雙向MOSFET開關和多路復用器的制作方法

本發明涉及一種雙向MOSFET開關和一種至少帶兩個雙向MOSFET開關的多路復用器。

背景技術：

現有技術中，電路拓撲結構以一種已知的雙向信號連接的MOSFET電路拓撲為基礎， 也常稱為“公源極”，如圖1所示。

為了將晶體管切換至導通狀態，控制電流需要通過電阻R1產生必要的柵源電壓，并對T1和T2的兩個柵極進行充電。如果控制電壓電耦合到信號電壓，它必須比信號電壓大或小，這樣T1和T2才能被切換至導通狀態，控制電壓取決于MOSFET的類型（N或P溝道）、晶體管規格。對于高電壓信號來說在技術上有一定難度。缺點在于，控制電流會與信號電流疊加并通過輸入端A或輸出端B流向反電勢。因此此種接通方式對于測量電壓信號的電路連接來說并不具有優點。

因此通常還需要產生光電控制電流（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電流疊加。缺點在于，對T1和T2的柵極的驅動需要稍微大一些的控制電流，首先必須向LED1供電；其次次級側（例如光電二極管（D1））產生的控制電流較小，會對T1和T2的快速導通造成影響。

若此種開關的形式需適用于多種情況，例如在用在一種多路復用器時，必須分別采用對每對晶體管分別通電的控制方式，這在技術上并不容易實現。

在測試和測量中，例如自動連接測試器的任務，通過開關矩陣連接信號電壓和電流，該矩陣中包含上千個獨立開關， 接通電流必須在安培級，接通電壓必須達到幾千伏。信號電壓為接觸危險的電壓時，出于安全原因，須遵守相關安全標準（例如，IEC60950，IEC61010等）中關于空氣間隙和爬電距離以及絕緣方面的規定，從而可以將控制器和開關絕緣。最大距離一方面與開關元件的混合結構有關，另一方面與控制線路有關，控制線路必須與矩陣中的其它開關元件絕緣，而且排列結構復雜，增加了生產成本，而且整體結構也變大了。

已知一種相對于光電控制器的電流阻斷結構為電容控制，包括兩個小的電容。電容只能傳輸交流信號，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構。此種結構只能傳輸交流信號，而且必須進行次級側整流。

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電壓不同的電勢。實現該技術的難點在于電能的傳輸，在電流絕緣的同時必須盡可能有效傳輸電能，從而給兩個晶體管T1和T2的柵極充電，在通電狀態下可完全快速導通。通過光電控制時需要較多的能源，用于彌補LED接收器二極管連接段的損耗，在設置多路復用器時需使用很多開關，會導致很大的功率損耗。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種改進的雙向MOSFET電路拓撲結構。

通過一種雙向MOSFET開關和多路復用器解決達到上述目的。

本發明的雙向MOSFET開關包括一個輸入端和輸出端和兩個MOSFET晶體管，晶體管與源極和柵極分別彼此連接，同時輸入端和輸出端分別連接兩個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MOSFET晶體管接通一FET-晶體管，一與輸入端連接的浮動電源通過所述第三個MOSFET晶體管向FET晶體管提供控制電流，FET晶體管的作用在于通過控制電流在柵極和兩個MOSFET晶體管的源極之間產生相同的柵源電壓Vgs，浮動電源作用在于產生兩個MOSFET-晶體管的柵極的控制電流。

根據本發明的雙向MOSFET開關的優點在于，對交流電壓信號來說，電路拓撲結構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換成飽電流，產生高阻抗狀態，導通兩個MOSFET晶體管。控制電流由FET晶體管限制進入飽和狀態。從而產生高阻抗恒流電源。接通時電流在短時間內流到T1和T2的柵極進行充電。

FET晶體管可在無控制電流流通的狀態下經過整流后，將兩個低阻抗MOSFET晶體管的柵極與兩個MOSFET晶體管的源極連接，從而斷開兩個MOSFET晶體管。FET晶體管的低阻抗電阻的優點在于，在接通交流信號時，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，進而保持T1和T2的Vgs在晶體管閾值電壓下。

浮動電源可與兩個MOSFET晶體管之一的漏極通電連接，從而實現對控制器的簡單供電。浮動電源可以是產生電流的DC/DC換流器的次級側、電池或電壓，例如能源采集器或太陽能電池。

浮動電源可為控制器供電，從而簡化了電路系統。

浮動電源可整流的方式是，產生控制電流來形成FET晶體管的高阻抗，然后給兩個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間內流到T1和T2的晶體管并充電。晶體管T1和T2可在接通狀態下快速導通。

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

還可采用N溝道類型的第三個MOSFET晶體管。浮動電源的負電勢可與兩個MOSFET晶體管中的一個晶體管的漏極連接。通過這種方式可實現兩種類型晶體管的連接。

如果采用P溝道類型的第三個MOSFET晶體管，則另兩個MOSFET晶體管是N溝道類型，或，第三個OSFET晶體管為N溝道類型，則另兩個MOSFET晶體管為P溝道類型。通過這種方式可實現兩種類型晶體管的連接。

本發明的多路復用器包括至少兩個如上所述的雙向MOSFET開關，所有雙向MOSFET開關共用一個所述電絕緣裝置（I1）和所述浮動電源（V1。本發明的多路復用器的優點在于，對于交流電壓信號來說，電路拓撲結構只需要較小的控制電流，允許多路復用器有很高的擴展性，尤其對于開關矩陣來說。

附圖說明

圖1示出了現有技術中的雙向MOSFET開關；

圖2 示出了現有技術中的帶光電控制電流的雙向MOSFET開關；

圖3 示出了本發明的雙向MOSFET開關的一個實施例；

圖4 示出了本發明的一種多路復用器的一個實施例；

圖5 示出了本發明的帶保護線路的雙向MOSFET開關的一個實施例；

圖6 示出了本發明的與圖3對比的采用其它類型晶體管的雙向MOSFET開關的一個實施例。

具體實施方式

以下通過具體實施方式，并結合附圖對本發明作進一步說明。

圖3所示的是第一種雙向MOSFET開關的實施例，更準確地說是一種包括兩個MOSFET晶體管T1和T2的電路拓撲結構。兩個MOSFET晶體管T1和T2的源極S彼此連接、柵極G彼此連接，從而構成雙向開關元件。現有技術通常采用的柵源電阻由一個帶低“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MOSFET晶體管T1和T2的源極，其漏極連接至兩個MOSFET晶體管T1和T2的柵極。

無控制電流時，FET晶體管T3使T1和T2的柵極和源極形成低阻抗連接，柵極放電且兩個晶體管T1和T2被切換至非導通狀態。現有技術中采用的高阻抗電阻保持較小的控制電流，在接通AC信號時有一個缺點，由于構成了T1和T2帶寄生電容的RC電路，因此可能會對T1和T2的爬電特性造成不良的影響，S出現快速電勢差時，G上的電勢不能用S的電勢補償。從而可能造成T1和T2通過一些產生的電壓Vgs導電。此外高阻抗電阻也會造成T1和T2之間的關斷時間變長。

上述缺點可通過使用FET晶體管T3克服。可根據信號電壓的產生極，T1、T2的兩個“主”二極管中的一個二極管通電，但是兩個晶體管T1或T2的一個晶體管在相反方向上一直是接通的，從而保證開關保持在與電極無關的非導電狀態中。

本發明的電路拓撲結構還包括一個電路元件， 將兩個晶體管T1和T2切換至導通狀態。“浮動”電源V1的次級側與線路的輸入端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較為簡單的實例是觸發器，它作為開關狀態存儲器。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控制線路D連接，該線路中設置有一個電絕緣裝置I1。控制器C1的輸出端連接第三個MOSFET開關晶體管T4以對其進行控制。D是一條控制線路，在控制器C1中還設置了T4的控制信號編碼。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，并在短時間內達到比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很快被切換到導通狀態。控制限定的控制電流構成的線路優點在于，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，斷開狀態下的控制電流從T1回流到電源V1，同時T1和T2可一直通過控制電流控制，而與S上的電勢無關。電路拓撲結構的另一個優點在于， 浮動電源V1的控制電流只能流經線路V1，T4，T3和T1，并不會通過輸入端A或輸出端B，在輸入端A和輸出端B外也不會與信號電流疊加。

相對于信號電壓的大小，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電壓的控制線路安全絕緣更容易實現。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中顯示了多路復用器的電路拓撲結構，這里是1:2的多路復用器。相應地，圖4中顯示了兩個雙向MOSFET開關，其并聯連接至輸入端A，并有兩個輸出端B和B1。該多路復用器中僅有一個電絕緣裝置I1和一個浮動電源，即所有雙向MOSFET開關共用一個所述電絕緣裝置（I1）和一個所述浮動電源（V1）。

電絕緣裝置I1在兩個控制器C1、C2和電源V1的中間位置，它可以是一個DC/DC換流器。從空氣間隙、爬電距離、絕緣、元件數量和排列密度來看這是一種在技術上非常簡化的結構形式。還可以是一種包括很多個雙向開關的多路復用器，例如1:1000多路復用器。

控制線路D和電源V1在電路板外部可以集中，并與信號電壓線路區域和信號電壓絕緣。在“范圍”內部可通過輸入端A形成電連接，或通過V1的次級側電壓形成與A的信號電壓不同的電勢，這對A的絕緣要求非常少。同時會增加開關排列密度，更確切地說就是功能上更穩定，因為A上的電勢不會給控制電路C造成電弧。

D上的線路控制中只需要很少的功率，因為不必直接控制T1和T2的柵極。同時在技術結構上更加簡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線路V1，T4，T3和T1，多路復用器排列中的每個開關都要絕緣（在例外情況下每個多路復用器只需要一次），而且信號功率低，因為D的控制信號只能由高阻抗輸入端發出，電勢絕緣產生的功率損耗也很小。

本發明的電路拓撲結構可簡單增加限制電流電阻和限制電流二極管的保護線路，如圖5所示。此種類型的線路還可使用在圖4中顯示的多路復用器中。具體地，源極S和柵極G之間連接一個穩壓二極管Z1，在源極和FET T3之間連接一個電阻R1，在第三個MOSFET T4和FET T3或者柵極G之間連接一個電阻R2。

本發明的電路拓撲結構可采用N或P溝道的MOSFET晶體管作為T1和T2開關晶體管，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的補充的其它類型的晶體管選項。此種線路也能用在圖4所示的多路復用器中。