CN117856774A - 双向和单向功率开关和配置双向和单向功率开关的方法 - Google Patents

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Abstract

单向功率开关，包括：常通开关装置，其具有常通栅极、源极和漏极；常关开关装置，其具有常关栅极、源极和漏极，常关开关装置的漏极以共源共栅配置而被电连接到常通开关装置的源极；第一源极端子，其被电连接到常关开关装置的源极；第二源极端子，其被电连接到常通开关装置的源极；以及漏极端子，其被电连接到常通开关装置的漏极。单向功率开关取决于外部栅极驱动器到源极端子的连接的配置，可以被配置为常关单向开关或常通单向开关。描述了配置功率开关的附加功率开关实施方式和相关方法，包括可配置的双向功率开关。

Description

双向和单向功率开关和配置双向和单向功率开关的方法
技术领域
本公开内容一般地涉及电子学领域，并且具体地涉及双向功率开关。
背景技术
传统的机电继电器由于其特性可以容易地被实现成提供常通或常关默认状态。在多个实现方式中，甚至两种默认状态都由相同部件通过提供两个输出来提供。这样，用户可配置的默认状态通过连接继电器的相应输出来启用。使用定义的常通或常关行为实现的固态开关对于这两种行为都不是用户可配置的。因此，很难用固态开关取代传统的机电继电器。不同类型的双向开关(BDS)可以集成在单个管芯(芯片)中，但管芯尺寸会根据需要多少种不同类型(配置)而增加。例如，常通BDS和常关BDS可以集成在相同管芯中，并连接以获得所期望的配置，但是由于两(2)个BDS集成在相同管芯中，因此得到的管芯尺寸会很大。
因此，需要一种用户可配置用于常通或常关行为的固态功率开关。
发明内容
根据双向功率开关的实施方式，双向功率开关包括：常通双向开关装置，其具有第一常通栅极、第二常通栅极、第一源极和第二源极；第一常关开关装置，其具有常关栅极、源极和漏极；第二常关开关装置，其具有常关栅极、源极和漏极，其中，第一常关开关装置的漏极电连接到常通双向开关装置的第一源极，第二常关开关装置的漏极以共源共栅配置电连接到常通双向开关装置的第二源极；第一源极端子，其电连接到第一常关开关装置的源极；第二源极端子，其电连接到第二常关开关装置的源极；第三源极端子，其电连接到常通双向开关装置的第一源极；以及第四源极端子，其电连接到常通双向开关装置的第二源极，其中，取决于外部栅极驱动器到源极端子的连接的配置，双向功率开关可被配置为常关双向开关、常通双向开关或混合双向开关。
根据单向功率开关的实施方式，单向功率开关包括：常通开关装置，其具有常通栅极、源极和漏极；常关开关装置，其具有常关栅极、源极和漏极，其中，常关开关装置的漏极以共源共栅配置电连接到常通开关装置的源极；第一源极端子，其电连接到常关开关装置的源极；第二源极端子，其电连接到常通开关装置的源极；以及漏极端子，其电连接到常通开关装置的漏极，其中，取决于外部栅极驱动器到源极端子的连接的配置，单向功率开关可被配置为常关单向开关或常通单向开关。
根据配置双向功率开关的方法，该方法包括：将双向功率开关附接到电路板上，该双向功率开关包括：常通双向开关装置，其具有第一常通栅极、第二常通栅极、第一源极和第二源极；第一常关开关装置，其具有常关栅极、源极和漏极；第二常关开关装置，其具有常关栅极、源极和漏极，其中，第一常关开关装置的漏极电连接到常通双向开关装置的第一源极，第二常关开关装置的漏极以共源共栅配置电连接到常通双向开关装置的第二源极；第一源极端子，其电连接到第一常关开关装置的源极；第二源极端子，其电连接到第二常关开关装置的源极；第三源极端子，其电连接到常通双向开关装置的第一源极；以及第四源极端子，其电连接到常通双向开关装置的第二源极；并且将双向功率开关配置为以下各项中的一项：常关双向开关，通过将第一栅极驱动器的输出连接在第一源极端子与第一常关开关装置的栅极之间，并将第二栅极驱动器的输出连接在第二源极端子与第二常关开关装置的栅极之间；常通双向开关，通过将第一栅极驱动器的输出连接在第一源极端子与第三源极端子之间，并将第二栅极驱动器的输出连接在第二源极端子与第四源极端子之间；或者混合双向开关，通过将第一栅极驱动器的输出连接在第一源极端子与第一常关开关装置的栅极之间，并将第二栅极驱动器的输出连接在第二源极端子与第四源极端子之间。
根据配置单向功率开关的方法，该方法包括：将单向功率开关附接到电路板上，该单向功率开关包括：常通开关装置，其具有常通栅极、源极和漏极；常关开关装置，其具有常关栅极、源极和漏极，其中，常关开关装置的漏极以共源共栅配置电连接到常通开关装置的源极；第一源极端子，其电连接到常关开关装置的源极；第二源极端子，其电连接到常通开关装置的源极；漏极端子，其电连接到常通开关装置的漏极；并且将单向功率开关配置为以下各项中的一项：常关单向开关，通过将栅极驱动器的输出连接在第一源极端子与第一常关开关装置的栅极之间；或者常通单向开关，通过将栅极驱动器的输出连接在第一源极端子与第二源极端子之间，将单向功率开关配置。
本领域技术人员在阅读以下详细说明并查看附图时将认识到其他的特征和优点。
附图说明
附图中的元件不一定相对于彼此成比例。相似的附图标记表示对应的类似部件。各种所示的实施方式的特征可以在没有彼此排斥的情况下组合。实施方式在附图中被描绘并且在以下描述中被详述。
图1示出了固态双向功率开关的实施方式的电路示意图。
图2示出了图1的固态双向功率开关，其被配置为常关双向开关。
图3示出了图1的固态双向功率开关，其被配置为常通双向开关。
图4示出了图1的固态双向功率开关，其被配置为混合双向开关。
图5示出了包括图1的固态双向功率开关的模制封装的底部平面图。
图6示出了可以附接图5的模制封装的电路板的顶部平面图。
图7示出了固态单向功率开关的实施方式的电路示意图。
图8示出了图7的固态单向功率开关，其被配置为常关单向开关。
图9示出了图7的固态单向功率开关，其被配置为常通单向开关。
具体实施方式
本文中描述的实施方式提供双向和单向固态开关，其对于常通或常关行为是用户可配置的。这样的可配置固态开关的一个示例是双向功率开关，取决于外部栅极驱动器到双向功率开关的源极端子的连接的配置，该双向功率开关可被配置为常关双向开关、常通双向开关或混合双向开关。这样的可配置固态开关的另一示例是单向功率开关，取决于外部栅极驱动器到单向功率开关的源极端子的连接的配置，单向功率开关可被配置为常关单向开关或常通单向开关。还提供了配置固态开关的对应方法。
如下所述，参照附图描述可配置固态开关和相关配置方法的示例性实施方式。
图1示出了固态双向功率开关100的实施方式。双向功率开关100在导通时具有双向电流流动能力，在关断时提供双向电压阻断。双向功率开关100可以用在使用双向开关的任意数量的电力电子电路中。例如，双向功率开关100可以用作固态继电器。双向功率开关100可以用作电池管理***、燃料电池发电机等的过电流和/或过电压保护开关。双向功率开关100可以用在诸如T型转换器、双有源桥等的功率转换器的拓扑结构内部。
双向功率开关100包括常通双向开关装置102、第一常关开关装置SW1和第二常关开关装置SW2。常通双向开关装置102具有第一常通栅极“NON_G1”、第二常通栅极“NON_G2”、第一源极“NON_S1”和第二源极“NON_S2”。第一常关开关装置SW1具有常关栅极“NOFF_G1”、源极“NOFF_S1”和漏极“NOFF_D1”。第二常关开关装置SW2具有常关栅极“NOFF_G2”、源极“NOFF_S2”和漏极“NOFF_D2”。对于常通栅极，电流传导通道存在于栅极附近，没有任何电压施加到栅极。对于常关栅极，如果没有合适电压施加到栅极，电流传导通道就不存在于栅极附近。
以共源共栅配置，第一常关开关装置SW1的漏极NOFF_D1电连接到常通双向开关装置102的第一源极NON_S1，并且第二常关开关装置SW2的漏极NOFF_D2电连接到常通双向开关装置102的第二源极NON_S2。图1还示出了常通双向开关装置102到基板的端子连接“Sub”。
双向功率开关100的第一源极端子104电连接到第一常关开关装置SW1的源极NOFF_S1。双向功率开关100的第二源极端子106电连接到第二常关开关装置SW2的源极NOFF_S2。双向功率开关100的第三源极端子108电连接到常通双向开关装置102的第一源极NON_S1。双向功率开关100的第四源极端子110电连接到常通双向开关装置102的第二源极NON_S2。
双向功率开关100的第一栅极端子112电连接到第一常关开关装置SW1的常关栅极NOFF_G1。双向功率开关100的第二栅极端子114电连接到第二常关开关装置SW2的常关栅极NOFF_G2。双向功率开关100可以包括电连接到常通双向开关装置102的第一常通栅极G1的第三栅极端子116和电连接到常通双向开关装置102的第二常通栅极G2的第四栅极端子118。
常通双向开关装置102的第一常通栅极G1的传导或非传导状态由第一常关开关装置SW1的源极NOFF_S1与常通双向开关装置102的第一源极NON_S1之间的电位差来确定。常通双向开关装置102的第二常通栅极G2的传导或非传导状态同样由第二常关开关装置SW2的源极NOFF_S2与常通双向开关装置102的第二源极NON_S2之间的电位差来确定。因此，双向功率开关100可以包括第三栅极端子116和第四栅极端子118，例如用于观察常通双向开关装置102的常通栅极G1、G2，或者可以省略第三栅极端子116和第四栅极端子118。
在实施方式中，常通双向开关装置102的第一常通栅极G1通过第一二极管D1电连接到第一常关开关装置SW1的源极NOFF_S1，并且常通双向开关装置102的第二常通栅极G2通过第一二极管D2电连接到第二常关开关装置SW2的源极NOFF_S2。第一二极管D1具有电连接到常通双向开关装置102的第一常通栅极G1的阳极120和电连接到第一常关开关装置SW1的源极NOFF_S1的阴极122。第二二极管D2具有电连接到常通双向开关装置102的第二常通栅极G2的阳极124和电连接到第二常关开关装置SW2的源极NOFF_S2的阴极126。
取决于外部栅极驱动器到四源极端子双向功率开关100的源极端子104、106、108、110的连接的配置，双向功率开关100可被配置为常关双向开关、常通双向开关或混合双向开关。根据该实施方式，仅使用单个双向开关装置102和两(2)个常关开关装置SW1、SW2来实现双向功率开关100，并且使用两个外部栅极驱动器200、202来将双向功率开关100配置为常关双向开关、常通双向开关或混合双向开关。用于将双向功率开关100配置为常关双向开关、常通双向开关或混合双向开关的外部栅极驱动器连接选项在图1中示出为虚线。
图2示出了双向功率开关100，其被配置为常关双向开关。图2的下部示出了用于将双向功率开关100配置为常关双向开关的外部栅极驱动器连接。图2的上部示出了常关双向开关作为具有两(2)个栅极端子G1、G2和两(2)个源极端子S1、S2加上衬底连接“Sub”的四端子装置的等效符号。图2上部中的源极端子S1、S2与双向功率开关100的第一源极端子104和第二源极端子106对应，它们分别电连接到第一常关开关装置SW1的源极NOFF_S1和第二常关开关装置SW2的源极NOFF_S2。图2上部中的栅极端子G1、G2与双向功率开关100的第一栅极端子112和第二栅极端子114对应，它们分别电连接到第一常关开关装置SW1的栅极NOFF_G1和第二常关开关装置SW2的栅极NOFF_G2。
根据该实施方式，通过经由双向功率开关100的第一栅极端子112将第一栅极驱动器200的输出连接在双向功率开关100的第一源极端子104与第一常关开关装置SW1的栅极NOFF_G1之间，并且通过经由双向功率开关100的第二栅极端子114将第二栅极驱动器202的输出连接在双向功率开关100的第二源极端子106与第二常关开关装置SW2的栅极NOFF_G2之间，双向功率开关可被配置为常关双向开关。当第一栅极驱动器200导通第一常关开关装置SW1并且第二栅极驱动器202导通第二常关开关装置SW2时，电流流过常通双向开关装置102。图2中的双向功率开关100省略了第三栅极端子116和第四栅极端子118。
图3示出了双向功率开关100，其被配置为常通双向开关。图3的下部示出了用于将双向功率开关100配置为常通双向开关的外部栅极驱动器连接。图3的上部示出了常通双向开关作为具有两(2)个栅极端子G1、G2和两(2)个源极端子S1、S2加上衬底连接“Sub”的四端子装置的等效符号。图3上部中的源极端子S1、S2与双向功率开关100的第一源极端子108和第二源极端子110对应，它们电连接到常通双向开关装置102的源极NON_S1、NON_S2。图3上部中的栅极端子G1、G2与常通双向功率开关102的第一源极端子104和第二源极端子106。
根据该实施方式，通过将第一栅极驱动器200的输出连接在双向功率开关100的第一源极端子104与第三源极端子108之间，并且通过将第二栅极驱动器202的输出连接在双向功率开关100的第二源极端子106与第四源极端子110之间，双向功率开关100可被配置为常通双向开关。
在本实施方式中，不驱动常关开关装置SW1、SW2的栅极NOFF_G1、NOFF_G2，电流仅流过常通双向开关装置102而不流过常关开关装置SW1、SW2中的任何一个。因此，双向功率开关100的对应栅极端子112、114可以从外部接近，但是在该实施方式中没有连接到这些栅极端子112、114。常通双向开关装置102的每个栅极NON_G1、NON_G2可以通过施加相对于相应栅极NON_G1、NON_G2的负电压来关断，该栅极NON_G1、NON_G2通过二极管D1、D2连接到相应的栅极驱动器200、202。二极管D1、D2例如可以是集成到常通双向开关装置102中的反向栅极二极管。
图4示出了双向功率开关100，其被配置为混合双向开关。与图2的具有两个常关栅极的对称常关双向开关或图3的具有两个常通栅极的对称常通双向开关不同，图4中的混合双向开关是不对称双向开关，其中一个栅极(G2)为常通栅极(即耗尽模式)，另一栅极(G1)为常关栅极(即增强模式)。图4的下部示出了用于将双向功率开关100配置为混合双向开关的外部栅极驱动器连接。图4的上部示出了混合双向开关作为具有两(2)个栅极端子G1、G2和两(2)个源极端子S1、S2加上衬底连接“Sub”的四端子装置的等效符号。图4上部中的源极端子S1、S2与双向功率开关100的第一源极端子104和第二源极端子110对应，它们分别电连接到第一常关开关装置SW1的源极NOFF_S1和常通双向开关装置102的第二源极NON_S2。图4上部中的栅极端子G1与双向功率开关100的第二源极端子106对应，其电耦接到常通双向开关装置102的栅极NON_G2。图4上部中的栅极端子G2与双向功率开关100的第一栅极端子112对应，其电耦接到第一常关开关装置SW1的栅极NOFF_G1。根据该实施方式，通过经由双向功率开关100的第一栅极端子112将第一栅极驱动器200的输出连接在双向功率开关100的第一源极端子104与第一常关开关装置SW1的栅极NOFF_G1之间，并且通过将第二栅极驱动器202的输出连接在双向功率开关100的第二源极端子106与第四源极端子110之间，双向功率开关100可被配置为混合双向开关。混合双向开关实施方式是图2的常关双向开关实施方式与图3的常通双向开关实施方式的组合。
对于图2至图4所示的常关、常通和混合双向开关实施方式中的每个实施方式，常通双向开关装置102可以具有600V或更高的击穿电压，并且第一二极管D1和第二二极管D2都可以具有20V或更低的击穿电压。例如，常通双向开关装置102可以是双向GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)，第一常关开关装置SW1可以是Si功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，第二常关开关装置SW2也可以是Si功率MOSFET。双向GaN HEMT可以是双向栅极注入晶体管(GIT)，诸如具有p-GaN栅极的混合漏极HEMT。
常通双向开关装置102、第一二极管D1和第二二极管D2可以集成在相同的GaN半导体管芯128中，例如，如图1所示。第一常关开关装置SW1和第二常关开关装置SW2可以是集成在与常通双向开关装置102和二极管D1、D2相同的GaN半导体管芯128中的常关GaN HEMT，例如也如图1所示。
在另一实施方式中，常通双向开关装置102可以设置在包括GaN的第一管芯128中，第一常关开关装置SW1可以设置在包括GaN或Si的第二管芯204中，第二常关开关装置SW2可以设置在包括GaN或Si的第三管芯206中，例如，如图2至图4所示。在作为第一常关开关装置SW1和第二常关开关装置SW2的Si功率MOSFET的情况下，第二管芯204和第三管芯206都包括Si。在作为第一常关开关装置SW1和第二常关开关装置SW2的常关GaN HEMT的情况下，第二管芯204和第三管芯206都包括GaN。在任一情况下，三(3)个管芯128、204、206可以集成在相同的模制封装300中，例如，如图5所示。
图5示出了模制封装300的底部平面图，其中每个管芯128、204、206嵌入模制料302中。模制封装300可以包括电连接到常通双向开关装置102的基板“Sub”的暴露的金属引线/焊盘303。模制封装300还可以包括电连接到常通双向开关装置102的第一源极NON_S1的至少一个第一金属引线/端子304、电连接到常通双向开关装置102的第一源极NON_S1的至少一个第二金属引线/端子306、电连接到第一常关开关装置SW1的源极NOFF_S1的至少一个第三金属引线/端子308、电连接到第二常关开关装置SW2的源极NOFF_S2的至少一个第四金属引线/端子310、电连接到第一常关开关装置SW1的栅极NOFF_G1的至少一个第五金属引线/端子312、电连接到第二常关开关装置SW2的栅极NOFF_G2的至少一个第六金属引线/端子314。模制封装300还可以包括分别电连接到常通双向开关装置102的常通栅极G1、G2的第三栅极引线/端子316和第四栅极引线/端子318。可以省略第三栅极引线/端子316和第四栅极引线/端子318，因为常通双向开关装置102的常通栅极G1、G2不是由栅极驱动器主动驱动的，如本文前面解释的。然而，第三栅极引线/端子316和第四栅极引线/端子318可以用于(电)观察常通双向开关装置102的常通栅极G1、G2。
图6示出了诸如印刷电路板(PCB)400的电路板的顶部平面图，模制封装300可以附接到该电路板上。电路板400可以是例如单层或多层PCB，并且包括用于连接到模制封装300的暴露的金属引线/焊盘303的第一金属迹线402、用于连接到模制封装300的第一金属引线/端子304的第二金属迹线404、用于连接到模制封装300的第二金属引线/端子306的第三金属迹线406、用于连接到模制封装300的第三金属引线/端子308的第四金属迹线408、用于连接到模制封装300的第四金属引线/端子310的第五金属迹线410、用于连接到模制封装300的第五金属引线/端子312的第六金属迹线412、用于连接到模制封装300的第六金属引线/端子314的第七金属迹线414、用于连接到模制封装300的第七金属引线/端子316的第八金属迹线416，以及用于连接到模制封装300的第八金属引线/端子318的第九金属迹线418，例如通过焊料、导电粘合剂等。
为了将包括在模制封装300中的双向功率开关配置为如图2所示的常关双向开关，第一栅极驱动器200连接在电路板400的第四金属迹线408与第六金属迹线412之间，第二栅极驱动器202连接在电路板的第五金属迹线410与第七金属迹线414之间。
为了将包括在模制封装300中的双向功率开关配置为如图3所示的常通双向开关，第一栅极驱动器202连接在电路板400的第二金属迹线404与第四金属迹线408之间，第二栅极驱动器202连接在电路板400的第三金属迹线406与第五金属迹线410之间。
为了将包括在模制封装300中的双向功率开关配置为如图4所示的混合双向开关，第一栅极驱动器200连接在电路板400的第四金属迹线408与第六金属迹线412之间，第二栅极驱动器202连接在电路板400的第三金属迹线406与第五金属迹线410之间。
接下来描述单向固态开关的实施方式，其对于常通或常关行为是用户可配置的。
图7示出了固态单向功率开关500的实施方式。单向功率开关500在导通时具有双向电流流动能力，并且在关断时提供单向电压阻断。单向功率开关500可以用在使用诸如SMPS(开关模式电源)等功率转换器的高侧开关或低侧开关的任意数量的功率电子电路中。
单向功率开关500包括常通开关装置502和常关开关装置504。常通开关装置502具有常通栅极“NON_G”、源极“NON_S”和漏极“NON_D”。常关开关装置504具有常关栅极“NOFF_G”、源极“NOFF_S”和漏极“NOFF_D”。常关开关装置504的漏极NOFF_D以共源共栅配置电连接到常通开关装置502的源极NON_S。
单向功率开关500的第一源极端子506电连接到常关开关装置504的源极NOFF_S。单向功率开关500的第二源极端子508电连接到常通开关装置502的源极NON_S。单向功率开关500的漏极端子510电连接到常通开关装置502的漏极NON_D。单向功率开关500的第一栅极端子512电连接到常关开关装置504的常关栅极NOFF_G。单向功率开关500可以包括第二栅极端子514，该第二栅极端子514与单向功率开关500的第一源极端子506为电学上相同的节点，例如用于观察常通开关装置502的常通栅极NON_G，或者可以省略第二栅极端子514。
在一个实施方式中，常通开关装置502设置在GaN半导体管芯516中，并且常关开关装置504设置在Si半导体管芯518中。例如，常通开关装置502可以是诸如GIT的GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)，而常关开关装置504可以是Si功率MOSFET。GaN半导体管芯516和Si半导体管芯518可以集成在用于安装到电路板的相同模制封装中，例如类似于图5和图6中所示的内容。
取决于外部栅极驱动器到单向功率开关500的源极端子506、508的连接的配置，单向功率开关500可被配置为常关单向开关或常通单向开关。根据该实施方式，仅使用单个常通开关装置502和单个常关开关装置504来实现单向功率开关500，并且使用单个栅极驱动器520来将单向功率开关500配置为常关单向开关或常通单向开关。用于将单向功率开关500配置为常关单向开关或常通单向开关的外部栅极驱动器连接选项在图7中示出为虚线。
图8示出了被配置为常关单向开关的单向功率开关500。根据该实施方式，通过经由单向功率开关500的第一栅极端子512将栅极驱动器520的输出连接在单向功率开关500的第一源极端子506与常关开关装置504的栅极NOFF_G之间，单向功率开关500可被配置为常关单向开关。当栅极驱动器520导通常关开关装置504时，电流流过常通开关装置502。否则，单向功率开关500阻塞。
图9示出了被配置为常通单向开关的单向功率开关500。根据该实施方式，通过将栅极驱动器520的输出连接在单向功率开关500的第一源极端子506与单向功率开关500的第二源极端子508之间，单向功率开关500可被配置为常通单向开关。在本实施方式中，不驱动常关开关装置504的栅极NOFF_G，电流仅流过常通开关装置502而不流过常关开关装置504。常通开关装置502的栅极NON_G可以通过施加相对于连接到栅极驱动器516的栅极NON_G的负电压来关断，从而将单向功率开关500置于阻塞状态。
尽管本公开内容不限于此，但是以下编号的示例展示了本公开内容的一个或更多个方面。
示例1.一种双向功率开关，包括：常通双向开关装置，其具有第一常通栅极、第二常通栅极、第一源极和第二源极；第一常关开关装置，其具有常关栅极、源极和漏极；第二常关开关装置，其具有常关栅极、源极和漏极，其中，第一常关开关装置的漏极电连接到常通双向开关装置的第一源极，第二常关开关装置的漏极以共源共栅配置电连接到常通双向开关装置的第二源极；第一源极端子，其电连接到第一常关开关装置的源极；第二源极端子，其电连接到第二常关开关装置的源极；第三源极端子，其电连接到常通双向开关装置的第一源极；以及第四源极端子，其电连接到常通双向开关装置的第二源极，其中，取决于外部栅极驱动器到源极端子的连接的配置，双向功率开关可被配置为常关双向开关、常通双向开关或混合双向开关。
示例2.根据示例1所述的双向功率开关，其中，通过将第一栅极驱动器的输出连接在第一源极端子与第一常关开关装置的栅极之间，并将第二栅极驱动器的输出连接在第二源极端子与第二常关开关装置的栅极之间，双向功率开关可被配置为常关双向开关。
示例3.根据示例1所述的双向功率开关，其中，通过将第一栅极驱动器的输出连接在第一源极端子与第三源极端子之间，并将第二栅极驱动器的输出连接在第二源极端子与第四源极端子之间，双向功率开关可被配置为常通双向开关。
示例4.根据示例1所述的双向功率开关，其中，通过将第一栅极驱动器的输出连接在第一源极端子与第一常关开关装置的栅极之间，并将第二栅极驱动器的输出连接在第二源极端子与第四源极端子之间，双向功率开关可被配置为混合双向开关。
示例5.根据示例1至4中任一项所述的双向功率开关，其中，常通双向开关装置、第一常关开关装置和第二常关开关装置集成在相同GaN半导体管芯中。
示例6.根据示例1至4中任一项所述的双向功率开关，其中，常通双向开关装置设置在包括GaN的第一管芯中，第一常关开关装置设置在包括GaN或Si的第二管芯中，并且第二常关开关装置设置在包括GaN或Si的第三管芯中，并且其中，第一管芯、第二管芯和第三管芯集成在相同模制封装中。
示例7.根据示例1至6中任一项所述的双向功率开关，还包括：第一二极管，其具有电连接到常通双向开关装置的第一常通栅极的阳极和电连接到第一常关开关装置的源极的阴极；以及第二二极管，其具有电连接到常通双向开关装置的第二常通栅极的阳极和电连接到第二常关开关装置的源极的阴极。
示例8.根据示例7所述的双向功率开关，其中，常通双向开关装置、第一二极管和第二二极管集成在相同GaN半导体管芯中。
示例9.根据示例8所述的双向功率开关，其中，第一常关开关装置和第二常关开关装置与常通双向开关装置、第一二极管和第二二极管集成在相同GaN半导体管芯中。
示例10.根据示例8所述的双向功率开关，其中，第一常关开关装置设置在第一Si半导体管芯中，并且第二常关开关装置设置在第二Si半导体管芯中，并且其中，GaN半导体管芯、第一Si半导体管芯和第二Si半导体管芯集成在相同模制封装中。
示例11.根据示例7至10中任一项所述的双向功率开关，其中，常通双向开关装置具有600V或更高的击穿电压，并且其中，第一二极管和第二二极管都具有20V或更低的击穿电压。
示例12.根据示例1至11中任一项所述的双向功率开关，其中，常通双向开关装置是GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)，其中，第一常关开关装置是Si功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，并且其中，第二常关开关装置是Si功率MOSFET。
示例13.根据示例1至12中任一项所述的双向功率开关，还包括：第一栅极端子，其电连接到第一常关开关装置的常关栅极；第二栅极端子，其电连接到第二常关开关装置的常关栅极；第三栅极端子，其电连接到常通双向开关装置的第一常通栅极；以及第四栅极端子，其电连接到常通双向开关装置的第二常通栅极。
示例14.一种单向功率开关，包括：常通开关装置，其具有常通栅极、源极和漏极；常关开关装置，其具有常关栅极、源极和漏极，其中，常关开关装置的漏极以共源共栅配置电连接到常通开关装置的源极；第一源极端子，其电连接到常关开关装置的源极；第二源极端子，其电连接到常通开关装置的源极；以及漏极端子，其电连接到常通开关装置的漏极，其中，取决于外部栅极驱动器到源极端子的连接的配置，单向功率开关可被配置为常关单向开关或常通单向开关。
示例15.根据示例14所述的单向功率开关，其中，通过将栅极驱动器的输出连接在第一源极端子与常关开关装置的栅极之间，单向功率开关可被配置为常关单向开关。
示例16.根据示例14所述的单向功率开关，其中，通过将栅极驱动器的输出连接在第一源极端子与第二源极端子之间，单向功率开关可被配置为常通单向开关。
示例17.根据示例14至16中任一项所述的单向功率开关，其中，常通开关装置设置在GaN半导体管芯中，并且常关开关装置设置在Si半导体管芯中，并且其中，GaN半导体管芯和Si半导体管芯集成在相同模制封装中。
示例18.根据示例14至17中任一项所述的单向功率开关，其中，常通开关装置是GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)，并且其中，常关开关装置是Si功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。
示例19.一种配置双向功率开关的方法，该方法包括：将双向功率开关附接到电路板上，该双向功率开关包括：常通双向开关装置，其具有第一常通栅极、第二常通栅极、第一源极和第二源极；第一常关开关装置，其具有常关栅极、源极和漏极；第二常关开关装置，其具有常关栅极、源极和漏极，其中，第一常关开关装置的漏极电连接到常通双向开关装置的第一源极，第二常关开关装置的漏极以共源共栅配置电连接到常通双向开关装置的第二源极；第一源极端子，其电连接到第一常关开关装置的源极；第二源极端子，其电连接到第二常关开关装置的源极；第三源极端子，其电连接到常通双向开关装置的第一源极；以及第四源极端子，其电连接到常通双向开关装置的第二源极；并且将双向功率开关配置为以下各项中的一项：常关双向开关，通过将第一栅极驱动器的输出连接在第一源极端子与第一常关开关装置的栅极之间，并将第二栅极驱动器的输出连接在第二源极端子与第二常关开关装置的栅极之间；常通双向开关，通过将第一栅极驱动器的输出连接在第一源极端子与第三源极端子之间，并将第二栅极驱动器的输出连接在第二源极端子与第四源极端子之间；或者混合双向开关，通过将第一栅极驱动器的输出连接在第一源极端子与第一常关开关装置的栅极之间，并将第二栅极驱动器的输出连接在第二源极端子与第四源极端子之间。
示例20.一种配置单向功率开关的方法，该方法包括：将单向功率开关附接到电路板上，该单向功率开关包括：常通开关装置，其具有常通栅极、源极和漏极；常关开关装置，其具有常关栅极、源极和漏极，其中，常关开关装置的漏极以共源共栅配置电连接到常通开关装置的源极；第一源极端子，其电连接到常关开关装置的源极；第二源极端子，其电连接到常通开关装置的源极；漏极端子，其电连接到常通开关装置的漏极；并且将单向功率开关配置为以下各项中的一项：常关单向开关，通过将栅极驱动器的输出连接在第一源极端子与第一常关开关装置的栅极之间；或者常通单向开关，通过将栅极驱动器的输出连接在第一源极端子与第二源极端子之间，将单向功率开关配置。
如本文中使用的，术语“具有”、“含有”、“包括”、“包含”等是开放式术语，其指示所述元件或特征的存在，但不排除另外的元件或特征。除非上下文另外明确指出，否则冠词“一”、“一个”和“该”旨在包括复数和单数。
应当理解，除非另外特别说明，否则本文中描述的各种实施方式的特征可以彼此组合。
尽管本文已说明和描述了特定实施方式，但本领域的技术人员将理解，可以在不脱离本发明的范围的情况下用各种替选和/或等效实现方式替代所示出并且描述的特定实施方式。本申请意在覆盖本文中讨论的特定实施方式的任何改变或变型。因此，本发明旨在仅由其权利要求书及其等同物限制。

Claims (20)

1.一种双向功率开关，包括：
常通双向开关装置，其具有第一常通栅极、第二常通栅极、第一源极和第二源极；
第一常关开关装置，其具有常关栅极、源极和漏极；
第二常关开关装置，其具有常关栅极、源极和漏极，其中，在共源共栅配置中，所述第一常关开关装置的漏极被电连接到所述常通双向开关装置的第一源极，并且所述第二常关开关装置的漏极被电连接到所述常通双向开关装置的第二源极；
第一源极端子，其被电连接到所述第一常关开关装置的源极；
第二源极端子，其被电连接到所述第二常关开关装置的源极；
第三源极端子，其被电连接到所述常通双向开关装置的第一源极；以及
第四源极端子，其被电连接到所述常通双向开关装置的第二源极，
其中，取决于外部栅极驱动器到所述第一源极端子至第四源极端子的连接的配置，所述双向功率开关能够被配置为常关双向开关、常通双向开关或混合双向开关。
2.根据权利要求1所述的双向功率开关，其中，通过将第一栅极驱动器的输出连接在所述第一源极端子与所述第一常关开关装置的栅极之间，并且将第二栅极驱动器的输出连接在所述第二源极端子与所述第二常关开关装置的栅极之间，所述双向功率开关能够被配置为常关双向开关。
3.根据权利要求1所述的双向功率开关，其中，通过将第一栅极驱动器的输出连接在所述第一源极端子与所述第三源极端子之间，并将第二栅极驱动器的输出连接在所述第二源极端子与所述第四源极端子之间，所述双向功率开关能够被配置为常通双向开关。
4.根据权利要求1所述的双向功率开关，其中，通过将第一栅极驱动器的输出连接在所述第一源极端子与所述第一常关开关装置的栅极之间，并将第二栅极驱动器的输出连接在所述第二源极端子与所述第四源极端子之间，所述双向功率开关能够被配置为混合双向开关。
5.根据权利要求1所述的双向功率开关，其中，所述常通双向开关装置、所述第一常关开关装置和所述第二常关开关装置被集成在相同的氮化镓半导体管芯中。
6.根据权利要求1所述的双向功率开关，其中，所述常通双向开关装置被设置在包括氮化镓的第一管芯中，所述第一常关开关装置被设置在包括氮化镓或硅的第二管芯中，并且所述第二常关开关装置被设置在包括氮化镓或硅的第三管芯中，并且其中，所述第一管芯、所述第二管芯和所述第三管芯被集成在相同的模制封装中。
7.根据权利要求1所述的双向功率开关，还包括：
第一二极管，其具有被电连接到所述常通双向开关装置的第一常通栅极的阳极，和被电连接到所述第一常关开关装置的源极的阴极；以及
第二二极管，其具有被电连接到所述常通双向开关装置的第二常通栅极的阳极，和被电连接到所述第二常关开关装置的源极的阴极。
8.根据权利要求7所述的双向功率开关，其中，所述常通双向开关装置、所述第一二极管和所述第二二极管被集成在相同的氮化镓半导体管芯中。
9.根据权利要求8所述的双向功率开关，其中，所述第一常关开关装置和所述第二常关开关装置与所述常通双向开关装置、所述第一二极管和所述第二二极管被集成在相同的氮化镓半导体管芯中。
10.根据权利要求8所述的双向功率开关，其中，所述第一常关开关装置被设置在第一硅半导体管芯中，并且所述第二常关开关装置被设置在第二硅半导体管芯中，并且其中，所述氮化镓半导体管芯、所述第一硅半导体管芯和所述第二硅半导体管芯被集成在相同的模制封装中。
11.根据权利要求7所述的双向功率开关，其中，所述常通双向开关装置具有600V或更高的击穿电压，并且其中，所述第一二极管和所述第二二极管都具有20V或更低的击穿电压。
12.根据权利要求1所述的双向功率开关，其中，所述常通双向开关装置是氮化镓高电子迁移率晶体管，其中，所述第一常关开关装置是硅功率金属氧化物半导体场效应晶体管，并且其中，所述第二常关开关装置是硅功率金属氧化物半导体场效应晶体管。
13.根据权利要求1所述的双向功率开关，还包括：
第一栅极端子，其被电连接到所述第一常关开关装置的常关栅极；
第二栅极端子，其被电连接到所述第二常关开关装置的常关栅极；
第三栅极端子，其被电连接到所述常通双向开关装置的第一常通栅极；以及
第四栅极端子，其被电连接到所述常通双向开关装置的第二常通栅极。
14.一种单向功率开关，包括：
常通开关装置，其具有常通栅极、源极和漏极；
常关开关装置，其具有常关栅极、源极和漏极，其中，所述常关开关装置的漏极以共源共栅配置而被电连接到所述常通开关装置的源极；
第一源极端子，其被电连接到所述常关开关装置的源极；
第二源极端子，其被电连接到所述常通开关装置的源极；以及
漏极端子，其被电连接到所述常通开关装置的漏极，
其中，取决于外部栅极驱动器到所述第一源极端子和所述第二源极端子的连接的配置，所述单向功率开关能够被配置为常关单向开关或常通单向开关。
15.根据权利要求14所述的单向功率开关，其中，通过将栅极驱动器的输出连接在所述第一源极端子与所述常关开关装置的栅极之间，所述单向功率开关能够被配置为常关单向开关。
16.根据权利要求14所述的单向功率开关，其中，通过将栅极驱动器的输出连接在所述第一源极端子与所述第二源极端子之间，所述单向功率开关能够被配置为常通单向开关。
17.根据权利要求14所述的单向功率开关，其中，所述常通开关装置被设置在氮化镓半导体管芯中，并且所述常关开关装置被设置在硅半导体管芯中，并且其中，所述氮化镓半导体管芯和所述硅半导体管芯被集成在相同的模制封装中。
18.根据权利要求14所述的单向功率开关，其中，所述常通开关装置是氮化镓高电子迁移率晶体管，并且其中，所述常关开关装置是硅功率金属氧化物半导体场效应晶体管。
19.一种配置双向功率开关的方法，所述方法包括：
将所述双向功率开关附接到电路板上，所述双向功率开关包括：
常通双向开关装置，其具有第一常通栅极、第二常通栅极、第一源极和第二源极，
第一常关开关装置，其具有常关栅极、源极和漏极，
第二常关开关装置，其具有常关栅极、源极和漏极，其中，在共源共栅配置中，所述第一常关开关装置的漏极被电连接到所述常通双向开关装置的第一源极，并且所述第二常关开关装置的漏极被电连接到所述常通双向开关装置的第二源极，
第一源极端子，其被电连接到所述第一常关开关装置的源极，
第二源极端子，其被电连接到所述第二常关开关装置的源极，
第三源极端子，其被电连接到所述常通双向开关装置的第一源极，和
第四源极端子，其被电连接到所述常通双向开关装置的第二源极；以及
将所述双向功率开关配置为以下中的一项：
常关双向开关，通过将第一栅极驱动器的输出连接在所述第一源极端子与所述第一常关开关装置的栅极之间，并且将第二栅极驱动器的输出连接在所述第二源极端子与所述第二常关开关装置的栅极之间，
常通双向开关，通过将所述第一栅极驱动器的输出连接在所述第一源极端子与所述第三源极端子之间，并且将所述第二栅极驱动器的输出连接在所述第二源极端子与所述第四源极端子之间，和
混合双向开关，通过将所述第一栅极驱动器的输出连接在所述第一源极端子与所述第一常关开关装置的栅极之间，并且将所述第二栅极驱动器的输出连接在所述第二源极端子与所述第四源极端子之间。
20.一种配置单向功率开关的方法，所述方法包括：
将所述单向功率开关附接到电路板上，所述单向功率开关包括：
常通开关装置，其具有常通栅极、源极和漏极，
常关开关装置，其具有常关栅极、源极和漏极，其中，所述常关开关装置的漏极以共源共栅配置而被电连接到所述常通开关装置的源极，
第一源极端子，其被电连接到所述常关开关装置的源极，
第二源极端子，其被电连接到所述常通开关装置的源极，和
漏极端子，其被电连接到所述常通开关装置的漏极；以及将所述单向功率开关配置为以下中的一项：
常关单向开关，通过将栅极驱动器的输出连接在所述第一源极端子与所述常关开关装置的栅极之间，和
常通单向开关，通过将所述栅极驱动器的输出连接在所述第一源极端子和所述第二源极端子之间。
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Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005002054A1 (ja) * 2003-06-30 2005-01-06 Sanken Electric Co., Ltd. 半導体スイッチ
US7164589B1 (en) * 2005-07-11 2007-01-16 International Rectifier Corporation Bridgeless bi-directional forward type converter
JP5130906B2 (ja) * 2007-12-26 2013-01-30 サンケン電気株式会社 スイッチ装置
EP2707959A4 (en) * 2011-05-10 2014-10-22 Enphase Energy Inc FOUR-QUADRANT BIDIRECTIONAL SWITCH
US9773895B2 (en) * 2015-04-30 2017-09-26 Semiconductor Components Industries, Llc Half-bridge HEMT circuit and an electronic package including the circuit
US9793260B2 (en) * 2015-08-10 2017-10-17 Infineon Technologies Austria Ag System and method for a switch having a normally-on transistor and a normally-off transistor
US9960157B2 (en) * 2015-10-15 2018-05-01 Infineon Technologies Austria Ag Bidirectional normally-off III-V high electron mobility transistor (HEMT)devices and circuits
JP2023537713A (ja) * 2020-08-05 2023-09-05 トランスフォーム テクノロジー，インコーポレーテッド 空乏層を有するｉｉｉ族窒化物デバイス

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