共栅极连接的高电压瞬变阻断单元的制作方法

专利名称：共栅极连接的高电压瞬变阻断单元的制作方法
技术领域：
本申请涉及电气瞬变的抑制。
背景 瞬变阻断单元(TBU)是包括两个或多个正常导通晶体管的电路，所述正常导通晶 体管响应过电流状态快速和自动地切换至高阻电流阻断状态。与负载串联设置的TBU由此 保护负载不受过电流状态的影响。为此，TBU应用作为敏感电气负载的串联保护元件。一 种描述瞬变阻断单元的早期的参考文献是US5， 742， 463。 在许多情形中，重要的是使TBU具有高电压处理能力。 一种提供这种能力的方法 是简单地制造具有含要求的额定电压的晶体管的基本TBU电路。然而，这种方法在实践中 经常是麻烦的，由于例如TBU门限电流(即高于该电流器件就会截止的电流)的关键TBU 参数取决于TBU晶体管的器件参数。提供高电压晶体管的器件参数的严密控制通常是困难 的和/或高成本的。因此，包括高电压晶体管以使高电压晶体管的器件参数确定例如门限 电流的TBU参数的TBU将受到产量降低和成本增加的制约。 —种代替性方法可称为"核心TBU"方法。在这种方法中，相对低的电压TBU连接 于高电压晶体管以使整个电路充当高电压TBU。使用低电压TBU内核以控制高电压晶体管 可较为有利地简化TBU设计。例如，通过TBU内核方法，TBU门限电流由TBU内核设定并较 为有利地不取决于(不良控制的)高电压晶体管的器件参数。在US 2006/0098363中考虑 TBU内核方法的一些方面。

图1示出如US 2006/0098363中描述的TBU内核电路的一个例子。在该例中，TBU 内核102包括正常导通的晶体管Q1、Q2和Q3以及二极管Dl和D2，它们相互连接以提供瞬 变阻断功能。TBU内核102连接于正常导通的高电压晶体管Q4和Q5以当TBU内核102切 换至其高阻状态时，使Q4和Q5中的至少一个由此而截止。因此，TBU内核102设定电流门 限，而Q4和Q5提供高电压处理能力。
概述 然而，已发现存在许多情形，其中传统TBU核心方法(例如如上所述)不提供对所 保护的应用设备的最优保护。尤其地，当所要阻断的瞬变在高频(例如大于10MHz)下振荡 时，可能产生问题。在实践中频繁发生阻断高频振荡瞬变的需要，尤其是在TBU与分路保护 元件(例如气体放电管)结合使用作为全部瞬变抑制方法的一部分的情形下。配合于分路 电流的气体放电管的放电一般会导致TBU出现高频振荡瞬变。在其它应用中，例如某些航 空应用中，可能需要对甚高频、高压瞬变的保护以保护某些类型的雷击。
当将高频振荡瞬变提供给传统TBU电路时，与保持在保持低水平恒电流的TBU阻 断状态相反，TBU在瞬变过程中不理想地经历主动切换。作为该行为的结果，TBU可因高频 瞬变而被周期地重置，这导致高频电流流过，这会在瞬变期间使所保护的负载和TBU本身 受到过大的电应力(例如高于额定功耗)，并从而导致设备损坏。可从图1电路的观察中得 出这种行为的原因，TBU核心102和晶体管Q4 —起作用以阻断具有一个极性的晶体管的一 部分，而TBU核心102和晶体管Q5—起作用以阻断具有另一极性的晶体管的一部分。随着电压经过零伏，TBU重置至其导通状态。因此，周期快于TBU正常反应时间的振荡瞬变要求 TBU核心102比其响应速度更快地在两种状态之间切换，这将导致高电流瞬变经过TBU并进 入所保护的设备。 根据本发明的实施例，通过在多个高电压晶体管的栅极之间提供二端子连接而可 减轻该问题。在操作中，这种经修正的TBU电路具有在高过TBU核心门限后即使存在振荡 瞬变也能使两个高电压晶体管均保持在截止状态的理想性质。如此，TBU核心受到保护而 没有上述主动切换问题。
附图简述 图1示出现有技术的高电压瞬变阻断单元。
图2示出根据本发明一个实施例的高电压瞬变阻断单元。
图3示出根据本发明第一较佳实施例的高电压瞬变阻断单元。
图4示出根据本发明第二较佳实施例的高电压瞬变阻断单元。
图5示出根据本发明第三较佳实施例的高电压瞬变阻断单元。
图6示出根据本发明第四较佳实施例的高电压瞬变阻断单元。
详细说明 图2示出根据本发明一个实施例的高电压瞬变阻断单元。在本例中，TBU核心102 包括串联的耗尽型(即正常导通)核心晶体管Q1、Q2和Q3。当流过TBU核心102的电流 高过预定门限时，TBU核心102自动切换至高阻电流阻断状态。这种行为是基于正反馈的， 其中将由流过TBU 102的电流产生的电压提供给Ql、 Q2和/或Q3的栅极以倾向于使晶体 管截止。对低于TBU门限的电流来说，这种使TBU截止的趋势具有可忽略的效果。对高于 TBU门限的电流来说，正反馈确定，并且TBU快速和自动地切换至其电流阻断状态。图2中 的二极管Dl和D2用来防止电流流向或流出Ql的栅极，Ql可以是如图所示的结型场效应 晶体管(JFET)。在其它实施例中，可由电阻器代替D1和D2。 图2的示例还包括第一耗尽型晶体管Q4和第二耗尽型晶体管Q5。 TBU核心102 串联于晶体管Q4、 Q5并位于两者之间。当TBU内核102处于其高阻电流阻断状态时，它可 提供栅极电压以使Q4和/或Q5截止。典型地，Q4和Q5是比核心晶体管Q1、Q2和Q3具有 更高电压处理能力的高电压晶体管。 图2的电路与图l传统电路的区别在于，新增了图2的二端子栅极-栅极电路202。 在这里，电路202的端子连接于Q4和Q5的栅极。电路202是二端子电路。换句话说，对电 路剩余部分正好具有两个连接(即其端子)。电路202较佳为无源的，在此定义为包括导线、 电阻器、电容器、电感器和/或二极管，并排除任何有源增益元件，例如电容器、晶闸管等。
在一些情形下，电路202可包括在其两端子(例如导线或电路板迹线)之间的导 电连接，这种结构，例如，等效于将Q4的栅极直接连接于Q5的栅极。在其它情形下，电路 202可包括两个以相反二极管极性串联的齐纳二极管。这种情势等效于Q4和Q5栅极之间 的直接连接，由齐纳二极管击穿电压来设定其偏置电压。 通过经由二端子电路202连接晶体管Q4和Q5的栅极，可明显改善TBU操作。使 用这种电路可在晶体管Q4和Q5的栅极上产生控制电压，所述控制电压独立于通常由核心 电路提供的控制而控制这些器件。尤其，图2所示类型的TBU电路可表现出在振荡瞬变持 续期间使Q4和Q5两者保持截止的理想特征，由此在如上所述的瞬变过程中避免TBU核心102不理想的主动切换。 图2的电路还包括第一栅极-源极网络204和第二栅极-源极网络206。如图3-6 的下面例子所示，网络204、206可提供多种功能，例如为Q4和Q5的栅极-源极电容提供放 电路径、为Q4和Q5提供栅极-源极电压钳位和/或为Q4和Q5提供偏压控制。在图2的 示意图中，网络204图示为通过虚线连接于Q2的漏极和源极。这表示本发明的实施例可包 括这两种连接中的至少一个，但不一定包括两者。网络206图示为以相同原因在图2上通 过虚线连接于Q3的源极和漏极。 图3示出根据本发明第一较佳实施例的高电压瞬变阻断单元。在本实施例中，图2 的二端子栅极_栅极电路202是Q4栅极与Q5栅极的直接连接。晶体管Q1、Q2和Q3是本例 的TBU核心晶体管。电阻器Rl和R2是TBU核心的偏压电阻器(标称值为130k Q )。电路操 作不决定性地取决于这些偏压电阻。在正常操作中(即TBU核心302导通)，二极管D3和 D4将基准电压提供给Q4和Q5的栅极，以确保正常的共射共基操作(cascode operation) (即Q4和Q5导通)。二极管D3和D4较佳为具有低电容和低存储电荷的快速信号二极管， 它们能够快速截止。例如，在这里可采用1N4148型二极管。 在瞬变阻断过程中，根据正被阻断的瞬变的极性存在两种可考虑的情形。在情形 1中，TBU核心晶体管Ql和Q2截止，且产生的电压降最早出现在Q4的栅极并倾向于使其截 止。在情形2中，TBU核心晶体管Q1和Q3截止，且所产生的电压降最早出现在Q5的栅极 并倾向于使其截止。由于足够的电流流过"软截止"TBU晶体管以产生保持阻断所必需的 栅极电压，这有助于当晶体管驱动至"软截止"状态时在电流阻断模式下限定正常的TBU操 作。由于这两种情形的电路操作是基本类似的，因此描述情形l的电路操作就够了。
假设例如气体放电管(GDT)的分路保护元件连接于TBU输入，则更详细地考虑在 瞬变阻断过程中情形1的事件顺序是有帮助的。首先，在TBU输入304出现过多的电压。其 次，流过TBU核心302的电流超过TBU核心门限电流。第三，TBU核心302切换至其电流阻 断状态。第四，栅极电压施加于Q4，这使其"软截止"。第五，作为TBU切换至其电流阻断状 态的结果，TBU输入304处的电压可(由瞬变驱动)上升至足以使GDT放电的电平。 一旦 这个发生，那么在TBU输入304的电压将快速下降至接地电位附近，但对于这种输入电压可 能存在大量的减幅振荡(ringing)。 由于Q4的漏极-栅极电容(Cgd)和漏极-源极电容(Cds)，在Q4漏极处的这种阶 梯函数瞬变造成Q4的栅极和源极电压的相似瞬变。这些瞬变具有若干重要的特征。首先， Q4栅极电压的减小倾向于比Q4源极电压的减少厉害得多。由在栅极结处的Q4和Q5的电 容分压效果确定栅极电压。由通过活动核心电路和Q5形成的复合阻抗来确定源极电压，这 种确定只是在瞬变通过正栅极-源极电压完全导通前。结果，Q4的栅极-源极电压结束在 足以使Q4 "硬截止"的值。这里"硬截止"用来指晶体管以不允许正常TBU电流阻断状态 的低电平电流特征的方式截止。 其次，由于Q4和Q5的源极通过核心电路连接，Q5的栅极-源极电压也结束在使 Q5 "硬截止"的值。其主要原因是可通过来自GDT放电的最早输入瞬变对Q4的栅极电压 负向驱动到显著程度。例如，当Q4的漏极电压具有从1000V-接地电位的瞬变时，Q4的栅 极-源极电压可因漏极瞬变而结束在大约-100V处。由于Q4和Q5的栅极是相连的，该电 压也出现在Q5的栅极，这足以使Q5 "硬截止"(Q5的源极电压近乎接地)。
因此，图3电路上的GDT瞬变的效果是使Q4和Q5两者"硬截止"，由此保护TBU核 心302以及可能存在的任何串联负载不受因GDT减幅振荡引起的电应力。晶体管Q4和Q5 保持"硬截止"直到它们的栅极_源极电容经过电阻器R3和R4放电。较佳地选择这种放 电过程的RC时间常数为大于GDT减幅振荡时间常数。在一种电路设计中，R3和R4的适用 电阻值为130kQ 。 图4示出根据本发明第二较佳实施例的高电压瞬变阻断单元。该电路与图3的电 路相同，除了省去二极管D3和D4。因此，图4的电路适用于不需要图3的二极管D3、D4的 情形。如果Q4、 Q5是结型场效应晶体管，那么Q4和Q5的栅极-源极结可提供与图3的二 极管D3、D4相同的功能，因此这是适用图4的电路的一种情况。另一种这样的情况是Q4和 Q5是受ESD(静电放电)二极管保护的M0SFET晶体管，因为这种晶体管的ESD保护包括具 有正确极性的栅极_源极二极管。 图5示出根据本发明第三较佳实施例的高电压瞬变阻断单元。在该电路中，二端 子电路(例如图2中的202)是以相反二极管极性串联的齐纳二极管D3、D4。图5上的二 极管D3和D4提供在Q4和Q5栅极之间的电压偏置，这在Q4和Q5的门限电压小于TBU核 心502工作电压的情形下是重要的。齐纳二极管击穿电压应当比TBU核心的最小工作电压 与器件Q4、Q5门限之间的差更大以使器件Q4、Q5在达到TBU核心最大工作电压前不开始截 止。这确保TBU核心一直能够正确地调整TBU中的电流。例如，如果TBU核心502当处于 阻断状态时需要10V的最小值且Q4和Q5的门限为_4V，则D3和D4大于6V的击穿电压是 合用的。当图5的电路处于电流导通状态时，齐纳二极管D3和D4也可用来将合理的栅极 偏压提供给Q4和Q5。 —旦TBU核心502启动了电流阻断并因此产生外部GDT放电，图5的电路操作基 本与图3的电路相同。最早的GDT瞬变(通过电容耦合)将Q4和Q5的栅极电压驱动至足 以使Q4和Q5两者硬截止的值。这种状态持续，直到Q4和Q5的栅极-源极电容通过R3和 R4放电为止。齐纳二极管D3和D4不显著改变这种行为。 图6示出根据本发明第四较佳实施例的高电压瞬变阻断单元。这种电路与图5的 电路相同，除了在图6中Q4、 Q5是NMOS器件而在图5中是JFET，并且在图6中新增了栅 极_源极钳位二极管D5、D6。 二极管D5和D6防止在Q4和Q5处形成过大的栅极_源极电压。 图3-4中的电路和图5-6中的电路之间的另一区别是TBU核心各自不同地连接于 电路的剩余部分。更具体地说，在图3-4的电路中，TBU核心302与电路的剩余部分具有四 个连接。中间连接(例如与Ql和Q2之间的节点以及与Ql和Q3之间的节点)用来将栅极 控制电压提供给Q4和Q5。这可在图1的传统电路中更清楚地看出，其中Q4和Q5的栅极连 接于TBU核心102的中间节点。 在图5-6的电路中，TBU核心502仅具有与电路剩余部分的两个连接。从周围电 路至TBU核心的内部节点没有作出任何连接。这种配置表示TBU核心502不直接用来使Q4 和Q5截止。相反，Q4和Q5通过上述瞬变的相互作用而截止。 对于是使用TBU核心的2路连接还是4路连接配置的判断受到下面考量的影响。 在Q4和Q5的栅极之间需要偏置电压的情形下(例如图5-6) ，2路连接配置(如图所示) 是较佳的，由此R3和R4中的电压降可对所要求的总电压偏置作出贡献。在Q4和Q5的栅极之间不需要偏置电压的情形下(例如图3-4)，4路连接配置(如图所示)是较佳的，从而 使R3和R4中的功耗减至最小。 也可根据给出示例的许多变例来实现本发明的实施例。较佳地，如图所示，TBU核 心的Ql是JFET，而TBU核心的Q2和Q3是NM0S器件。然而，本发明的实施例可通过具有任 何类型晶体管的TBU核心来实现。同样，Q4和Q5为JFET或NM0S器件(如图所示)是较 佳的，但Q4和Q5可以是任何类型的晶体管。
权利要求
一种瞬变阻断单元(TBU)，包括(a)包含串联的三个或更多个耗尽型核心晶体管的TBU核心，其中当通过所述TBU核心的电流超过预定门限时所述TBU核心自动切换至高阻抗电流阻断状态；(b)具有第一栅极、第一源极和第一漏极的第一耗尽型晶体管；(c)具有第二栅极、第二源极和第二漏极的第二耗尽型晶体管，其中所述TBU核心串联于所述第一和第二耗尽型晶体管并位于两晶体管之间；以及(d)具有第一端子和第二端子的二端子栅极-栅极电路，其中所述栅极-栅极电路的所述第一端子连接于所述第一栅极，并且所述栅极-栅极电路的所述第二端子连接于所述第二栅极。
2. 如权利要求l所述的瞬变阻断单元，其特征在于，所述两端子栅极-栅极电路包括所 述第一端子至所述第二端子的导电连接。
3. 如权利要求l所述的瞬变阻断单元，其特征在于，所述两端子栅极-栅极电路包括以 相反二极管极性串联的第一和第二齐纳二极管。
4. 如权利要求1所述的瞬变阻断单元，其特征在于，所述第一和第二耗尽型晶体管具 有比所述核心晶体管更高的电压处理能力。
5. 如权利要求l所述的瞬变阻断单元，其特征在于，所述TBU核心具有到所述瞬变阻断 单元的剩余部分的两个连接。
6. 如权利要求l所述的瞬变阻断单元，其特征在于，所述TBU核心具有到所述瞬变阻断 单元的剩余部分的四个连接。
7. 如权利要求1所述的瞬变阻断单元，其特征在于，所述二端子电路只包括无源电气 元件。
8. 如权利要求1所述的瞬变阻断单元，其特征在于，还包括连接于所述第一耗尽型晶 体管所述第一栅极的第一栅极_源极网络。
9. 如权利要求8所述的瞬变阻断单元，其特征在于，所述第一栅极-源极网络包括电阻 器，所述第一耗尽型晶体管的栅极_源极电容能通过所述电阻器放电。
10. 如权利要求8所述的瞬变阻断单元，其特征在于，所述第一栅极_源极网络包括连 接于所述第一栅极和所述第一源极的二极管。
11. 如权利要求1所述的瞬变阻断单元，其特征在于，还包括连接于所述第二耗尽型晶 体管的所述第二栅极的第二栅极_源极网络。
12. 如权利要求ll所述的瞬变阻断单元，其特征在于，所述第二栅极-源极网络包括电 阻器，所述第二耗尽型晶体管的栅极_源极电容能通过所述电阻器放电。
13. 如权利要求ll所述的瞬变阻断单元，其特征在于，所述第二栅极-源极网络包括连 接于所述第二栅极和所述第二源极的二极管。
全文摘要
当例如瞬变阻断单元(TBU)的串联保护性元件与例如气体放电管(GDT)的分路保护元件结合使用时，GDT的放电可造成具有损害TBU的电位的瞬变。这个问题可通过将TBU核心串联在具有栅极相连的耗尽型晶体管之间而得以减轻。通过这种配置，GDT瞬变造成TBU电路中的瞬变，这种瞬变具有使TBU周围的晶体管硬截止的效果，由此保护TBU不受GDT瞬变的影响。
文档编号H02H9/02GK101796639SQ200880107459
公开日2010年8月4日 申请日期2008年9月10日 优先权日2007年9月10日
发明者A·J·莫里什 申请人:柏恩氏股份有限公司