CN106300929B

CN106300929B - 开关电路

Info

Publication number: CN106300929B
Application number: CN201510262220.6A
Authority: CN
Inventors: 蔡超峰
Original assignee: Delta Electronics Inc
Current assignee: Delta Electronics Inc
Priority date: 2015-05-21
Filing date: 2015-05-21
Publication date: 2019-03-15
Anticipated expiration: 2035-05-21
Also published as: TW201642590A; US20160344381A1; US9917574B2; CN106300929A; TWI562538B

Abstract

本发明提供了一种开关电路，开关电路包含常通型开关元件、常闭型开关元件、开关单元以及电源。常闭型开关元件的漏极与常通型开关元件的源极电性连接，该常闭型开关元件的源极与常通型开关元件的栅极电性连接。电源与开关单元组成串联支路，串联支路的第一端与常闭型开关元件的漏极电性连接，串联支路的第二端与常闭型开关元件的源极电性连接。本发明通过设置开关单元的电路设计，稳定控制常通型开关元件的栅极电位，并保持高速的开关性能。

Description

开关电路

技术领域

本发明涉及一种开关电路，特别涉及一种功率开关电路。

背景技术

近来，随着传统硅功率半导体开关性能接近硅材料本身的理论极限，采用如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等半导体材料的宽禁带功率半导体(Wide Bandgap PowerSemiconductor)的常通型(normally on)开关元件的技术正在快速地发展当中。

然而，采用上述半导体材料的常通型开关元件不论是采取传统的直接驱动方式或是采用高压常通型开关元件与低压常闭型开关元件级联(cascode)的间接驱动方式，都存在各自的缺陷。例如目前普遍采用的级联驱动方式，在小电流下高压常通型开关元件的关断速度较慢，且无法直接控制高压常通型开关元件栅源极之间的偏压，提高高压常通型开关元件击穿损坏的风险。此外，显著的低压常闭型开关元件寄生电容的额外反向恢复(reverse recovery)导致的损耗亦使得此类元件难以应用在高频电路当中。

因此，如何能改善常通型开关元件在不同工作电流条件下的开关反应速率，同时稳定控制高压常通型开关元件的栅极电位并改善反向恢复的损耗，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前相关领域极需改进的目标。

发明内容

为了解决上述的问题，本发明的一方面在于提供一种开关电路。开关电路包含常通型开关元件、常闭型开关元件、开关单元以及电源。常闭型开关元件的漏极与常通型开关元件的源极电性连接，常闭型开关元件的源极与常通型开关元件的栅极电性连接。电源与开关单元组成串联支路，串联支路的第一端与常闭型开关元件的漏极电性连接，串联支路的第二端与常闭型开关元件的源极电性连接。

在本发明一实施例中，开关单元的第一端与常闭型开关元件的漏极电性连接，开关单元的第二端与电源的第一端电性连接，而电源的第二端与常闭型开关元件的源极电性连接。

在本发明一实施例中，电源的第一端与常闭型开关元件的漏极电性连接，电源的第二端与开关单元的第一端电性连接，而开关单元的第二端与常闭型开关元件的源极电性连接。

在本发明一实施例中，电源提供直流电位，且直流电位的数值满足下列公式：

－V_{TH_M1}≦VDD≦－V_{MIN_GATE}；

其中，VDD为该直流电位，V_{TH_M1}为常通型开关元件的栅极阈值电压，而V_{MIN_GATE}为常通型开关元件的栅极电压安全范围的下限值。

在本发明一实施例中，常闭型开关元件以及开关单元的耐压值满足下列公式：

VDD≦V_BR。

其中，VDD为该直流电位，V_BR为常闭型开关元件以及开关单元的耐压值。

在本发明一实施例中，开关单元为单向导电元件。

在本发明一实施例中，开关单元为二极管或是栅极与源极短接的金氧半场效晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)。

在本发明一实施例中，常通型开关元件的漏极为输入端，常闭型开关元件的源极为输出端，而常闭型开关元件的栅极用以接收控制信号，以控制开关电路的导通或关断。

在本发明一实施例中，常闭型开关元件以及开关单元为N型金氧半场效晶体管，开关单元的源极与常闭型开关元件的漏极电性连接。电源提供直流电位，开关单元的漏极与电源的正极电性连接，常闭型开关元件的源极与电源的负极电性连接。在开关电路的关断过程中，在第一时间，常闭型开关元件的栅极电位由高电位转为低电位，而在第一时间之后的第二时间，开关单元的栅极电位由低电位转为高电位。

在本发明一实施例中，在开关电路的开通过程中，在第三时间，开关单元的栅极电位由高电位转为低电位，而在第三时间之后的第四时间，常闭型开关元件的栅极电位由低电位转为高电位

在本发明一实施例中，第一时间与第二时间的时间差以及第三时间与第四时间的时间差的值介于约0.01纳秒(ns)至约1微秒(us)之间。

在本发明一实施例中，电源提供直流电位，且开关电路更包含电容、控制单元以及保护单元。其中电容与电源并联，控制单元电性连接开关单元的栅极以及常闭型开关元件的栅极。保护单元电性连接电源、电容以及控制单元，保护单元用以监控直流电位的电压值，当直流电位的电压值低于欠压保护电压值时，保护单元输出保护信号，控制单元根据保护信号关断常闭型开关元件。

在本发明一实施例中，常闭型开关元件为N型金氧半场效晶体管，开关单元为N型金氧半场效晶体管，其中控制单元分别输出第一控制信号和第二控制信号至常闭型开关元件以及开关单元的栅极，用以控制常闭型开关元件和开关单元的导通和关断。

在本发明一实施例中，欠压保护电压值满足下列公式：

－V_{TH_M1}≦V_UV；

其中，V_{TH_M1}为常通型开关元件的栅极阈值电压，V_UV为该欠压保护电压值。

在本发明一实施例中，开关电路更包含单向导电元件。单向导电元件的阳极与保护单元电性连接，而单向导电元件的阴极与电容电性连接。

在本发明一实施例中，开关电路更包含第四开关元件。第四开关元件的第一端与保护单元电性连接，而第四开关元件的第二端与电容电性连接，其中当保护单元监控到直流电位的电压值低于欠压保护电压值时，控制控制单元关断第四开关元件，当开关电路启动时，控制单元导通第四开关单元。

在本发明一实施例中，常闭型开关元件为N型金氧半场效晶体管，开关单元为P型金氧半场效晶体管，其中控制单元输出控制信号至常闭型开关元件和开关单元的栅极，用以控制常闭型开关元件和开关单元的导通和关断。

在本发明一实施例中，更包含电位平移(level shift)单元，电位平移单元用以将该控制信号上拉一平移电位值，输出第二控制信号并将该第二控制信号传送至开关单元的栅极。

在本发明一实施例中，平移电位值满足下列公式：

VDD－V_{TH_M2}+V_{TH_MX}≦V_shift≦VDD+V_{TH_MX}；

其中，V_shift为平移电位值，V_{TH_M2}为常闭型开关元件的栅极阈值电压，V_{TH_MX}为开关单元的栅极阈值电压，VDD为直流电位。

在本发明一实施例中，常通型开关元件、常闭型开关元件以及开关单元于芯片上被实现，且常通型开关元件于芯片上的面积大于常闭型开关元件以及开关单元于芯片上的面积。

在本发明一实施例中，常通型开关元件、常闭型开关元件以及开关单元于芯片上被实现，且常通型开关元件、常闭型开关元件以及开关单元中至少二者集成(integrate)于芯片上。

综上所述，本发明的技术方案与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。通过上述技术方案，可达到相当的技术进步，并具有产业上的广泛利用价值，本发明通过设置开关单元的电路设计，稳定控制高压常通型开关元件的栅极电位，并保持高速的开关性能。

附图说明

图1、图2为根据本发明一实施例所绘示的开关电路的示意图；

图3A～图3C为根据本发明一实施例所绘示的开关电路的示意图；

图4为根据本发明一实施例所绘示的开关电路的示意图；

图5为根据本发明一实施例所绘示的控制信号示意图；

图6为根据本发明一实施例所绘示的开关电路的示意图；

图7A、图7B为根据本发明一实施例所绘示的开关电路的示意图；

图8A、图8B为根据本发明一实施例所绘示的开关电路的示意图；

图9为根据本发明一实施例所绘示的功率开关元件示意图；

图10A～图10E为根据本发明一实施例所绘示的集成芯片的示意图。

其中，附图标记说明如下：

100a～100k：开关电路

120：常通型开关元件

122：漏极

124：源极

126：栅极

130：串联支路

132：第一端

134：第二端

140：常闭型开关元件

142：漏极

144：源极

146：栅极

160：开关单元

180：电源

200：功率开关元件

260：开关单元

262：漏极

264：源极

266：栅极

HG：第二控制信号

LG：第一控制信号

t0～t4：时间

600：控制驱动芯片

620：保护单元

621：保护信号

640：控制单元

660：电位平移单元

720：单向导电元件

740：开关元件

800：芯片

800a～800c：芯片区域

900：芯片

900a～900b：芯片区域

S：源极端

G：栅极端

D：漏极端

C1：电容

VDD：直流电位

Vshift：平移电位值

Vcontrol：控制电压

具体实施方式

下文举实施例配合所附图式作详细说明，以更好地理解本发明的实施例，但所提供的实施例并非用以限制本发明所涵盖的范围，而结构操作的描述并非用以限制其执行的顺序，任何由元件重新组合的结构，所产生具有均等功效的装置，皆为本发明所涵盖的范围。此外，根据业界的标准及惯常做法，图式仅以辅助说明为目的，并未依照原尺寸作图，实际上各种特征的尺寸可任意地增加或减少以便于说明。下述说明中相同元件将以相同的符号标示来进行说明以便于理解。

在说明书与权利要求书所使用的用词(terms)，除有特别注明外，通常具有每个用词使用在此领域中、在此揭露的内容中与特殊内容中的平常意义。某些用以描述本发明的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本发明的描述上额外的引导。

此外，在本文中所使用的用词“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指“包含但不限于”。此外，本文中所使用的“和/或”，包含相关列举项目中一或多个项目的任意一个以及其所有组合。

在本文中，当一元件被称为“连接”或“耦接”时，可指“电性连接”或“电性耦接”。“连接”或“耦接”亦可用以表示两个或多个元件间相互搭配操作或互动。此外，虽然本文中使用“第一”、“第二”、…等用语描述不同元件，该用语仅是用以区别以相同技术用语描述的元件或操作。除非上下文清楚指明，否则该用语并非特别指称或暗示次序或顺位，亦非用以限定本发明。

请参考图1，图1为根据本发明一实施例所绘示的开关电路100a的示意图。在本实施例中，开关电路100a包含常通型开关元件120、常闭型开关元件140、开关单元160以及电源180。如图1所示，常闭型开关元件140的漏极142与常通型开关元件120的源极124电性连接，常闭型开关元件140的源极144与常通型开关元件120的栅极126电性连接，形成级联(cascode)的电路结构。

在结构上，电源180与开关单元160两者串联组成串联支路130，两端分别电性连接至常闭型开关元件140的漏极142和源极144。具体而言，串联支路130的第一端132与常闭型开关元件140的漏极142电性连接，串联支路130的第二端134与常闭型开关元件140的源极144电性连接。

在本实施例中，常通型开关元件120、常闭型开关元件140和开关单元160可以分别采用各种不同类型的晶体管，如金氧半场效晶体管(MOSFET)、双极结型晶体管(BJT)、或是结型场效晶体管(JFET)等等。晶体管材料可选用传统的硅基半导体材料，也可以选用任意的宽禁带半导体材料，如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)和金刚石等等。

在本实施例中，电源180可以是直流电源，亦可以认为由其他元件(如：解耦电容或直流电源与解耦电容并联连接电路等)实现，以提供直流电位VDD。为确保开关电路100a的正常运作，直流电位VDD的范围取决于常通型开关元件120的栅极阈值电压V_{TH_M1}和常通型开关元件120的栅极电压安全范围的下限值V_{MIN_GATE}。

具体来说，在本实施例中直流电位VDD的数值须满足下列公式：

-V_{TH_M1}≦VDD≦-V_{MIN_GATE}；

以保护常通型开关元件120栅极126的电压准位处于安全范围内，避免栅极击穿的现象发生，其具体操作将于以下段落详细说明。

当控制电路要关断开关电路100a时，首先，常闭型开关元件140的栅极146(即：开关电路100a的栅极G)接收到控制电路的控制信号，使得常闭型开关元件140关断。此时，常闭型开关元件140的漏极142和源极144之间电压差开始升高，换言之，常通型开关元件120的栅极126和源极124之间电压差开始逐步降低。

当常通型开关元件120的栅极126和源极124之间电压差低于栅极阈值电压V_{TH_M1}时，常通型开关元件120从导通切换至关断状态。由于常通型开关元件120存在栅源极间的寄生电容，当栅源极间的寄生电容进一步被充电时，常闭型开关元件140的漏极142的电位进一步继续升高，使得常通型开关元件120的栅极126和源极124之间所承受的电压差逼近安全范围的下限值V_{MIN_GATE}。

此时，开关单元160开通使得串联支路130导通，将常闭型开关元件140的漏极142和源极144之间电压差限制在直流电位VDD，避免常通型开关元件120的栅极126和源极124之间电压差过大导致常通型开关元件120损坏。

换言之，串联支路130导通时，常通型开关元件120的栅极126和源极124之间电压差(即：直流电位VDD的负值，－VDD)的电位必须小于栅极阈值电压V_{TH_M1}，使得常通型开关元件120维持关断，也必须大于栅极电压安全范围的下限值V_{MIN_GATE}，以免常通型开关元件120损坏，即：

V_{MIN_GATE}≦－VDD≦_{VTH_M1}

上式经移项整理后，直流电位VDD的范围可以表示为：

－V_{TH_M1}≦VDD≦－V_{MIN_GATE}。

值得注意的是，由于常通型开关元件120本身为常通型元件，上述表示式中的栅极阈值电压V_{TH_M1}和栅极电压安全范围的下限值V_{MIN_GATE}皆为负值。

如此一来，通过适当设置直流电位VDD，便能控制常通型开关元件120的栅极126电位，避免开关电路100a内的元件损坏。

值得注意的是，为确保开关电路100a能正常运作，常闭型开关元件140以及开关单元160所能承受的耐压值V_BR须大于电源180的直流电位VDD。换言之，常闭型开关元件140以及开关单元160的耐压值V_BR与直流电位VDD须满足下列公式：

VDD≦V_BR。

在图1所示的实施例中，开关单元160的第一端(即串联支路130的第一端132)与常闭型开关元件140的漏极142电性连接，开关单元160的第二端与电源180的第一端(如：正极端)电性连接，而电源180的第二端(如：负极端，即串联支路130的第二端134)与常闭型开关元件140的源极144电性连接，以组成串联支路130。然而本发明并不以此为限，串联支路130可以通过多种不同的连接方式实现。

举例来说，图2所示的实施例亦为本发明的一种实施例。图2为根据本发明另一实施例所绘示的开关电路100b的示意图。相较于图1，在图2所示的实施例中，电源180的第一端(如：正极端，即串联支路130的第一端132)与常闭型开关元件140的漏极142电性连接，电源的第二端(如：负极端)与开关单元160的第一端电性连接，而开关单元160的第二端(即串联支路130的第二端134)与常闭型开关元件140的源极144电性连接，以组成串联支路130。

本实施例中的开关电路100b亦可通过适当设置直流电位VDD控制常通型开关元件120的栅极126电位，避免开关电路100b内的元件损坏，其具体操作方法相似于图1所示的实施例，于此不再赘述。

图1和图2所示实施例中的开关单元160可由多种不同方式实作。具体的实作方式请参考图3A图和图3B。图3A为根据本发明另一实施例所绘示的开关电路100c的示意图。相较于图1，在图3A所示的实施例中，开关单元160为单向导电元件。在本实施例中，当常闭型开关元件140的漏极142的电压升高，且漏极142和源极144之间电压差升高超过直流电位VDD时，开关单元160、260便会自动导通串联支路130，将常闭型开关元件140的漏极142和源极144之间电压差限制在直流电位VDD，避免常通型开关元件120的栅极126和源极124之间电压差过大导致常通型开关元件120损坏。

如图3A所示，单向导电元件可以采用本领域技术人员所熟知的各种二极管元件。如图中所示，开关单元160的第一端(如：阳极)电性连接于常通型开关元件120的源极124，开关单元160的第二端(如：阴极)电性连接于电源180的正极。

图3B为根据本发明另一实施例所绘示的开关电路100d的示意图。相较于图3A，在图3B所示的实施例中，开关单元260由金氧半场效晶体管(MOSFET)实现单向导电的功能。如图3B中所示，开关单元260的栅极266与源极264短接并电性连接于常通型开关元件120的源极124，使得开关单元260正向关断。开关单元260的漏极262电性连接于电源180的正极，利用金氧半场效晶体管的反向导电能力实现单向导电的功能。值得注意的是，虽然本实施例以金氧半场效晶体管(MOSFET)实现单向导电功能，本发明并不以此为限。本领域技术人员可采用各种晶体管开关元件，如结型场效晶体管(JFET)等实现上述功能。

在图3A及图3B所施的实施例中，常通型开关元件120的漏极122(即：D端)为输入端，常闭型开关元件140的源极144(即：S端)为输出端，而常闭型开关元件140的栅极146(即：G端)用以接收控制信号，以控制开关电路100c、100d的导通。

以图3B所示的实施例为例，当常闭型开关元件140的栅极146接收到关断开关电路100d的控制信号时，首先常闭型开关元件140直接关断并开始承受电压，使得漏极142以及源极144之间的电压逐渐升高。由于常通型开关元件120的栅极126与源极124之间的电压为漏极142以及源极144之间的电压的相反值，随着漏极142以及源极144之间的电压逐渐升高，栅极126与源极124之间的电压将被逐渐拉低。当栅极126与源极124之间的电压低于栅极阈值电压V_{TH_M1}时，常通型开关元件120关断，并开始承受漏极122以及源极124之间的电压。

由于常通型开关元件120的漏极122与源极124之间存在寄生电容Cds，随着寄生电容Cds被充电，常闭型开关元件140的漏极142以及源极144之间的电压进一步地升高，使得常通型开关元件120的栅极126与源极124之间的电压接近栅极电压安全范围的下限值V_{MIN_GATE}。

当常闭型开关元件140的漏极142以及源极144之间的电压大于直流电位VDD时，开关单元160(或开关单元260)将会导通串联支路130，使得常闭型开关元件140的漏极142以及源极144之间的电压维持在直流电位VDD。如此一来，常通型开关元件120的栅极126与源极124之间的电压便维持在直流电位VDD的负值(即：－VDD)，不会进一步下降。

如先前段落中所述，由于直流电位VDD被设置为大于栅极阈值电压的负值(即：－V_{TH_M1})，小于栅极电压安全范围的下限值V_{MIN_GATE}的负值(即：－V_{MIN_GATE})，因此间接确保了栅极126与源极124之间的电压(即：－VDD)不会小于栅极电压安全范围的下限值V_{MIN_GATE}，使得常通型开关元件120的电位维持在安全准位，避免开关电路100d内的元件损坏。

另一方面，当常闭型开关元件140的栅极146接收到导通开关电路100d的控制信号时，首先常闭型开关元件140直接导通并使得漏极142以及源极144之间的电压开始降低，常通型开关元件120的栅极126与源极124之间的电压也就从负值开始逐渐上升超过栅极阈值电压V_{TH_M1}，进而使得常通型开关元件120导通。如此一来，便能顺利导通开关电路100d。电源180并不会在导通过程中造成影响。

通过电源180所设置的直流电位VDD配合单向导电的开关单元260(或开关单元160)，常通型开关元件120的电位可以控制在安全的范围内，使得常闭型开关元件140的选择更为自由。举例来说，可以选用寄生参数较小的常闭型开关元件140加快常通型开关元件120的关断速度，降低系统的整体损耗。

值得注意的是，图3A与图3B中所示的具有单向导通能力的开关单元160、260亦可应用于图2所示的电路当中。请参考图3C。图3C为根据本发明另一实施例所绘示的开关电路100e的示意图。在本实施例中，开关单元160的第一端(如：阳极)电性连接于电源180的负极，开关单元160的第二端(如：阴极)电性连接于常闭型开关元件140的源极144，以达到相似的控制效果。本领域的技术人士可了解开关单元160应用于图2所示的电路时，与应用于图1所示的电路时具有相对称的结构并达成相似的功能，在此不作赘述。

请参考图4。图4为根据本发明另一实施例所绘示的开关电路100f示意图。

如图4所示，常闭型开关元件140以及开关单元260为N型金氧半场效晶体管，其中常闭型开关元件140根据控制信号LG进行开通或关断，开关单元260根据控制信号HG进行开通或关断。开关单元260的源极264与常闭型开关元件140的漏极142电性连接。电源180提供直流电位VDD，开关单元260的漏极262与电源180的正极电性连接，常闭型开关元件140的源极144与电源180的负极电性连接。

请一并参考图5，图5为根据本发明一实施例所绘示的控制信号LG、HG示意图。为了方便说明起见，控制信号LG、HG分别控制常闭型开关元件140以及开关单元260的导体或关断的具体作法，将配合图4所示的实施例进行说明，但本发明并不以此为限。

如图5所示，用以控制常闭型开关元件140的第一控制信号LG与用以控制开关单元260的第二控制信号HG时序相反。换言之，当常闭型开关元件140关断时，开关单元260处于导通状态，相对地，当常闭型开关元件140导通时，开关单元260处于关断状态。此外，如图中所示，为确保常闭型开关元件140与开关单元260不会同时导通导致电源180形成短路，在控制信号LG、HG的边缘须预留死区时间(dead time)。

换言之，在开关电路100f的关断过程中，在第一时间t1，常闭型开关元件140的栅极146电位(即：第一控制信号LG)由高电位转为低电位，而在第一时间t1之后的第二时间t2，开关单元260的栅极266电位(即：第二控制信号HG)由低电位转为高电位。在第一时间t1与第二时间t2之间的区段即为预留的死区时间。

相似地，在开关电路100f的开通过程中，在第三时间t3，开关单元260的栅极266电位(即：第二控制信号HG)由高电位转为低电位，而在第三时间t3之后的第四时间t4，常闭型开关元件140的栅极146电位(即：第一控制信号LG)由低电位转为高电位。在第三时间t3与第四时间t4之间的区段即为预留的死区时间。

当开关电路100f应用于不同电流等级时，预留的死区时间，也就是第一时间t1与第二时间t2的时间差以及第三时间t3与第四时间t4的时间差的值介于约0.01纳秒(ns)至约1微秒(us)之间。

如此一来，在开关电路100f的关断过程中，经过死区时间之后，开关单元260在第二时间t2导通，使得辅助驱动电流从电源180流入，加速对常闭型开关元件140漏极142与源极144之间的寄生电容充电，也加速常通型开关元件120栅极126与源极124之间的寄生电容充电，以加速常通型开关元件120关断。

此外，与前述实施例相似地，在常通型开关元件120关断后，由于开关单元260导通，将常闭型开关元件140漏极142与源极144之间的电压嵌位在直流电位VDD，因此间接确保了栅极126与源极124之间的电压(即：－VDD)不会小于栅极电压安全范围的下限值V_{MIN_GATE}，使得常通型开关元件120的电位维持在安全准位，避免开关电路100f内的元件损坏。

另一方面，在开关电路100f的导通过程中，开关单元260在第三时间t3关断，之后经过一段死区时间之后，常闭型开关元件140接着被导通。由于当常闭型开关元件140导通时开关单元260已经关断，电源180并不会在导通过程中造成影响。开关电路100f的导通过程与前述实施例类似，在此不再赘述。

值得注意的是，在常闭型开关元件140导通，开关单元260关断的情形下，常通型开关元件120的栅极不存在明显偏压而使得常通型开关元件120自然导通时，反向电流可以反向流经常闭型开关元件140的通道，开关电路100f具备反向导通的功能以及同步整流的能力。

相对地，在常闭型开关元件140关断，开关单元260导通的情形下，常通型开关元件120处于正向关断状态。若是常通型开关元件120自身具备反向导通能力(如：金氧半场效晶体管(MOSFET)、结型场效晶体管(JFET)、快速电子迁移晶体管(High electron mobilitytransistor，HEMT)等等)，反向电流便能流经电源180、开关单元260以及常通型开关元件120所形成的通路以实现续流功能。由于在此通路中，反向电流不会流经任何半导体元件的寄生二极管，因此解决了少数载流子储存(minority carrier storage)效应所造成的反向恢复(reverse recovery)问题。

如此一来，通过上述开关电路100f的电路结构以及控制信号LG、HG的相应操作，在本实施例中，不仅保护了常通型开关元件120的栅极安全、加速常通型开关元件120开关速度，在实现反向续流功能的同时也实现了无少子存储或反向恢复的性能，同时也消除了常闭型开关元件140自身存在寄生二极管情况下的反向恢复问题。此外，当常闭型开关元件140关断时，常通型开关元件120栅极126与源极124之间的电压被电源180通过导通的开关单元260嵌位，可以避免常通型开关元件120在实现软开关时提前导通导致开关电路100f操作异常，确保开关电路100f的正常操作。

请参考图6。图6为根据本发明另一实施例所绘示的开关电路100g示意图。在本实施例中，电源180提供直流电位VDD，且开关电路100g更包含电容C1、控制单元640以及保护单元620，其中电容C1与电源180并联连接。控制单元640电性连接开关单元260的栅极266以及常闭型开关元件140的栅极146。保护单元620电性连接电源180、电容C1以及控制单元640。于本实施例中，常闭型开关元件140和开关单元260均为N型金氧半场效晶体管。

控制单元640用以分别输出第一控制信号VLG和第二控制信号VHG给常闭型开关元件以及开关单元260，以分别控制常闭型开关元件140以及开关单元260的导通与关断。

电容C1作为解耦电容使用，用以提供高频电流。保护单元620用以监控直流电位VDD的电压值，当直流电位VDD的电压值低于欠压保护电压值V_UV时，保护单元620输出保护信号621，控制单元640根据保护信号621关断常闭型开关单元140，亦即，控制单元640输出的第一控制信号VLG由高电位转为低电位，使得常闭型开关元件140被关断。在本实施例中，保护单元620为欠压保护单元，欠压保护单元将欠压保护电压值V_UV设置为大于常通型开关元件120的栅极阈值电压V_{TH_M1}的负值。换言之，欠压保护电压值V_UV满足下列公式：

－V_{TH_M1}≦V_UV。

如此一来，一旦当直流电位VDD下降而低于欠压保护电压值V_UV时，控制单元640控制常闭型开关元件140关断。由于此时常通型开关元件120的栅极电位(即：－VDD)仍大于栅极阈值电压V_{TH_M1}，因此常通型开关元件120仍然维持导通。此时，大量的电荷可经由导通的常通型开关元件120逆向流经导通的开关单元260，对并联的电源180和电容C1充电，直到直流电位VDD的电压值回升至足以关断常通型开关元件120的准位。

此外，上述电路结构亦可以在开关电路上电时作为启动电路向电源180和电容C1充电。由于在开关电路上电时常通型开关元件120自然导通，因此可以通过上述控开关单元260给电容C1和电源180充电，提升直流电位VDD的电压值。

请参考图7A。图7A为根据本发明另一实施例所绘示的开关电路100h示意图。在部份实施例中如电源180损坏、短路等异常情况下，为避免电流无限制地向电源180充电，开关电路100h可进一步串联如图7A中所示的单向导电元件720。

在本实施例中，单向导电元件720的阳极与保护单元620的第一端电性以及电源180连接，而单向导电元件720的阴极2与电容C1电性连接。当电源180的供电电压在上电瞬间或者其他异常情况下过低，不在满足前述-VTH_M1≦VDD的条件时，通过单向导电元件720的阻挡，可以避免电流从主回路通过常通型开关元件120和开关大单元260流向电源180的风险，但是从主回路中灌入的电荷仍能对电容C1充电，以提高关断常通型开关元件120所需的直流电位VDD。需要说明的是，本实施例中，主回路指得是常通型开关元件120以及常闭型开关元件140构成的电路。

请参考图7B。图7B为根据本发明另一实施例所绘示的开关电路100i示意图。本实施例中第四开关元件740可用以取代图7A中的单向导电元件720，避免电流向电源180充电。第四开关元件740的第一端与电源180和保护单元620的第一端电性连接，而第四开关元件740的第二端与电容C1电性连接，其中保护单元620更用以当直流电位VDD的电压值低于欠压保护电压值V_UV时，控制单元640关断第四开关元件740。

如此一来，第四开关元件740便可用以在直流电位VDD的电压值低于欠压保护电压值V_UV关断，阻挡电流向电源180充电；而在其他情况，如开关电路启动时(亦即，主电路电压开始建立，而此时电源180尚未完成启动)控制单元640导通第四开关元件740，从主回路引入电流向电源180和电容C1充电。

值得注意的是，开关单元260以及常闭型开关元件140皆可根据实际需求选择适当的晶体管实作。举例来说，开关单元260亦可选用P型金氧半场效晶体管或是结型场效晶体管实现相似的功能和驱动效果。

请参考图8A。图8A为根据本发明另一实施例所绘示的开关电路100j示意图。在本实施例中，常闭型开关元件140为N型金氧半场效晶体管，开关单元260为P型金氧半场效晶体管。

在本实施例中，由于开关单元260采用P型金氧半场效晶体管，而常闭型开关元件140和开关单元260的工作状态又相互对称(即：当常闭型开关元件140关断时，开关单元260处于导通状态，相对地，当常闭型开关元件140导通时，开关单元260处于关断状态)，因此，控制单元640输出控制信号Vcontrol至常闭型开关元件140和开关单元260的栅极，用以控制常闭型开关元件140和开关单元260的导通和关断，亦即，用以控制常闭型开关元件140的控制信号与用以控制开关单元260的控制信号简化成单一个控制信号。

值得注意的是，于本实施例中，开关单元260的栅极阈值电压V_{TH_MX}与常闭型开关元件140的栅极阈值电压V_{TH_M2}与直流电位VDD须相互匹配，避免开关单元260与常闭型开关元件140同时导通，导致电容C1和电源180短路。具体来说，栅极阈值电压V_{TH_MX}与栅极阈值电压V_{TH_M2}满足下列公式：

VDD≦V_{TH_M2}－V_{TH_MX}

其中需注意的是，由于常闭型开关元件140为N型金氧半场效晶体管，开关单元260为P型金氧半场效晶体管，因此常闭型开关元件140的栅极阈值电压V_{TH_M2}为正值，开关单元260的栅极阈值电压V_{TH_MX}为负值。

在栅极阈值电压V_{TH_MX}与栅极阈值电压V_{TH_M2}无法匹配的情况下，开关电路100a可通过设置电位平移单元避免开关单元260与常闭型开关元件140同时导通。

请参考图8B。图8B为根据本发明另一实施例所绘示的开关电路100k示意图。在本实施例中，开关电路100k更包含电位平移单元660，电位平移单元660用以将控制电压Vcontrol上拉一平移电位值Vshift，并将上拉后的第二控制信号(即：Vcontrol+Vshift)传送至开关单元260的栅极266。

具体而言，在本实施例中平移电位值Vshift满足下列公式：

VDD－V_{TH_M2}+V_{TH_MX}≦Vshift≦VDD+V_{TH_MX}；

如此一来，便能确保控制电压Vcontrol不会使得开关单元260与常闭型开关元件140同时导通，并理想地控制开关单元260的导通及关断。

上述多个实施例中的功能单元及开关元件，可以各自独立并通过系统线路相互连接，亦可以使用封装方法整合任意两个或多个功能单元及开关元件。举例来说，在常闭型开关元件140、开关单元260、保护单元620、控制单元640以及电位平移单元660皆采用相同材料(如：硅材料)制成，各个元件便可以通过特定用途集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)进行整合作为控制驱动芯片600，以搭配常通型开关元件120进行操作。

另一方面，由于开关电路操作过程中会有大电流流入常通型开关元件120、常闭型开关元件140以及开关单元260进而产生损耗，且上述开关元件的连接线路对整体系统工作效率有重要影响，因此可将常通型开关元件120、常闭型开关元件140以及开关单元260三者或其中任意两者集成在单一芯片上，作为功率开关元件200实现。

请参考图9。图9为根据本发明一实施例所绘示的功率开关元件200示意图。在本实施例中，常通型开关元件120为常通型氮化镓(Gallium Nitride，GaN)元件、常闭型开关元件140以及开关单元260分别为常闭型氮化镓元件。请一并参考图10A。如图10A所示，常通型开关元件120、常闭型开关元件140以及开关单元260集成在单一个芯片800上，并分别分配不同的芯片区域800a、800b以及800c。在部份实施例中，由于常通型开关元件120为高压开关元件，常闭型开关元件140以及开关单元260为低压开关元件，因此常通型开关元件120于芯片800上的面积(即：芯片区域800a的面积)大于常闭型开关元件140于芯片800上的面积(即：芯片区域800b的面积)以及开关单元260于芯片800上的面积(即：芯片区域800c的面积)。

此外，除了采用区域划分将不同芯片区域分配给不同元件之外，亦可采用分散式间隔排列的方式，如图10B、图10C以及图10D所示。在图10B所示的实施例中，常通型开关元件120与开关单元260集成并以间隔方式排列。在图10C所示的实施例中，常通型开关元件120与常闭型开关元件140集成并以间隔方式排列。在图10D所示的实施例中，常通型开关元件120、常闭型开关元件140以及开关单元260三者集成并以间隔方式排列。在图10B～图10D所示的实施例中，元件就近排列、互相连接以降低寄生参数，使得寄生参数最小化。

此外，如图10E所示，亦可采用混合式的集成方式，同时采用区域划分和分散式间隔排列以符合实际需求。举例来说，在本实施例中常通型开关元件120与开关单元260以间隔方式排列集成(如图10B所示)于芯片900上的芯片区域900a，常闭型开关元件140则分配在芯片900上的芯片区域900b。

综上所述，本发明的技术方案与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。通过上述技术方案，可达到相当的技术进步，并具有产业上的广泛利用价值，本发明通过应用上述实施例，设置开关单元稳定控制高压常通型开关元件的栅极电位，并保持高速的开关性能。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定范围为准。

Claims

1.一种开关电路，包含：

一常通型开关元件；

一常闭型开关元件，其中该常闭型开关元件的漏极与该常通型开关元件的源极电性连接，该常闭型开关元件的源极与该常通型开关元件的栅极电性连接；

一开关单元；以及

一电源，其中该电源与该开关单元组成一串联支路，该串联支路的一第一端与该常闭型开关元件的漏极电性连接，该串联支路的一第二端与该常闭型开关元件的源极直接电性连接。

2.如权利要求1所述的开关电路，其中该开关单元的一第一端与该常闭型开关元件的漏极电性连接，该开关单元的一第二端与该电源的一第一端电性连接，而该电源的一第二端与该常闭型开关元件的源极电性连接。

3.如权利要求1所述的开关电路，其中该电源的一第一端与该常闭型开关元件的漏极电性连接，该电源的一第二端与该开关单元的一第一端电性连接，而该开关单元的一第二端与该常闭型开关元件的源极电性连接。

4.如权利要求1所述的开关电路，其中该电源提供一直流电位，且该直流电位的数值满足下列公式：

-V_{TH_M1}≦VDD≦-V_{MIN_GATE}；

其中，VDD为该直流电位，V_{TH_M1}为该常通型开关元件的栅极阈值电压，而V_{MIN_GATE}为该常通型开关元件的栅极电压安全范围的下限值。

5.如权利要求1所述的开关电路，其中该常闭型开关元件以及该开关单元的耐压值满足下列公式：

VDD≦V_BR

其中，VDD为直流电位，V_BR为该常闭型开关元件以及该开关单元的耐压值。

6.如权利要求1所述的开关电路，其中该开关单元为一单向导电元件。

7.如权利要求6所述的开关电路，其中该开关单元为一二极管或是一栅极与源极短接的金氧半场效晶体管。

8.如权利要求1所述的开关电路，其中该常通型开关元件的漏极为一输入端，该常闭型开关元件的源极为一输出端，而该常闭型开关元件的栅极用以接收一控制信号，以控制该开关电路的导通或关断。

9.如权利要求1所述的开关电路，其中该常闭型开关元件以及该开关单元为N型金氧半场效晶体管，该开关单元的源极与该常闭型开关元件的漏极电性连接；

该电源提供一直流电位，该开关单元的漏极与该电源的正极电性连接，该常闭型开关元件的源极与该电源的负极电性连接；以及

在该开关电路的一关断过程中，在一第一时间，该常闭型开关元件的栅极电位由高电位转为低电位，而在该第一时间之后的一第二时间，该开关单元的栅极电位由低电位转为高电位。

10.如权利要求9所述的开关电路，其中在该开关电路的一开通过程中，在一第三时间，该开关单元的栅极电位由高电位转为低电位，而在该第三时间之后的一第四时间，该常闭型开关元件的栅极电位由低电位转为高电位。

11.如权利要求10所述的开关电路，其中该第一时间与该第二时间的时间差以及该第三时间与该第四时间的时间差的值介于0.01纳秒至1微秒之间。

12.如权利要求1所述的开关电路，其中该电源提供一直流电位，且该开关电路还包含：

一电容，与该电源并联；

一控制单元，电性连接该开关单元的栅极以及该常闭型开关元件的栅极；以及

一保护单元，电性连接该电源、该电容以及该控制单元，该保护单元用以监控该直流电位的电压值，当该直流电位的电压值低于一欠压保护电压值时，该保护单元输出一保护信号，该控制单元根据该保护信号关断该常闭型开关元件。

13.如权利要求12所述的开关电路，其中该常闭型开关元件为N型金氧半场效晶体管，该开关单元为N型金氧半场效晶体管，其中该控制单元分别输出一第一控制信号和一第二控制信号至该常闭型开关元件以及该开关单元的栅极，用以控制该常闭型开关元件和该开关单元的导通和关断。

14.如权利要求12所述的开关电路，其中该欠压保护电压值满足下列公式：

-V_{TH_M1}≦V_UV；

其中，V_{TH_M1}为该常通型开关元件的栅极阈值电压，V_UV为该欠压保护电压值。

15.如权利要求12所述的开关电路，其中还包含：

一单向导电元件，该单向导电元件的阳极与该保护单元电性连接，而该单向导电元件的阴极与该电容电性连接。

16.如权利要求12所述的开关电路，其中还包含：

一第四开关元件，该第四开关元件的一第一端与该保护单元电性连接，而该第四开关元件的一第二端与该电容电性连接，该第四开关单元的一控制端与该控制单元电性连接，其中当该保护单元监控到该直流电位的电压值低于该欠压保护电压值时，该控制单元关断该第四开关元件；当该开关电路启动时，该控制单元导通该第四开关单元。

17.如权利要求12所述的开关电路，其中该常闭型开关元件为N型金氧半场效晶体管，该开关单元为P型金氧半场效晶体管，其中该控制单元输出一控制信号至该常闭型开关元件和该开关单元的栅极，用以控制该常闭型开关元件和该开关单元的导通和关断。

18.如权利要求17所述的开关电路，其中还包含：

一电位平移单元，该电位平移单元用以将该控制信号上拉一平移电位值，输出一第二控制信号并将该第二控制信号传送至该开关单元的栅极。

19.如权利要求18所述的开关电路，其中该平移电位值满足下列公式：

VDD－V_{TH_M2}+V_{TH_MX}≦V_shift≦VDD+V_{TH_MX}；

其中，V_shift为该平移电位值，V_{TH_M2}为该常闭型开关元件的栅极阈值电压，V_{TH_MX}为该开关单元的栅极阈值电压，VDD为该直流电位。

20.如权利要求1所述的开关电路，其中该常通型开关元件、该常闭型开关元件以及该开关单元于一芯片上被实现，且该常通型开关元件于该芯片上的面积大于该常闭型开关元件以及该开关单元于该芯片上的面积。

21.如权利要求1所述的开关电路，其中该常通型开关元件、该常闭型开关元件以及该开关单元于一芯片上被实现，且该常通型开关元件、该常闭型开关元件以及该开关单元中至少二者集成于该芯片上。