双向MOSFET开关和多路复用器的制作方法

本发明涉及一种双向MOSFET开关和一种至少带两个双向MOSFET开关的多路复用器。

背景技术：

现有技术中，电路拓扑结构以一种已知的双向信号连接的MOSFET电路拓扑为基础， 也常称为“公源极”，如图1所示。

为了将晶体管切换至导通状态，控制电流需要通过电阻R1产生必要的栅源电压，并对T1和T2的两个栅极进行充电。如果控制电压电耦合到信号电压，它必须比信号电压大或小，这样T1和T2才能被切换至导通状态，控制电压取决于MOSFET的类型（N或P沟道）、晶体管规格。对于高电压信号来说在技术上有一定难度。缺点在于，控制电流会与信号电流叠加并通过输入端A或输出端B流向反电势。因此此种接通方式对于测量电压信号的电路连接来说并不具有优点。

因此通常还需要产生光电控制电流（见图2），一方面可提供控制电流，另一方面还能阻止控制电流与信号电流叠加。缺点在于，对T1和T2的栅极的驱动需要稍微大一些的控制电流，首先必须向LED1供电；其次次级侧（例如光电二极管（D1））产生的控制电流较小，会对T1和T2的快速导通造成影响。

若此种开关的形式需适用于多种情况，例如在用在一种多路复用器时，必须分别采用对每对晶体管分别通电的控制方式，这在技术上并不容易实现。

在测试和测量中，例如自动连接测试器的任务，通过开关矩阵连接信号电压和电流，该矩阵中包含上千个独立开关， 接通电流必须在安培级，接通电压必须达到几千伏。信号电压为接触危险的电压时，出于安全原因，须遵守相关安全标准（例如，IEC60950，IEC61010等）中关于空气间隙和爬电距离以及绝缘方面的规定，从而可以将控制器和开关绝缘。最大距离一方面与开关元件的混合结构有关，另一方面与控制线路有关，控制线路必须与矩阵中的其它开关元件绝缘，而且排列结构复杂，增加了生产成本，而且整体结构也变大了。

已知一种相对于光电控制器的电流阻断结构为电容控制，包括两个小的电容。电容只能传输交流信号，最后还需要再次整流之后才能给T1和T2的栅极提供必要的栅源电压。

此外，还已知一种配有变压器的高成本结构。此种结构只能传输交流信号，而且必须进行次级侧整流。

在控制过程中，通过电流绝缘避免控制电流与需接通的电流叠加，并要允许控制电压具有与信号电压不同的电势。实现该技术的难点在于电能的传输，在电流绝缘的同时必须尽可能有效传输电能，从而给两个晶体管T1和T2的栅极充电，在通电状态下可完全快速导通。通过光电控制时需要较多的能源，用于弥补LED接收器二极管连接段的损耗，在设置多路复用器时需使用很多开关，会导致很大的功率损耗。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种改进的双向MOSFET电路拓扑结构。

通过一种双向MOSFET开关和多路复用器解决达到上述目的。

本发明的双向MOSFET开关包括一个输入端和输出端和两个MOSFET晶体管，晶体管与源极和栅极分别彼此连接，同时输入端和输出端分别连接两个MOSFET晶体管的漏极，一具有电绝缘装置的电绝缘控制输入端与一控制器连接，控制器通过第三个MOSFET晶体管接通一FET-晶体管，一与输入端连接的浮动电源通过所述第三个MOSFET晶体管向FET晶体管提供控制电流，FET晶体管的作用在于通过控制电流在栅极和两个MOSFET晶体管的源极之间产生相同的栅源电压Vgs，浮动电源作用在于产生两个MOSFET-晶体管的栅极的控制电流。

根据本发明的双向MOSFET开关的优点在于，对交流电压信号来说，电路拓扑结构所需的控制电流较小。

FET晶体管可在整流之后，将栅-源电压下的控制电流转换成饱电流，产生高阻抗状态，导通两个MOSFET晶体管。控制电流由FET晶体管限制进入饱和状态。从而产生高阻抗恒流电源。接通时电流在短时间内流到T1和T2的栅极进行充电。

FET晶体管可在无控制电流流通的状态下经过整流后，将两个低阻抗MOSFET晶体管的栅极与两个MOSFET晶体管的源极连接，从而断开两个MOSFET晶体管。FET晶体管的低阻抗电阻的优点在于，在接通交流信号时，只能形成T1和T2的带寄生电容的小RC电路，因此可以改善漏电特性，进而保持T1和T2的Vgs在晶体管阈值电压下。

浮动电源可与两个MOSFET晶体管之一的漏极通电连接，从而实现对控制器的简单供电。浮动电源可以是产生电流的DC/DC换流器的次级侧、电池或电压，例如能源采集器或太阳能电池。

浮动电源可为控制器供电，从而简化了电路系统。

浮动电源可整流的方式是，产生控制电流来形成FET晶体管的高阻抗，然后给两个MOSFET晶体管的栅极电容充电。因此升高的接通电流只能在短时间内流到T1和T2的晶体管并充电。晶体管T1和T2可在接通状态下快速导通。

控制器可整流的方式是，控制第三个MOSFET晶体管的接通状态。最简单的情况是，控制器可以是一种触发器，触发器可存储第三个MOSFET晶体管的控制信号并可解码改变其接通状态。这也是一种比较简单的双向接通方式。

还可采用N沟道类型的第三个MOSFET晶体管。浮动电源的负电势可与两个MOSFET晶体管中的一个晶体管的漏极连接。通过这种方式可实现两种类型晶体管的连接。

如果采用P沟道类型的第三个MOSFET晶体管，则另两个MOSFET晶体管是N沟道类型，或，第三个OSFET晶体管为N沟道类型，则另两个MOSFET晶体管为P沟道类型。通过这种方式可实现两种类型晶体管的连接。

本发明的多路复用器包括至少两个如上所述的双向MOSFET开关，所有双向MOSFET开关共用一个所述电绝缘装置（I1）和所述浮动电源（V1。本发明的多路复用器的优点在于，对于交流电压信号来说，电路拓扑结构只需要较小的控制电流，允许多路复用器有很高的扩展性，尤其对于开关矩阵来说。

附图说明

图1示出了现有技术中的双向MOSFET开关；

图2 示出了现有技术中的带光电控制电流的双向MOSFET开关；

图3 示出了本发明的双向MOSFET开关的一个实施例；

图4 示出了本发明的一种多路复用器的一个实施例；

图5 示出了本发明的带保护线路的双向MOSFET开关的一个实施例；

图6 示出了本发明的与图3对比的采用其它类型晶体管的双向MOSFET开关的一个实施例。

具体实施方式

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。

图3所示的是第一种双向MOSFET开关的实施例，更准确地说是一种包括两个MOSFET晶体管T1和T2的电路拓扑结构。两个MOSFET晶体管T1和T2的源极S彼此连接、栅极G彼此连接，从而构成双向开关元件。现有技术通常采用的栅源电阻由一个带低“夹断”电压的FET晶体管T3替换。FET晶体管T3的栅极和源极连接至两个MOSFET晶体管T1和T2的源极，其漏极连接至两个MOSFET晶体管T1和T2的栅极。

无控制电流时，FET晶体管T3使T1和T2的栅极和源极形成低阻抗连接，栅极放电且两个晶体管T1和T2被切换至非导通状态。现有技术中采用的高阻抗电阻保持较小的控制电流，在接通AC信号时有一个缺点，由于构成了T1和T2带寄生电容的RC电路，因此可能会对T1和T2的爬电特性造成不良的影响，S出现快速电势差时，G上的电势不能用S的电势补偿。从而可能造成T1和T2通过一些产生的电压Vgs导电。此外高阻抗电阻也会造成T1和T2之间的关断时间变长。

上述缺点可通过使用FET晶体管T3克服。可根据信号电压的产生极，T1、T2的两个“主”二极管中的一个二极管通电，但是两个晶体管T1或T2的一个晶体管在相反方向上一直是接通的，从而保证开关保持在与电极无关的非导电状态中。

本发明的电路拓扑结构还包括一个电路元件， 将两个晶体管T1和T2切换至导通状态。“浮动”电源V1的次级侧与线路的输入端A电连接。向控制单元或控制器C1供电，控制单元或控制器的一个较为简单的实例是触发器，它作为开关状态存储器。输入端A连接晶体管T1的漏极，晶体管T2的漏极与线路的输出端B连接。

控制器C1的输入端与一条控制线路或线路的一个控制线路D连接，该线路中设置有一个电绝缘装置I1。控制器C1的输出端连接第三个MOSFET开关晶体管T4以对其进行控制。D是一条控制线路，在控制器C1中还设置了T4的控制信号编码。T4通电连接，电源V1通过T4向FET T3提供控制电流。控制电流由FET T3限制成为饱和电流，并成为高阻抗恒定电源。在接通的瞬间给T1和T2的栅极充电，并在短时间内达到比FET T3形成的恒定电流更大的接通电流。电绝缘装置I1的作用在于，保证控制电流只在V1，T4，T3和T1线路中传输。

晶体管T1和T2很快被切换到导通状态。控制限定的控制电流构成的线路优点在于，T1和T2的控制电流损耗功率和断流损耗功率较低。通过T1“主”二极管之后，断开状态下的控制电流从T1回流到电源V1，同时T1和T2可一直通过控制电流控制，而与S上的电势无关。电路拓扑结构的另一个优点在于， 浮动电源V1的控制电流只能流经线路V1，T4，T3和T1，并不会通过输入端A或输出端B，在输入端A和输出端B外也不会与信号电流叠加。

相对于信号电压的大小，上述线路的所有元件必须有具有足够的绝缘功能，该绝缘比有接触危险电压的控制线路安全绝缘更容易实现。图3中还显示了T1和T2为正常封装的N沟道类型MOSFET晶体管，同时T4为正常封装的P沟道类型的MOSFET晶体管。

图4中显示了多路复用器的电路拓扑结构，这里是1:2的多路复用器。相应地，图4中显示了两个双向MOSFET开关，其并联连接至输入端A，并有两个输出端B和B1。该多路复用器中仅有一个电绝缘装置I1和一个浮动电源，即所有双向MOSFET开关共用一个所述电绝缘装置（I1）和一个所述浮动电源（V1）。

电绝缘装置I1在两个控制器C1、C2和电源V1的中间位置，它可以是一个DC/DC换流器。从空气间隙、爬电距离、绝缘、元件数量和排列密度来看这是一种在技术上非常简化的结构形式。还可以是一种包括很多个双向开关的多路复用器，例如1:1000多路复用器。

控制线路D和电源V1在电路板外部可以集中，并与信号电压线路区域和信号电压绝缘。在“范围”内部可通过输入端A形成电连接，或通过V1的次级侧电压形成与A的信号电压不同的电势，这对A的绝缘要求非常少。同时会增加开关排列密度，更确切地说就是功能上更稳定，因为A上的电势不会给控制电路C造成电弧。

D上的线路控制中只需要很少的功率，因为不必直接控制T1和T2的栅极。同时在技术结构上更加简化并减少了控制线路。

电绝缘装置I1用于保持控制电流只能流经线路V1，T4，T3和T1，多路复用器排列中的每个开关都要绝缘（在例外情况下每个多路复用器只需要一次），而且信号功率低，因为D的控制信号只能由高阻抗输入端发出，电势绝缘产生的功率损耗也很小。

本发明的电路拓扑结构可简单增加限制电流电阻和限制电流二极管的保护线路，如图5所示。此种类型的线路还可使用在图4中显示的多路复用器中。具体地，源极S和栅极G之间连接一个稳压二极管Z1，在源极和FET T3之间连接一个电阻R1，在第三个MOSFET T4和FET T3或者栅极G之间连接一个电阻R2。

本发明的电路拓扑结构可采用N或P沟道的MOSFET晶体管作为T1和T2开关晶体管，还可以是功率和高压晶体管或HF晶体管。图6中显示了可作为图3的补充的其它类型的晶体管选项。此种线路也能用在图4所示的多路复用器中。