本解決方案涉及一種電氣特性改善的高電壓雙向開關(guān)器件。

背景技術(shù)：

1、在一些應(yīng)用中，使用雙向高電壓開關(guān)器件是有益的，該器件能夠允許電流在第一高電壓端子與第二高電壓端子之間雙向傳輸。

2、例如，高電壓開關(guān)器件通常用于電荷恢復(fù)諧振驅(qū)動器。

3、這些驅(qū)動器通過使用一定數(shù)目的儲能和存儲電容器，使電荷恢復(fù)建立在第一負(fù)載電容性元件與第二負(fù)載電容性元件(其可以對應(yīng)于電容式致動器，例如電容式微鏡)之間的合適共享之上。

4、特別地，電容性元件之間的電荷共享是根據(jù)特定的電荷恢復(fù)算法、通過連接在相同電容性元件與存儲電容器之間的雙向開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)的，該雙向開關(guān)器件由具有高電壓(幾十v的數(shù)量級)和平均頻率(高達(dá)幾十khz)的驅(qū)動信號適當(dāng)?shù)仳?qū)動。

5、這些開關(guān)器件用于管理兩個(gè)端子上的(雙向)高電壓。特別地，為了利用電荷恢復(fù)性能，開關(guān)器件不僅具有低的導(dǎo)通狀態(tài)電阻，而且具有快速的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間。此外，用于驅(qū)動開關(guān)的能量消耗和用于形成對應(yīng)驅(qū)動器的面積通常需要被最小化。

6、圖1示出了高電壓雙向開關(guān)器件的已知電路實(shí)施例，一般用1表示。

7、該開關(guān)器件1定義了一種雙向開關(guān)，該雙向開關(guān)由第一開關(guān)元件2、特別是高電壓mos晶體管m1形成，該mos晶體管具有連接到第一開關(guān)端子a(例如，被設(shè)計(jì)為連接到第一電荷再分配電容性元件)的漏極端子、連接到內(nèi)部節(jié)點(diǎn)s的源極端子和連接到內(nèi)部節(jié)點(diǎn)g的柵極端子。mos晶體管m1的體端子也連接到源極端子，以使得寄生二極管(如圖1所示)在操作過程中避免不適當(dāng)?shù)膶?dǎo)通(在一些情況下，體端子與源極端子之間的連接是固有的)。

8、雙向開關(guān)還由第二開關(guān)元件4、特別是高電壓mos晶體管m2形成，該mos晶體管具有連接到第二開關(guān)端子t(例如，被設(shè)計(jì)為連接到第二電荷再分配電容性元件)的漏極端子、連接到內(nèi)部節(jié)點(diǎn)s的源極端子和連接到內(nèi)部節(jié)點(diǎn)g的柵極端子。如圖1所示，mos晶體管m2還具有連接到源極端子的體端子，如前所述。

9、上述高電壓mos晶體管m1、m2能夠承受施加在對應(yīng)漏極端子與源極端子之間以及在對應(yīng)柵極端子與漏極端子之間的高電壓(例如，具有40-60v數(shù)量級的值)。

10、開關(guān)器件1還包括連接在內(nèi)部節(jié)點(diǎn)g與s之間的、特別是由齊納二極管形成的電壓限制元件5，該電壓限制元件具有連接到上述內(nèi)部節(jié)點(diǎn)s的陽極和連接到上述外部節(jié)點(diǎn)g的陰極，并且具有將相同內(nèi)部節(jié)點(diǎn)g與s之間的電壓限于最大值的功能，例如等于5.5v(其可以通過上述mos晶體管m1、m2在柵極端子與源極端子之間承受)。

11、開關(guān)器件1還包括：第一電流發(fā)生器6，其被配置為生成第一電流i1，連接在具有高電源電壓vhv(例如，40-60v的數(shù)量級)的電源端子與內(nèi)部節(jié)點(diǎn)g之間，中間插入有第一開關(guān)7；第二電流發(fā)生器8，其被配置為生成第二電流i2，連接在內(nèi)部節(jié)點(diǎn)s與接地參考(gnd)之間，中間插入有第二開關(guān)9；以及插入在上述內(nèi)部節(jié)點(diǎn)g與接地參考gnd之間的第三開關(guān)10。

12、開關(guān)器件1的操作設(shè)想，通過閉合第一開關(guān)7和第二開關(guān)9來提供第一電流i1和第二電流i2，使相同開關(guān)器件1導(dǎo)通，其中上述電壓限制元件5定義并且限制mos晶體管m1和m2的柵極與源極之間的電壓vgs；因此，在第一開關(guān)端子a與第二開關(guān)端子t之間發(fā)生電流傳輸(可能在兩個(gè)方向上)。

13、通過斷開第一開關(guān)7和第二開關(guān)9并且通過閉合第三開關(guān)10將內(nèi)部節(jié)點(diǎn)g(以及因此mos晶體管m1和m2的柵極端子)連接到接地參考gnd，開關(guān)器件1被關(guān)斷，從而移除第一流i1和第二流i2(以這里未示出的方式，還可以設(shè)想將內(nèi)部節(jié)點(diǎn)s以及因此相同mos晶體管m1、m2的源極端子連接到接地參考gnd的可能性)；因此，第一開關(guān)端子a與第二開關(guān)端子t之間的電流傳輸被中斷。

14、然而，這種開關(guān)器件1具有一些缺點(diǎn)。

15、首先，當(dāng)開關(guān)器件1關(guān)斷時(shí)，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)g和s處的寄生電容被完全放電到接地參考，使得每次導(dǎo)通時(shí)都對相同的電容進(jìn)行再充電(伴隨著電流消耗的相關(guān)增加)。

16、此外，導(dǎo)通電流(上述第一電流i1和第二電流i2)具有高值，以確保足夠快的充電時(shí)間；因此，為其生成而設(shè)計(jì)的電路通常是復(fù)雜的、制造成本高昂并且在集成制造中需要高面積占用。

17、此外，這些導(dǎo)通電流被施加此前(priori)未知的時(shí)間長度，并且根據(jù)參數(shù)(諸如工藝、待控制的電壓和溫度)的變化而變化；因此這些電流的值通常過大以避免操作問題。

18、開關(guān)器件(如前所述)的導(dǎo)通電阻值盡可能低，以使效率最大化(例如，相關(guān)電荷恢復(fù)驅(qū)動器)，這一事實(shí)加劇了上述問題。這可以通過增加其尺寸來實(shí)現(xiàn)，并且(尤其是在高電壓域中)這需要寄生電容的顯著增加。

19、因此，提出了一些解決方案，旨在至少部分克服上述開關(guān)器件1的問題。

20、例如，有人提出，在導(dǎo)通時(shí)，僅在較短的時(shí)間間隔(初始預(yù)充電)內(nèi)限制導(dǎo)通電流的施加，然后是較低的保持電流。此外，除了上述mos晶體管m1和m2之外，還提出了使用輔助開關(guān)元件，即晶體管開關(guān)元件，也可以在初始預(yù)充電階段操作。

21、然而，盡管能夠減少開啟時(shí)間，但這些解決方案通常會帶來更大的復(fù)雜性和更高的功耗，并且在任何情況下都無法解決之前強(qiáng)調(diào)的一些問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本公開的實(shí)施例至少部分克服了先前強(qiáng)調(diào)的問題。

2、在一個(gè)實(shí)施例中，一種開關(guān)器件包括雙向開關(guān)。雙向開關(guān)包括第一開關(guān)mos晶體管，該第一開關(guān)mos晶體管具有連接到第一開關(guān)端子的漏極端子、連接到內(nèi)部源極節(jié)點(diǎn)的源極端子和連接到內(nèi)部柵極節(jié)點(diǎn)的柵極端子。雙向開關(guān)包括第二開關(guān)mos晶體管，該第二開關(guān)mos晶體管具有連接到第二開關(guān)端子的漏極端子、連接到內(nèi)部源極節(jié)點(diǎn)的源極端子和連接到內(nèi)部柵極節(jié)點(diǎn)的柵極端子。雙向開關(guān)包括連接在內(nèi)部柵極節(jié)點(diǎn)與內(nèi)部源極節(jié)點(diǎn)之間的電壓限制元件。開關(guān)器件包括驅(qū)動級，該驅(qū)動級電壓參考內(nèi)部源極節(jié)點(diǎn)并且被配置為根據(jù)第一驅(qū)動信號和第二驅(qū)動信號來驅(qū)動雙向開關(guān)的切換，驅(qū)動級包括彼此連接的驅(qū)動晶體管和開關(guān)晶體管。驅(qū)動晶體管連接到電源端子并且由第一驅(qū)動信號驅(qū)動以在開關(guān)器件的導(dǎo)通間隔中對內(nèi)部柵極節(jié)點(diǎn)充電并且導(dǎo)通雙向開關(guān)。開關(guān)晶體管由第二驅(qū)動信號驅(qū)動以在開關(guān)器件的關(guān)斷間隔中使內(nèi)部柵極節(jié)點(diǎn)和內(nèi)部源極節(jié)點(diǎn)短路并且關(guān)斷雙向開關(guān)。

3、在一個(gè)實(shí)施例中，一種電荷恢復(fù)諧振驅(qū)動器包括第一電容式致動器和第二電容式致動器，第一電容式致動器耦合到第一電荷交換端子，第一電荷交換端子能夠選擇性地交替地連接到具有高電壓的電源端子和接地參考端子，第二電容式致動器耦合到第二電荷交換端子，第二電荷交換端子能夠選擇性地交替地連接到電源端子和接地參考端子。電荷恢復(fù)諧振驅(qū)動器包括多個(gè)儲能電容器，每個(gè)儲能電容器耦合到相應(yīng)器件對，并且通過器件對中的第一開關(guān)器件能夠選擇性地連接到第一電荷交換器件，并且通過器件對中的第二開關(guān)器件能夠選擇性地連接到第二電荷交換端子。每個(gè)開關(guān)器件包括雙向開關(guān)，該雙向開關(guān)具有第一開關(guān)mos晶體管和第二開關(guān)mos晶體管，第一開關(guān)mos晶體管具有連接到第一開關(guān)端子的漏極端子、連接到內(nèi)部源極節(jié)點(diǎn)的源極端子和連接到內(nèi)部柵極節(jié)點(diǎn)的柵極端子，第二開關(guān)mos晶體管具有連接到第二開關(guān)端子的漏極端子、連接到內(nèi)部源極節(jié)點(diǎn)的源極端子和連接到內(nèi)部柵極節(jié)點(diǎn)的柵極端子。雙向開關(guān)包括連接在內(nèi)部柵極節(jié)點(diǎn)與內(nèi)部源極節(jié)點(diǎn)之間的電壓限制元件。每個(gè)開關(guān)器件包括驅(qū)動級，該驅(qū)動級電壓參考內(nèi)部源極節(jié)點(diǎn)并且被配置為根據(jù)第一驅(qū)動信號和第二驅(qū)動信號來驅(qū)動雙向開關(guān)的切換，驅(qū)動級包括彼此連接的驅(qū)動晶體管和開關(guān)晶體管。

4、在一個(gè)實(shí)施例中，一種方法包括用驅(qū)動級基于第一驅(qū)動信號和第二驅(qū)動信號來驅(qū)動開關(guān)器件的雙向開關(guān)。驅(qū)動級包括彼此連接的驅(qū)動晶體管和開關(guān)晶體管。雙向開關(guān)包括在第一開關(guān)端子與第二開關(guān)端子之間在內(nèi)部源極節(jié)點(diǎn)處耦合在一起的第一開關(guān)mos晶體管和第二開關(guān)mos晶體管。雙向開關(guān)包括內(nèi)部柵極，內(nèi)部柵極通過電壓限制器件耦合到內(nèi)部源極、耦合到第一開關(guān)mos晶體管的柵極端子、并且耦合到驅(qū)動級的輸出。該方法包括向驅(qū)動晶體管的漏極端子提供電源電壓，通過用第一驅(qū)動信號驅(qū)動驅(qū)動晶體管，在開關(guān)器件的導(dǎo)通間隔中對內(nèi)部柵極節(jié)點(diǎn)充電并且導(dǎo)通雙向開關(guān)，以及通過用第二驅(qū)動信號驅(qū)動開關(guān)晶體管，在開關(guān)器件的關(guān)斷間隔中使內(nèi)部柵極節(jié)點(diǎn)和內(nèi)部源極節(jié)點(diǎn)短路并且關(guān)斷雙向開關(guān)。