[发明专利]具有第一和第二功率FET的固态双向开关

说明书

技术领域

本文中所述的实施例涉及具有第一和第二功率FET的固态双向开关。

背景技术

由于随着变化能源供应的增加的对可再生能源供应装置的使用，对控制诸如局部电网的电网（electrical grids）中的负载的需求越来越高。被供应给最终用户的变化能源可以促使负载的选择性接通和断开，从而保持供应和负载之间的平衡。能够通过所谓的智能仪表（smart meters）控制负载，该智能仪表从网络提供商接收信息或者通过用于建筑自动化的总线系统接收信息。

按照常规，已经使用具有继电器（relays）的机械开关或者具有诸如闸流晶体管或者TRIAC的双极性装置的电子开关。机械开关在操作时生成噪声，并且因此不适合作为墙内电源插座。机械开关通常位于中央配电箱或者开关盒中。这减少了对于使用总线系统来控制家用电器的灵活性并且增加了接线的复杂性。此外，机械开关具有有限的总操作周期、是易于振动的、当被操作时可能影响其他部件，并且具有有限的开关频率。

使用双极性装置的电子开关固有地展示出由于具有大约0.7 V的电压降的pn结而引起功率损耗。与这个固有电压降相关联的功率损耗需要用于散热的装置，该用于散热的装置使得此类电子开关不适合于墙内插座或者不适合于被集成到小空间中具有受限散热的开关。

采用高压MOS - FET的电子开关可能是一种替换方式，因为FET具有欧姆电流电压特征并且具有低通态电阻。然而，常规MOS - FET或者使用补偿结构的FET需要大的芯片面积，用于运载16 A的额定电流，该额定电流是用于家用设备的典型值。例如，每个FET将会需要用于16 A的额定电流的大约250 mm²的有效芯片面积、8 mΩ的通态电阻、和650 V的额定阻断电压。这些装置对于在安装轨道上集成或者集成至墙内插座中将会是过大的。需要650 V的高额定阻断电压，这是由于这种高瞬态可能发生在230 V网络的相中。

除此之外，半导体开关易于过电流和过电压，这可能由雷击引起。尽管通常提供措施来用于对过电流和电压进行放电，但是此类措施可能不会完全被实现，使TN网络的部分未被保护。即使当由残留电流电路断路器（RCCB）所保护时，当故障电流或者残余电流发生时该断路器使电器断开连接，该开关也必须能够处理过电压，并且必须根据RCCB的截止特性来运载截止电流。如果由于RCCB的高截止电流而使采用FET的开关部分破坏，该开关可能被转移至不明确状况中，其中大的通态电阻引起增加的热量损耗并因此引起高的火灾风险。

鉴于上述内容，存在对改进的需要。

发明内容

根据实施例，提供了一种固态双向开关，该固态双向开关具有彼此反序（anti - serial）电连接的第一和第二功率场效应晶体管。第一和第二功率场效应晶体管中的每个都包括源极区域；漏极区域；主体区域，其与源极区域形成pn结，并且具有反型沟道区域；栅极端子；漂移区域，其在主体区域和漏极区域之间，并且具有积累沟道区域；漂移控制区域，其与积累沟道区域相邻，其中该积累沟道区域通过漂移控制区域可控。该固态双向开关进一步包括与第一和第二功率场效应晶体管的栅极端子连接的控制器。

根据实施例，一种固态双向开关包括第一和第二功率场效应晶体管，均具有源极端子、栅极端子、和漏极端子，其中该第一和第二功率场效应晶体管的源极端子彼此电连接，以形成公共源极节点。固态双向开关进一步包括控制器，该控制器具有与第一和第二功率场效应晶体管的栅极端子电连接的至少一个输出端子、与公共源极节点电连接的参考端子、和第一和第二输入端子。该固态双向开关进一步包括第一非线性电压限制元件，其将第一功率场效应晶体管的漏极端子与控制器的第一输入端子连接；以及第二非线性电压限制元件，其将第二功率场效应晶体管的漏极端子与控制器的第二输入端子连接。

根据实施例，固态双向开关包括第一和第二功率场效应晶体管，均具有源极端子、栅极端子、和漏极端子，其中该第一和第二功率场效应晶体管的漏极端子彼此电连接，以形成公共漏极节点。固态双向开关进一步包括控制器，其具有与公共漏极节点电连接的参考端子和至少一个输出端子；第一电平移位器，其将该控制器的至少一个输出端子与该第一功率场效应晶体管的栅极端子连接；以及第二电平移位器，其将该控制器的至少一个输出端子与该第二功率场效应晶体管的栅极端子连接。