专利名称：自关断可控硅等效电路的制作方法
自关断可控硅等效电路技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，尤其涉及自关断可控硅等效电路。
技术背景
现有的可关断可控硅(晶闸管)是一种施加适当“极性”的门极信号，可从通态转换到断态或从断态转换到通态的三端可控硅，一般用GTO表示。GTO有3个引出电极，分别用阳极A、阴极K、门极G表示。
GTO的工作原理为正向时，阳极和阴极间加正压，若门极G无电压，则GTO阳极电压低于转折激穿电压时不会导通；若门极G加正压，则GTO在阳极电压小于转折激穿电压时，被门极G触发导通。但GTO的关断，是在门极加一定的负压，抽出负电流，使阴极导通区由接近门极的边缘向阴极中心区收缩，可一直收缩到载流子扩散长度的数量级，因为GTO 的阴极条宽度小，抽流时，P区横向电阻引起的横向压降小于门G、阴极K的反向击穿电压。 此时GTO不能维持内部电流的正反馈，通态电流开始下降，此过程经过一定时间，GTO达到关断，所以在开关驱动控制时，需要提供一定负电压源才行。
目前研究的新型功率器件MCT (M0S控制晶闸管)是一种新型MOS/双极符合器件。 它是在普通晶闸管中用集成电路工艺制作大量的MOS开关，通过MOS开关的通断来控制晶闸管的开启和关断。MCT可分为P型或N型，对称或不对称关断，单端或双端关断FET门极控制和不同的导通选择(包括光控导通)，所有这些类型都有一个共同特点，即通过关断FET 使一个或两个晶闸管的发射极-基极结短路来完成MCT的关断。
图1示出了 P型不对称关断MOS门极的MCT的等效电路，该等效电路与一般的晶闸管双晶体管模型基本相同，只是加入了导通FET和关断FET。一个MCT是由大量的这样的等效电路组成的，每一个这样的等效电路包括一个宽基区的PNP晶体管和一个窄基区的 PNP晶体管(二者构成晶闸管)，以及一个OFF-FET和一个ON-FET。OFF-FET连接在PNP晶体管的基极和发射极之间。同时，还有少部分0N-FET，连接在PNP晶体管的集电极和发射极之间，两只MOS场效应管的栅极连在一起形成MCT门极。当MCT门极相对于阴极施加正脉冲电压时，ON-FET导通，它的漏极电流使PNP晶体管导通，NPN晶体管的集电极电流(空穴)使PNP晶体管导通，而PNP晶体管的集电极电流(电子)又促使了 NPN晶体管的导通， 这样的正反馈，使MCT导通，并处于擎住状态；当门极相对于阴极加负脉冲电压时，OFF-FET 导通，PNP晶体管的基极-发射极被短路，使PNP晶体管截止，从而破坏了晶体管的擎住条件，使MCT关断。参见图2所示，为MCT在关断过程中的等效电路图，其中，设PNP晶体管的基极-发射极间的短路电阻为R。ff (即OFF-FET导通电阻)。
通过上述描述可以发现，无论是可控硅GTO还是目前研究的新型功率器件MCT均具有如下缺点在关断时，都需要反向脉冲，即都需要在门极加一定的负电压，不易关断。发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供自关断可控硅等效电路。
本发明解决技术问题的具体方案为
一种自关断可控硅等效电路，包括晶体管或复合管或DMOS管Ql、晶体管或复合管或DMOS管Q2、箝位限流保护电路以及开关管Q3，其中
所述晶体管或复合管或DMOS管Ql的发射极作为阳极A，基极与箝位限流保护电路的一端相连接；
所述箝位限流保护电路的另一端与所述阳极A相连接；
所述开关管Q3的基极作为控制极G，集电极与所述晶体管或复合管或DMOS管Ql 的集电极相连接，发射极与所述晶体管或复合管或DMOS管Q2的基极相连接；
所述晶体管或复合管或DMOS管Q2的集电极与所述晶体管或复合管或DMOS管Ql 的基极相连接，发射极作为阴极K。
与现有技术中实现关断的方式相比，本发明带来的主要有益效果是本发明所提供的自关断可控硅等效电路，可通过同时控制触发电流与正反馈电流的门坎阀值，实现了电流控制。由于它是电流驱动方式，不用设置阀值电压，只要有无电流就可轻易实现开断， 方便进行低压电流的自动化控制，解决了现有技术中在关断时需要反向脉冲，不易关断的缺点。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的自关断可控硅等效电路结构示意图2是本发明实施例提供的自关断可控硅等效电路另一结构示意图3是本发明实施例提供的自关断可控硅等效电路又一结构示意图4是本发明实施例提供的自关断可控硅等效电路又一结构示意图5是本发明实施例提供的自关断可控硅等效电路又一结构示意图6是本发明实施例提供的自关断可控硅等效电路又一结构示意图7是本发明实施例提供的自关断可控硅等效电路又一结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种自关断可控硅等效电路，图1示出了其一种结构，包括PNP型晶体管或复合管或DMOS管Ql (在图1中Ql具体为PNP型复合管，由两个PNP型晶体管构成)、 NPN型晶体管或复合管或DMOS管Q2、箝位限流保护电路1以及开关管Q3，其中
箝位限流保护电路1包括相串联的箝位保护二极管Dl和D2 ；
Ql的发射极e作为阳极A与Dl的一端相连接，其基极b与D2的一端相连接；
Q3的基极b作为控制极G，其集电极c与Ql的集电极c相连接，发射极e与Q2的基极b相连接；
Q2的集电极c与Ql的基极b相连接，其发射极e作为阴极K。
需要说明的是，可把图1中的Q3、Q2和Ql中的任意一个或任意组合用复合管代替，其结构功能也不变，只是输出电流压降有变化。
图2示出了自关断可控硅等效电路的另一种结构，与图1不同的是
图2所示电路结构中的Ql为低压控制场效应MOS管(D-M0S管)和稳压管的组合，也即二者等效为一个三极管。
图3示出了自关断可控硅等效电路的又一种结构，与图1不同的是
图3所示电路结构采用稳压管DZ(DZ用于触发Q2eb结)与D-MOS管的组合作为 Q3，以D-MOS管的栅极作为控制极G。只是控制电压要求比图1中的NPN晶体管高一些；
另外，在图3中，以晶体管Q4替代图1中的Dl和D2。Q4的集电极c与发射极e 短接。Q4的发射极e与Ql的发射极e相连接，其基极b与Ql的基极b相连接。
同时，图3中还加入防反接二极管D3 (当然不加D3也可)，由于D3单向导通，以避免阳极A反接后，整个自关断可控硅等效电路被烧坏现象的出现。
另外，图3中还加入了与D3相连接的继电器301。需要注意的是，继电器301中的开关31的三个触点除可接直流电外，还可接交流电。从而令图3的自关断可控硅等效电路可工作在交流电环境。而且，继电器301也可以减小压降。
当然，可把Q4用开关箝位二极管D代替，作用不变，均用于保护Qleb结和采用的场效应管的栅极而分流，保护正反馈回路Qleb结和栅极不被过流过压烧坏。
由上可见，本发明图1-3所提供的自关断可控硅等效电路未采用电阻、电容，而是由晶体管、复合管、二极管等构成，因此本发明所提供的自关断可控硅等效电路可以集成在一个硅片上。
图1-3示出的自关断可控硅等效电路解决了可控硅在直流供电条件下，不能用 1. 8V低压数字电路直接驱动通断的问题，可广范用于各种传感器直接驱动的直流报警。可在自动化控制电路中，取代现有的运放比较器方式的保护报警方式，极大简化开关报警电路。
只要在控制极G处接入不同传感器，就可方便的实现各种报警、保护，开关整形等应用。其原理如下
Q3、Q1为(晶体管或DMOS管)。Q3的G端是控制电流的输入端，也是各种传感器的输入端。Q3通过同时控制触发和正反馈电流的放大实现开通和关断，来驱动由Q2和Ql 组成的等效可控硅(Q2的eb控制结)。
其中Q2ec输出大电流通过Qlbe和箝位限流保护电路将主电流分流到阳极A输出去负载；而Qlec电流经Q3的开关控制，把正反馈电流叠加在触发电流上，使其正反馈给 Q2eb结提供的电流达到饱和电流，使Q2ec电流不再增加变化。Qlec的电流Qlec与G的电流Gi相叠加，使控制极G只要有一很小的外驱动电流(也即传感器向Q3输出了电流信号)就可维持Q2工作在饱和状态；当失去外驱动电流时(也即传感器不再向Q3输出电流信号)，Q3就退出导通状态，Gi降-QIBec的电流降-Qkb的电流降-Qleb的电流降-Qlec 的电流，使电路呈现负反馈状态，从而实现了自关断功能。
本发明提供的自关断可控硅等效电路正常工作时，在常态下都在截止态电路耗电为零。而从前面所描述的输出状态可知，它的关断只是把电流或电压减小到一定值，就可轻易实现关断，不必像GTO三端可关断可控硅一样，关断时需要在G端加一反向电动势，或在 A，K间电压为零、G也为零才可关断。
因此，本发明只用3. 3VCM0S门电路就可轻易实现开通关断、驱动继电器等。当Q1、 Q2同时选择高压管结构时，就可实现高压开关控制。当把Q2换成大电流复合管时，就可实现大电流开关控制。因此，可生产一系列的低压差低电流可自关断的可控硅。
如图1-3中的Ql还可用P型DMOS场效应管代用，实现正反馈的可控硅效应。
在本发明其他实施例中，如图4-7中的图5和图7所示(图6和图7中的电阻RL 为阳极A所接的等效负载电阻)，还可把以上图1-3中的原Q2/NPN管改为PNP管，原Q1/PNP 改为NPN管，原Q3/NPN改为PNP管，再把电源调向改为负电源供电，其结构功能不变，只是触发电流电压变为负值；
或者如图4-7所示中的图4和图5所示，图1_3中的NPN与PNP管也可用NPN与 PNP复合管来代替，其电路原理结构基本不变。只是硬件保护电路元件结构不同。所不同的只是为便于分立元件应用，加了正反馈限流保护。饱和压降高了近1伏，但提高了输入阻抗和输出电流；可直接接入各种不同传感器，就可方便实现各种报警、保护。
如果前极Q3还用达林顿复合管，其输入开关电流可小到1微安以下；其中Dl、D2 是Ql的保护二极管，加Q4就可实现对Ql的限流。
图6结构的特点在于箝位限流保护电路。其由箝位保护二极管Dl和D2、晶体管 Q4构成。其中D1与Ql的发射极e相连接，D2与Q4的基极b相连接，DU D2串联，另夕卜， Q4的集电极c与发射极e短接，同时，Q4的基极b与Q2的集电极c相连接，Ql的基极b与 Q4的发射极e相连接。
需要注意的是，继电器301中的开关31的三个触点除可接直流电外，还可接交流电。从而令图3的自关断可控硅等效电路可工作在交流电环境。而且，继电器301也可以减小压降。
图7结构的特点也在于箝位限流保护电路。与图6结构不太相同，图7中的Q4为结型场效应管，Q4的2，3短接，从而Q4可作为恒流源，以保护Ql不被烧坏。另外，Q4的3 脚与与Q2的集电极c相连接，Q4的1脚与Ql的基极b相连接，Dl与Ql的发射极e相连接 (也即与阳极A相连接)，D2与Q4的3脚相连接。
上述所有实施例中的复合管可为达林顿管。
综上，本发明的可自关断可控硅电路结构，具有如下优点特征
1，本电路结构非常简单精炼，输入阻抗与输出电流易于扩展，在G端接入不同传感器，就可方便实现各种报警、保护，各种开关电路等。通用性很强，便于各种开关应用；
2，本发明不同于现有的和正在研发的MCT (M0S控制晶闸管)，它通过同时控制(触发和正负反馈)创新的简炼方法；开发出电流控制自关断可控硅特性电路。其阀值电压是一定的，应用简单，电流触发抗干扰好；
3，其结构易于集成实现器件化生产，产生新的可控硅元件；
4，在无触发电流时自动关断，驱动简单消耗功率小，可靠性高；
5，元件少成本底廉，极具竞争力；
6，本电路结构通过选择不同的晶体管参数，就可实现在不通环境下的正常工作。
7，本发明的特点在于使用TTL至CMOS等3. 3V以上的数字电路，就可轻松控制它的开和关，将对机电自动化控制是一个大的推动。直接驱动继电器，使得做保护电路；既具有高灵敏、抗干扰能力强，又具使用方便通用性强。产生了一新的系列可控硅器件。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种自关断可控硅等效电路，其特征在于，包括晶体管或复合管或DMOS管Q1、晶体管或复合管或DMOS管Q2、箝位限流保护电路以及开关管Q3，其中所述晶体管或复合管或DMOS管Ql的发射极作为阳极A，基极与箝位限流保护电路的一端相连接；所述箝位限流保护电路的另一端与所述阳极A相连接；所述开关管Q3的基极作为控制极G，集电极与所述晶体管或复合管或DMOS管Ql的集电极相连接，发射极与所述晶体管或复合管或DMOS管Q2的基极相连接；所述晶体管或复合管或DMOS管Q2的集电极与所述晶体管或复合管或DMOS管Ql的基极相连接，发射极作为阴极K。
2.根据权利要求1所述的等效电路，其特征在于，所述开关管Q3具体为NPN型晶体管、 复合管、DMOS管或者NPN型低压控制场效应MOS管和稳压管DZ的组合，所述晶体管或复合管或DMOS管Ql具体为PNP型晶体管或复合管或DMOS管，所述晶体管或复合管或DMOS管 Q2具体为NPN型晶体管或复合管或DMOS管。
3.根据权利要求1所述的等效电路，其特征在于，所述开关管Q3具体为PNP型晶体管、 复合管、DMOS管或者PNP型低压控制场效应MOS管和稳压管DZ的组合，所述晶体管或复合管或DMOS管Ql具体为NPN型晶体管或复合管或DMOS管，所述晶体管或复合管或DMOS管 Q2具体为PNP型晶体管或复合管或DMOS管。
4.根据权利要求1所述的等效电路，其特征在于，所述箝位限流保护电路包括至少一个箝位保护二极管或晶体管或结型场效应管Q4。
5.根据权利要求4所述的等效电路，其特征在于，所述箝位限流保护电路包括箝位保护二极管Dl和晶体管或结型场效应管Q4。
6.根据权利要求1-5所述的等效电路，其特征在于，所述复合管具体为达林顿管。
全文摘要
本发明的目的在于提供自关断可控硅等效电路，其包括晶体管或复合管或DMOS管Q1、晶体管或复合管或DMOS管Q2、箝位限流保护电路以及开关管Q3，其中所述晶体管或复合管或DMOS管Q1的发射极作为阳极A，基极与箝位限流保护电路的一端相连接；所述箝位限流保护电路的另一端与所述阳极A相连接；所述开关管Q3的基极作为控制极G，集电极与所述晶体管或复合管或DMOS管Q1的集电极相连接，发射极与所述晶体管或复合管或DMOS管Q2的基极相连接；所述晶体管或复合管或DMOS管Q2的集电极与所述晶体管或复合管或DMOS管Q1的基极相连接，发射极作为阴极K。本发明所提供的自关断可控硅等效电路可实现电流驱动，只要有无电流就可轻易实现开断，方便进行低压电流的自动化控制，解决了现有技术中在关断时需要反向脉冲，不易关断的缺点。
文档编号H03K17/72GK102522972SQ20111046062
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者林计平 申请人:北京雪迪龙科技股份有限公司