本发明涉及一种串叠开关装置，且特别涉及一种具有稳压保护机制的串叠开关装置。
背景技术：
功率半导体开关元件常用于各种电力调整的应用中。功率半导体开关元件的效能直接影响了电力调整的转换效率，且功率半导体开关元件的可靠度亦直接影响了电力调整的操作稳定性。
举例而言，常通型开关元件与常断型开关元件常被应用于高电压应用中。然而，当常通型开关元件与常断型开关元件出现不匹配时，可能会造成系统内部节点电压过高，进而对常通型开关元件与/或常断型开关元件造成不必要的损坏。
因此，如何能在高压应用中对常通型开关元件与常断型开关元件进行保护，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。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明内容的一态样是提供一种串叠开关装置。串叠开关装置包含串叠电路与保护电路。串叠电路包含第一开关与第二开关，其中第二开关的第一端耦接于第一开关的第一端，且第二开关的第二端耦接于第一开关的控制端。保护电路耦接于第一开关的控制端与第二开关的第一端之间，其中流经保护电路的第一漏电流大于或等于第二漏电流与第三漏电流之间的差值，且流经保护电路的第一漏电流小于串叠电路的漏电流上限值。其中第一开关的第一端与控制端之间具有耐压上限值，当第一开关工作于该耐压上限值时，第二漏电流为流经第一开关的漏电流的上限值，且第三漏电流为流经第二开关的漏电流的下限值。
于本发明内容的一实施例中，其中流经保护电路的电流越大，第一开关的控制端与第二开关的第一端之间的电压越高。
于本发明内容的一实施例中，其中第三漏电流为该串叠电路操作在最低工作温度时流经第二开关的漏电流的下限值。
于本发明内容的一实施例中，其中保护电路包含电阻。电阻的第一端耦接第一开关的控制端，且电阻的第二端耦接第二开关的第一端。
于本发明内容的一实施例中，其中电阻的阻值大于耐压上限值与串叠电路的漏电流上限值的比值，并小于或等于耐压上限值与差值的比值。
于本发明内容的一实施例中，其中保护电路包含齐纳二极管。齐纳二极管的阳极耦接第一开关的控制端，且齐纳二极管的阴极耦接第一开关的第一端。
于本发明内容的一实施例中，其中齐纳二极管的临界电压大于第一开关的第一端与控制端之间的临界电压的绝对值。
于本发明内容的一实施例中，其中保护电路包含并联的电阻与电容、串联的电阻与电感、串联的电阻与非线性阻抗元件、并联的电阻与非线性阻抗元件至少其中之一。
于本发明内容的一实施例中，其中保护电路具有线性阻抗。
于本发明内容的一实施例中，其中保护电路具有非线性阻抗。
于本发明内容的一实施例中，其中该第一开关为常通型元件。
于本发明内容的一实施例中，其中第二开关为常断型元件。
本发明内容的一态样是提供一种串叠开关装置。串叠开关装置包含第一开关、第二开关与电阻。第一开关包含第一端与控制端。第二开关包含第一端与第二端，其中第二开关的第一端耦接第一开关的第一端，且第二开关的第二端耦接第一开关的控制端。电阻包含第一端与第二端，其中电阻的第一端耦接第一开关的控制端，以及电阻的第二端耦接第二开关的第一端。
于本发明内容的一实施例中，其中流经电阻的第一漏电流大于或等于第二漏电流与第三漏电流之间的一差值，且流经电阻的第一漏电流小于流经串叠开关装置的漏电流上限值。其中流经电阻的第一漏电流大于或等于第二漏电流与第三漏电流之间的差值，并小于流经串叠开关装置的漏电流上限值。其中第一开关的第一端与控制端之间具有耐压上限值，当第一开关工作于耐压上限值时，第二漏电流为流经第一开关的漏电流的上限值，且第三漏电流为流经第二开关的漏电流的下限值。
本发明内容的一态样是提供一种串叠开关装置。串叠开关装置包含第一开关、第二开关与齐纳二极管。第一开关包含第一端与控制端。第二开关包含第一端与第二端，其中第二开关的第一端耦接第一开关的第一端，且第二开关的第二端耦接第一开关的控制端。齐纳二极管包含阳极与阴极，其中齐纳二极管的阳极耦接第一开关的控制端，以及齐纳二极管的阴极耦接第一开关的第一端。
于本发明内容的一实施例中，其中流经齐纳二极管的第一漏电流大于或等于第二漏电流与第三漏电流之间的差值，且流经电阻的第一漏电流小于流经串叠开关装置的漏电流上限值。其中第一开关的第一端与控制端之间具有耐压上限值，当第一开关工作于耐压上限值时，第二漏电流为流经第一开关的漏电流的上限值，且第三漏电流为流经第二开关的漏电流的下限值。
本发明内容的又一态样是提供稳压保护方法，适用于保护串叠电路，其中串叠电路包含第一开关与第二开关，其中第二开关的第一端耦接于第一开关的第一端，且第一开关的控制端耦接于第二开关的第二端。稳压保护方法包含下列步骤：根据第一漏电流、第二漏电流以及第三漏电流设定保护电路中的至少一参数，其中第一漏电流为流经保护电路的漏电流，且第一漏电流大于或等于第二漏电流与第三漏电流之间的差值，第一漏电流小于串叠电路的漏电流上限值，其中第一开关的第一端与控制端之间具有耐压上限值，当第一开关于该耐压上限值时，第二漏电流为流经第一开关的漏电流的上限值，且第三漏电流为流经第二开关的漏电流的下限值；以及经由保护电路对将流经第一开关的漏电流进行分流。
于本发明内容的一实施例中，其中保护电路为电阻，至少一参数为电阻的阻值，设定至少一参数的步骤包含：将阻值设置在大于耐压上限值与串叠电路的漏电流上限值的比值，并小于或等于耐压上限值与差值的比值的范围内。
于本发明内容的一实施例中，其中保护电路为一齐纳二极管，至少一参数为齐纳二极管的临界电压，设定至少一参数的步骤包含：将临界电压设置为大于第一开关的第一端与控制端之间的临界电压的绝对值。
综上所述，本发明内容所公开的串叠开关装置与稳压保护方法可使串叠开关装置具有更稳定的可靠度，进而改善在高压应用下的操作安全性。
附图说明
为让本发明内容的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，附图的说明如下：
图1A为根据本发明内容的一实施例所绘示的一种串叠开关装置的示意图；
图1B为根据本发明内容的一实施例所绘示的如图1A所示的串叠开关装置为关断时的示意图；
图2为根据本发明内容的一实施例绘示的串叠开关装置的示意图；
图3为根据本发明内容的另一实施例所绘示串叠开关装置的示意图；
图4为根据本发明内容的又一实施例所绘示串叠开关装置的示意图；以及
图5为根据本发明内容的一实施例所绘示稳压保护方法的流程图。
其中，为让本发明内容能更明显易懂，附图标记的说明如下：
串叠开关装置：100、200、开关：Q1、Q2
300、400齐纳二极管：D
串叠电路：210保护电路：220
电阻：R漏电流：I1、I2、ID1、ID2、
电压：VOFF、VGS1IDSS、ISAFE
方法：500步骤：S502、S504
具体实施方式
下文用实施例配合附图作详细说明，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，附图仅以说明为目的，并未依照原尺寸作图。为使便于理解，下述说明中相同元件将以相同的符号标示来说明。
关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的元件或操作而已。
另外，关于本文中所使用的“耦接”或“连接”，均可指二或多个元件相互直接作实体或电性接触，或是相互间接作实体或电性接触，亦可指二或多个元件相互操作或动作。
请参照图1A，图1A为根据本发明内容的一实施例所绘示的一种串叠开关装置的示意图。如图1A所示，串叠开关装置100包含开关Q1以及开关Q2。开关Q1的第一端耦接至开关Q2的第一端，且开关Q1的控制端耦接至开关Q2的第二端。其中，开关Q1的第二端与开关Q2的第二端以及控制端可用以连接外部电源或外部电路。换句话说，藉由上述的设置方式，串叠开关装置100可等效视为具有三个端点的开关元件。
于一些实施例中，开关Q1为常通型元件，亦即其开关Q1的控制端与第一端之间的临界电压VTH1小于0。于另一些实施例中，开关Q2为常断型元件，亦即其控制端与第二端之间的临界电压VTH2大于0。举例而言，开关Q1包含硅基(Silicon-based)型场效应晶体管、碳化硅(SiC)晶体管或三-五族化合物晶体管(例如为氮化镓)等，且开关Q2包含硅基型场效应晶体管、碳化硅材料晶体管或三-五族化合物晶体管等。藉由选用开关Q1以及开关Q2对应的元件，串叠开关装置100的耐压特性得以改善。
请参照图1B，图1B为根据本发明内容的一实施例所绘示的如图1A所示的串叠开关装置为关断时的示意图。
如图1A所示，假设串叠开关装置100为关断，此时串叠开关装置100的漏电流IDSS将等量地流经开关Q1以及开关Q2。此时开关Q2的第一端与第二端之间所承受的电压VOFF相对于开关Q1的控制端形成负偏压，而使开关Q1可正常关断并承受高压。
然而，由于开关Q1与开关Q2本身元件特性的不匹配(例如临界电压不同)，或其元件内部接面温度(junctiontemperature)不同，造成开关Q1与开关Q2的漏电流出现不匹配。此时，开关Q1可能会损坏，进而使串叠开关装置100的操作失效。
举例而言，如图1B所示，漏电流I1为开关Q1关断时所流经开关Q1的漏电流，且漏电流I2为开关Q2关断时所流经开关Q2的漏电流。若当漏电流I2低于漏电流I1，则额外的漏电流(亦即I1-I2)会对串叠开关装置100的寄生电容充电，而使得电压VOFF以及开关Q1的控制端以及第一端之间的电压VGS1越来越高，进而使漏电流I2升高。当电压VOFF以及电压VGS1超过开关Q2所能承受的耐压时，开关Q2将会产生损坏，且开关Q1的控制端亦可能产生直接的损坏，最终造成了串叠开关装置100的操作失效。
请参照图2，图2为根据本发明内容的另一实施例绘示的串叠开关装置的示意图。如图2所示，相较于串叠开关装置100，本实施例中的串叠开关装置200还包含保护电路220。为方便说明，下文中将串叠开关装置200中的开关Q1以及开关Q2定义为串叠电路210。保护电路220耦接于开关Q1的控制端以及开关Q2的第一端之间。流经保护电路220的漏电流ISAFE设置以大于或等于漏电流ID1与漏电流ID2之间的差值(亦即ID1-ID2)。
此外，在实际应用上，当流经串叠电路210的漏电流过大(如图1A所示的漏电流IDSS)，会造成不必要的功率损耗并可能对开关Q1与开关Q2造成损坏。因此，流经保护电路220的漏电流ISAFE需设置以小于流经串叠电路210的漏电流的上限值IDSS_MAX。也就是说，上述漏电流IDSS_MAX、漏电流ISAFE、漏电流ID1以及漏电流ID2满足下列式(1)：
IDSS_MAX>ISAFE≧ID1-ID2…(1)。
需说明的是，于各实施例中，开关Q1的控制端与第二端之间具有耐压上限值VMAX，其中耐压上限值VMAX为开关Q1的控制端与第一端在所有可能的操作条件下所能承受的最大电压值的绝对值。当开关Q1工作于耐压上限值VMAX时，漏电流ID1为流经开关Q1的漏电流的上限值，且漏电流ID2为流经开关Q2的漏电流的下限值。
具体而言，当开关Q1为硅基型晶体管、碳化硅晶体管或三-五族化合物晶体管时，漏电流ID1的数值范围可为1纳安(nA)至100微安(uA)。同样地，当开关Q2为硅基型晶体管、碳化硅晶体管或三-五族化合物晶体管时，漏电流ID2的数值范围可为1nA至100uA。
此外，于一些实施例中，为了确保串叠电路210可正确地关断，需一并考虑到保护电路220的稳定电压下限值VMIN。若保护电路220的稳定电压下限值VMIN过低，电压VOFF会受到钳位而低于开关Q1的控制端与第一端之间的临界电压VTH1的绝对值，使得串叠电路210的关断操作受到影响。因此，稳定电压下限值VMIN与开关Q1的临界电压VTH1需满足下述式(2)：
VMIN>|VTH1|…(2)。
于静态直流操作下，流经保护电路220的电流越大，保护电路220的两端(亦即开关Q1的控制端以及开关Q2的第一端)之间的电压越高。换句话说，保护电路220具有阻抗特性。当串叠电路210出现漏电流不匹配的问题时，保护电路220提供额外的传输路径让漏电流进行分流，藉此达到漏电流平衡。如此，串叠开关装置200的可靠度得以改善。
本发明内容以下段落将提出数个实施例，可用以实现上述的保护电路220所述的功能与操作，但本发明内容并不仅以下列的实施例为限。
请参照图3，图3为根据本发明内容的又一实施例所绘示串叠开关装置的示意图。于各个实施例中，前述的保护电路220可具有线性阻抗。例如，如图3所示，串叠开关装置300中的保护电路220为电阻R。电阻R的第一端耦接至开关Q1的控制端，且电阻R的第二端耦接于开关Q2的第一端。
为了满足前述式(1)，电阻R的阻值需要根据开关Q1以及开关Q2的元件特性以及所应用的系统中的漏电流规格而定。根据式(1)，电阻R可推得应满足下式(3)，亦即电阻R的阻值大于耐压上限值VMAX与串叠电路210的漏电流的上限值IDSS_MAX的比值，并小于或等于耐压上限值VMAX与漏电流ID1、ID2之间的差值(即ID1-ID2)的比值。
VMAX/IDSS_MAX<R≤VMAX/(ID1-ID2)…(3)
举例而言，于一些应用中，串叠电路210所能承受的漏电流的上限值IDSS_MAX为100uA。根据量测结果与其元件规格可得知开关Q1在其控制端的电位为-30伏特(V)时关断(亦即，前述的耐压上限值VMAX为|-30|＝30V)。此外，在实际应用条件下，元件内部接面温度为23～175℃，且开关Q1最能承受的最高电压为600V。当开关Q1偏压于-30V并承受600V时，此时流经开关Q1的漏电流的上限值ID1可测得为10uA。
同样地，于一些应用中，根据开关Q2的元件特性，可得知开关Q2可操作于23～150℃，且其所能承受的耐压上限值为30V。在串叠电路210操作于23℃且开关Q2承受30V时，可测得流经开关Q2的漏电流的下限值为30nA。据此，将上列数值代进式(3)可得知电阻R的设置范围应为:(30/100u)<R≤[30/(100u-30n)]＝0.3*106<R≤3.009*106。因此，根据上述计算，电阻R的阻值应选定为0.3百万(M)欧姆(Ω)～3.009MΩ。
换句话说，于本例中，根据漏电流ID1与漏电流ID2产生不匹配时的最大差值来设置电阻R的阻值，可确保电阻R在各种操作条件下能够正确地对不匹配的漏电流进行分流，进而改善串叠开关装置300的可靠度。
应当理解到，上述开关Q1以及开关Q2的元件参数与操作条件仅为例示，本发明的内容并不以此为限。本领域的技术人员可根据上述计算范例、实际元件参数以及系统应用中的漏电流规格，相应地调整上述电阻R的阻值范围。
请参照图4，图4为根据本发明内容的一实施例所绘示串叠开关装置的示意图。于各个实施例中，前述的保护电路220可具有非线性阻抗。例如，如图4所示，串叠开关装置400中的保护电路220为齐纳二极管D。齐纳二极管的阳极耦接于开关Q1的控制端，且齐纳二极管D的阴极耦接开关Q1的第一端。
同样地，于此例中，齐纳二极管D的元件特性仍须符合前述式(1)。举例而言，于一些应用中，串叠电路210所能承受的漏电流的上限值IDSS_MAX为100uA，且开关Q1在其控制端的电位为-30V时关断(亦即，前述的耐压上限值VMAX为30V)。在实际应用条件下，开关Q1的元件内部接面温度为23～175℃，且开关Q1最能承受的最高电压为600V。当开关Q1偏压于-30V并承受600V时，此时流经开关Q1的漏电流的上限值ID1可测得为10uA。
同样地，于一些应用中，如先前所述，根据开关Q1与开关Q2的元件特性以及相关操作条件，当开关Q1偏压于-30V并承受600V时，此时流经开关Q1的漏电流的上限值ID1可测得为10uA。在串叠电路210操作于23℃且开关Q2承受30V时，可测得流经开关Q2的漏电流的下限值ID2为30nA。将上列数值代进式(3)可得知齐纳二极管D的元件特性须符合:(100u)>ISAFE≥[(100u-30n)]＝9.97u。
同时，于此例中，为了确保串叠电路210能够正常关断，需一并考虑到前述式(2)的关系。于此例中，前述的稳定电压下限值VMIN即为齐纳二极管D的临界电压VZ。于一些应用中，当开关Q1操作于最高接面温度175℃并偏压于-30V时，开关Q1的临界电压VTH1为-18～-22V。据此，根据式(2)，齐纳二极管D的临界电压VZ须满足:VZ>|VTH1|＝22V。
因此，于此例中，藉由上述两个条件设置齐纳二极管D，可确保串叠开关装置400于各种工作条件下可正常操作。如此一来，串叠开关装置400的可靠度得以改善。
应当理解到，上述开关Q1以及开关Q2以及齐纳二极管D的元件参数与操作条件仅为例示，本发明内容并不以此为限。本领域的技术人员可根据上述计算范例、实际元件参数以及系统应用中的漏电流规格，相应地选择适合的齐纳二极管D。
上述图3以电阻R为例说明具有线性阻抗的保护电路220，且图4以齐纳二极管D为例说明具有非线性阻抗的保护电路220，但本发明的内容并不以此为限。具体而言，于各个实施例中，保护电路220可包含并联的电阻与电容、串联的电阻与电感、串联的电阻与非线性阻抗元件(例如齐纳二极管、暂态电压抑制器等等)、并联的电阻与非线性阻抗元件其中之一，或上述元件的组合。
本发明内容的另一态样提供一种稳压保护方法。请参照图5，图5为根据本发明内容的一实施例所绘示稳压保护方法的流程图。
如图5所示，稳压保护方法500包含步骤S502以及步骤S504。于步骤S502中，根据串叠电路210中的漏电流ISAFE、漏电流ID1以及漏电流ID2设定保护电路220中的至少一参数，其中当开关Q1工作于耐压上限值VMAX时，漏电流ID1为流经开关Q1的漏电流的上限值，且漏电流ID2为流经开关Q2的漏电流的下限值。
例如，如先前所述，可根据上述式(1)设置串叠开关装置300中的电阻R的阻值。或者，可根据上述式(1)与式(2)设置串叠开关装置400中的齐纳二极管D。相关设置方式与先前叙述相同，故于此不再重复赘述。
于步骤S504中，经由保护电路220对流经开关Q1的漏电流ID1进行分流。
例如，如图3所示，当漏电流ID1与漏电流ID2不匹配时，漏电流ID1与漏电流ID2之间的差值电流可经由保护电路220进行分流。如此，可确保电压VOFF以及开关Q1的控制端以及第一端之间的电压VGS1不会过高，进而提升了串叠开关装置300的可靠度。
综上所述，本发明内容所揭示的串叠开关装置与稳压保护方法可使串叠开关装置具有更稳定的可靠度，进而改善在高压应用下的操作安全性。
虽然本发明内容已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明内容的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明内容的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。