本發(fā)明涉及一種開關(guān)電路，特別涉及一種功率開關(guān)電路。

背景技術(shù)：

近來，隨著傳統(tǒng)硅功率半導體開關(guān)性能接近硅材料本身的理論極限，采用如碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等半導體材料的寬禁帶功率半導體(Wide Bandgap Power Semiconductor)的常通型(normally on)開關(guān)元件的技術(shù)正在快速地發(fā)展當中。

然而，采用上述半導體材料的常通型開關(guān)元件不論是采取傳統(tǒng)的直接驅(qū)動方式或是采用高壓常通型開關(guān)元件與低壓常閉型開關(guān)元件級聯(lián)(cascode)的間接驅(qū)動方式，都存在各自的缺陷。例如目前普遍采用的級聯(lián)驅(qū)動方式，在小電流下高壓常通型開關(guān)元件的關(guān)斷速度較慢，且無法直接控制高壓常通型開關(guān)元件柵源極之間的偏壓，提高高壓常通型開關(guān)元件擊穿損壞的風險。此外，顯著的低壓常閉型開關(guān)元件寄生電容的額外反向恢復(reverse recovery)導致的損耗亦使得此類元件難以應(yīng)用在高頻電路當中。

因此，如何能改善常通型開關(guān)元件在不同工作電流條件下的開關(guān)反應(yīng)速率，同時穩(wěn)定控制高壓常通型開關(guān)元件的柵極電位并改善反向恢復的損耗，實屬當前重要研發(fā)課題之一，亦成為當前相關(guān)領(lǐng)域極需改進的目標。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述的問題，本發(fā)明的一方面在于提供一種開關(guān)電路。開關(guān)電路包含常通型開關(guān)元件、常閉型開關(guān)元件、開關(guān)單元以及電源。常閉型開關(guān)元件的漏極與常通型開關(guān)元件的源極電性連接，常閉型開關(guān)元件的源極與常通型開關(guān)元件的柵極電性連接。電源與開關(guān)單元組成串聯(lián)支路，串聯(lián)支路的第一端與常閉型開關(guān)元件的漏極電性連接，串聯(lián)支路的第二端與常閉型開關(guān)元件的源極電性連接。

在本發(fā)明一實施例中，開關(guān)單元的第一端與常閉型開關(guān)元件的漏極電性連接，開關(guān)單元的第二端與電源的第一端電性連接，而電源的第二端與常閉型開關(guān)元件的源極電性連接。

在本發(fā)明一實施例中，電源的第一端與常閉型開關(guān)元件的漏極電性連接，電源的第二端與開關(guān)單元的第一端電性連接，而開關(guān)單元的第二端與常閉型開關(guān)元件的源極電性連接。

在本發(fā)明一實施例中，電源提供直流電位，且直流電位的數(shù)值滿足下列公式：

－V_{TH_M1}≦VDD≦－V_{MIN_GATE}；

其中，VDD為該直流電位，V_{TH_M1}為常通型開關(guān)元件的柵極閾值電壓，而V_{MIN_GATE}為常通型開關(guān)元件的柵極電壓安全范圍的下限值。

在本發(fā)明一實施例中，常閉型開關(guān)元件以及開關(guān)單元的耐壓值滿足下列公式：

VDD≦V_BR。

其中，VDD為該直流電位，V_BR為常閉型開關(guān)元件以及開關(guān)單元的耐壓值。

在本發(fā)明一實施例中，開關(guān)單元為單向?qū)щ娫?/p>

在本發(fā)明一實施例中，開關(guān)單元為二極管或是柵極與源極短接的金氧半場效晶體管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)。

在本發(fā)明一實施例中，常通型開關(guān)元件的漏極為輸入端，常閉型開關(guān)元件的源極為輸出端，而常閉型開關(guān)元件的柵極用以接收控制信號，以控制開關(guān)電路的導通或關(guān)斷。

在本發(fā)明一實施例中，常閉型開關(guān)元件以及開關(guān)單元為N型金氧半場效晶體管，開關(guān)單元的源極與常閉型開關(guān)元件的漏極電性連接。電源提供直流電位，開關(guān)單元的漏極與電源的正極電性連接，常閉型開關(guān)元件的源極與電源的負極電性連接。在開關(guān)電路的關(guān)斷過程中，在第一時間，常閉型開關(guān)元件的柵極電位由高電位轉(zhuǎn)為低電位，而在第一時間之后的第二時間，開關(guān)單元的柵極電位由低電位轉(zhuǎn)為高電位。

在本發(fā)明一實施例中，在開關(guān)電路的開通過程中，在第三時間，開關(guān)單元的柵極電位由高電位轉(zhuǎn)為低電位，而在第三時間之后的第四時間，常閉型 開關(guān)元件的柵極電位由低電位轉(zhuǎn)為高電位

在本發(fā)明一實施例中，第一時間與第二時間的時間差以及第三時間與第四時間的時間差的值介于約0.01納秒(ns)至約1微秒(us)之間。

在本發(fā)明一實施例中，電源提供直流電位，且開關(guān)電路更包含電容、控制單元以及保護單元。其中電容與電源并聯(lián)，控制單元電性連接開關(guān)單元的柵極以及常閉型開關(guān)元件的柵極。保護單元電性連接電源、電容以及控制單元，保護單元用以監(jiān)控直流電位的電壓值，當直流電位的電壓值低于欠壓保護電壓值時，保護單元輸出保護信號，控制單元根據(jù)保護信號關(guān)斷常閉型開關(guān)元件。

在本發(fā)明一實施例中，常閉型開關(guān)元件為N型金氧半場效晶體管，開關(guān)單元為N型金氧半場效晶體管，其中控制單元分別輸出第一控制信號和第二控制信號至常閉型開關(guān)元件以及開關(guān)單元的柵極，用以控制常閉型開關(guān)元件和開關(guān)單元的導通和關(guān)斷。

在本發(fā)明一實施例中，欠壓保護電壓值滿足下列公式：

－V_{TH_M1}≦V_UV；

其中，V_{TH_M1}為常通型開關(guān)元件的柵極閾值電壓，V_UV為該欠壓保護電壓值。

在本發(fā)明一實施例中，開關(guān)電路更包含單向?qū)щ娫?。單向?qū)щ娫年枠O與保護單元電性連接，而單向?qū)щ娫年帢O與電容電性連接。

在本發(fā)明一實施例中，開關(guān)電路更包含第四開關(guān)元件。第四開關(guān)元件的第一端與保護單元電性連接，而第四開關(guān)元件的第二端與電容電性連接，其中當保護單元監(jiān)控到直流電位的電壓值低于欠壓保護電壓值時，控制控制單元關(guān)斷第四開關(guān)元件，當開關(guān)電路啟動時，控制單元導通第四開關(guān)單元。

在本發(fā)明一實施例中，常閉型開關(guān)元件為N型金氧半場效晶體管，開關(guān)單元為P型金氧半場效晶體管，其中控制單元輸出控制信號至常閉型開關(guān)元件和開關(guān)單元的柵極，用以控制常閉型開關(guān)元件和開關(guān)單元的導通和關(guān)斷。

在本發(fā)明一實施例中，更包含電位平移(level shift)單元，電位平移單元用以將該控制信號上拉一平移電位值，輸出第二控制信號并將該第二控制信號傳送至開關(guān)單元的柵極。

在本發(fā)明一實施例中，平移電位值滿足下列公式：

VDD－V_{TH_M2}+V_{TH_MX}≦V_shift≦VDD+V_{TH_MX}；

其中，V_shift為平移電位值，V_{TH_M2}為常閉型開關(guān)元件的柵極閾值電壓，V_{TH_MX}為開關(guān)單元的柵極閾值電壓，VDD為直流電位。

在本發(fā)明一實施例中，常通型開關(guān)元件、常閉型開關(guān)元件以及開關(guān)單元于芯片上被實現(xiàn)，且常通型開關(guān)元件于芯片上的面積大于常閉型開關(guān)元件以及開關(guān)單元于芯片上的面積。

在本發(fā)明一實施例中，常通型開關(guān)元件、常閉型開關(guān)元件以及開關(guān)單元于芯片上被實現(xiàn)，且常通型開關(guān)元件、常閉型開關(guān)元件以及開關(guān)單元中至少二者集成(integrate)于芯片上。

綜上所述，本發(fā)明的技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點和有益效果。通過上述技術(shù)方案，可達到相當?shù)募夹g(shù)進步，并具有產(chǎn)業(yè)上的廣泛利用價值，本發(fā)明通過設(shè)置開關(guān)單元的電路設(shè)計，穩(wěn)定控制高壓常通型開關(guān)元件的柵極電位，并保持高速的開關(guān)性能。

附圖說明

圖1、圖2為根據(jù)本發(fā)明一實施例所繪示的開關(guān)電路的示意圖；

圖3A～圖3C為根據(jù)本發(fā)明一實施例所繪示的開關(guān)電路的示意圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明一實施例所繪示的開關(guān)電路的示意圖；

圖5為根據(jù)本發(fā)明一實施例所繪示的控制信號示意圖；

圖6為根據(jù)本發(fā)明一實施例所繪示的開關(guān)電路的示意圖；

圖7A、圖7B為根據(jù)本發(fā)明一實施例所繪示的開關(guān)電路的示意圖；

圖8A、圖8B為根據(jù)本發(fā)明一實施例所繪示的開關(guān)電路的示意圖；

圖9為根據(jù)本發(fā)明一實施例所繪示的功率開關(guān)元件示意圖；

圖10A～圖10E為根據(jù)本發(fā)明一實施例所繪示的集成芯片的示意圖。

其中，附圖標記說明如下：

100a～100k：開關(guān)電路

120：常通型開關(guān)元件

122：漏極

124：源極

126：柵極

130：串聯(lián)支路

132：第一端

134：第二端

140：常閉型開關(guān)元件

142：漏極

144：源極

146：柵極

160：開關(guān)單元

180：電源

200：功率開關(guān)元件

260：開關(guān)單元

262：漏極

264：源極

266：柵極

HG：第二控制信號

LG：第一控制信號

t0～t4：時間

600：控制驅(qū)動芯片

620：保護單元

621：保護信號

640：控制單元

660：電位平移單元

720：單向?qū)щ娫?/p>

740：開關(guān)元件

800：芯片

800a～800c：芯片區(qū)域

900：芯片

900a～900b：芯片區(qū)域

S：源極端

G：柵極端

D：漏極端

C1：電容

VDD：直流電位

Vshift：平移電位值

Vcontrol：控制電壓

具體實施方式

下文舉實施例配合所附圖式作詳細說明，以更好地理解本發(fā)明的實施例，但所提供的實施例并非用以限制本發(fā)明所涵蓋的范圍，而結(jié)構(gòu)操作的描述并非用以限制其執(zhí)行的順序，任何由元件重新組合的結(jié)構(gòu)，所產(chǎn)生具有均等功效的裝置，皆為本發(fā)明所涵蓋的范圍。此外，根據(jù)業(yè)界的標準及慣常做法，圖式僅以輔助說明為目的，并未依照原尺寸作圖，實際上各種特征的尺寸可任意地增加或減少以便于說明。下述說明中相同元件將以相同的符號標示來進行說明以便于理解。

在說明書與權(quán)利要求書所使用的用詞(terms)，除有特別注明外，通常具有每個用詞使用在此領(lǐng)域中、在此揭露的內(nèi)容中與特殊內(nèi)容中的平常意義。某些用以描述本發(fā)明的用詞將于下或在此說明書的別處討論，以提供本領(lǐng)域技術(shù)人員在有關(guān)本發(fā)明的描述上額外的引導。

此外，在本文中所使用的用詞“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均為開放性的用語，即意指“包含但不限于”。此外，本文中所使用的“和/或”，包含相關(guān)列舉項目中一或多個項目的任意一個以及其所有組合。

在本文中，當一元件被稱為“連接”或“耦接”時，可指“電性連接”或“電性耦接”?！斑B接”或“耦接”亦可用以表示兩個或多個元件間相互搭配操作或互動。此外，雖然本文中使用“第一”、“第二”、…等用語描述不同元件，該用語僅是用以區(qū)別以相同技術(shù)用語描述的元件或操作。除非上下文清楚指明，否則該用語并非特別指稱或暗示次序或順位，亦非用以限定本發(fā)明。

請參考圖1，圖1為根據(jù)本發(fā)明一實施例所繪示的開關(guān)電路100a的示意圖。在本實施例中，開關(guān)電路100a包含常通型開關(guān)元件120、常閉型開關(guān)元件140、開關(guān)單元160以及電源180。如圖1所示，常閉型開關(guān)元件140 的漏極142與常通型開關(guān)元件120的源極124電性連接，常閉型開關(guān)元件140的源極144與常通型開關(guān)元件120的柵極126電性連接，形成級聯(lián)(cascode)的電路結(jié)構(gòu)。

在結(jié)構(gòu)上，電源180與開關(guān)單元160兩者串聯(lián)組成串聯(lián)支路130，兩端分別電性連接至常閉型開關(guān)元件140的漏極142和源極144。具體而言，串聯(lián)支路130的第一端132與常閉型開關(guān)元件140的漏極142電性連接，串聯(lián)支路130的第二端134與常閉型開關(guān)元件140的源極144電性連接。

在本實施例中，常通型開關(guān)元件120、常閉型開關(guān)元件140和開關(guān)單元160可以分別采用各種不同類型的晶體管，如金氧半場效晶體管(MOSFET)、雙極結(jié)型晶體管(BJT)、或是結(jié)型場效晶體管(JFET)等等。晶體管材料可選用傳統(tǒng)的硅基半導體材料，也可以選用任意的寬禁帶半導體材料，如碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)和金剛石等等。

在本實施例中，電源180可以是直流電源，亦可以認為由其他元件(如：解耦電容或直流電源與解耦電容并聯(lián)連接電路等)實現(xiàn)，以提供直流電位VDD。為確保開關(guān)電路100a的正常運作，直流電位VDD的范圍取決于常通型開關(guān)元件120的柵極閾值電壓V_{TH_M1}和常通型開關(guān)元件120的柵極電壓安全范圍的下限值V_{MIN_GATE}。

具體來說，在本實施例中直流電位VDD的數(shù)值須滿足下列公式：

-V_{TH_M1}≦VDD≦-V_{MIN_GATE}；

以保護常通型開關(guān)元件120柵極126的電壓準位處于安全范圍內(nèi)，避免柵極擊穿的現(xiàn)象發(fā)生，其具體操作將于以下段落詳細說明。

當控制電路要關(guān)斷開關(guān)電路100a時，首先，常閉型開關(guān)元件140的柵極146(即：開關(guān)電路100a的柵極G)接收到控制電路的控制信號，使得常閉型開關(guān)元件140關(guān)斷。此時，常閉型開關(guān)元件140的漏極142和源極144之間電壓差開始升高，換言之，常通型開關(guān)元件120的柵極126和源極124之間電壓差開始逐步降低。

當常通型開關(guān)元件120的柵極126和源極124之間電壓差低于柵極閾值電壓V_{TH_M1}時，常通型開關(guān)元件120從導通切換至關(guān)斷狀態(tài)。由于常通型開關(guān)元件120存在柵源極間的寄生電容，當柵源極間的寄生電容進一步被充電時，常閉型開關(guān)元件140的漏極142的電位進一步繼續(xù)升高，使得常通型開 關(guān)元件120的柵極126和源極124之間所承受的電壓差逼近安全范圍的下限值V_{MIN_GATE}。

此時，開關(guān)單元160開通使得串聯(lián)支路130導通，將常閉型開關(guān)元件140的漏極142和源極144之間電壓差限制在直流電位VDD，避免常通型開關(guān)元件120的柵極126和源極124之間電壓差過大導致常通型開關(guān)元件120損壞。

換言之，串聯(lián)支路130導通時，常通型開關(guān)元件120的柵極126和源極124之間電壓差(即：直流電位VDD的負值，－VDD)的電位必須小于柵極閾值電壓V_{TH_M1}，使得常通型開關(guān)元件120維持關(guān)斷，也必須大于柵極電壓安全范圍的下限值V_{MIN_GATE}，以免常通型開關(guān)元件120損壞，即：

V_{MIN_GATE}≦－VDD≦_{VTH_M1}

上式經(jīng)移項整理后，直流電位VDD的范圍可以表示為：

－V_{TH_M1}≦VDD≦－V_{MIN_GATE}。

值得注意的是，由于常通型開關(guān)元件120本身為常通型元件，上述表示式中的柵極閾值電壓V_{TH_M1}和柵極電壓安全范圍的下限值V_{MIN_GATE}皆為負值。

如此一來，通過適當設(shè)置直流電位VDD，便能控制常通型開關(guān)元件120的柵極126電位，避免開關(guān)電路100a內(nèi)的元件損壞。

值得注意的是，為確保開關(guān)電路100a能正常運作，常閉型開關(guān)元件140以及開關(guān)單元160所能承受的耐壓值V_BR須大于電源180的直流電位VDD。換言之，常閉型開關(guān)元件140以及開關(guān)單元160的耐壓值V_BR與直流電位VDD須滿足下列公式：

VDD≦V_BR。

在圖1所示的實施例中，開關(guān)單元160的第一端(即串聯(lián)支路130的第一端132)與常閉型開關(guān)元件140的漏極142電性連接，開關(guān)單元160的第二端與電源180的第一端(如：正極端)電性連接，而電源180的第二端(如：負極端，即串聯(lián)支路130的第二端134)與常閉型開關(guān)元件140的源極144電性連接，以組成串聯(lián)支路130。然而本發(fā)明并不以此為限，串聯(lián)支路130可以通過多種不同的連接方式實現(xiàn)。

舉例來說，圖2所示的實施例亦為本發(fā)明的一種實施例。圖2為根據(jù)本發(fā)明另一實施例所繪示的開關(guān)電路100b的示意圖。相較于圖1，在圖2所示 的實施例中，電源180的第一端(如：正極端，即串聯(lián)支路130的第一端132)與常閉型開關(guān)元件140的漏極142電性連接，電源的第二端(如：負極端)與開關(guān)單元160的第一端電性連接，而開關(guān)單元160的第二端(即串聯(lián)支路130的第二端134)與常閉型開關(guān)元件140的源極144電性連接，以組成串聯(lián)支路130。

本實施例中的開關(guān)電路100b亦可通過適當設(shè)置直流電位VDD控制常通型開關(guān)元件120的柵極126電位，避免開關(guān)電路100b內(nèi)的元件損壞，其具體操作方法相似于圖1所示的實施例，于此不再贅述。

圖1和圖2所示實施例中的開關(guān)單元160可由多種不同方式實作。具體的實作方式請參考圖3A圖和圖3B。圖3A為根據(jù)本發(fā)明另一實施例所繪示的開關(guān)電路100c的示意圖。相較于圖1，在圖3A所示的實施例中，開關(guān)單元160為單向?qū)щ娫Ｔ诒緦嵤├?，當常閉型開關(guān)元件140的漏極142的電壓升高，且漏極142和源極144之間電壓差升高超過直流電位VDD時，開關(guān)單元160、260便會自動導通串聯(lián)支路130，將常閉型開關(guān)元件140的漏極142和源極144之間電壓差限制在直流電位VDD，避免常通型開關(guān)元件120的柵極126和源極124之間電壓差過大導致常通型開關(guān)元件120損壞。

如圖3A所示，單向?qū)щ娫梢圆捎帽绢I(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的各種二極管元件。如圖中所示，開關(guān)單元160的第一端(如：陽極)電性連接于常通型開關(guān)元件120的源極124，開關(guān)單元160的第二端(如：陰極)電性連接于電源180的正極。

圖3B為根據(jù)本發(fā)明另一實施例所繪示的開關(guān)電路100d的示意圖。相較于圖3A，在圖3B所示的實施例中，開關(guān)單元260由金氧半場效晶體管(MOSFET)實現(xiàn)單向?qū)щ姷墓δ?。如圖3B中所示，開關(guān)單元260的柵極266與源極264短接并電性連接于常通型開關(guān)元件120的源極124，使得開關(guān)單元260正向關(guān)斷。開關(guān)單元260的漏極262電性連接于電源180的正極，利用金氧半場效晶體管的反向?qū)щ娔芰崿F(xiàn)單向?qū)щ姷墓δ?。值得注意的是，雖然本實施例以金氧半場效晶體管(MOSFET)實現(xiàn)單向?qū)щ姽δ?，本發(fā)明并不以此為限。本領(lǐng)域技術(shù)人員可采用各種晶體管開關(guān)元件，如結(jié)型場效晶體管(JFET)等實現(xiàn)上述功能。

在圖3A及圖3B所施的實施例中，常通型開關(guān)元件120的漏極122(即： D端)為輸入端，常閉型開關(guān)元件140的源極144(即：S端)為輸出端，而常閉型開關(guān)元件140的柵極146(即：G端)用以接收控制信號，以控制開關(guān)電路100c、100d的導通。

以圖3B所示的實施例為例，當常閉型開關(guān)元件140的柵極146接收到關(guān)斷開關(guān)電路100d的控制信號時，首先常閉型開關(guān)元件140直接關(guān)斷并開始承受電壓，使得漏極142以及源極144之間的電壓逐漸升高。由于常通型開關(guān)元件120的柵極126與源極124之間的電壓為漏極142以及源極144之間的電壓的相反值，隨著漏極142以及源極144之間的電壓逐漸升高，柵極126與源極124之間的電壓將被逐漸拉低。當柵極126與源極124之間的電壓低于柵極閾值電壓V_{TH_M1}時，常通型開關(guān)元件120關(guān)斷，并開始承受漏極122以及源極124之間的電壓。

由于常通型開關(guān)元件120的漏極122與源極124之間存在寄生電容Cds，隨著寄生電容Cds被充電，常閉型開關(guān)元件140的漏極142以及源極144之間的電壓進一步地升高，使得常通型開關(guān)元件120的柵極126與源極124之間的電壓接近柵極電壓安全范圍的下限值V_{MIN_GATE}。

當常閉型開關(guān)元件140的漏極142以及源極144之間的電壓大于直流電位VDD時，開關(guān)單元160(或開關(guān)單元260)將會導通串聯(lián)支路130，使得常閉型開關(guān)元件140的漏極142以及源極144之間的電壓維持在直流電位VDD。如此一來，常通型開關(guān)元件120的柵極126與源極124之間的電壓便維持在直流電位VDD的負值(即：－VDD)，不會進一步下降。

如先前段落中所述，由于直流電位VDD被設(shè)置為大于柵極閾值電壓的負值(即：－V_{TH_M1})，小于柵極電壓安全范圍的下限值V_{MIN_GATE}的負值(即：－V_{MIN_GATE})，因此間接確保了柵極126與源極124之間的電壓(即：－VDD)不會小于柵極電壓安全范圍的下限值V_{MIN_GATE}，使得常通型開關(guān)元件120的電位維持在安全準位，避免開關(guān)電路100d內(nèi)的元件損壞。

另一方面，當常閉型開關(guān)元件140的柵極146接收到導通開關(guān)電路100d的控制信號時，首先常閉型開關(guān)元件140直接導通并使得漏極142以及源極144之間的電壓開始降低，常通型開關(guān)元件120的柵極126與源極124之間的電壓也就從負值開始逐漸上升超過柵極閾值電壓V_{TH_M1}，進而使得常通型開關(guān)元件120導通。如此一來，便能順利導通開關(guān)電路100d。電源180并不 會在導通過程中造成影響。

通過電源180所設(shè)置的直流電位VDD配合單向?qū)щ姷拈_關(guān)單元260(或開關(guān)單元160)，常通型開關(guān)元件120的電位可以控制在安全的范圍內(nèi)，使得常閉型開關(guān)元件140的選擇更為自由。舉例來說，可以選用寄生參數(shù)較小的常閉型開關(guān)元件140加快常通型開關(guān)元件120的關(guān)斷速度，降低系統(tǒng)的整體損耗。

值得注意的是，圖3A與圖3B中所示的具有單向?qū)芰Φ拈_關(guān)單元160、260亦可應(yīng)用于圖2所示的電路當中。請參考圖3C。圖3C為根據(jù)本發(fā)明另一實施例所繪示的開關(guān)電路100e的示意圖。在本實施例中，開關(guān)單元160的第一端(如：陽極)電性連接于電源180的負極，開關(guān)單元160的第二端(如：陰極)電性連接于常閉型開關(guān)元件140的源極144，以達到相似的控制效果。本領(lǐng)域的技術(shù)人士可了解開關(guān)單元160應(yīng)用于圖2所示的電路時，與應(yīng)用于圖1所示的電路時具有相對稱的結(jié)構(gòu)并達成相似的功能，在此不作贅述。

請參考圖4。圖4為根據(jù)本發(fā)明另一實施例所繪示的開關(guān)電路100f示意圖。

如圖4所示，常閉型開關(guān)元件140以及開關(guān)單元260為N型金氧半場效晶體管，其中常閉型開關(guān)元件140根據(jù)控制信號LG進行開通或關(guān)斷，開關(guān)單元260根據(jù)控制信號HG進行開通或關(guān)斷。開關(guān)單元260的源極264與常閉型開關(guān)元件140的漏極142電性連接。電源180提供直流電位VDD，開關(guān)單元260的漏極262與電源180的正極電性連接，常閉型開關(guān)元件140的源極144與電源180的負極電性連接。

請一并參考圖5，圖5為根據(jù)本發(fā)明一實施例所繪示的控制信號LG、HG示意圖。為了方便說明起見，控制信號LG、HG分別控制常閉型開關(guān)元件140以及開關(guān)單元260的導體或關(guān)斷的具體作法，將配合圖4所示的實施例進行說明，但本發(fā)明并不以此為限。

如圖5所示，用以控制常閉型開關(guān)元件140的第一控制信號LG與用以控制開關(guān)單元260的第二控制信號HG時序相反。換言之，當常閉型開關(guān)元件140關(guān)斷時，開關(guān)單元260處于導通狀態(tài)，相對地，當常閉型開關(guān)元件140導通時，開關(guān)單元260處于關(guān)斷狀態(tài)。此外，如圖中所示，為確保常閉型開關(guān)元件140與開關(guān)單元260不會同時導通導致電源180形成短路，在控制信 號LG、HG的邊緣須預留死區(qū)時間(dead time)。

換言之，在開關(guān)電路100f的關(guān)斷過程中，在第一時間t1，常閉型開關(guān)元件140的柵極146電位(即：第一控制信號LG)由高電位轉(zhuǎn)為低電位，而在第一時間t1之后的第二時間t2，開關(guān)單元260的柵極266電位(即：第二控制信號HG)由低電位轉(zhuǎn)為高電位。在第一時間t1與第二時間t2之間的區(qū)段即為預留的死區(qū)時間。

相似地，在開關(guān)電路100f的開通過程中，在第三時間t3，開關(guān)單元260的柵極266電位(即：第二控制信號HG)由高電位轉(zhuǎn)為低電位，而在第三時間t3之后的第四時間t4，常閉型開關(guān)元件140的柵極146電位(即：第一控制信號LG)由低電位轉(zhuǎn)為高電位。在第三時間t3與第四時間t4之間的區(qū)段即為預留的死區(qū)時間。

當開關(guān)電路100f應(yīng)用于不同電流等級時，預留的死區(qū)時間，也就是第一時間t1與第二時間t2的時間差以及第三時間t3與第四時間t4的時間差的值介于約0.01納秒(ns)至約1微秒(us)之間。

如此一來，在開關(guān)電路100f的關(guān)斷過程中，經(jīng)過死區(qū)時間之后，開關(guān)單元260在第二時間t2導通，使得輔助驅(qū)動電流從電源180流入，加速對常閉型開關(guān)元件140漏極142與源極144之間的寄生電容充電，也加速常通型開關(guān)元件120柵極126與源極124之間的寄生電容充電，以加速常通型開關(guān)元件120關(guān)斷。

此外，與前述實施例相似地，在常通型開關(guān)元件120關(guān)斷后，由于開關(guān)單元260導通，將常閉型開關(guān)元件140漏極142與源極144之間的電壓嵌位在直流電位VDD，因此間接確保了柵極126與源極124之間的電壓(即：－VDD)不會小于柵極電壓安全范圍的下限值V_{MIN_GATE}，使得常通型開關(guān)元件120的電位維持在安全準位，避免開關(guān)電路100f內(nèi)的元件損壞。

另一方面，在開關(guān)電路100f的導通過程中，開關(guān)單元260在第三時間t3關(guān)斷，之后經(jīng)過一段死區(qū)時間之后，常閉型開關(guān)元件140接著被導通。由于當常閉型開關(guān)元件140導通時開關(guān)單元260已經(jīng)關(guān)斷，電源180并不會在導通過程中造成影響。開關(guān)電路100f的導通過程與前述實施例類似，在此不再贅述。

值得注意的是，在常閉型開關(guān)元件140導通，開關(guān)單元260關(guān)斷的情形 下，常通型開關(guān)元件120的柵極不存在明顯偏壓而使得常通型開關(guān)元件120自然導通時，反向電流可以反向流經(jīng)常閉型開關(guān)元件140的通道，開關(guān)電路100f具備反向?qū)ǖ墓δ芤约巴秸鞯哪芰Α?/p>

相對地，在常閉型開關(guān)元件140關(guān)斷，開關(guān)單元260導通的情形下，常通型開關(guān)元件120處于正向關(guān)斷狀態(tài)。若是常通型開關(guān)元件120自身具備反向?qū)芰?如：金氧半場效晶體管(MOSFET)、結(jié)型場效晶體管(JFET)、快速電子遷移晶體管(High electron mobility transistor，HEMT)等等)，反向電流便能流經(jīng)電源180、開關(guān)單元260以及常通型開關(guān)元件120所形成的通路以實現(xiàn)續(xù)流功能。由于在此通路中，反向電流不會流經(jīng)任何半導體元件的寄生二極管，因此解決了少數(shù)載流子儲存(minority carrier storage)效應(yīng)所造成的反向恢復(reverse recovery)問題。

如此一來，通過上述開關(guān)電路100f的電路結(jié)構(gòu)以及控制信號LG、HG的相應(yīng)操作，在本實施例中，不僅保護了常通型開關(guān)元件120的柵極安全、加速常通型開關(guān)元件120開關(guān)速度，在實現(xiàn)反向續(xù)流功能的同時也實現(xiàn)了無少子存儲或反向恢復的性能，同時也消除了常閉型開關(guān)元件140自身存在寄生二極管情況下的反向恢復問題。此外，當常閉型開關(guān)元件140關(guān)斷時，常通型開關(guān)元件120柵極126與源極124之間的電壓被電源180通過導通的開關(guān)單元260嵌位，可以避免常通型開關(guān)元件120在實現(xiàn)軟開關(guān)時提前導通導致開關(guān)電路100f操作異常，確保開關(guān)電路100f的正常操作。

請參考圖6。圖6為根據(jù)本發(fā)明另一實施例所繪示的開關(guān)電路100g示意圖。在本實施例中，電源180提供直流電位VDD，且開關(guān)電路100g更包含電容C1、控制單元640以及保護單元620，其中電容C1與電源180并聯(lián)連接。控制單元640電性連接開關(guān)單元260的柵極266以及常閉型開關(guān)元件140的柵極146。保護單元620電性連接電源180、電容C1以及控制單元640。于本實施例中，常閉型開關(guān)元件140和開關(guān)單元260均為N型金氧半場效晶體管。

控制單元640用以分別輸出第一控制信號VLG和第二控制信號VHG給常閉型開關(guān)元件以及開關(guān)單元260，以分別控制常閉型開關(guān)元件140以及開關(guān)單元260的導通與關(guān)斷。

電容C1作為解耦電容使用，用以提供高頻電流。保護單元620用以監(jiān) 控直流電位VDD的電壓值，當直流電位VDD的電壓值低于欠壓保護電壓值V_UV時，保護單元620輸出保護信號621，控制單元640根據(jù)保護信號621關(guān)斷常閉型開關(guān)單元140，亦即，控制單元640輸出的第一控制信號VLG由高電位轉(zhuǎn)為低電位，使得常閉型開關(guān)元件140被關(guān)斷。在本實施例中，保護單元620為欠壓保護單元，欠壓保護單元將欠壓保護電壓值V_UV設(shè)置為大于常通型開關(guān)元件120的柵極閾值電壓V_{TH_M1}的負值。換言之，欠壓保護電壓值V_UV滿足下列公式：

－V_{TH_M1}≦V_UV。

如此一來，一旦當直流電位VDD下降而低于欠壓保護電壓值V_UV時，控制單元640控制常閉型開關(guān)元件140關(guān)斷。由于此時常通型開關(guān)元件120的柵極電位(即：－VDD)仍大于柵極閾值電壓V_{TH_M1}，因此常通型開關(guān)元件120仍然維持導通。此時，大量的電荷可經(jīng)由導通的常通型開關(guān)元件120逆向流經(jīng)導通的開關(guān)單元260，對并聯(lián)的電源180和電容C1充電，直到直流電位VDD的電壓值回升至足以關(guān)斷常通型開關(guān)元件120的準位。

此外，上述電路結(jié)構(gòu)亦可以在開關(guān)電路上電時作為啟動電路向電源180和電容C1充電。由于在開關(guān)電路上電時常通型開關(guān)元件120自然導通，因此可以通過上述控開關(guān)單元260給電容C1和電源180充電，提升直流電位VDD的電壓值。

請參考圖7A。圖7A為根據(jù)本發(fā)明另一實施例所繪示的開關(guān)電路100h示意圖。在部份實施例中如電源180損壞、短路等異常情況下，為避免電流無限制地向電源180充電，開關(guān)電路100h可進一步串聯(lián)如圖7A中所示的單向?qū)щ娫?20。

在本實施例中，單向?qū)щ娫?20的陽極與保護單元620的第一端電性以及電源180連接，而單向?qū)щ娫?20的陰極2與電容C1電性連接。當電源180的供電電壓在上電瞬間或者其他異常情況下過低，不在滿足前述-VTH_M1≦VDD的條件時，通過單向?qū)щ娫?20的阻擋，可以避免電流從主回路通過常通型開關(guān)元件120和開關(guān)大單元260流向電源180的風險，但是從主回路中灌入的電荷仍能對電容C1充電，以提高關(guān)斷常通型開關(guān)元件120所需的直流電位VDD。需要說明的是，本實施例中，主回路指得是常通型開關(guān)元件120以及常閉型開關(guān)元件140構(gòu)成的電路。

請參考圖7B。圖7B為根據(jù)本發(fā)明另一實施例所繪示的開關(guān)電路100i示意圖。本實施例中第四開關(guān)元件740可用以取代圖7A中的單向?qū)щ娫?20，避免電流向電源180充電。第四開關(guān)元件740的第一端與電源180和保護單元620的第一端電性連接，而第四開關(guān)元件740的第二端與電容C1電性連接，其中保護單元620更用以當直流電位VDD的電壓值低于欠壓保護電壓值V_UV時，控制單元640關(guān)斷第四開關(guān)元件740。

如此一來，第四開關(guān)元件740便可用以在直流電位VDD的電壓值低于欠壓保護電壓值V_UV關(guān)斷，阻擋電流向電源180充電；而在其他情況，如開關(guān)電路啟動時(亦即，主電路電壓開始建立，而此時電源180尚未完成啟動)控制單元640導通第四開關(guān)元件740，從主回路引入電流向電源180和電容C1充電。

值得注意的是，開關(guān)單元260以及常閉型開關(guān)元件140皆可根據(jù)實際需求選擇適當?shù)木w管實作。舉例來說，開關(guān)單元260亦可選用P型金氧半場效晶體管或是結(jié)型場效晶體管實現(xiàn)相似的功能和驅(qū)動效果。

請參考圖8A。圖8A為根據(jù)本發(fā)明另一實施例所繪示的開關(guān)電路100j示意圖。在本實施例中，常閉型開關(guān)元件140為N型金氧半場效晶體管，開關(guān)單元260為P型金氧半場效晶體管。

在本實施例中，由于開關(guān)單元260采用P型金氧半場效晶體管，而常閉型開關(guān)元件140和開關(guān)單元260的工作狀態(tài)又相互對稱(即：當常閉型開關(guān)元件140關(guān)斷時，開關(guān)單元260處于導通狀態(tài)，相對地，當常閉型開關(guān)元件140導通時，開關(guān)單元260處于關(guān)斷狀態(tài))，因此，控制單元640輸出控制信號Vcontrol至常閉型開關(guān)元件140和開關(guān)單元260的柵極，用以控制常閉型開關(guān)元件140和開關(guān)單元260的導通和關(guān)斷，亦即，用以控制常閉型開關(guān)元件140的控制信號與用以控制開關(guān)單元260的控制信號簡化成單一個控制信號。

值得注意的是，于本實施例中，開關(guān)單元260的柵極閾值電壓V_{TH_MX}與常閉型開關(guān)元件140的柵極閾值電壓V_{TH_M2}與直流電位VDD須相互匹配，避免開關(guān)單元260與常閉型開關(guān)元件140同時導通，導致電容C1和電源180短路。具體來說，柵極閾值電壓V_{TH_MX}與柵極閾值電壓V_{TH_M2}滿足下列公式：

VDD≦V_{TH_M2}－V_{TH_MX}

其中需注意的是，由于常閉型開關(guān)元件140為N型金氧半場效晶體管，開關(guān)單元260為P型金氧半場效晶體管，因此常閉型開關(guān)元件140的柵極閾值電壓V_{TH_M2}為正值，開關(guān)單元260的柵極閾值電壓V_{TH_MX}為負值。

在柵極閾值電壓V_{TH_MX}與柵極閾值電壓V_{TH_M2}無法匹配的情況下，開關(guān)電路100a可通過設(shè)置電位平移單元避免開關(guān)單元260與常閉型開關(guān)元件140同時導通。

請參考圖8B。圖8B為根據(jù)本發(fā)明另一實施例所繪示的開關(guān)電路100k示意圖。在本實施例中，開關(guān)電路100k更包含電位平移單元660，電位平移單元660用以將控制電壓Vcontrol上拉一平移電位值Vshift，并將上拉后的第二控制信號(即：Vcontrol+Vshift)傳送至開關(guān)單元260的柵極266。

具體而言，在本實施例中平移電位值Vshift滿足下列公式：

VDD－V_{TH_M2}+V_{TH_MX}≦Vshift≦VDD+V_{TH_MX}；

如此一來，便能確?？刂齐妷篤control不會使得開關(guān)單元260與常閉型開關(guān)元件140同時導通，并理想地控制開關(guān)單元260的導通及關(guān)斷。

上述多個實施例中的功能單元及開關(guān)元件，可以各自獨立并通過系統(tǒng)線路相互連接，亦可以使用封裝方法整合任意兩個或多個功能單元及開關(guān)元件。舉例來說，在常閉型開關(guān)元件140、開關(guān)單元260、保護單元620、控制單元640以及電位平移單元660皆采用相同材料(如：硅材料)制成，各個元件便可以通過特定用途集成電路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)進行整合作為控制驅(qū)動芯片600，以搭配常通型開關(guān)元件120進行操作。

另一方面，由于開關(guān)電路操作過程中會有大電流流入常通型開關(guān)元件120、常閉型開關(guān)元件140以及開關(guān)單元260進而產(chǎn)生損耗，且上述開關(guān)元件的連接線路對整體系統(tǒng)工作效率有重要影響，因此可將常通型開關(guān)元件120、常閉型開關(guān)元件140以及開關(guān)單元260三者或其中任意兩者集成在單一芯片上，作為功率開關(guān)元件200實現(xiàn)。

請參考圖9。圖9為根據(jù)本發(fā)明一實施例所繪示的功率開關(guān)元件200示意圖。在本實施例中，常通型開關(guān)元件120為常通型氮化鎵(Gallium Nitride，GaN)元件、常閉型開關(guān)元件140以及開關(guān)單元260分別為常閉型氮化鎵元件。請一并參考圖10A。如圖10A所示，常通型開關(guān)元件120、常閉型開關(guān)元件140以及開關(guān)單元260集成在單一個芯片800上，并分別分配不同的芯片區(qū) 域800a、800b以及800c。在部份實施例中，由于常通型開關(guān)元件120為高壓開關(guān)元件，常閉型開關(guān)元件140以及開關(guān)單元260為低壓開關(guān)元件，因此常通型開關(guān)元件120于芯片800上的面積(即：芯片區(qū)域800a的面積)大于常閉型開關(guān)元件140于芯片800上的面積(即：芯片區(qū)域800b的面積)以及開關(guān)單元260于芯片800上的面積(即：芯片區(qū)域800c的面積)。

此外，除了采用區(qū)域劃分將不同芯片區(qū)域分配給不同元件之外，亦可采用分散式間隔排列的方式，如圖10B、圖10C以及圖10D所示。在圖10B所示的實施例中，常通型開關(guān)元件120與開關(guān)單元260集成并以間隔方式排列。在圖10C所示的實施例中，常通型開關(guān)元件120與常閉型開關(guān)元件140集成并以間隔方式排列。在圖10D所示的實施例中，常通型開關(guān)元件120、常閉型開關(guān)元件140以及開關(guān)單元260三者集成并以間隔方式排列。在圖10B～圖10D所示的實施例中，元件就近排列、互相連接以降低寄生參數(shù)，使得寄生參數(shù)最小化。

此外，如圖10E所示，亦可采用混合式的集成方式，同時采用區(qū)域劃分和分散式間隔排列以符合實際需求。舉例來說，在本實施例中常通型開關(guān)元件120與開關(guān)單元260以間隔方式排列集成(如圖10B所示)于芯片900上的芯片區(qū)域900a，常閉型開關(guān)元件140則分配在芯片900上的芯片區(qū)域900b。

綜上所述，本發(fā)明的技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點和有益效果。通過上述技術(shù)方案，可達到相當?shù)募夹g(shù)進步，并具有產(chǎn)業(yè)上的廣泛利用價值，本發(fā)明通過應(yīng)用上述實施例，設(shè)置開關(guān)單元穩(wěn)定控制高壓常通型開關(guān)元件的柵極電位，并保持高速的開關(guān)性能。

雖然本發(fā)明已以實施方式揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作各種更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當視后附的權(quán)利要求所界定范圍為準。