本申請要求2015年5月20日提交的法國專利申請第15/54494號的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容通過參考以法律允許的最大程度整體結(jié)合于此。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及雙向功率開關(guān)。

背景技術(shù)：

已經(jīng)具有許多類型的雙向功率開關(guān)。例如，這些開關(guān)與在提供交流(AC)電源電壓(例如，主電壓)的端子之間供電的負(fù)載串聯(lián)，以控制提供給負(fù)載的電能。

需要一種克服已知開關(guān)的所有或部分缺陷的雙向功率開關(guān)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，實(shí)施例提供了一種雙向電源開關(guān)，包括被反平行連接在開關(guān)的第一和第二導(dǎo)電端子之間的第一和第二晶閘管，，第一晶閘管是陽極柵極晶閘管，第二晶閘管是陰極柵極晶閘管，并且第一和第二晶閘管的柵極連接至開關(guān)的同一控制端子，其中，至少一個(gè)二極管或至少一個(gè)電阻器將第一晶閘管的柵極與第二晶閘管的柵極分離。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，第一偶極子將第一晶閘管的柵極耦合至控制端子，以及第二偶極子將第二晶閘管的柵極耦合至控制端子，第一和第二晶閘管中的每一個(gè)都是電阻器、二極管、二極管和電阻器的串聯(lián)集合或者導(dǎo)線和導(dǎo)電軌，并且第一和第二偶極子中的至少一個(gè)包括二極管或電阻器。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，第一偶極子是二極管，其陽極連接至第一晶閘管的柵極且陰極連接至控制端子；第二偶極子是二極管，其陽極連接 至第二晶閘管的柵極且陰極連接至控制端子。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，第一和第二晶閘管是在象限Q1中導(dǎo)通的類型。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，第一偶極子是其陰極連接至第一晶閘管的柵極且陽極連接至控制端子的二極管；第二偶極子是其陰極連接至第二晶閘管的柵極且陽極連接至控制端子的二極管。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，第一和第二晶閘管是在象限Q2中導(dǎo)通的類型。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，第一和第二偶極子中的至少一個(gè)包括值大于10歐姆的電阻器。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，第一和第二晶閘管布置在同一保護(hù)封裝中，該保護(hù)封裝包括相應(yīng)地連接至開關(guān)的第一導(dǎo)電端子和第二導(dǎo)電端子、第一晶閘管的陽極柵極和第二晶閘管的陰極柵極的四個(gè)外部連接端子，第一和第二偶極子布置在封裝之外。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，第一和第二晶閘管以及第一和第二偶極子被布置在同一保護(hù)封裝中，該保護(hù)封裝包括相應(yīng)地連接至第一導(dǎo)電端子和第二導(dǎo)電端子以及開關(guān)的控制端子的三個(gè)外部連接端子。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，第一和第二偶極子被集成到包括第一和第二晶閘管的半導(dǎo)體芯片中。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，第一和第二偶極子是放置在包括第一和第二晶閘管的半導(dǎo)體芯片上的分立部件。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，第一和第二晶閘管被布置在不同半導(dǎo)體芯片中。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，第一和第二晶閘管被集成在同一半導(dǎo)體芯片中并且通過絕緣區(qū)域分離。

附圖說明

將在以下結(jié)合附圖的具體實(shí)施例的非限制性描述中詳細(xì)討論前述和其他特征和優(yōu)勢，其中：

圖1是雙向功率開關(guān)的示例的簡化表示；

圖2是雙向功率開關(guān)的另一示例的簡化表示；

圖3是雙向功率開關(guān)的另一示例的簡化表示；以及

圖4是雙向功率開關(guān)的實(shí)施例的簡化表示。

具體實(shí)施方式

在不同附圖中，相同的元件用相同的參考標(biāo)號來表示。在本說明書中，術(shù)語“連接”用于表示直接電連接而不存在中間電部件，例如通過多條導(dǎo)電軌跡中的一條或者多條導(dǎo)線中的一條，并且術(shù)語“耦合”或術(shù)語“鏈接”用于表示直接電連接(表示“連接”)或者經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)中間部件(電阻器、電容器、二極管等)的連接。除非另有指定，否則表述“近似”、“基本”和“數(shù)量級”表示在20％內(nèi)，優(yōu)選在10％內(nèi)。

在本公開中，雙向功率開關(guān)表示針對電流和電壓為雙向的開關(guān)，其能夠在斷開狀態(tài)抵抗相對較大的電壓，例如大于100V的電壓，通常為600V以上的數(shù)量級。

這里更具體地考慮包括兩個(gè)晶閘管的反平行集合的這種類型的雙向功率開關(guān)。

在這種開關(guān)中，一個(gè)晶閘管用于傳導(dǎo)具有第一偏置的電流，另一個(gè)晶閘管用于傳導(dǎo)相反偏置的電流。這種開關(guān)的接通通過在開關(guān)的控制端子上施加能夠引起正向偏置的晶閘管導(dǎo)通的控制信號來得到。當(dāng)傳導(dǎo)的電流的強(qiáng)度降到活躍晶閘管(先前導(dǎo)通的晶閘管)之下或者該晶閘管的保持電流(IH)時(shí)，開關(guān)自然斷開。

所產(chǎn)生的問題在于，在斷開這種開關(guān)時(shí)，例如在負(fù)載電源信號的半波的結(jié)束處，發(fā)生使得流過活躍晶閘管的電流反轉(zhuǎn)的電荷重疊現(xiàn)象。通常，這種反向電流結(jié)束等于0，并且開關(guān)保持?jǐn)嚅_直到下一次在其控制端子上施加接通信號為止。然而，如果流過活躍晶閘管的反向電流的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間太大，則存在由于可在兩個(gè)晶閘管之間發(fā)生的載流子傳輸而不正確地(不可控)接通其他晶閘管(非活躍晶閘管)的風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際上，從接通狀態(tài)到斷開狀態(tài)的切換流過活躍晶閘管的反向電流的持續(xù)時(shí)間和幅度取決于流過開關(guān)的電流的下降斜率和在切 換期間橫跨開關(guān)再施加的電壓的增長斜率。這些斜率越大，重疊電流越大，并且不正確地接通非活躍晶閘管的風(fēng)險(xiǎn)越大。

在特定應(yīng)用中，例如電機(jī)控制應(yīng)用，重要的是具有良好開關(guān)性能的雙向開關(guān)，即能夠在開關(guān)看到的電源信號的變化斜率顯著時(shí)斷開而不存在不正確地重新接通的風(fēng)險(xiǎn)。

實(shí)際上，為了期望在特定應(yīng)用中要求的開關(guān)性能約束，電路設(shè)計(jì)者應(yīng)該進(jìn)行相對約束的措施，這尤其會導(dǎo)致增加器件的成本。例如，為了獲得期望的開關(guān)性能，電路設(shè)計(jì)者通常根據(jù)開關(guān)看到的電流強(qiáng)度和電壓幅度選擇相對于應(yīng)用的活躍需求過大的開關(guān)。這會進(jìn)一步迫使在開關(guān)兩端連接濾波電路(例如，電阻器電容器(RC)電路)以增加開關(guān)對抗不正確開啟的穩(wěn)健性。

圖1是三端雙向可控硅開關(guān)元件TR的簡化表示。三端子雙向可控硅開關(guān)元件是最傳統(tǒng)的雙向功率開關(guān)。三端雙向可控硅開關(guān)元件對應(yīng)于兩個(gè)晶閘管(圖中未示出)的反平行集合。第一晶閘管的陽極和第二晶閘管的陰極連接至三端雙向可控硅開關(guān)元件的第一主端子或?qū)щ姸俗覣1。第一晶閘管的陰極和第二晶閘管的陽極連接至三端雙向可控硅開關(guān)元件的第二主端子或?qū)щ姸俗覣2。傳統(tǒng)三端雙向可控硅開關(guān)元件的柵極或控制端子G對應(yīng)于形成其的兩個(gè)晶閘管的柵極。施加給柵極G的控制信號參考兩個(gè)導(dǎo)電端子A1和A2中的一個(gè)。

傳統(tǒng)三端雙向可控硅開關(guān)元件是整體部件，即形成其的兩個(gè)晶閘管形成在同一半導(dǎo)體芯片中。在兩個(gè)晶閘管之間通常不設(shè)置絕緣，這兩個(gè)晶閘管可以共享相同的半導(dǎo)體層，尤其在它們活躍部分的層級處。因此，載流子傳送能夠發(fā)生在兩個(gè)晶閘管之間，這限制了這種部件的開關(guān)性能。

圖2是雙向功率開關(guān)的另一示例的簡化表示。圖2的開關(guān)包括兩個(gè)反平行連接的兩個(gè)陰極柵極晶閘管TH1和TH2。在該示例中，晶閘管TH1和TH2相互絕緣，即，它們形成在不同的半導(dǎo)體芯片中，或者它們集成到相同半導(dǎo)體芯片中但是它們的活躍部分通過絕緣區(qū)域分離。晶閘管TH1的陽極和晶閘管TH2的陰極連接至開關(guān)的第一 主端子或?qū)щ姸俗覣1。晶閘管TH1的陰極和晶閘管TH2的陽極連接至開關(guān)的第二主端子或?qū)щ姸俗覣2。晶閘管TH1和TH2的陰極柵極連接至相互絕緣的兩個(gè)控制端子G1和G2。

如果端子A1和A2之間的電壓為正，則通過向控制端子G2施加參考導(dǎo)電端子A2的控制信號來得到開關(guān)接通，這能夠?qū)ňчl管TH2。如果端子A1和A2之間的電壓為負(fù)，則通過向控制端子G1施加參考導(dǎo)電端子A1的控制信號來得到開關(guān)接通，這能夠?qū)ňчl管TH1。

在這種開關(guān)中，晶閘管TH1和TH2相互絕緣，兩個(gè)晶閘管之間的載流子傳輸以及活躍晶閘管的斷開期間的非活躍晶閘管的不正確接通的風(fēng)險(xiǎn)較低。因此，這種開關(guān)具有非常良好的開關(guān)性能。然而，這種開關(guān)的缺點(diǎn)在于，其包括參考開關(guān)的不同導(dǎo)電端子的兩個(gè)絕緣的控制端子。因此，該開關(guān)要求相對復(fù)雜的控制電路。

圖3是雙向功率開關(guān)的另一實(shí)施例的簡化表示。圖3的開關(guān)包括反平行連接的陰極柵極晶閘管TH和陽極柵極晶閘管AGT。與圖2的示例相同，兩個(gè)晶閘管TH和AGT相互絕緣，即它們形成在不同的半導(dǎo)體芯片上或者它們集成在同一半導(dǎo)體芯片中但通過絕緣區(qū)域相互分離。晶閘管AGT的陽極和晶閘管TH的陰極連接至開關(guān)的第一主端子或?qū)щ姸俗覣1。晶閘管AGT的陰極和晶閘管TH的陽極連接至開關(guān)的第二主端子或?qū)щ姸俗覣2。晶閘管的陰極柵極G_TH和晶閘管AGT的陽極柵極G_AGT連接至開關(guān)的同一控制端子G。

通過在控制端子G上施加參考導(dǎo)電端子A1的控制信號來得到開關(guān)的接通，如果端子A1和A2之前的電壓為正則能夠接通晶閘管AGT，而如果端子A1和A2之間的電壓為負(fù)則接通晶閘管TH。

與圖2的開關(guān)相比，圖3的開關(guān)具有以下優(yōu)勢：包括僅參考開關(guān)的一個(gè)導(dǎo)電端子的信號控制端子G，這簡化了其控制的實(shí)施。

與圖1的三端雙向可控硅開關(guān)元件相比，圖3的開關(guān)具有其兩個(gè)晶閘管的活躍部分相互絕緣的優(yōu)勢，這限制了在接通活躍晶閘管時(shí)不正確地接通非活躍晶閘管的風(fēng)險(xiǎn)。

然而，對參照圖3描述的開關(guān)類型進(jìn)行的測試表明，這種類型的開關(guān)的開關(guān)性能相對較低，尤其與參照圖2描述的開關(guān)類型進(jìn)行比較。可能的解釋在于，兩個(gè)的柵極G_TH和G_AGT被連接，這可能在兩個(gè)晶閘管之間進(jìn)行不正確的載流子傳輸。研究具體表明，在晶閘管AGT斷開時(shí)(在電流從開關(guān)的電極A1流向電極A2的相位的結(jié)束處)，在晶閘管AGT的電荷充電相位期間，相對較大的電流(通常為幾mA的級別)經(jīng)由兩個(gè)晶閘管的柵極G_AGT和G_TH從晶閘管AGT轉(zhuǎn)變到晶閘管TH。此外，在斷開晶閘管TH時(shí)(在電流從開關(guān)的電極A1流向電極A2的相位的結(jié)束處)，在晶閘管TH的電荷充電的相位期間，電流(較低)經(jīng)由G_AGT和G_TH從晶閘管TH轉(zhuǎn)變到晶閘管AGT。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，提供了包括反平行連接的陽極柵極晶閘管和陰極柵極晶閘管的雙向功率開關(guān)，兩個(gè)晶閘管的柵極耦合至開關(guān)的同一控制端子，并且至少一個(gè)電阻器或至少一個(gè)二極管將兩個(gè)晶閘管的柵極分離。

圖4是雙向功率開關(guān)的實(shí)施例的簡化表示。圖4的開關(guān)包括被反平行連接的陰極柵極晶閘管TH和陽極柵極晶閘管AGT。與圖3的示例相同，晶閘管TH和AGT相互絕緣，即，它們形成在不同的半導(dǎo)體芯片中或者它們被集成在同一半導(dǎo)體芯片中但是通過絕緣區(qū)域相互分離。晶閘管AGT的陽極和晶閘管TH的陰極被連接至開關(guān)的第一主端子或?qū)щ姸俗覣1。晶閘管AGT的陰極和晶閘管TH的陽極連接至開關(guān)的第二主端子或?qū)щ姸俗覣2。

在圖4的示例中，元件C1將晶閘管AGT的陰極柵極G_AGT耦合至開關(guān)的控制端子G，并且元件C2將晶閘管TH的陽極柵極G_TH耦合至端子G。元件C1是偶極子電路，其第一端連接至晶閘管AGT的柵極G_AGT，另一端連接至端子G；元件C2是偶極子電路，其第一端連接至晶閘管TH的柵極G_TH，另一端連接至端子G。元件C1和C2中的每一個(gè)均可以是電阻器、二極管或簡單的導(dǎo)電軌(或?qū)Ь€)，例如由金屬制成。然而，元件C1和C2中的至少一個(gè)是電阻器或二極管，使得晶閘管AGT的陽極柵極G_AGT和晶閘管TH的陰極柵極G_TH 不直接相互連接。在元件C1或C2為電阻器的情況下，選擇電阻遠(yuǎn)大于導(dǎo)電軌或?qū)Ь€的正常電阻，例如大于或等于10歐姆。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對元件C1和C2的選擇具有多種可能性來獲取期望的效果，即，經(jīng)由兩個(gè)晶閘管對應(yīng)的柵電極限制或抑制寄生電流在兩個(gè)晶閘管之間流動，同時(shí)經(jīng)由僅參考導(dǎo)電電極A1和A2中的一個(gè)的單個(gè)控制端子G保持控制開關(guān)的可能性。

作為前言，應(yīng)該注意的是，所描述的實(shí)施例可以應(yīng)用任何類型的晶閘管TH和AGT的導(dǎo)通和結(jié)構(gòu)。具體地，晶閘管TH和AGT可以是在象限Q1或Q2中導(dǎo)通的晶閘管。在象限Q1中導(dǎo)通的晶閘管是可以被控制為在陽極-陰極電壓為正時(shí)通過向其柵極注入正電流來導(dǎo)通的晶閘管。在下文中，TH_Q1表示在象限Q1中導(dǎo)通的類型的陰極柵極晶閘管TH，TH_Q2表示在象限Q2中導(dǎo)通的類型的陰極柵極晶閘管TH，AGT_Q1表示在象限Q1中導(dǎo)通的類型的陽極柵極晶閘管AGT，以及AGT_Q2表示在象限Q2中導(dǎo)通的類型的陽極柵極晶閘管AGT。此外，對于具有垂直結(jié)構(gòu)的晶閘管TH和AGT來說，無論選擇什么類型導(dǎo)通，晶閘管TH或AGT的結(jié)構(gòu)都可以是使得參考柵極的晶閘管的導(dǎo)電端子(即，晶閘管TH的陰極和晶閘管AGT的陽極)位于晶閘管的與柵極端子相同的表面上(傳統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu))或者位于與柵極相對的晶閘管表面上(所謂的ACS類型垂直結(jié)構(gòu))。然而，所描述的實(shí)施例不限于具有垂直結(jié)構(gòu)的晶閘管TH和AGT，并且尤其可以通過使用具有平坦結(jié)構(gòu)的晶閘管TH和AGT來實(shí)施。更一般地，晶閘管TH和AGT可以以任何已知技術(shù)并根據(jù)陰極柵極晶閘管和陽極柵極晶閘管的任何已知布局來形成。

將根據(jù)所使用的晶閘管TH和AGT的類型來執(zhí)行元件C1和C2的選擇。

作為示例，晶閘管TH和AGT分別是類型TH_Q2和AGT_Q2，即，其可以通過負(fù)電流導(dǎo)通。在這種情況下，元件C1可以是二極管，其陽極連接至晶閘管AGT的柵極G_AGT且其陰極連接至端子G；以及元件C2可以是二極管，其陽極連接至晶閘管TH的柵極G_TH，陰極連 接至端子G。在這種結(jié)構(gòu)中，開關(guān)通過在其端子G上施加負(fù)電流(參考端子A1)來接通。在切換到斷開狀態(tài)時(shí)，二極管C1和C2阻擋能夠從晶閘管AGT的柵極G_AGT流到晶閘管TH的柵極G_TH或者從晶閘管TH的柵極G_TH流到晶閘管AGT的柵極G_AGT的可能不正確的電流。

作為變形，晶閘管TH和AGT分別是類型TH_Q1和AGT_Q1，即，它們可以通過正電流導(dǎo)通。在這種情況下，元件C1和C2可以是分別正向連接在端子G和晶閘管AGT的柵極G_AGT之間以及端子G和晶閘管TH的柵極G_TH之間的二極管。然后，開關(guān)可以通過在其端子G上施加正電流(參考端子A1)來接通。在切換到斷開狀態(tài)時(shí)，二極管C1和C2阻擋能夠從晶閘管AGT的柵極G_AGT流到晶閘管TH的柵極G_TH或者從晶閘管TH的柵極G_TH流到晶閘管AGT的柵極G_AGT的可能不正確的電流。

更一般地，可以根據(jù)開關(guān)期望被控制的象限來進(jìn)行元件C1和C2的組合和定向的其他選擇。

作為變形，元件C1和C2的一個(gè)和/或另一個(gè)可以是電阻器，例如具有10至200歐姆范圍內(nèi)的值，替代阻擋，其能夠顯著限制經(jīng)由它們的柵極G_AGT和G_TH在兩個(gè)晶閘管之間的不正確載流子傳輸。

作為變形，元件C1和/或C2中的一個(gè)和/或另一個(gè)可以是與二極管串聯(lián)的電阻器。

參照圖4描述的實(shí)施例的優(yōu)勢在于，其能夠以相對較低的成本顯著提高參照圖3描述的開關(guān)的開關(guān)性能。具體地，應(yīng)該注意，相對于圖3的開關(guān)增加的元件C1和/或C2具有相對的成本，因?yàn)檫@些元件不用于抵抗高功率而僅阻擋和/或限制兩個(gè)晶閘管的柵極之間流動的寄生電流。

作為示例，晶閘管AGT和TH可以是被組裝在同一保護(hù)封裝中的兩個(gè)不同的半導(dǎo)體芯片，該保護(hù)封裝包括分別連接至端子A1、A2、G_AGT和G_TH的四個(gè)外部連接端子。這種配置使得有可能使應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)者根據(jù)應(yīng)用的約束個(gè)性化地選擇添加的元件C1和C2。

然而，所描述的實(shí)施例不限于該特定情況。作為變形，元件C1 和/或C2被布置在與晶閘管TH和AGT相同的保護(hù)封裝中，該封裝然后可以僅包括分別連接至開關(guān)的端子A1、A2和G的三個(gè)外部連接端子。

作為變形，晶閘管TH和AGT被集成到同一半導(dǎo)體芯片中并且通過絕緣區(qū)域分離。元件C1和/或C2可以是分立部件或者被集成到包括晶閘管TH和AGT的芯片中。

這些更改、修改和改進(jìn)作為本公開的一部分，并且包括在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。因此，前面的描述僅是示例而不用于限制。僅在以下權(quán)利要求及其等效物中限定本發(fā)明。