用于保护电路的单晶体管器件以及方法技术

具有一个主晶体管或并联的多个主晶体管的器件保护电子电路免受过流状况的影响。可选地，这些器件只具有两个端子并且不需要辅助电力便可进行操作。在这些器件中，器件两端的电压降提供了向该器件供电的电能。第三端子或第四端子可以出现于其他器件中，从而允许另外的过流和过压监测机会。自催化式电压转换允许某些器件快速限制或阻断出现的过流。

Single transistor devices for protection circuits and self catalyzed voltage conversion

A device with a main transistor or a plurality of main transistors in parallel protects the electronic circuit from the influence of overcurrent. Optionally, these devices only have two terminals and can operate without auxiliary power. In these devices, the voltage drop at both ends of the device provides power to the device. Third terminals or fourth terminals can appear in other devices, allowing additional overcurrent and overvoltage monitoring opportunities. Autocatalytic voltage conversion allows some devices to quickly restrict or block the overcurrent.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于保护电路的单晶体管器件及其自催化式电压转换相关申请的交叉引用本申请根据PCT条约第8条和35U.S.C.§119(e)要求享有下列各项美国临时专利申请的优先权的权益：(a)于2015年9月21日递交的、题为“OΝΕ-TRANSISTORDEVICESFORPROTECTINGCIRCUITSANDAUTOCATALYTICVOLTAGECONVERSIONTHEREFOR(用于保护电路的单晶体管器件及其自催化式电压转换)”的美国临时专利申请No.62/221,428；(b)于2016年1月21日递交的、题为“OΝΕ-TRANSISTORDEVICESFORPROTECTINGCIRCUITSANDAUTOCATALYTICVOLTAGECONVERSIONTHEREFOR(用于保护电路的单晶体管器件及其自催化式电压转换)”的美国临时专利申请No.62/281,453；(c)于2016年4月1日递交的、题为“OΝΕ-TRANSISTORDEVICESFORPROTECTINGCIRCUITSANDAUTOCATALYTICVOLTAGECONVERSIONTHEREFOR(用于保护电路的单晶体管器件及其自催化式电压转换)”的美国临时专利申请No.62/317,092；以及(d)于2016年6月17日递交的、题为“OΝΕ-TRANSISTORDEVICESFORPROTECTINGCIRCUITSANDAUTOCATALYTICVOLTAGECONVERSIONTHEREFOR(用于保护电路的单晶体管器件及其自催化式电压转换)”的美国临时专利申请No.62/351,625。上述临时专利申请(a)-(d)中的每一个通过引用被完整结合于此。版权声明本专利文件的公开内容的一部分包含受版权保护的材料。版权所有者并不反对任何人对专利文献或者专利公开内容进行复制，因为它出现在专利和商标局专利文件或者记录中，但是在别的方面保留全部版权权利。
本专利技术涉及用于保护电子电路的器件和方法。
技术介绍
目前，利用单个晶体管来阻断危险电流的各种尝试都面临着相当大的困难。当两个晶体管串联放置在要保护的电路的主电流路径中时，其中一个晶体管两端的电压降可用于另一晶体管的栅极。然而，出于在常规的、长期操作期间提供用于保护电路的高效且有效的器件的目的而尝试利用单个晶体管上的电压降来驱动其自身的栅极的方式还未取得成功。当过流状况出现时，必须迅速检测到该状况并对其进行处理。若单个晶体管器件反应太慢，那么受该器件保护的电路就会受到损害。而且，若单个晶体管花费很长时间才能进入阻断耗尽模式，单个晶体管自身也会因流过该晶体管的过流而受损。类似地，太慢地进入电流限制模式也可能会使受保护的电路和晶体管受损。可选地，可以使用辅助电源来控制被置于所要保护的电路的主电流路径中的单个晶体管的栅极以使该电路免受过流状况的影响。辅助电力可以来源于除所要保护的电路以外的源，例如，独立市电电源或长寿命锂离子电池。但是，如果辅助电源自身经受过流状况，或者仅仅只是辅助电源消失了(如电池放电的情况那样)，则单个晶体管可能被损坏或者不能够再进行操作，从而使所要保护的电路受损，或者使该电路完全不受保护。此外，辅助电力需求会浪费能源，并会对受保护电路提出额外的热能耗散的要求。常开型晶体管在某些情况下，例如，当其栅极与其源极短路并且其漏极到其源极的电压降超过晶体管的特性阈值电压时，可能展现出电流限制特性。然而，实现电流限制行为所需的电压对于许多应用而言通常高到不能被接受。此外，晶体管必然会显现出至少几个欧姆的导通电阻，因而在正常电流状况下会导致显著的功率损耗。晶体管的阈值电压的变化、功率损耗、由这样的晶体管产的热量、以及其他障碍使得在许多情况下仅利用单个晶体管自身作为电流限制器件是不切实际的。需要无需辅助电源便可更有效地保护低功率和高功率电路应用、向具有严格或敏感能量要求的任何电路提供服务、并且充分保护电路的电路保护器件。
技术实现思路
申请人意外地发现了通过使用主晶体管或彼此并联的多个主晶体管来在电路的常规操作中出现过流状况时有效且快速地保护电路的器件和方法。同样意外地发现，这些晶体管在许多情况下都是耗尽型、常开型晶体管。此外，在一些实施例中，这些晶体管仅使用所要保护器件两端的电压降来进行操作，而无需任何辅助电力。另外的实施例允许对危险的过流选择性地限制、阻断、或限制与阻断。在又一些实施例中，自催化式电压转换意外地提供了从导通到限制或阻断危险电流的快速转换。本专利技术的一些实施例被配置为通过提供操作为在正常电流状况期间传送电流并且随后当过流状况出现时进入阻断耗尽模式的晶体管来保护电路免受过流状况的影响。如本文所使用的，“阻断耗尽”指示晶体管已移至超过其阈值电压(VTH)的耗尽区，并且在其源极与其漏极之间基本上是不导通的。其他实施例被配置为通过提供操作为在正常电流状况期间传送电流并且随后当过流状况出现时进入电流限制模式的晶体管来保护电路免受过流状况的影响。如本文所使用的，“电流限制模式”指示晶体管具有使得晶体管在其源极和漏极之间既不是完全导通也不是基本不导通的栅极偏压。在一些情况下，当晶体管处于电流限制模式时，在漏极和源极之间传送的电流在给定的漏极和源极之间的电压降范围内是基本恒定的。又一些实施例被配置为通过提供操作为在正常电流状况期间传送电流并且随后当轻微过流状况出现时进入电流限制模式而随后在过流状况变得严重的情况下进入阻断耗尽模式的晶体管来保护电路免受过流状况的影响。“轻微”和“严重”的过流状况是相对的，并且取决于预计的功率负载、所要保护电路的灵敏度以及其他因素。在一些情况下，当流过本专利技术的器件或将要流过本专利技术的器件的电流不超过某个电流阈值时，存在轻微过流状况。当流过本专利技术的器件或将要流过本专利技术的器件的电流大于某一电流阈值时，存在严重过流状况。“将流过器件”的电流的意思是器件在不处于电流限制模式或阻断耗尽模式时的预期电流。该阈值是所要保护电路的最大预期电流负荷的例如10％、50％、100％、200％、500％、或1000％的任何合适的阈值。在其他情况下，该阈值是表示超过所要保护电路的最大预期电流负荷0.1A、0.5A、1A、5A、10A、50A、100A、1000A、10000A、或100000A的阈值。因此，某些实施例提供了用于保护具有主电流路径的电路免受过流状况影响的器件，每个器件包括：第一端子和第二端子，该第一端子和第二端子被配置为将主电流路径路由通过该器件；第一晶体管，该第一晶体管包括第一栅极、第一漏极、和第一源极；其中，第一晶体管是耗尽型、常开型晶体管；其中，第一晶体管串联布置在第一端子和第二端子之间的主电流路径中；驱动器电路；该驱动器电路包括电压转换器电路，该电压转换器电路适于接收仅从第一端子与第二端子之间的电压导出的输入电压，并且将该输入电压转换为可释放存储的电压，其中，该驱动器电路被配置为将该可释放存储的电压或其导出电压作为相对于第一源极的栅极电压施加在第一栅极处；其中，当存在从第一端子到第二端子的第一正电压和正常电流状况时，第一晶体管被配置为在第一端子和第二端子之间传送电流；以及其中，当存在从第一端子到第二端子的第二正电压和过流状况时，驱动器电路被配置为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于保护具有主电流路径的电路免受过流状况影响的器件，包括：第一端子和第二端子，该第一端子和第二端子被配置为将所述主电流路径路由通过所述器件；第一晶体管，该第一晶体管包括第一栅极、第一漏极、和第一源极；其中，所述第一晶体管是耗尽型、常开型晶体管；其中，所述第一晶体管被串联布置在所述第一端子和所述第二端子之间的所述主电流路径中；驱动器电路；该驱动器电路包括电压转换器电路，该电压转换器电路被适配用于接收仅从所述第一端子与所述第二端子之间的电压导出的输入电压，并将所述输入电压转换为可释放存储的电压，其中，所述驱动器电路被配置为将所述可释放存储的电压或其导出电压作为相对于所述第一源极的栅极电压施加在所述第一栅极处；其中，当存在从所述第一端子到所述第二端子的第一正电压和正常电流状况时，所述第一晶体管被配置为在所述第一端子和所述第二端子之间传送电流；以及其中，当存在从所述第一端子到所述第二端子的第二正电压和严重过流状况时，所述驱动器电路被配置为通过施加所述可释放存储的电压或其导出电压作为所述栅极电压来驱动所述第一晶体管进入阻断耗尽模式中；以及其中，所述器件被配置为在正常电流状况期间传送电流，并在严重过流状况期间基本阻断电流。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.21 US 62/221,428;2016.01.21 US 62/281,453;1.一种用于保护具有主电流路径的电路免受过流状况影响的器件，包括：第一端子和第二端子，该第一端子和第二端子被配置为将所述主电流路径路由通过所述器件；第一晶体管，该第一晶体管包括第一栅极、第一漏极、和第一源极；其中，所述第一晶体管是耗尽型、常开型晶体管；其中，所述第一晶体管被串联布置在所述第一端子和所述第二端子之间的所述主电流路径中；驱动器电路；该驱动器电路包括电压转换器电路，该电压转换器电路被适配用于接收仅从所述第一端子与所述第二端子之间的电压导出的输入电压，并将所述输入电压转换为可释放存储的电压，其中，所述驱动器电路被配置为将所述可释放存储的电压或其导出电压作为相对于所述第一源极的栅极电压施加在所述第一栅极处；其中，当存在从所述第一端子到所述第二端子的第一正电压和正常电流状况时，所述第一晶体管被配置为在所述第一端子和所述第二端子之间传送电流；以及其中，当存在从所述第一端子到所述第二端子的第二正电压和严重过流状况时，所述驱动器电路被配置为通过施加所述可释放存储的电压或其导出电压作为所述栅极电压来驱动所述第一晶体管进入阻断耗尽模式中；以及其中，所述器件被配置为在正常电流状况期间传送电流，并在严重过流状况期间基本阻断电流。2.根据权利要求1所述的器件，其中，所述电压转换器电路被配置为在20ns内转换所述输入电压。3.根据权利要求1所述的器件，其中，所述驱动器电路通过倍增和反转所述输入电压来将所述输入电压转换为所述可释放存储的电压；以及其中，所述电压转换器电路包括切换电容器网络并在100μs内将所述输入电压转换为所述可释放存储的电压。4.根据权利要求3所述的器件，其中，所述切换电容器网络是并联到串联切换电容器网络。5.根据权利要求1-4中的任一项所述的器件，其中，当存在从所述第一端子到所述第二端子的第三正电压和轻微过流状况时，所述驱动器电路被配置为通过施加所述可释放存储的电压或其导出电压作为所述栅极电压来驱动所述第一晶体管进入电流限制模式中；以及其中所述器件被配置为在轻微过流状况期间限制电流。6.根据权利要求1-5中任一项所述的器件，其中，所述电压转换器电路被配置为自催化地转换所述输入电压。7.根据权利要求1-6中任一项所述的器件，其中，所述器件被配置为在没有任何辅助电源的情况下进行操作。8.根据权利要求1-7中任一项所述的器件，其中，所述器件不包括电感器。9.根据权利要求1-8中任一项所述的器件，其中，所述器件不包括变压器。10.根据权利要求1-9中任一项所述的器件，其中，所述器件不包括除所述第一端子和所述第二端子以外的端子。11.根据权利要求1-10中任一项所述的器件，其中，所述第一晶体管是耗尽型、常开型GaN晶体管。12.根据权利要求5-11中任一项所述的器件，还包括被布置为与所述第一晶体管并联电连通的至少一个第二晶体管，其中，所述至少一个第二晶体管中的每个第二晶体管包括第二栅极、第二漏极、以及第二源极；其中，所述至少一个第二晶体管被配置为当存在从所述第一端子到所述第二端子的所述第二正电压和所述严重过流状况时被驱动到阻断耗尽模式；以及其中，所述至少一个第二晶体管被配置为当存在从所述第一端子到所述第二端子的所述第三正电压和所述轻微过流状况时被驱动到电流限制模式。13.根据权利要求1-12中任一项所述的器件，其中所述驱动器电路还包括电压浮置电路，该电压浮置电路被配置为浮置所述可释放存储的电压以获得浮置电压；...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克·D·克里齐，
申请(专利权)人：西普托特技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US