專利名稱：全自動固態(tài)斷路器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種半導體器件，尤其涉及一種帶有過流敏感器件的電路系統(tǒng)的固態(tài) 斷路器。
背景技術：
長期以來，電路系統(tǒng)在電流保護方面多習慣用保險絲、空氣開關等斷路。在普通電 器方面，這些斷路器可以起到很不錯的保護電路的效果，然而在一些比較精密、電流保護響 應時間很短的電路里面往往起不到保護作用。因為這些傳統(tǒng)的斷路器，從過流到產(chǎn)生保護 的響應過程的時間一般要ms級別以上，在這個級別的響應時間內(nèi)，很多精密電路的器件都 已經(jīng)因過流產(chǎn)生而損壞甚至完全毀壞，此時傳統(tǒng)的斷路器就基本失去了應有的保護作用。鑒于此，迫切需要發(fā)明一種新的斷路器，可以極短的響應時間內(nèi)保護對過流敏感 的電路或元件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對傳統(tǒng)斷路器結構在應用中的不足，提供一種全自動固態(tài)斷路器。本發(fā) 明全部由固態(tài)元器件組成，利用半導體功率器件的可控性和快速的門極響應來實現(xiàn)高速保 護作用。為了解決上述技術問題，本發(fā)明通過下述技術方案得以解決
全自動固態(tài)斷路器，包括晶體管和電阻，所述晶體管包括至少一個耗盡型晶體管和至 少兩個增強型晶體管，耗盡型晶體管、增強型晶體管和電阻之間電連接。本技術方案利用半 導體功率器件的可控性和快速的門極響應來實現(xiàn)高速保護作用。作為優(yōu)選，所述的耗盡型晶體管為耗盡型結型場效應晶體管JFET或耗盡型金屬 場效應晶體管MOSFET。作為優(yōu)選，所述的增強型晶體管為增強型結型場效應晶體管JFET或增強型金屬 場效應晶體管MOSFET或雙極性晶體管。作為優(yōu)選，所述的耗盡型晶體管有一個，增強型晶體管有兩個，電阻有兩個。作為優(yōu)選，所述的耗盡型晶體管有兩個，增強型晶體管有四個，電阻有四個。作為優(yōu)選，還連接有電容和二極管，所述的耗盡型晶體管有一個，電阻有三個，增 強型晶體管有兩個，每個增強型晶體管的柵源極之間并聯(lián)有一個二極管，其中一個增強型 晶體管的漏源極之間和漏柵極之間分別并聯(lián)有一個電容，耗盡型晶體管串聯(lián)有一個電阻。作為優(yōu)選，還連接有電容和二極管，所述的耗盡型晶體管有兩個，電阻有六個，增 強型晶體管有四個，每個增強型晶體管的柵源極之間并聯(lián)有一個二極管，其中兩個增強型 晶體管中任意一個的漏源極之間和漏柵極之間分別并聯(lián)有一個電容，兩個耗盡型晶體管中 任意一個均串聯(lián)有一個電阻。作為優(yōu)選，還連接有電容和二極管，所述的耗盡型晶體管有兩個，電阻有六個，增 強型晶體管有四個，每個增強型晶體管的柵源極之間并聯(lián)有一個二極管，其中兩個增強型
3晶體管中任意一個的漏源極之間和漏柵極之間分別并聯(lián)有一個電容，兩個耗盡型晶體管中 任意一個均串聯(lián)有一個電阻。本發(fā)明由于采用了以上技術方案，具有以下顯著的技術效果
(1)全部是固態(tài)元器件組成，不存在機械響應機制，響應時間極短，一般在μS級另Ij ；
(2)可以用來保護對過流敏感的電路或元件；
(3)斷路器僅僅由晶體管、二極管、電阻和電容等組成，不包括任何控制芯片和電源，可 以實現(xiàn)全自動、魯棒的保護功能，使用簡單、安全；
(4)電流適用范圍非常廣，固態(tài)斷路器根據(jù)不同容量的設計，可以對幾mA到幾kA范圍 內(nèi)的電流都起到很好的保護作用；
(5 )可以選擇僅對單向電流進行保護或者對雙向電流進行保護。


圖1為本發(fā)明實施例1的電路原理圖。圖2為本發(fā)明實施例2的電路原理圖。圖3為本發(fā)明實施例3的電路原理圖。圖4為本發(fā)明實施例4的電路原理圖。圖5為本發(fā)明實施例5的電路原理圖。圖6為本發(fā)明實施例6的電路原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述 實施例1
圖1所示為單向電流保護電路，全自動固態(tài)斷路器，包括耗盡型晶體管1 (可以是耗盡 型結型場效應晶體管JFET或耗盡型金屬場效應晶體管M0SFET)、增強型晶體管21和增強型 晶體管22 (可以是增強型結型場效應晶體管JFET或增強型金屬場效應晶體管MOSFET或雙 極性晶體管)、電阻31和電阻32，箭頭表示被保護的電流及其方向。耗盡型晶體管1是高壓 阻斷器件，主要用來過流保護情況下的高壓阻斷；增強型晶體管21阻斷電壓較低，其門極 閾值電壓較低；增強型晶體管22柵極閾值電壓比較高。本發(fā)明實施例1的工作原理是，電路在電流額定(小于臨界電流)情況下，耗盡型晶 體管1和增強型晶體管21導通，維持電路的正常工作；當電流超過臨界點，由于導通電阻的 作用，使得增強型晶體管22柵極電壓升高到其門極閾值電壓以上，導致增強型晶體管22開 通，于是增強型晶體管21的柵極電壓被拉低，增強型晶體管21關斷，其阻斷電壓偏置在耗 盡型晶體管1的源極和柵極之間，使其柵源電壓變成負值，增強型晶體管21也隨之關斷，斷 路器進入過流保護狀態(tài)。實施例2
圖2所示為雙向電流保護電路，全自動固態(tài)斷路器，包括耗盡型晶體管11和耗盡型晶 體管12 (可以是耗盡型結型場效應晶體管JFET或耗盡型金屬場效應晶體管M0SFET)，增強 型晶體管21、增強型晶體管22、增強型晶體管23和增強型晶體管可以是增強型結型場 效應晶體管JFET或增強型金屬場效應晶體管MOSFET或雙極性晶體管)，電阻31、電阻32、電阻33和電阻34，箭頭表示被保護的電流及其方向。利用耗盡型晶體管11和增強型晶體管21以及耗盡型晶體管12和增強型晶體管 23的單向阻斷特性，可以實現(xiàn)單向或者雙向保護。當電流為向下方向，下半部分的斷路器起 限流保護作用，上半部分相當于串聯(lián)的小電阻(由于導通電阻非常小，對電路整體性能影響 非常小)；而當電流為向上方向，上半部分的斷路器起限流保護作用，下半部分相當于串聯(lián) 的小電阻。實施例3
圖3所示為雙向電流保護電路的另一種接法，全自動固態(tài)斷路器，包括耗盡型晶體管 11和耗盡型晶體管12 (可以是耗盡型結型場效應晶體管JFET或耗盡型金屬場效應晶體管 M0SFET)，增強型晶體管21、增強型晶體管22、增強型晶體管23和增強型晶體管可以是 增強型結型場效應晶體管JFET或增強型金屬場效應晶體管MOSFET或雙極性晶體管)，電阻 31、電阻32、電阻33和電阻34，箭頭表示被保護的電流及其方向。實施例4
圖4所示為單向電流保護電路的另一種接法，本實施例在實施例1的基礎上，增加了一 些無源器件。全自動固態(tài)斷路器，包括耗盡型晶體管1 (可以是耗盡型結型場效應晶體管 JFET或耗盡型金屬場效應晶體管M0SFET)，強型晶體管21和增強型晶體管22(可以是增強 型結型場效應晶體管JFET或增強型金屬場效應晶體管MOSFET或雙極性晶體管)，電阻31 和電阻32，增強型晶體管21的柵源極之間并聯(lián)有二極管51，增強型晶體管22的柵源極之 間并聯(lián)有二極管52，增強型晶體管22的柵源極之間并聯(lián)的二極管，增強型晶體管21的漏源 極之間和漏柵極之間分別并聯(lián)有電容61和電容62，耗盡型晶體管1串聯(lián)有電阻7，箭頭表 示被保護的電流及其方向。實施例5
圖5所示為雙向電流保護電路的另一種接法，本實施例在實施例2的基礎上，增加了一 些無源器件。全自動固態(tài)斷路器，包括耗盡型晶體管11和耗盡型晶體管12(可以是耗盡型 結型場效應晶體管JFET或耗盡型金屬場效應晶體管M0SFET)，增強型晶體管21、增強型晶 體管22、增強型晶體管23和增強型晶體管M (可以是增強型結型場效應晶體管JFET或增 強型金屬場效應晶體管MOSFET或雙極性晶體管)，電阻31、電阻32、電阻33和電阻34，增強 型晶體管21的柵源極之間并聯(lián)有二極管51，增強型晶體管22的柵源極之間并聯(lián)有二極管 52，增強型晶體管23的柵源極之間并聯(lián)有二極管53，增強型晶體管M的柵源極之間并聯(lián)有 二極管M，增強型晶體管21的漏源極之間和漏柵極之間分別并聯(lián)有電容61和電容62，增 強型晶體管23的漏源極之間和漏柵極之間分別并聯(lián)有電容63和電容64，耗盡型晶體管11 串聯(lián)有電阻71，耗盡型晶體管12串聯(lián)有電阻72，箭頭表示被保護的電流及其方向。實施例6
圖6所示為雙向電流保護電路的另一種接法，本實施例在實施例3的基礎上，增加了一 些無源器件。全自動固態(tài)斷路器，包括耗盡型晶體管11和耗盡型晶體管12(可以是耗盡型 結型場效應晶體管JFET或耗盡型金屬場效應晶體管M0SFET)，增強型晶體管21、增強型晶 體管22、增強型晶體管23和增強型晶體管M (可以是增強型結型場效應晶體管JFET或增 強型金屬場效應晶體管MOSFET或雙極性晶體管)，電阻31、電阻32、電阻33和電阻34，增強 型晶體管21的柵源極之間并聯(lián)有二極管51，增強型晶體管22的柵源極之間并聯(lián)有二極管52，增強型晶體管23的柵源極之間并聯(lián)有二極管53，增強型晶體管M的柵源極之間并聯(lián)有 二極管M，增強型晶體管21的漏源極之間和漏柵極之間分別并聯(lián)有電容61和電容62，增 強型晶體管23的漏源極之間和漏柵極之間分別并聯(lián)有電容63和電容64，耗盡型晶體管11 串聯(lián)有電阻71，耗盡型晶體管12串聯(lián)有電阻72，箭頭表示被保護的電流及其方向。在上述所有實施例電路中，耗盡型晶體管11和耗盡型晶體管22 —般考慮采用高 壓耗盡型碳化硅結型場效應晶體管(SiC JFET)，因為此類器件適合做高阻斷電壓、低導通 電阻的耗盡型結構。但是，此器件也可以用另外的元件用以下方式來代替。本發(fā)明的單向電流保護電路，如圖1和圖4所示，由耗盡型晶體管1和耗盡型晶體 管21構成的組合可以用單個高阻斷電壓的增強型晶體管來代替。本發(fā)明的雙向電流保護電路，如圖2、圖3、圖5及圖6所示，由耗盡型晶體管11和 耗盡型晶體管21構成的組合以及耗盡型晶體管12和耗盡型晶體管23構成的組合可以分 別用單個高阻斷電壓的增強型晶體管來代替?？傊?，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所作的均等 變化與修飾，皆應屬本發(fā)明專利的涵蓋范圍。
權利要求
1.全自動固態(tài)斷路器，包括晶體管和電阻，其特征在于所述晶體管包括至少一個耗 盡型晶體管和至少兩個增強型晶體管，耗盡型晶體管、增強型晶體管和電阻之間電連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的全自動固態(tài)斷路器，其特征在于所述的耗盡型晶體管為耗 盡型結型場效應晶體管JFET或耗盡型金屬場效應晶體管M0SFET。
3.根據(jù)權利要求1所述的全自動固態(tài)斷路器，其特征在于所述的增強型晶體管為增 強型結型場效應晶體管JFET或增強型金屬場效應晶體管MOSFET或雙極性晶體管。
4.根據(jù)權利要求1所述的全自動固態(tài)斷路器，其特征在于所述的耗盡型晶體管有一 個，增強型晶體管有兩個，電阻有兩個。
5.根據(jù)權利要求1所述的全自動固態(tài)斷路器，其特征在于所述的耗盡型晶體管有兩 個，增強型晶體管有四個，電阻有四個。
6.根據(jù)權利要求1所述的全自動固態(tài)斷路器，其特征在于還連接有電容和二極管，所 述的耗盡型晶體管有一個，電阻有三個，增強型晶體管有兩個，每個增強型晶體管的柵源極 之間并聯(lián)有一個二極管，其中一個增強型晶體管的漏源極之間和漏柵極之間分別并聯(lián)有一 個電容，耗盡型晶體管串聯(lián)有一個電阻。
7.根據(jù)權利要求1所述的全自動固態(tài)斷路器，其特征在于還連接有電容和二極管，所 述的耗盡型晶體管有兩個，電阻有六個，增強型晶體管有四個，每個增強型晶體管的柵源極 之間并聯(lián)有一個二極管，其中兩個增強型晶體管中任意一個的漏源極之間和漏柵極之間分 別并聯(lián)有一個電容，兩個耗盡型晶體管中任意一個均串聯(lián)有一個電阻。
8.根據(jù)權利要求1所述的全自動固態(tài)斷路器，其特征在于還連接有電容和二極管，所 述的耗盡型晶體管有兩個，電阻有六個，增強型晶體管有四個，每個增強型晶體管的柵源極 之間并聯(lián)有一個二極管，其中兩個增強型晶體管中任意一個的漏源極之間和漏柵極之間分 別并聯(lián)有一個電容，兩個耗盡型晶體管中任意一個均串聯(lián)有一個電阻。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種半導體器件，公開了一種帶有過流敏感器件的電路系統(tǒng)的全自動固態(tài)斷路器。它包括晶體管和電阻，所述晶體管包括至少一個耗盡型晶體管和至少兩個增強型晶體管，耗盡型晶體管、增強型晶體管和電阻之間電連接。本發(fā)明全部由固態(tài)元器件組成，利用半導體功率器件的可控性和快速的門極響應來實現(xiàn)對電路的高速保護作用。
文檔編號H02H3/02GK102097776SQ20101059344
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月17日 優(yōu)先權日2010年12月17日
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