СХЕМА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО СОЕДИНЕНИЯ ПТУП-ТРАНЗИСТОРОВ
JFET TRANSISTOR SERIAL CONNECTION DIAGRAM

Данное изобретение относится к области электронной схемотехники, в частности к переключающему устройству с последовательным соединением ПТУП-транзисторов (полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом), тип которого указан в ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
Уровень техники
i
2
j
1
5
1
5
В качестве силовых выключателей или переключающих устройств, рассчитанных на работу при высоких напряжениях, можно использовать электронные коммутационные устройства с каскадным или последовательным включением транзисторов. В патентных документах, например, US 6822842 и DE 19926109 такие переключающие устройства называют каскодными схемами. Эти схемы основаны на особом соединении МОП-транзистора М и по меньшей мере одного ПТУП-транзистора J (см. фиг.1). Переключатели подсоединяются между первым выводом 1 и вторым выводом 2 и управляются через управляющий вывод 7 МОП-транзистора М. В таком переключающем устройстве, рассчитанном на работу при высоких напряжениях и основанном на каскодной схеме, предусматривают использование нескольких последовательно включенных ПТУП-транзисторов J…J, чтобы за счет этого достичь высокого запирающего напряжения. При этом чтобы обеспечить защиту указанных ПТУП-транзисторов, к выводам затворов этих транзисторов подсоединяют диоды, а именно защитные диоды D-D, работающие в запирающем режиме. Защитные диоды соединяют между собой выводы затворов ПТУП-транзисторов, или говоря другими словами, каждый из них подсоединен между соответствующим выводом затвора и общим выводом 1, имеющим потенциал земли, с которым также соединен МОП-транзистор. Принцип действия защитных диодов D-D для защиты ПТУП-транзисторов раскрыт в патенте US 6822842.
1
5
6
Из-за разной или слишком высокой емкости перехода защитных диодов D-D на ПТУП-транзисторах может возникнуть неравномерное распределение запирающего напряжения. В частности, на самом верхнем ПТУП-транзисторе J (см. фиг.1) присутствует емкость, отличающаяся от емкостей, имеющихся на выводах затворов нижних ПТУП-транзисторов. Такая неодинаковая нагрузка выводов затворов может сильно повлиять на динамическое распределение запирающего напряжения и привести к тому, что самый верхний транзистор возьмет на себя все напряжение между выводами, и в самом неблагоприятном случае он даже может разрушиться.
Сущность изобретения
В связи с вышесказанным задача данного изобретения заключается в том, чтобы создать такое переключающее устройство с последовательным соединением ПТУП-транзисторов вышеназванного типа, которое лишено перечисленных недостатков.
Эта задача решена путем разработки переключающего устройства с последовательным включением ПТУП-транзисторов, характеризующегося признаками пункта 1 формулы изобретения.
Предложенное переключающее устройство для переключения тока между первым выводом и вторым выводом содержит по меньшей мере два последовательно соединенных ПТУП-транзистора, из которых самый нижний ПТУП-транзистор соединен с первым выводом или соединен с первым выводом через последовательно включенные управляющие выключатели. Имеется по меньшей мере один дополнительный ПТУП-транзистор, последовательно соединенный с самым нижним ПТУП-транзистором, причем ПТУП-транзистор, наиболее удаленный от самого нижнего ПТУП-транзистора и называемый самым верхним ПТУП-транзистором, через свой вывод стока соединен с указанным вторым выводом. Между выводами затворов ПТУП-транзисторов и первым выводом подключена стабилизирующая схема для стабилизации напряжения затворов ПТУП-транзисторов. При этом между выводом затвора самого верхнего ПТУП-транзистора и вторым выводом подключена дополнительная схема, которая подтягивает потенциал на выводе затвора самого верхнего ПТУП-транзистора к потенциалу на выводе стока этого транзистора и уменьшает разность потенциалов.
Благодаря этому при включенном самом верхнем ПТУП-транзисторе напряжение на затворе поддерживается на уровне, немного превышающем или предпочтительно равном напряжению на выводе истока. В результате, при выключении самый верхний ПТУП-транзистор остается во включенном состоянии дольше, чем без дополнительной схемы. Благодаря этому обстоятельству предотвращается ситуация, при которой все напряжение между первым и вторым выводом приходится на самый верхний ПТУП-транзистор.
При помощи цепи, содержащей стабилизирующую схему и дополнительную схему, вышерасположенные ПТУП-транзисторы при выключении выключаются медленнее, а включаются быстрее, чем нижерасположенные ПТУП-транзисторы, и предпочтительно имеют синхронные моменты включения.
Таким образом, благодаря всей цепи, состоящей из стабилизирующей схемы и дополнительной схемы, балансируется и стабилизируется динамическое распределение запирающего напряжения силового выключателя, основанного на последовательно включенных транзисторах.
Вообще говоря, стабилизирующая схема может для каждого ПТУП-транзистора сама по себе отводить задаваемый ток между выводом его затвора и первым выводом. Дополнительная схема вместе со стабилизирующей схемой создает симметричную нагрузку по напряжению для выводов затворов последовательно включенных ПТУП-транзисторов.
Схему последовательного соединения ПТУП-транзисторов можно реализовать с обеспечением управления самого нижнего ПТУП-транзистора по каскодной схеме. При этом схема последовательного соединения содержит управляющий выключатель, например, МОП-транзистор, подключенный между первым выводом и самым нижним ПТУП-транзистором. В альтернативном случае ПТУП-транзисторами можно управлять по-другому, например, при помощи схемы управления, воздействующей непосредственно на вывод затвора самого нижнего ПТУП-транзистора.
Временную характеристику пассивного управления самым верхним ПТУП-транзистором, если управление осуществляется посредством одного или нескольких дополнительных диодов, можно регулировать, изменяя общую емкость переходов этих последовательно включенных дополнительных диодов. Емкость переходов можно регулировать, меняя количество последовательно включенных дополнительных диодов и/или параметры отдельных дополнительных диодов. Общее запирающее напряжение или напряжение пробоя одного или нескольких диодов между стоком и затвором самого верхнего ПТУП-транзистора выбирают так, чтобы оно было по меньшей мере приблизительно равно соответствующим значениям для остальных ПТУП-транзисторов.
В еще одном предпочтительном варианте изобретения емкость переходов дополнительных диодов поддерживают небольшой, вместо этого посредством отдельных элементов, например конденсаторов, регулируют емкость между вторым выводом и затвором самого верхнего ПТУП-транзистора (а также остальных ПТУП-транзисторов). Благодаря такой дополнительной симметризирующей схеме можно оптимизировать и ускорить переходные процессы при переключении. Соответственно, симметризирующая схема имеет RC-цепочку, расположенную между затворами ПТУП-транзисторов и первым выводом. Например, затворы каждых следующих друг за другом ПТУП-транзисторов соединены через последовательно включенный резистор и дополнительный конденсатор, а затвор самого верхнего ПТУП-транзистора посредством дополнительной RC-цепочки, предпочтительно той же структуры, соединен со вторым выводом.
В другом предпочтительном варианте изобретения затвор каждого ПТУП-транзистора, за исключением самого нижнего ПТУП-транзистора, посредством последовательно подключенных резистора и конденсатора соединен с первым выводом, при этом затвор самого верхнего ПТУП-транзистора соединен со вторым выводом посредством дополнительной схемы, предпочтительно дополнительной RC-цепочки, состоящей из последовательно соединенных резистора и дополнительного конденсатора.
В еще одном предпочтительном варианте изобретения затвор каждого ПТУП-транзистора, за исключением самого нижнего ПТУП-транзистора, посредством последовательно включенных резистора и конденсатора соединен с первым выводом, при этом затворы ПТУП-транзисторов посредством одного или нескольких диодов соединены со вторым выводом. Кроме того, затвор самого верхнего ПТУП-транзистора соединен со вторым выводом посредством дополнительной схемы, предпочтительно дополнительной RC-цепочки, состоящей из последовательно соединенных резистора и дополнительного конденсатора.
В других предпочтительных вариантах изобретения предусмотрен резистор для демпфирования, который используется не для каждого из конденсаторов (или для дополнительного конденсатора), а только для одного или нескольких конденсаторов, предпочтительно в вышерасположенных ПТУП-транзисторах.
В принципе в симметризирующей схеме возможно также параллельное включение резисторов и конденсаторов, однако такая конфигурация сопряжена со статическими потерями вследствие возникающего статичного делителя напряжения.
Симметризирующая схема предпочтительно выполнена таким образом, что переходные процессы, возникающие в этой схеме при переключении, в самом верхнем ПТУП-транзисторе имеют наименьшую постоянную времени, а в самом нижнем ПТУП-транзисторе имеют наибольшую постоянную времени. Соответственно емкость дополнительной RC-цепочки (или дополнительной емкостной цепочки) меньше емкости самой нижней RC-цепочки (или дополнительной емкостной цепочки), соединенной с затвором самого нижнего ПТУП-транзистора. Предпочтительно емкость промежуточных RC-цепочек или емкостных цепочек постепенно уменьшается сверху вниз. Благодаря взаимодействию симметризирующей схемы со стабилизирующей схемой переходные процессы в затворах ПТУП-транзисторов имеют сбалансированные постоянные времени.
В результате по сравнению со схемой без симметризирующей цепи при выключении транзисторов или ПТУП-транзисторов потенциал вывода затвора в вышерасположенных ПТУП-транзисторов достигает напряжения отсечки относительно соответствующего вывода истока в течение более длительного времени. Вследствие этого верхние ПТУП-транзисторы остаются включенными в течение более длительного времени, чем нижние ПТУП-транзисторы, и соответственно, верхние ПТУП-транзисторы выключаются медленнее. Наоборот, при включении верхние ПТУП-транзисторы включаются быстрее, чем без дополнительной схемы и симметризирующей схемы. В идеальном случае обеспечивается совершенно синхронное включение и выключение всех ПТУП-транзисторов.
Благодаря соответствующему выполнению симметризирующей схемы временные характеристики процессов, протекающих в отдельных переключателях, согласованы друг с другом, так что рассматриваемое переключающее устройство в целом обладает максимально сбалансированными характеристиками, то есть оно обеспечивает как можно более одновременное переключение отдельных ПТУП-транзисторов.
В еще одном варианте изобретения управляющий выключатель, например, МОП-транзистор, работает в линейном режиме. В результате обеспечивается демпфирование колебаний, возникающих из-за емкости перехода.
Таким образом, вместе с дополнительной схемой и симметризирующей схемой стабилизирующая схема образует между первым и вторым выводом динамический делитель напряжения, который при коммутационных процессах выравнивает нагрузку ПТУП-транзисторов по напряжению. По сравнению с известными силовыми выключателями или переключающими устройствами, предназначенными для переключения высоких рабочих напряжений, балансировка динамичной нагрузки транзисторов по запирающему напряжению существенно улучшается благодаря добавлению дополнительной схемы, например, дополнительных диодов. Кроме того, в предпочтительном варианте изобретения ее можно целенаправленно оптимизировать при помощи RC-цепей.
Остальные предпочтительные варианты изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение описано более подробно на примере предпочтительных вариантов его осуществления, проиллюстрированных приложенными чертежами, из которых:
фиг.1 изображает схему последовательного соединения ПТУП-транзисторов, соответствующую известному уровню техники;
фиг.2 иллюстрирует первый вариант изобретения;
фиг.3 иллюстрирует второй вариант изобретения;
фиг.4 иллюстрирует еще один вариант изобретения.
Номера позиций, используемых на чертежах, и соответствующие им значения указаны в перечне ссылочных обозначений. При этом одинаковые элементы обозначены на чертежах одинаковыми номерами позиций.
Варианты изобретения
1
1
2
6
6
11
13
21
23
51
53
11
53
11
53
11
53
На фиг.1 представлено переключающее устройство высокого рабочего напряжения. Оно содержит каскодную схему соединения МОП-транзистора М с первым или самым нижним ПТУП-транзистором J и подключенными последовательно с этим первым ПТУП-транзистором J одним или несколькими дополнительными ПТУП-транзисторами J-J. Таким образом, самый нижний или первый ПТУП-транзистор управляется в данной каскодной схеме МОП-транзистором, действующим как управляющий выключатель. Последний ПТУП-транзистор из последовательно включенных ПТУП-транзисторов, т.е. транзистор, наиболее удаленный от первого ПТУП-транзистора, также называют самым верхним ПТУП-транзистором J. На этом чертеже в качестве примера показаны шесть ПТУП-транзисторов, однако согласно другим вариантам изобретения их может быть два или больше. Для стабилизации напряжения на затворах ПТУП-транзисторов предусмотрена стабилизирующая схема 3. В этой схеме между затворами каждой пары следующих друг за другом ПТУП-транзисторов имеется последовательное подключение защитных диодов D-D, D-D,…D-D, действующих в запирающем направлении. Количество защитных диодов D-D, подсоединенных последовательно друг другу, зависит от требуемого запирающего напряжения этих защитных диодов D-D. Говоря в общем, между затворами каждых двух следующих друг за другом ПТУП-транзисторов может иметься один или несколько защитных диодов D-D. В других вариантах изобретения используются не диоды, а иные коммутирующие элементы.
2
6
GS,2
GS,6
GS,2
GS,6
Между затвором и истоком каждого ПТУП-транзистора J-J, за исключением первого ПТУП-транзистора, подключены полупроводниковые стабилитроны (на фиг.1: Z-Z) или резисторы (на фиг.2: Z-Z). Эти стабилитроны и резисторы стабилизируют напряжение соответствующего затвора в стационарном состоянии.
61
62
63
61
62
63
6
Для выравнивания напряжения нагрузки ПТУП-транзисторов между затвором и выводом стока самого верхнего ПТУП-транзистора подключена дополнительная схема 4. В соответствии с фиг.2 эта схема содержит последовательное включение трех дополнительных диодов D, D, D, действующих в запирающем направлении. Благодаря указанным диодам потенциал вывода затвора самого верхнего ПТУП-транзистора подтягивается к потенциалу на выводе стока этого транзистора. В результате, напряжение, приложенное между выводом стока и выводом затвора, уменьшается. Дополнительные диоды D, D, D обеспечивают симметричную нагрузку на выводах затворов и стабилизируют распределение запирающего напряжения. Кроме того, эти диоды действуют в качестве защитного элемента для самого верхнего ПТУП-транзистора J, защищая его от перенапряжения между стоком и затвором.
Вместо дополнительных диодов в дополнительной схеме можно использовать другие коммутирующие элементы, приводящие к тому же результату, например, один, два или большее число последовательно включенных диодов, резистор, конденсатор или RC-цепочку.
11
53
St,1
St,5
Tu,1
Tu,5
В предпочтительном варианте изобретения между затворами каждой пары следующих друг за другом ПТУП-транзисторов параллельно одному или нескольким защитным диодам D-D подключена RC-цепочка, состоящая из последовательно подсоединенных резистора или демпфирующего резистора R-R и конденсатора С-С. В этом случае параллельно дополнительной схеме 4 между затвором и выводом стока самого верхнего ПТУП-транзистора подключена аналоговая цепь, предпочтительно RC-цепочка той же структуры. Вместе все вышеназванные RC-цепочки образуют симметризирующую схему 5.
61
62
63
St,1
St,6
Tu,1
Tu,6
В этом случае вся схема имеет от 1 до n дополнительных диодов D, D, D и пассивную RC-цепочку из демпфирующих резисторов R-R и конденсаторов С-С.
Tu,1
Tu,6
st,1
st,6
Tu,1
Tu,6
Благодаря последовательному включению диодов можно сохранить небольшую общую емкость перехода, добавляемую между каждыми выводами затворов. Этот дает возможность, благодаря дополнительным конденсаторам С…С оптимизировать динамическое распределение запирающего напряжения или регулировать его независимо от емкостей перехода. При этом дополнительные демпфирующие резисторы R…R позволяют демпфировать колебания, вызванные дополнительными конденсаторами С…С.
1
6
11
53
6
6
61
63
61
63
St,6
Tu,6
St,1
St,6
Tu,1
Tu,6
На фиг.3 показан альтернативный предпочтительный вариант изобретения, при котором затворы ПТУП-транзисторов J-J друг с другом не соединены, но каждый из них по отдельности посредством своей цепи, состоящей из защитных диодов D-D и RC-цепочки, соединен с первым выводом 1. Как и в варианте изобретения, показанном на фиг.2, вывод затвора G самого верхнего ПТУП-транзистора J соединен через дополнительную цепь 4 со вторым выводом 2. И в этом случае дополнительная цепь 4 может содержать один или несколько последовательно включенных дополнительных диодов D-D или другие коммутирующие элементы, или дополнительные диоды D-D, скомбинированные с последовательной RC-цепочкой R, C. И в этом случае оптимальные сами по себе и примененные для оптимизации RC-цепочки R…R и С…С вместе образуют симметризирующую схему 5.
1
6
11
23
11
23
61
63
61
63
St,6
Tu,6
St,1
t,6
Tu,1
Tu,6
На фиг.4 показан еще один вариант изобретения, при котором затворы ПТУП-транзисторов J-J друг с другом не соединены, но каждый из них по отдельности соединен со своей цепью, состоящей из защитных диодов D-D, и с одним или несколькими дополнительными диодами 6, которые соединяют соответствующий вывод затвора со вторым выводом, кроме того они соединены с первым выводом 1 через RC-цепочку. Защитные диоды D-D и дополнительные диоды 6 образуют для каждого напряжения затвора делитель напряжения, отдельно параметризируемый в отношении уровня напряжения и динамических свойств (постоянных времени). Вместо показанных на чертеже отдельных дополнительных диодов 6 можно использовать несколько последовательно включенных диодов. Как и в варианте, показанном на фиг.3, в этом случае дополнительная цепь 4 также может содержать один или несколько последовательно включенных дополнительных диодов D-D или другие коммутирующие элементы, или дополнительные диоды D-D, скомбинированные с последовательной RC-цепочкой R, С. И в этом случае оптимальные сами по себе и примененные для оптимизации RC-цепочки R…RS и C…С вместе образуют симметризирующую схему 5.
Предложенную схему, описанную в настоящем изобретении в целом, а также в конкретных примерах его выполнения, можно применять не только для рассмотренных здесь n-канальных ПТУП-транзисторов, но также при соответствующих изменениях, и для p-канальных ПТУП-транзисторов.