具有多個二極管的電路以及用于控制該電路的方法
【專利摘要】公開了具有多個二極管的電路以及用于控制該電路的方法。電路包括二極管電路和去激活電路。所述二極管電路包括第一端子、第二端子以及在所述第一端子與所述第二端子之間并聯(lián)耦接的多個二極管。所述二極管電路被配置為：在導(dǎo)通時間中被前向偏置，而在斷開時間中被反向偏置。所述去激活電路被配置為：在所述導(dǎo)通時間的結(jié)束之前的時刻，將第一組的二極管切換到去激活狀態(tài)，所述第一組的二極管包括所述二極管電路中所包括的一個或更多個的但是少于所有二極管的二極管。
【專利說明】具有多個二極管的電路以及用于控制該電路的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開的實施例涉及具有多個二極管的電路以及用于控制該電路的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 雙極二極管廣泛用在自動化和工業(yè)領(lǐng)域中的不同電路應(yīng)用中。例如，在電子開關(guān) 周期性地開啟并且關(guān)斷電感負載的開關(guān)應(yīng)用中，可以采用二極管作為在已經(jīng)關(guān)斷開關(guān)之后 接納在電感負載中感應(yīng)出的電流的續(xù)流二極管。
[0003] 在二極管的操作中，導(dǎo)通損耗發(fā)生。這些導(dǎo)通損耗取決于二極管兩端的電壓(一般 被提及為前向電壓V F)以及通過二極管的電流。
[0004] 進一步地，當二極管受前向偏置并且傳導(dǎo)電流時，在二極管中存儲起因于具有η 型電荷載流子和Ρ型電荷載流子的電荷載流子等離子體的電荷(一般被提及為反向恢復(fù)電 荷QKK)。當二極管的操作狀態(tài)從前向偏置狀態(tài)改變?yōu)榉聪蚱脿顟B(tài)時，必須在二極管能夠 阻斷對二極管進行反向偏置的電壓之前從二極管去除反向恢復(fù)電荷。這種處理一般被提及 為反向恢復(fù)處理。在反向恢復(fù)處理期間，二極管中所存儲的電荷引起反向電流(一般被提及 為Ι κκ)。這種起因于二極管中所存儲的電荷的反向電流乘以在反向恢復(fù)處理期間二極管兩 端的電壓等于起因于反向恢復(fù)處理的功率損耗的下限。這些損耗的時間積分等于每次二極 管從前向偏置狀態(tài)改變?yōu)榉聪蚱脿顟B(tài)時所浪費的能量。
[0005] 通常，在給定的額定電流和給定的電壓阻斷能力下，帶有低前向電壓(和低導(dǎo)通損 耗）的二極管具有更高的反向恢復(fù)電荷，反之亦然。通常，依照在實現(xiàn)二極管的應(yīng)用中發(fā)生 的最高電流來選取二極管的額定電流。帶有高額定電流的二極管具有大的芯片大小，并且 具有高反向恢復(fù)電荷。當二極管以低于額定電流的電流操作時，二極管超尺寸從而在低電 流時，起因于反向恢復(fù)電荷Q RR的相對商的損耗發(fā)生。
[0006] 因此，想要減少電路應(yīng)用中的二極管損耗。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 第一方面涉及一種用于操作電路的方法。所述電路包括第一端子和第二端子以及 在所述第一端子與所述第二端子之間并聯(lián)耦接的多個二極管。所述方法包括：在一個驅(qū)動 周期中，在所述第一端子與所述第二端子之間在導(dǎo)通時間施加第一電壓，其中，所述第一電 壓被配置為對所述二極管進行前向偏置；在所述導(dǎo)通時間之后，在所述第一端子與所述第 二端子之間在斷開時間施加第二電壓，其中，所述第二電壓被配置為對所述二極管進行反 向偏置；在所述導(dǎo)通時間的結(jié)束之前的時刻，將第一組的但是少于所述多個二極管的二極 管切換到去激活狀態(tài)。
[0008] 第二方面涉及一種電路。所述電路包括具有第一端子和第二端子以及在所述第一 端子與所述第二端子之間并聯(lián)耦接的多個二極管的二極管電路。所述二極管電路被配置 為：在導(dǎo)通時間中被前向偏置，而在斷開時間中被反向偏置。所述電路進一步包括去激活電 路，被配置為在所述導(dǎo)通時間的結(jié)束之前的時刻，將第一組的但是少于所述多個二極管的 二極管從激活狀態(tài)切換到去激活狀態(tài)。
[0009] 第三方面涉及一種用于操作電路的方法。所述電路包括第一端子、第二端子以及 在所述第一端子與所述第二端子之間并聯(lián)耦接的多個二極管。所述方法包括：在一個驅(qū)動 周期中，在所述第一端子與所述第二端子之間在導(dǎo)通時間施加第一電壓，其中，所述第一電 壓被配置為對所述二極管進行前向偏置；在所述導(dǎo)通時間之后，在所述第一端子與所述第 二端子之間在斷開時間施加第二電壓，其中，所述第二電壓被配置為對所述二極管進行反 向偏置；以及將第一組二極管在所述導(dǎo)通時間期間保持在去激活狀態(tài)，所述第一組二極管 包括所述電路中所包括的一個或更多個的但是少于所有二極管的二極管。
[0010] 在閱讀下面的詳細描述并且查看隨附的附圖時，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到附加的 特征和優(yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 現(xiàn)在將參照附圖解釋示例。附圖用于圖解基本原理，從而僅圖解對于理解基本原 理所必須的各方面。附圖并非成比例。在附圖中，同樣的標號代表同樣的特征。
[0012] 圖1圖解包括多個二極管的二極管電路的第一實施例； 圖2圖解圖1的二極管電路的修改； 圖3示出圖解根據(jù)圖1的電路的操作原理的時序圖； 圖4圖解包括圖1或圖2的二極管電路的應(yīng)用電路的實施例； 圖5圖解二極管電路的第二實施例； 圖6圖解二極管電路的第三實施例； 圖7圖解二極管和垂直p-MOS開關(guān)的芯片上芯片（chip-on-chip)集成的示例。

【具體實施方式】
[0013] 在下面的詳細描述中，參照隨附的附圖，附圖形成描述的一部分，并且在附圖中通 過圖解的方式示出其中可以實施本發(fā)明的具體實施。
[0014] 圖1圖解下面將被提及為二極管電路的電路10的第一實施例。二極管電路10包 括多個（η個，其中，η > 2)在第一端子21與第二端子22之間并聯(lián)耦接的二極管lli-llf 在圖1中，示出n=4個二極管。然而，這僅僅是示例。二極管111-11"的總數(shù)量可以取決于 采用二極管電路10的具體應(yīng)用而變化。在該實施例中，二極管lli-ΙΙ。使得它們的陰極耦 接到第一端子21，并且使得它們的陽極耦接到第二端子22。電路10的端子21、22可以例 如耦接到負載(未示出）的端子。
[0015] 端子21、22被配置為接收電壓V。該電壓V可以具有第一極性和第二極性中的一 個。第一極性對二極管lh-ll進行前向偏置，而第二極性對二極管11 1_11"進行反向偏置。 在下面，具有第一極性的電壓V的電壓電平將又被提及為第一電壓電平VI，具有第二極性 的電壓電平將又被提及為第二電壓電平V2。
[0016] 在圖1的實施例中，單獨的二極管llfl^可以獨立于彼此而被激活以及去激活。 為此，相應(yīng)的開關(guān)12 1、122、123、1211與二極管111-11 11中的每一個串聯(lián)連接。驅(qū)動電路30被 配置為輸出開啟并且關(guān)斷單獨的開關(guān)12i_12n的驅(qū)動信號3 1、52、&、511。以下解釋驅(qū)動電路 30的操作原理。多個二極管11^11中的每一個當與之串聯(lián)連接的對應(yīng)開關(guān)12i_12 n開啟 時(處于導(dǎo)通狀態(tài)下)被激活，當與之串聯(lián)連接的對應(yīng)開關(guān)12i-12n關(guān)斷時(處于斷開狀態(tài)下） 被去激活。
[0017] 單獨的二極管lh-ll可以集成在一個公共半導(dǎo)體芯片中，或可以集成在兩個或 更多個分離的半導(dǎo)體芯片中。甚至可以在分離的半導(dǎo)體芯片中集成二極管11^11中的每 一個。
[0018] 獨立地激活并且去激活多個二極管lli-lln中的每一個以及激活并且去激活二極 管lli-ΙΙ。的可能性僅僅是示例。根據(jù)進一步的實施例，總是激活二極管lli-ΙΙ。中的至少 一個。根據(jù)又一進一步的實施例，一起激活并且去激活二極管lli-ll中的至少兩個。圖2 圖解實現(xiàn)這兩個選項的二極管電路10的實施例。
[0019] 在圖2的二極管電路10中，永久激活第一二極管lh。也就是說，第一二極管111使 得其陰極直接連接到第一端子21，并且使得其陽極直接連接到第二端子22,從而在第一二 極管lli與端子21、22中的一個之間不存在開關(guān)。第二二極管11 2和第三二極管113經(jīng)由 激活或去激活第二二極管112和第三二極管11 3二者的公共開關(guān)1223連接到端子21、21。
[0020] 以下解釋圖1和圖2的二極管電路10的操作原理。為了解釋的目的，首先假設(shè)激 活二極管lli-ll。中的每一個。也就是說，當?shù)谝浑妷弘娖絍I施加到端子21、22時，二極管 lli-ΙΙ。中的每一個能夠傳導(dǎo)電流。僅為了解釋的目的，進一步假設(shè)單獨的二極管111_11"具 有相同芯片大小，從而它們具有相同額定電流。
[0021] 當二極管llrll被前向偏置時，導(dǎo)通損耗發(fā)生。在給定的通過具有二極管11^11 的并聯(lián)電路的負載電流I下，可以通過增加二極管電路10的二極管lli-ll的數(shù)量（即通過 增加總體芯片大小)來減少這些導(dǎo)通損耗。總體芯片大小是單獨的二極管lli-ll的各芯片 大小之和。
[0022] 然而，芯片大小的增加可能造成開關(guān)損耗(換流損耗）的增加。當對應(yīng)二極管 lli-llu的操作狀態(tài)從前向偏置狀態(tài)改變?yōu)榉聪蚱脮r，即當電壓V從第一電壓電平VI改 變?yōu)榈诙妷弘娖絍2時，開關(guān)損耗發(fā)生在二極管1 li-1 ln中的每一個中。下面參照多個二 極管中的第i二極管lli來解釋該情況。當?shù)趇二極管lli被前向偏置并且傳導(dǎo)一部分電 流I時，包括電子和空穴的電荷載流子等離子體出現(xiàn)在二極管lli的半導(dǎo)體區(qū)域中。當?shù)?i二極管lli被反向偏置時，從第i二極管lli去除起因于該等離子體的電荷(反向恢復(fù)電 荷)。去除電荷載流子等離子體引起反向恢復(fù)電流(一般被提及為Ι κκ)從第i二極管1込流 動。反向恢復(fù)電流乘以在反向恢復(fù)處理期間第i二極管lli兩端的電壓定義與反向恢復(fù)處 理有關(guān)的二極管中發(fā)生的損耗。當反向恢復(fù)電流仍然為高時，并且當?shù)趇二極管lli兩端 的電壓已經(jīng)增加時，這些損耗朝向反向恢復(fù)處理的結(jié)束而增加。這些損耗的時間積分等于 在每個開關(guān)處理中在第i二極管lli中所浪費的能量。二極管lli-ΙΙ。中的每一個中所存 儲的反向恢復(fù)電荷取決于每個二極管的芯片大小，并且隨著芯片大小增加而增加。
[0023] 在圖1和圖2的二極管電路10中，可以通過在開關(guān)處理期間合適地激活并且去激 活二極管lli-ll。*的單獨的二極管來將包括導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗的總損耗最小化。開關(guān) 處理包括兩個后續(xù)時間段，即電壓V具有第一電壓電平VI時并且當想要使二極管 中的至少一個傳導(dǎo)電流時的導(dǎo)通時間、以及當電壓V具有第二電壓電平V2并且當想要使端 子21、22之間沒有電流流動時的斷開時間。通常，由于在二極管lli-llW前向偏置狀態(tài) (導(dǎo)通狀態(tài))轉(zhuǎn)變到反向偏置狀態(tài)(阻斷狀態(tài))期間開關(guān)損耗發(fā)生，因此多個二極管 的一些可以在導(dǎo)通時間的開始時被激活，并且可以在轉(zhuǎn)換發(fā)生之前被去激活。然而，二極管 11^1 ln中的至少一個保持激活。
[0024] 當去激活二極管11^11中的一個而仍然激活多個二極管11^11中的至少另一個 時，去激活的（多個）二極管兩端的電壓最多與仍然受前向偏置的二極管兩端的電壓對應(yīng)。 去激活的二極管中所存儲的電荷隨著通過二極管的電流為零而減少。因此，在反向偏置電 壓施加到端子21、22之前所去激活的二極管中發(fā)生的第一量的開關(guān)損耗比如果該二極管 并未被去激活而是替代地經(jīng)端子21、22之間的電壓V而被反向偏置則將在該二極管中發(fā)生 的第二量的開關(guān)損耗更低。下面，第一量與第二量之間的差被提及為開關(guān)損耗的增益。
[0025] 在二極管電路10中，當去激活二極管中的至少一個時，所激活的二極管兩端的電 壓增加。這造成在去激活之后二極管電路10中的導(dǎo)通損耗的增加。然而，特別是當在導(dǎo)通 時間的結(jié)束前相對很短的時間去激活二極管lli-ll。*的至少一個時，這種導(dǎo)通損耗的增 加比通過較早去激活所述二極管所獲得的開關(guān)損耗的增益更小。
[0026] 以此方式，有效的芯片大小可以關(guān)于導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗而得以優(yōu)化。在導(dǎo)通時 間的開始時，激活第一數(shù)量的二極管lli-ll。該第一數(shù)量可以與總數(shù)量η對應(yīng)，或可以少 于總數(shù)量，但為至少一個（1 )。從該數(shù)量的二極管，在導(dǎo)通時間的結(jié)束之前去激活至少一個 二極管。因此，存在兩組二極管，即在導(dǎo)通時間的結(jié)束之前去激活的第一組二極管以及在導(dǎo) 通時間期間永久激活的第二組二極管。第二組可以包括(例如因為沒有與之串聯(lián)連接的開 關(guān)所以）無法被去激活的二極管或可以被激活并且去激活而且在導(dǎo)通時間期間永久激活的 二極管。
[0027] 根據(jù)進一步的實施例，在導(dǎo)通時間期間根本不激活第一組二極管。也就是說，這 些二極管在導(dǎo)通時間期間保持在去激活狀態(tài)，而第二組二極管在導(dǎo)通時間期間處于激活狀 態(tài)。
[0028] 圖3示出圖解圖1和圖2的二極管電路10的操作原理的時序圖。在圖3中，示出 在第一端子21與第二端子22之間所施加的電壓V以及第二組二極管的激活狀態(tài)的時序 圖。在圖3中，第一組二極管的激活狀態(tài)由激活或去激活該組二極管中的至少一個的一個 驅(qū)動信號h表示。為了解釋的目的，假設(shè)對應(yīng)的二極管當驅(qū)動&信號具有高電平時被激 活，而當驅(qū)動信號具有低電平時被去激活。
[0029] 在圖3中，T1代表從第一時刻&持續(xù)到第二時刻t2的導(dǎo)通時間。在導(dǎo)通時間期 間，第一端子21與第二端子22之間所施加的電壓V具有對多個二極管lli-ll中被激活的 這些二極管進行前向偏置的第一電壓電平VI。T2代表從第二時刻t 2到第三時刻t3的斷開 時間。在斷開時間期間，第一端子21與第二端子22之間所施加的電壓V具有對多個二極 管lli-ll中被激活的這些二極管進行反向偏置的第二電壓電平V2。圖3中僅示意性地圖 解電壓V。當然，在實際電路中，電壓V的斜率不是(如圖3所圖解的）垂直的。
[0030] 參照圖3,第一組二極管在大多數(shù)導(dǎo)通時間T1被激活。然而，在就在導(dǎo)通時間T1 的結(jié)束前的時刻t x去激活第一組中的至少一個二極管(在圖3中由在時間tx變低的驅(qū)動信 號h指示)，而仍然激活第二組中的至少一個二極管（圖3中未圖解第二組二極管的激活信 號)。可以永久激活第二組中的該至少一個二極管。
[0031] 根據(jù)一個實施例，當去激活第一組中的至少一個二極管時的時間tx與當對二極管 電路10進行反向偏置時的時間t 2之間的時間差是在載流子壽命的一倍至五倍之間。特別 地，該時間差可以在1微秒（μ s)與1〇μ s之間。
[0032] 在圖3的實施例中，新的操作周期在當電壓V再次假設(shè)對二極管電路10進行前向 偏置的第一電平VI時的時間^開始。此時，再次激活第一組二極管和第二組二極管。與 圖3中的圖解不同的是，激活也可以發(fā)生在t2與t3之間的更早的時間。
[0033] 屬于第一組和屬于第二組的二極管lli-ll的選擇可以隨著每個驅(qū)動周期而改 變，或可以在若干驅(qū)動周期之后改變。尤其是在存在根本不激活的至少一個二極管的操作 情況下，這可能有助于將損耗更均衡地分布在二極管lli-11。當中，因為選擇未激活的至少 一個二極管可以隨著時間而改變。
[0034] 在其中在導(dǎo)通時間期間某時刻激活第一組二極管(從而這些第一組二極管在導(dǎo)通 時間期間并不保持在去激活狀態(tài)）的實施例中，在導(dǎo)通時間的開始時激活的二極管的數(shù)量 (即第一組二極管的數(shù)量與第二組二極管的數(shù)量之和）可以取決于二極管電路10的負載條 件而變化。也就是說，可以存在在導(dǎo)通時間期間根本不激活的進一步的一組二極管，其中， 該進一步的一組二極管的數(shù)量可以取決于二極管電路的負載條件而變化。設(shè)η是二極管電 路中的二極管的總數(shù)量，其中： n = nl + n2 + n3 (1), 其中，η?是第一組二極管的數(shù)量，η2是第二組二極管的數(shù)量，η3是進一步的一組二極 管的數(shù)量。在導(dǎo)通時間的開始時激活的二極管的數(shù)量與nl+n2對應(yīng)，其中，在導(dǎo)通時間的結(jié) 束之前去激活nl個二極管，并且貫穿導(dǎo)通時間激活η2個二極管。
[0035] 根據(jù)一個實施例，負載條件由通過前向偏置狀態(tài)下的二極管電路10的負載電流I 表示。在該實施例中，驅(qū)動電路30接收表示負載電流I的電流信號&，并且取決于電流信 號&來選擇第一數(shù)量。驅(qū)動電路30可以被配置為估計一個驅(qū)動周期中的電流信號&，并 且取決于所估計的電流信號&來調(diào)整在隨后的驅(qū)動周期中激活的二極管的總數(shù)量。根據(jù) 進一步的實施例，驅(qū)動電路30被配置為調(diào)整在一個驅(qū)動周期中激活的二極管的數(shù)量。同樣 地，可以取決于電流信號&來調(diào)整第一組二極管的數(shù)量，其中，該數(shù)量可以隨著電流I減小 而增加。根據(jù)一個實施例，在導(dǎo)通時間的開始時激活的二極管的總數(shù)量隨著負載電流I減 小而減小。
[0036] 根據(jù)進一步的實施例，在第一組二極管的數(shù)量取決于電流信號&而可變化的同 時，在導(dǎo)通時間的開始時激活所有二極管lli-llp
[0037] 第一組和第二組中的每一個表示芯片大小(其為單獨的組中的二極管的芯片大小 之和）。根據(jù)一個實施例，單獨的二極管具有不同的芯片大小。在此情況下，驅(qū)動電路30可 以不僅取決于電流信號&來選擇第一組和第二組中的二極管的數(shù)量，而且可以選擇第一組 二極管和第二組二極管，以使得第一組所表示的芯片大小和第二組所表示的芯片大小隨著 負載電流增加而增加。同樣地，第一組所表示的芯片大小可以隨著負載減小而增加，也就是 說，當負載電流減小時，在導(dǎo)通時間的結(jié)束之前去激活更高量的芯片大小。
[0038] 圖4示意性地圖解其中二極管電路10用作為續(xù)流電路的應(yīng)用電路。二極管電路 10在圖4中被圖解為電路方框，并且可以如之前參照圖1和2所解釋的那樣或如以下參照 圖5和圖6所解釋的那樣得以實現(xiàn)。參照圖4,應(yīng)用電路包括具有電感負載L和開關(guān)元件 40的串聯(lián)電路，其中所述串聯(lián)電路連接在用于正電勢V+的端子與用于基準電勢GND的端子 之間。二極管電路10與負載L并聯(lián)連接，以使得當開啟開關(guān)元件40時二極管電路10被反 向偏置。在此情況下，各電源端子之間的電壓基本上被施加到負載L。
[0039] 開關(guān)元件40接收驅(qū)動信號&，驅(qū)動信號&被配置為打開或閉合(關(guān)斷或開啟）開 關(guān)元件40。當開關(guān)元件40被閉合時，負載L耦接到用于基準電勢GND的端子，并且電力被 供給至負載L，從而能量以磁方式存儲在負載L中。在開關(guān)元件40被閉合的同時，二極管 電路10被反向偏置。當開關(guān)元件40被打開時，負載L中所存儲的能量感應(yīng)出對二極管電 路10進行前向偏置的負載L兩端的電壓，二極管電路10然后傳導(dǎo)續(xù)流電流以便對負載進 行換流。
[0040] 可以周期性地打開以及閉合開關(guān)元件40。在很多應(yīng)用中，例如（圖2所示的）PWM (脈寬調(diào)制）信號&被提供給開關(guān)元件40以便將PWM電壓施加到負載L。
[0041] 在圖3中還圖解了驅(qū)動信號&的時序圖。僅為了解釋的目的，假設(shè)驅(qū)動信號&的 高電平開啟開關(guān)元件40 (從而對二極管電路10進行反向偏置)，并且驅(qū)動信號&的低電平 關(guān)斷開關(guān)元件40 (從而對二極管電路10進行前向偏置)。
[0042] 根據(jù)一個實施例，生成用于開關(guān)元件40的驅(qū)動信號&的驅(qū)動電路50生成PWM信 號&'以及該信號&'的時間延遲版本，其中，時間延遲信號是開關(guān)元件40所接收到的驅(qū)動 信號&。這兩個信號'具有確實相同的占空比。這兩個信號之間的時間延遲是當去激 活第二組二極管時的時刻仁與當二極管電路10被反向偏置時的時間t 2之間的想要的時間 延遲。在此情況下，每次PWM信號的預(yù)定斜率(該實施例中的上升斜率)發(fā)生時，驅(qū)動電 路30就可以接收PWM信號&'并且去激活第二組二極管。圖3中圖解該情況，其中，還示 出PWM信號SJ。
[0043] 驅(qū)動電路30可以被配置為通過估計端子21、22之間的電壓的極性或通過估計驅(qū) 動開關(guān)元件40的驅(qū)動信號&來檢測導(dǎo)通時間T1的開始。當然，可以在超前于導(dǎo)通時間的 斷開時間期間已經(jīng)激活(例如通過開啟對應(yīng)開關(guān)12 r12n)在導(dǎo)通時間的開始時有效的二極 管。
[0044] 二極管電路10的二極管111_11"可以集成在一個半導(dǎo)體本體中。二極管llrlln 可以然后借助于例如，介電區(qū)域而彼此隔離。
[0045] 參照圖5,用于激活并且去激活二極管llflln的開關(guān)12r12 n可以是M0S晶體管 (諸如M0SFET)。在圖5的實施例中，M0SFET是p型M0SFET。然而，可以替代地使用任何其 它類型的M0SFET或任何其它類型的開關(guān)器件。
[0046] 開關(guān)12「12n可以實現(xiàn)為具有相對低的電壓阻斷能力。當對二極管電路10進行前 向偏置時，并且當將要去激活對應(yīng)二極管11 1_11"時，單獨的開關(guān)12i-12n*的任意一個阻 斷。然而，在此情況下，激活其它二極管lli-ll中的至少一個，從而與阻斷開關(guān)兩端的電壓 對應(yīng)的端子21、22之間的電壓基本上是所述至少一個前向偏置二極管的前向電壓。該電壓 最多大約是若干伏特。可以用在二極管電路10中的具有低電壓阻斷能力的開關(guān)12 1-12"通 常具有低的導(dǎo)通電阻，從而與二極管lli-ll串聯(lián)的開關(guān)12i-12n并不明顯增加二極管電路 10的導(dǎo)通損耗。諸如齊納二極管或雪崩二極管的鉗位二極管(未圖解）可以并聯(lián)連接到開 關(guān)12i-12 n，以便限制開關(guān)12i-12n兩端的電壓。
[0047] 當對二極管電路10進行反向偏置時，二極管lh-llj且斷反向偏置電壓，并且因此 保護開關(guān)12i_12 n。根據(jù)一個實施例，在對二極管電路10進行反向偏置時，開啟開關(guān)12^12# 這有助于保持單獨的開關(guān)121_12"兩端的電壓為低，并且有助于保護開關(guān)12i-12 n。當開關(guān) 12r12n實現(xiàn)為使得它們的內(nèi)部體二極管與對應(yīng)二極管llrll n背對背連接的MOSFET時，當 對二極管電路10進行反向偏置時，無需開啟開關(guān)12i-12n。在此情況下，每個M0SFET的體二 極管將M0SFET兩端的電壓鉗位到體二極管的前向電壓。參照圖5,具有連接到對應(yīng)二極管 的陽極端子的漏極端子(或具有連接到對應(yīng)二極管的陰極端子的源極端子）的P型M0SFET 具有與對應(yīng)二極管背對背連接的內(nèi)部體二極管。
[0048] 在特定條件下，當二極管電路10被前向偏置時，峰值電流(過電流）可能發(fā)生。尤 其是在其中去激活二極管lli-11。中的至少一個的操作情形中，存在峰值電流使得這些激 活的二極管過載的風(fēng)險。
[0049] 根據(jù)一個實施例，二極管電路10包括保護部件，其在過電流條件的情況下激活所 去激活的二極管中的至少一些。圖6圖解具有過電流保護部件的二極管電路10的實施例。 在該二極管電路10中，每當電壓V具有對二極管電路10進行前向偏置的極性并且具有 比預(yù)定電壓電平更高的電壓電平時，開啟這些被關(guān)斷以去激活對應(yīng)二極管11 1-11"的開關(guān) 12r12n。預(yù)定電壓電平為使得僅在過電流情形的情況下電壓V達到該電壓電平。在圖6的 實施例中，保護部件包括齊納二極管11-1^。齊納二極管14-1^中的每一個連接在開關(guān) 12 r12n中的一個的漏極端子D與柵極端子G之間。在圖6的實施例中，開關(guān)12r12 n實現(xiàn) 為η型(增強）M0SFET。連接齊納二極管14「14n中的每一個，以使得當M0SFET的負載路徑 電壓(漏極-源極電壓)基本上達到齊納二極管11-1^的擊穿電壓(齊納電壓)時，其開啟對 應(yīng)MOSFET 12fl2n。齊納二極管立于對應(yīng)的驅(qū)動信號SrSn開啟MOSFET llfll# 也就是說，當電壓V達到預(yù)定閾值時，齊納二極管越過驅(qū)動信號Si-Sn。當被去激活的二極 管的MOSFET 12r12n開啟時，對應(yīng)的二極管lli-ll分得總電流的份額，由此減少通過之前 激活的那些二極管的電流。單獨的齊納二極管保持被去激活的二極管的M0SFET導(dǎo)通，直到 端子21、22之間的電壓V落到預(yù)定閾值之下。
[0050] 去激活部件(開關(guān))121-12"和二極管111-11"可以集成在同一封裝或模塊中。根據(jù) 一個實施例，開關(guān)和對應(yīng)二極管集成在具有包括二極管的第一半導(dǎo)體芯片和包括開關(guān)的第 二半導(dǎo)體芯片的芯片上芯片布置中。
[0051] 圖7圖解這樣的芯片上芯片布置的一個實施例。在圖7中，標號lli代表之前解 釋的二極管lli-ll中的第i二極管，標號12i代表對應(yīng)開關(guān)。參照圖7,第i二極管lli實 現(xiàn)為垂直二極管，并且包括第一半導(dǎo)體本體100,在第一半導(dǎo)體本體100中，布置第一導(dǎo)電 類型的第一發(fā)射極區(qū)域(陽極區(qū)域)111和第二導(dǎo)電類型的第二發(fā)射極區(qū)域(陰極區(qū)域)112。 第一發(fā)射極區(qū)域111和第二發(fā)射極區(qū)域112在第一半導(dǎo)體本體100的垂直方向上間隔開。 在第一發(fā)射極區(qū)域111與第二發(fā)射極區(qū)域112之間布置第一導(dǎo)電類型和第二導(dǎo)電類型之一 的并且比第一發(fā)射極區(qū)域111和第二發(fā)射極區(qū)域112更低摻雜的基極區(qū)域113。第一發(fā)射 極區(qū)域111電連接到第一半導(dǎo)體本體100的第一表面101上所布置的第一接觸電極121，第 二發(fā)射極區(qū)域112電連接到與第一表面101相對的第二表面102上所布置的第二接觸電極 122。
[0052] 在圖7的實施例中，MOSFET 12i在第二半導(dǎo)體本體200中實現(xiàn)為包括至少一個晶 體管單元的垂直M0SFET。晶體管單元包括電連接到源極（S)電極221的源極區(qū)域211以及 將源極區(qū)域211與漂移區(qū)域213接合的本體區(qū)域212。本體區(qū)域212位于漂移區(qū)域213與 源極區(qū)域211之間。M0SFET進一步包括電連接到漏極電極223的漏極區(qū)域214,其中，在漏 極區(qū)域214與本體區(qū)域212之間布置漂移區(qū)域213。MOSFET進一步包括鄰近本體區(qū)域212 并且通過柵極電介質(zhì)232與本體區(qū)域212介電絕緣的柵極電極231。柵極電極231包括若 干柵極電極區(qū)段，其中，每個柵極電極區(qū)段鄰近一個晶體管單元的源極區(qū)域211和本體區(qū) 域212。這些柵極電極區(qū)段中的每一個電連接到柵極端子G (盡管僅一個柵極電極區(qū)段與 柵極端子G之間的連接在圖7中是可見的)。柵極電極231以常規(guī)方式用于控制源極區(qū)域 211與漂移區(qū)域213之間的本體區(qū)域212中的導(dǎo)通溝道。柵極電極231電連接到柵極端子 G〇
[0053] MOSFET可以包括多個晶體管單元，其中，單獨的晶體管單元通過使得它們的源極 區(qū)域211電連接到公共源極電極221而并聯(lián)連接。進一步地，單獨的晶體管單元共享漂移 區(qū)域213和漏極區(qū)域214。源極電極221進一步連接到單獨的晶體管單元的本體區(qū)域212。
[0054] MOSFET可以實現(xiàn)為η型MOSFET或p型MOSFET。在η型MOSFET中，源極區(qū)域211、 漂移區(qū)域213和漏極區(qū)域214是η摻雜的，而本體區(qū)域212是p摻雜的。在p型MOSFET中， 源極區(qū)域211、漂移區(qū)域213和漏極區(qū)域214是p摻雜的，而本體區(qū)域212是η摻雜的。
[0055] 參照圖7,漏極電極223電連接并且安裝到二極管lh的陽極電極121?？梢栽陉?極電極121與漏極電極223之間布置連接層300 (諸如焊料層或?qū)щ娬澈蠈拥?。
[0056] 根據(jù)一個實施例，MOSFET 121是？型M0SFET，二極管的第一發(fā)射極區(qū)域111是p摻 雜的，從而形成第i二極管lli的陽極區(qū)域，而第二發(fā)射極區(qū)域112是η摻雜的，從而形成 陰極區(qū)域。基極區(qū)域113可以是η摻雜的或ρ摻雜的。
[0057] 圖7示出一個二極管4和對應(yīng)的開關(guān)12it)根據(jù)進一步的實施例(未示出），若干 個二極管被集成在半導(dǎo)體本體100中。在此情況下，單獨的二極管共享第二發(fā)射極區(qū)域112 和基極區(qū)域113。單獨的二極管的第一發(fā)射極區(qū)域111在半導(dǎo)體本體100的橫向方向上間 隔開。可選地，在單獨的二極管的單獨的第一發(fā)射極區(qū)域111之間布置垂直介電層。在第 一發(fā)射極區(qū)域111中的每一個上，可以安裝MOSFET或另一類型的開關(guān)，以激活或去激活對 應(yīng)的二極管。
[0058] 在之前解釋的實施例中，單獨的二極管的電路符號是雙極二極管（pin二極管）的 電路符號。然而，也可以將單獨的二極管實現(xiàn)為其它類型的二極管(諸如肖特基二極管)。肖 特基二極管具有比雙極二極管更低的反向恢復(fù)電荷。甚至可以在一個二極管電路10中實 現(xiàn)不同類型的二極管。也就是說，二極管電路10中的至少一個二極管可以實現(xiàn)為肖特基二 極管，而二極管中的至少另一個實現(xiàn)為雙極二極管。在該實施例中，可以連接肖特基二極管 以使得其總是被激活(不包括去激活部件)。例如，圖2的二極管11可以實現(xiàn)為肖特基二極 管。
[0059] 根據(jù)進一步的實施例，將二極管電路10的二極管lli-ll中的至少一個優(yōu)化為使 得低反向恢復(fù)電荷存儲在前向偏置模式下的二極管中。例如，可以通過實現(xiàn)具有低發(fā)射極 效率的二極管的發(fā)射極區(qū)域(諸如圖7的發(fā)射極區(qū)域111U12)中的一個來獲得具有低反向 恢復(fù)電荷的二極管。在該實施例中，可以連接具有低效率發(fā)射極的二極管，以使得其總是被 激活(不包括去激活部件)。例如，圖2的二極管1^可以實現(xiàn)為低效率發(fā)射極二極管。
[0060] 雖然已經(jīng)公開了本發(fā)明各個示例性實施例，但對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的 是，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以作出各種改變和修改，這將實現(xiàn)本發(fā)明的 一些優(yōu)點。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言很明顯，可以合適地代替執(zhí)行相同功能的其它組件。應(yīng) 提到的是，參照具體附圖所解釋的特征可以與其它附圖的特征組合，即使在尚未明確提到 這一點的那些情況下。這樣的對于創(chuàng)新構(gòu)思的修改意圖由隨附權(quán)利要求所覆蓋。
[0061] 空間有關(guān)的術(shù)語(諸如"在……之下"、"以下"、"低于"、"在……上"和"之上"等） 用于便于用以解釋一個元件相對于第二元件的定位的描述。除了與圖中所描繪的不同定向 之外，這些術(shù)語意圖還包括器件的不同定向。進一步地，諸如"第一"和"第二"等的術(shù)語也 用于描述各個元件、區(qū)域、區(qū)段等，并且也并非意圖進行限制。貫穿于描述，同樣的術(shù)語提及 同樣的元件。
[0062] 如在此使用的那樣，術(shù)語"具有"、"包含"、"包括"和"含有"等是指示所聲明的要 素或特征的存在性的開放式術(shù)語，而非排除附加要素或特征。數(shù)量詞"一個"、"某個"以及 代詞"這個"意圖包括復(fù)數(shù)以及單數(shù)，除非上下文另外清楚指明。
[0063] 應(yīng)理解，除非另外具體地聲明，否則在此所描述的各個實施例的特征可以彼此組 合。
[0064] 雖然已經(jīng)在此圖解并且描述了具體實施例，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)領(lǐng)會，在不 脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以由多種替換和/或等同的實現(xiàn)來代替所示出并且描述的 具體實施例。本申請意圖覆蓋在此所討論的具體實施例的任何改動和變形。因此，意圖僅 由權(quán)利要求及其等同物來限制本發(fā)明。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于操作電路的方法，所述電路包括第一端子和第二端子以及在所述第一端子 與所述第二端子之間并聯(lián)耦接的多個二極管，所述方法包括：在一個驅(qū)動周期中， 在所述第一端子與所述第二端子之間在導(dǎo)通時間施加第一電壓，所述第一電壓被配置 為對二極管進行前向偏置； 在所述導(dǎo)通時間之后，在所述第一端子與所述第二端子之間在斷開時間施加第二電 壓，所述第二電壓被配置為對二極管進行反向偏置；以及 在所述導(dǎo)通時間的結(jié)束之前的時刻，將第一組的二極管切換到去激活狀態(tài)，所述第一 組的二極管包括所述電路中所包括的一個或更多個的但是少于所有二極管的二極管。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述導(dǎo)通時間的結(jié)束之前的時刻，將所述第一組 的二極管從激活狀態(tài)切換到去激活狀態(tài)。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述導(dǎo)通時間期間，所述第一組的二極管處于去 激活狀態(tài)。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一組的二極管的選擇取決于所述電路的負 載條件。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述負載條件取決于通過所述電路的電流。
6. 如權(quán)利要求4所述的方法， 其中，在多個后續(xù)的驅(qū)動周期中操作所述電路， 其中，在一個驅(qū)動周期中檢測負載條件，以及 其中，檢測到的負載條件被用于在下一驅(qū)動周期中選擇所述第一組的二極管。
7. 如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述第一組的二極管具有總體芯片大小，并且其中 選擇所述第一組的二極管以使得總體芯片大小隨著通過所述電路的電流減小而增加。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括： 在所述導(dǎo)通時間期間去激活進一步的一組二極管，所述進一步的一組二極管包括所述 電路中所包括的一個或更多個的但是少于所有二極管的二極管。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述進一步的一組二極管的選擇取決于所述電路 的負載條件。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述負載條件取決于通過所述電路的電流。
11. 如權(quán)利要求8所述的方法， 其中，在多個后續(xù)的驅(qū)動周期中操作所述電路， 其中，在一個驅(qū)動周期中檢測負載條件，以及 其中，檢測到的負載條件被用于在下一驅(qū)動周期中選擇所述進一步的一組二極管。
12. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述進一步的一組二極管具有總體芯片大小，并 且其中選擇所述進一步的一組二極管以使得所述進一步的一組的總體芯片大小隨著通過 所述電路的電流減小而增加。
13. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述二極管選自包括以下項的組： 雙極二極管； 肖特基二極管；以及 低效率發(fā)射極二極管。
14. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一組的二極管從激活狀態(tài)切換到去激活狀 態(tài)的時刻是在所述導(dǎo)通時間的結(jié)束前所述二極管的載流子壽命的一倍至五倍之間。
15. -種電路，包括： 二極管電路，包括第一端子、第二端子以及在所述第一端子與所述第二端子之間并聯(lián) 耦接的多個二極管，所述二極管電路被配置為在導(dǎo)通時間中被前向偏置，而在斷開時間中 被反向偏置； 去激活電路，被配置為在所述導(dǎo)通時間的結(jié)束之前的時刻將第一組的二極管從激活狀 態(tài)切換到去激活狀態(tài)，所述第一組的二極管包括所述二極管電路中所包括的一個或更多個 的但是少于所有二極管的二極管。
16. 如權(quán)利要求15所述的電路，其中，所述去激活電路被配置為：取決于所述電路的負 載條件來選擇所述第一組的二極管。
17. 如權(quán)利要求16所述的電路，其中，所述負載條件取決于通過所述電路的電流。
18. 如權(quán)利要求16所述的電路， 其中，所述二極管電路被配置為在多個后續(xù)的驅(qū)動周期中進行操作， 其中，所述去激活電路被配置為在一個驅(qū)動周期中檢測負載條件并且使用檢測到的負 載條件在下一驅(qū)動周期中選擇所述第一組的二極管。
19. 如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述第一組的二極管具有總體芯片大小，并且其 中所述去激活電路被配置為：選擇所述第一組的二極管以使得總體芯片大小隨著通過所述 電路的電流減小而增加。
20. 如權(quán)利要求15所述的電路，其中，所述去激活電路進一步被配置為：在所述導(dǎo)通時 間期間去激活進一步的一組二極管，所述進一步的一組二極管包括所述二極管電路中所包 括的一個或更多個的但是少于所有二極管的二極管。
21. 如權(quán)利要求20所述的電路，其中，所述去激活電路被配置為：取決于所述電路的負 載條件來選擇所述進一步的一組二極管。
22. 如權(quán)利要求15所述的電路，其中，所述去激活電路包括： 與所述多個二極管中的至少一個串聯(lián)連接的至少一個開關(guān)；以及 驅(qū)動電路，被配置為開啟以及關(guān)斷所述至少一個開關(guān)。
23. 如權(quán)利要求22所述的電路，其中，所述至少一個開關(guān)包括MOS晶體管。
24. 如權(quán)利要求23所述的電路，其中，所述MOS晶體管包括與串聯(lián)連接于所述至少一個 開關(guān)的所述至少一個二極管背對背連接的內(nèi)部二極管。
25. 如權(quán)利要求23所述的電路，其中，至少一個MOS晶體管包括保護部件，所述保護部 件被配置為當所述MOS晶體管兩端的電壓超過預(yù)定電壓閾值時，激活所述MOS晶體管。
26. 如權(quán)利要求25所述的電路，其中，所述保護部件包括在所述MOS晶體管的漏極端子 與柵極端子之間耦接的齊納二極管。
27. -種操作電路的方法，所述電路包括第一端子、第二端子以及在所述第一端子與所 述第二端子之間并聯(lián)耦接的多個二極管，所述方法包括：在一個驅(qū)動周期中， 在所述第一端子與所述第二端子之間在導(dǎo)通時間施加第一電壓，所述第一電壓被配置 為對二極管進行前向偏置； 在所述導(dǎo)通時間之后，在所述第一端子與所述第二端子之間在斷開時間施加第二電 壓，所述第二電壓被配置為對二極管進行反向偏置；以及 在所述導(dǎo)通時間期間保持第一組的二極管處于去激活狀態(tài)，所述第一組的二極管包括 所述電路中所包括的一個或更多個的但是少于所有二極管的二極管。
【文檔編號】H03K19/00GK104158533SQ201410201806
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年5月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月14日
【發(fā)明者】F.希爾勒, A.毛德, F.D.普菲爾施 申請人:英飛凌科技奧地利有限公司