×Tmin其中，V為交流電源的均方根電壓值，R為負載的電阻值，f為驅動交流MOSFET的頻率可變振蕩器的頻率，而Tmin為所允許的最小導通時間。通過觀察，這個方程式表明傳輸送給負載的功率為頻率可變振蕩器頻率的線性函數。當頻率可變振蕩器的頻率為0時負載處的功率為0，而當頻率可變振蕩器的頻率的周期等於或小於所允許的最小導通時間Tmin時，負載處的功率最大。
以上實例使交流電流在較高的頻率進行切換。以較高的頻率切換電流有其優越性。音頻之外的開關頻率(舉例來說，大於20千赫茲)可以用來減少與可聞開關噪音相關聯的人為因素問題。另一個優點是工作於較高頻率可以降低開關及導通損耗。工作於非常低頻的實施方案會在線性工作區耗費很多時間。開關時在線性區耗費較多的時間可耗散大量的以熱的形式出現的附加功率，因為通過線性區的變化較慢。另外，由於與本公開的交流開關相關聯的電壓降相對較低，所以由流過的電流與器件兩端的電壓降的乘積構成的耗散功率較少。還有，以上交流MOSFET開關電路不會在交流電流中引入明顯的諧波幹擾。這可以降低為了達到國際機構規章要求而濾除這些諧波噪聲的相關費用。
圖4A圖解說明依照一個實施例的交流MOSFET開關的輸入電路。其中圖解說明濾波器級410，所述濾波器級410為發生在輸入端的各種瞬變過程或傳導輻射提供高頻接地。其中還圖解說明濾波器級420，所述濾波器級420為負載430所吸取的交流電流提供平滑作用。這個濾波器的作用是使由脈寬調製或頻率可變振蕩器驅動的負載所吸取的含有豐富諧波噪聲的電流平滑，從而使電源的電流連續並且實際上沒有諧波電流分量。
在所述實施例中，開關控制電路450切換如圖4B所示的輸送給負載的電流472。假定負載為純電阻性，電流472在切換時會跟隨所提供的線電壓，即，與電壓同相。當開關被斷開時，輸送給負載的電流便會降到0(如474)。因此，可以看出，當開關閉合和斷開時負載所吸取的電流會有引人注目的漂移或階梯。這些電流的階梯變化代表添加在交流電源上的所不希望有的電流諧波，而這樣的諧波可能會超出規章的極限。為了解決這個問題，在電路中增加了濾波級420。圖4C圖解說明增加了濾波級420的開關負載從交流電源的火線和中性線連接端吸取的電流。當開關斷開時，濾波級420對由負載430吸取476電流進行平滑。在開關由脈寬調製器驅動的情形下，由電路吸取的全部瞬態電流可以是基波電流與紋波電流的瞬態值之和。這個瞬態電流可表示為iL(t)=VdRsin(2f0t)+24(1-d)(fcfs)2VdRsin(2f0t)sin(2fst)]]>其中，fc為濾波級420的諧振頻率，fs為脈寬調製器的切換頻率，f0為交流電源的頻率，d為脈寬調製器的佔空比，V為峰值電源電壓，而R為負載430的電阻。直接考察這個方程式可注意到，當脈寬調製器的頻率增加時，在火線和中性線兩端所得到的交流電流波形明顯地平滑了。
圖5圖解說明依照一個實施例的交流MOSFET開關設計，包括緩衝器580。緩衝器580用於消耗電路中存儲的能量。由於諸如以下的多種與電路相關聯的因素而在電路中存儲有能量與提供交流電流相關聯的布線的寄生電感；元件引線的寄生電感；以及負載本身的電感。緩衝器用來在電路被斷開時俘獲一部分存儲在電路中的能量。除了其他作用，這樣的緩衝器將減少電路的諧振。然而，這樣的緩衝器並未設計成消耗所有的能量；它們只是設計成消耗足以減少可能出現的諧振和降低結果諧振」過」電壓的能量。
為了耗散電路中的所有能量，可以在緩衝器580的設計中使用體積相當大的電容器573。理想的情況是使電阻577與負載530的電阻近似地相匹配。因此，如果負載電阻近似為20歐姆，則緩衝器的電阻應選為大約20歐姆。另外，按照大約100納亨來計量用於驅動交流MOSFET開關的典型電路的儲能電感575。在某些緩衝器設計中，可以使用能夠俘獲大約1/5存儲在寄生電感中的能量的電容。如前所述，這樣大小的電容器僅僅用於避免電路的諧振。然而，剩下的能量則通過開關元件產生的熱量或射頻輻射的形式耗散。為了避免這種熱量或射頻輻射，可使用較大的緩衝器電路。
為了使緩衝器充分耗散電路中存儲的所有能量，由緩衝器耗散的能量應該等於由電路的電感存儲的能量。因此，
1/2LI2＝1/2CV2，其中I＝V/R1/2L(V/R)2＝1/2CV2求解C我們發現C＝L/R2因此，使用的電容與寄生電感的值有直接關係。
耗散熱量可能是不受歡迎的，因為熱可能導致對電路的損壞。解決這個問題的方案可以是加上散熱片。然而，附加的散熱片可能增加設計的成本。另外，產生的射頻輻射也可能是不受歡迎的，因為這可能導致所述包含交流MOSFET開關的裝置在射頻鑑定過程中得到較差的級別。為了防止射頻輻射，可為射頻輻射提供屏蔽。然而同樣，附加的屏蔽可增加設計的成本。
因此，在一個實施例中，作為在圖5中展示的緩衝器的一部分的電容設計成俘獲與交流MOSFET開關相關聯的電路中基本上全部存儲能量。這樣，可以簡化射頻屏蔽的設計以及任何散熱裝置的設計。
圖6圖解說明依照本發明的一個實施例的包括兩個NMOS型的MOSFET器件的交流MOSFET開關的單一集成電路器件600。在可供選擇的實施例中，兩個PMOS型的MOSFET器件可用於構成交流MOSFET開關。記得在交流MOSFET開關中把兩個MOSFET的兩個源極在邏輯上連接一起。通過在集成電路以單一封裝製造這兩個MOSFET，所述兩個MOSFET可以共用集成電路上公共的源極區域610。在圖6展示的實施例中，公共源極區域610被嵌入包含交流MOSFET開關的管芯中。公共源極610的共用可以使得能夠利用從包含兩個MOSFET的交流MOSFET開關的封裝中延伸出單一的源極引線。這樣又可以由於去掉一個源極引線及所述源極引線的伴隨絲焊的寄生參數的緣故而降低導通電阻，例如從管芯到封裝引線的歐姆電阻。例如，在一個實施例中，除掉一個源極引線可降低70毫歐姆的阻抗，相當於與所述交流MOSFET開關的引線之一相關聯的伴隨阻抗。
70毫歐姆可能是與交流MOSFET開關相關聯的總電阻的相當大的部分。例如，假定交流MOSFET開關的每一個MOSFET的接通電阻RDSON為100毫歐姆。因而如果源極和漏極的每一個引線有70毫歐姆的電阻，源極到漏極整個路徑的阻抗就是240毫歐姆。兩個分立串聯器件就有經過交流MOSFET開關的480毫歐姆的有效電阻。記得交流MOSFET開關的外部源極引線被用於施加柵極電壓並在開關斷開時用作某些類型的緩衝器應用的導通路經。通過設計外部源極引線，在開關導通時源極連接610將通過很少的電流因而不會給交流MOSFET開關引入串聯電阻。這個事實使得交流MOSFET開關的導通電阻被降低了140毫歐姆，或通過在交流MOSFET的管芯上使用公共源極區域並除去一根引線而降低30％的有效電阻。因為功率耗散與電阻直接相關，這樣對於所述實施例來說，便降低了15％的功率損耗。在單一管芯上製造交流MOSFET開關還可以省去分離元件實現方案中的一個柵極引線。公共源極和去除柵極引線的結果是形成了四個引線的器件，其中兩個大電流的漏極引線和兩個小電流的柵極與源極引線。四引線器件的一根引線連接到兩個MOSFET的各自的柵極。另一根引線連接到公共的源極區域，而剩下的兩根引線中的每一根則連接到不同的漏極。
至此，已公開了交流MOSFET開關設計的多個實施例。這樣的設計通常用於交流MOSFET開關的高速運行，尤其允許交流MOSFET開關在遠高於音頻頻譜(舉例來說，超過20千赫茲)的情況下工作。所述交流MOSFET開關通常利用較高的頻率工作，這又使得所述器件可以用於寬範圍的交流功率控制，從而簡化整流的使用並減少對電力線的諧波感應。這些優越性簡化了昂貴的濾波電路的使用，並使得電子設備能更好的在諸如家庭或辦公環境的有人存在的環境中運行。這種設計還為多種應用場合的交流MOSFET開關的單一集成電路設計做好準備。這可以減少引線的數目並因此降低由引線電阻導致的損耗。
權利要求
1.一種交流開關電路(110)，它包括具有第一源極、第一柵極和第一漏極的第一場效應電晶體(FET)(142)；具有第二漏極、連接到所述第一源極的第二源極和連接到所述第一柵極的第二柵極的第二FET(144)；具有連接到所述第一源極的第一正極和連接到所述第一漏極的第一負極的第一二極體(112)；以及具有連接到所述第二源極的第二正極和連接到所述第二漏極的第二負極的第二二極體(114)。
2.如權利要求1所述的器件，其中所述第一FET和所述第二FET為N型MOSFET。
3.一種交流開關電路，它包括具有第一源極、第一柵極和第一漏極的第一FET(244)；具有第二漏極、連接到所述第一源極的第二源極和連接到所述第一柵極的第二柵極的第二FET(242)；具有連接到所述第一漏極的第一正極和連接到所述第一源極的第一負極的第一二極體(234)；以及具有連接到所述第二漏極的第二正極和連接到所述第二源極的第二負極的第二二極體(232)。
4.如權利要求3所述的器件，其中所述第一FET和所述第二FET為P型MOSFET。
5.一種器件，它包括交流開關電路(440)，它包括具有第一源極、第一柵極和第一漏極的第一FET，具有第二漏極、連接到所述第一源極的第二源極和連接到所述第一柵極的第二柵極的第二FET，具有連接到所述第一源極的第一正極和連接到所述第一漏極的第一負極的第一二極體，以及具有連接到所述第二源極的第二正極和連接到所述第二漏極的第二負極的第二二極體；以及連接到所述第一柵極和所述第二柵極並且連接到所述第一源極和所述第二源極的開關控制電路(450)，所述開關控制電路有助於所述交流開關電路以超過200赫茲的頻率工作。
6.如權利要求5所述的裝置，所述裝置還包括連接到所述交流開關電路的負載，其中所述開關控制電路便利於對通過所述負載的電流進行脈寬調製。
7.如權利要求5所述的裝置，其中所述開關控制電路配置成使所述交流開關電路以高於20千赫茲的頻率工作。
8.一種集成電路中的交流開關電路，所述交流開關電路包括具有第一柵極、第一漏極和公共源極的第一FET；具有第二柵極、第二漏極和所述公共源極的第二FET；具有連接到所述公共源極的第一正極和連接到所述第一漏極的第一負極的第一二極體；以及具有連接到所述公共源極的第二正極和連接到所述第二漏極的第二負極的第二二極體。
9.如權利要求8的所述交流開關電路，其中所述第一柵極連接到所述第二柵極。
10.一種在集成電路中切換交流電的方法，所述方法包括從電源接收交變電流；以及把所述交變電流加在開關電路的兩個MOSFET器件的兩個漏極上，其中所述兩個MOSFET器件具有公共的源極區並且所述兩個MOSFET器件的柵極連接在一起，並且所述開關還包括反向並聯在每個MOSFET器件上的二極體，使所述交變電流通過所述公共源極區流動。
全文摘要
交流開關電路包括具有第一源極、第一柵極與第一漏極的第一場效應電晶體(144，244)；以及具有第二漏極、連接到第一源極的第二源極和連接到第一柵極的第二柵極的第二FET(142，242)。所述交流開關電路還包括連接到第一源極和第一漏極的第一二極體(112，232)以及連接到第二源極和第二漏極的第二二極體(114，234)。
文檔編號G05F1/10GK1645733SQ20051000593
公開日2005年7月27日 申請日期2005年1月21日 優先權日2004年1月23日
發明者M·希爾斯特 申請人:惠普開發有限公司