一種功率晶體管過(guò)熱保護(hù)電路的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種功率晶體管過(guò)熱保護(hù)電路，包含感測(cè)發(fā)射極。一個(gè)差分放大器從晶體管的基極和感測(cè)發(fā)射極驅(qū)動(dòng)，并且有一個(gè)耦合到功率晶體管的輸出端。當(dāng)感測(cè)發(fā)射極的電勢(shì)超過(guò)基極的電勢(shì)，放大器的輸出將會(huì)拉低基極電壓，來(lái)限制功率晶體管的電流。對(duì)于一個(gè)硅晶體管，電路能限制感測(cè)發(fā)射極最高工作在約250℃。當(dāng)沒(méi)有熱點(diǎn)，并且感測(cè)發(fā)射極一致受熱，晶體管的熱度將會(huì)被限制在約200℃。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種功率晶體管過(guò)熱保護(hù)電路【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]適用于使用多個(gè)單獨(dú)的小型發(fā)射極有效地并行連接，通過(guò)獨(dú)立的壓載電阻來(lái)創(chuàng)建一個(gè)功率晶體管，也使用一個(gè)分立的與功率器件發(fā)射極相關(guān)的感測(cè)發(fā)射極來(lái)反應(yīng)在功率晶體管上的熱點(diǎn)。
【背景技術(shù)】
[0002]通過(guò)比較感測(cè)發(fā)射極和位于遠(yuǎn)距離的發(fā)射極之間的電位，進(jìn)行熱梯度檢測(cè)，方法包括當(dāng)梯度超過(guò)某個(gè)預(yù)定的閾值，關(guān)閉功率晶體管。通過(guò)連接一個(gè)差分放大器，它在感測(cè)發(fā)射極和遠(yuǎn)距離發(fā)射極之間有一個(gè)固定的偏移電勢(shì)。差動(dòng)放大器的輸出耦合到功率晶體管的基極。因此，當(dāng)電位差超過(guò)偏移，功率晶體管基極會(huì)被拉低，并且把它關(guān)掉。然而，這種方法需要一個(gè)不被功率發(fā)射極加熱，或者至少是加熱程度較輕的遠(yuǎn)程發(fā)射極，來(lái)產(chǎn)生一個(gè)梯度響應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種電路能夠響應(yīng)功率晶體管結(jié)構(gòu)中的感測(cè)發(fā)射極上的電勢(shì)，并且當(dāng)功率晶體管的發(fā)射極-基極電位表示溫度過(guò)高時(shí)，降低功率晶體管的導(dǎo)通電流。
[0004]本發(fā)明的進(jìn)一個(gè)目的是使用一個(gè)差分放大器，它有耦合在基極和功率晶體管的感測(cè)發(fā)射極之間的輸入端，還有個(gè)耦合在基極線路上的輸出端，這樣當(dāng)感測(cè)發(fā)射極-基極的電勢(shì)超過(guò)溫度時(shí)，功率晶體管的導(dǎo)通電流能夠減小。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
結(jié)型晶體管的發(fā)射極-基極電壓是結(jié)點(diǎn)溫度的精確指示。這些晶體管常用在電源IC中作為傳感器提供熱過(guò)載保護(hù)。然而，單一的傳感器，這就通常位于其附近的一個(gè)比較大的功率晶體管，它不直接響應(yīng)功率晶體管內(nèi)部的溫度峰值。這里描述的方法采用了分布式傳感器彎曲排布在整個(gè)功率陣列，這不響應(yīng)溫度峰值。
[0006]實(shí)際中用電流偏置一個(gè)分布式感測(cè)發(fā)射極，導(dǎo)致在發(fā)射極-基極電勢(shì)為零時(shí)，能均勻地加熱到200 °C。更高的溫度會(huì)引起發(fā)射極-基極電位的逆轉(zhuǎn)，但可以防止加熱溫度超過(guò)200 °C，當(dāng)感測(cè)電勢(shì)逆轉(zhuǎn)時(shí)通過(guò)控制電路，減少功率晶體管中的耗散，因?yàn)樗鼘⒃诟叩臏囟认履孓D(zhuǎn)。如果只有一半的感測(cè)發(fā)射極是在峰值溫度下，將有一個(gè)額外的20 °C上升到第220 °C下的零檢測(cè)電勢(shì)。當(dāng)十分之一的傳感器處在溫度峰值，約在250°C附近，感測(cè)電位是零。因此峰值溫度保持在一個(gè)合理的值，即使當(dāng)能量陣列中出現(xiàn)嚴(yán)重的熱點(diǎn)。這與傳統(tǒng)方法對(duì)比，破壞性的溫度可以在最差狀況下出現(xiàn)。
[0007]—個(gè)分布式傳感器它可以在一個(gè)幾十微秒而不是位于陣列外的傳感器的需要的幾個(gè)毫秒的延遲下響應(yīng)一個(gè)過(guò)溫情況。因此，沒(méi)有必要限制功耗電。電力限制必須基于預(yù)期最差狀況還有元件公差因素。消除這種功率限制不僅增加了峰值功率，但也增加連續(xù)額定功率，可以保證。在同一時(shí)間，提供更好地控制溫度峰值?？傊拗剖怯蓪?shí)際設(shè)備的溫度決定的，而不是一個(gè)據(jù)假定工作條件的安全工作區(qū)域而限制的。
[0008]本發(fā)明的電路中，差分晶體管對(duì)的基極相互耦合，以保護(hù)功率晶體管的感測(cè)發(fā)射極。一個(gè)相對(duì)較小的電流從感測(cè)發(fā)射極拉出，來(lái)建立一個(gè)是它最熱部分函數(shù)的感測(cè)發(fā)射極電勢(shì)。差分對(duì)工作成為一個(gè)電流鏡負(fù)載，來(lái)提供一個(gè)單端驅(qū)動(dòng)，提供高增益放大器級(jí)，它包含在傳統(tǒng)運(yùn)算放大器方式的一個(gè)頻率補(bǔ)償電容。高的增益放大器反過(guò)來(lái)驅(qū)動(dòng)耦合在功率晶體管發(fā)射極和基本驅(qū)動(dòng)輸入之間的控制級(jí)。只要差分對(duì)被感測(cè)發(fā)射極運(yùn)行的臨界溫度以下的裝置偏置，高增益放大器將低于其導(dǎo)通閾值，其輸出將是高電平，以關(guān)閉控制級(jí)。在這種情況下，功率晶體管將正常運(yùn)行。當(dāng)感測(cè)發(fā)射極的溫度超過(guò)臨界溫度時(shí)，差分對(duì)將驅(qū)動(dòng)器的高增益放大器級(jí)，進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，打開(kāi)控制級(jí)。這將減少功率晶體管偏置，所以沒(méi)有進(jìn)一步的溫度上升將是可能的。由于整個(gè)放大器和控制電路在其操作是線性的，并具有相當(dāng)?shù)脑鲆?，臨界溫度閾值可以有效運(yùn)行，以防止功率晶體管最熱的熱點(diǎn)過(guò)熱。因此，限制是由實(shí)際設(shè)備的溫度決定的，而不是一個(gè)據(jù)假定工作條件的安全工作區(qū)域而限制的。
[0009]對(duì)比專(zhuān)利文獻(xiàn):CN202798441U逆變器的溫度保護(hù)電路201220402544.7。
[0010]【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】:
圖1是本發(fā)明的電路的簡(jiǎn)化示意圖。
[0011]圖2是本發(fā)明的電路的示意圖。
[0012]【具體實(shí)施方式】:
功率晶體管的簡(jiǎn)化示意，還有其感測(cè)發(fā)射極和熱控制電路如圖1所示。感測(cè)發(fā)射極10與功率晶體管12共用一個(gè)基極11。一個(gè)電流源偏置感測(cè)發(fā)射極在一個(gè)電流J1，使得在需要的極限溫度處發(fā)射極-基極電勢(shì)為零。運(yùn)算放大器14作為控制器。當(dāng)感測(cè)發(fā)射極10的電勢(shì)低于基極11的電勢(shì)，運(yùn)放的輸出為高電平，并且通過(guò)一個(gè)二極管15防止耦合到基極電路。如果感測(cè)發(fā)射極電勢(shì)上升到基極電勢(shì)，運(yùn)放的輸出電勢(shì)將會(huì)降低，通過(guò)這個(gè)二極管吸收基極的驅(qū)動(dòng)。在極限溫度處讓感測(cè)電勢(shì)為零是很方便的事。一個(gè)非零值會(huì)需要在運(yùn)放的輸入電路處產(chǎn)生一個(gè)參考電壓。如果保護(hù)功率晶體管是唯一的考慮因素，控制放大器的設(shè)計(jì)將會(huì)相對(duì)簡(jiǎn)單。但是，在許多應(yīng)用中，功率晶體管的熱限制進(jìn)入平穩(wěn)無(wú)振蕩，可能會(huì)導(dǎo)致電氣干擾或其它不希望的影響。在陣列外的傳感器下，這一目標(biāo)尚待實(shí)現(xiàn)。由于在實(shí)際的IC的環(huán)路補(bǔ)償中傳感器的熱延遲超出時(shí)間常數(shù)。使用積分傳感器，穩(wěn)定循環(huán)是可能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)榭梢源蟠鬁p少延遲。然而，達(dá)到所需的時(shí)間常數(shù)的小電容需要一個(gè)微安左右的內(nèi)部偏置電流。微安級(jí)電路，必須正常工作溫度大約是175 °C，需要新的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明的一個(gè)特征是使用倒置的NPN晶體管，如下面將描述的那樣控制低電流節(jié)點(diǎn)。當(dāng)晶體管的發(fā)射極作為集電極，導(dǎo)致了電流增益較低，但可以使用電路技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)這一點(diǎn)。最重要的是，倒置的晶體管不具有正常的節(jié)點(diǎn)的寄生漏電流。在175°C下，這種寄生泄漏本身可以是在微安范圍。
[0013]雖然圖1中的電路正向偏置感測(cè)發(fā)射極并且檢測(cè)其相對(duì)于晶體管基極的電勢(shì)，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，感測(cè)發(fā)射極可能是反向偏置，并感測(cè)它的漏出量。這是可行的，因?yàn)镻N結(jié)的反向漏電流與溫度是相關(guān)的。這種工作模式下，雖然有可能，但是沒(méi)有這里所描述的優(yōu)選版本好。
[0014]圖2原理圖中所示的輸出晶體管和它的關(guān)斷電路，可被視為一個(gè)復(fù)合晶體管結(jié)構(gòu)。功率輸出晶體管12的集電極提供到端子16。其主要的發(fā)射極17實(shí)際上是由多個(gè)單發(fā)射極組成的，每一個(gè)都包括一系列的鎮(zhèn)流電阻。電阻器18是并聯(lián)發(fā)射極電阻的有效值。因此，端子19表示輸出晶體管的發(fā)射極。端子20代表復(fù)合三極管的基極。
[0015]晶體管21是連接成達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器，在端子20處，其基極構(gòu)成復(fù)合晶體管的基極。電阻22返回驅(qū)動(dòng)器晶體管21的發(fā)射極到端子19。
[0016]晶體管23和24形成一個(gè)差分對(duì)，它有被電流源35設(shè)置的尾電流12。晶體管23的基極耦合到輸出晶體管12的基極11，晶體管24的基極耦合到感測(cè)發(fā)射極10。因此，差分對(duì)會(huì)響應(yīng)基極11和晶體管12的感測(cè)發(fā)射極之間的差分電壓。
[0017]晶體管26和27耦合在一起形成一個(gè)電流鏡配置。將會(huì)注意到，這兩個(gè)晶體管運(yùn)行在他們的反狀態(tài)，這將在下面更詳細(xì)地討論。這意味著，所示的集電極將作為發(fā)射極，發(fā)射極將作為集電極。晶體管28返回晶體管27集電極(倒置的發(fā)射極)到它的基極，以迫使它作為一個(gè)二極管。晶體管28隔離電流鏡的基極電流，防止到晶體管27的集電極。電流源29和30，提供相對(duì)較小的匹配的電流J3和J4到電流鏡，來(lái)提供偏置電流。J3和J4相匹配，并且小于/2。
[0018]電阻器31和32作為耦合元件，這是常見(jiàn)的電流鏡和差動(dòng)連接的晶體管23和24。在正常工作中，當(dāng)感測(cè)發(fā)射極10是低電平，電流源25中幾乎所有的電流J2流入晶體管24。這將上拉晶體管27的發(fā)射極(倒置的集電極)的電位。此操作會(huì)導(dǎo)致晶體管26導(dǎo)通電流，并且顯著大于晶體管27。晶體管26的集電極(倒置的發(fā)射極)，因此是低電平。晶體管26的導(dǎo)通會(huì)使得晶體管33的基極電勢(shì)為低電平，以便使它和晶體管34截止。來(lái)自電流源35的電流J5因此會(huì)將晶體管36的基極電勢(shì)拉高，從而將其關(guān)閉。來(lái)自電流源35的電流/5通過(guò)二極管連接的晶體管37和電阻38。后面這兩個(gè)元件與J5，被選擇來(lái)產(chǎn)生所需的晶體管36的基極電勢(shì)。反晶體管39為晶體管33的發(fā)射極電流返回電流槽。電流槽確保當(dāng)晶體管33關(guān)閉時(shí)，晶體管34緊緊關(guān)閉。對(duì)于上述情況下，功率晶體管12將正常工作，只要通過(guò)鎮(zhèn)流電阻器18上的電勢(shì)小于電阻器38上的電勢(shì)。峰值輸出電流被限制在一個(gè)值，通過(guò)電阻18兩端的壓降，不會(huì)融合芯片金屬或焊線。
[0019]在功率晶體管10產(chǎn)生的一個(gè)熱點(diǎn)，或者其工作溫度普遍上升，在感測(cè)發(fā)射極10上的電勢(shì)會(huì)隨著基極電勢(shì)上升。當(dāng)差是零時(shí)，晶體管20和21將會(huì)一樣導(dǎo)通。因此，晶體管26的發(fā)射極(倒置的集電極)處的電勢(shì)上升，晶體管27的發(fā)射極(倒置的集電極)處的電勢(shì)下降。如果晶體管26和27相匹配，電流源29和30相匹配，電阻器31和32相匹配，晶體管26的集電極(倒置的發(fā)射極)處的電勢(shì)，將不足以使晶體管33和34導(dǎo)通。然而，溫度的進(jìn)一步增加將導(dǎo)致感測(cè)發(fā)射極10的電勢(shì)超過(guò)晶體管12的基極11的電勢(shì)。在這個(gè)區(qū)域，在接近關(guān)斷狀態(tài)下，差分放大器將在其最高的增益狀態(tài)。與此隨著溫度增加，晶體管26中的電流將被降低，晶體管27的電流將增加。晶體管26導(dǎo)通的電流充分減少時(shí)，信號(hào)源29將上拉晶體管33的基極電勢(shì)，并且于此提供電流。這將打開(kāi)晶體管33、晶體管34，這樣電流從電流源35將流過(guò)晶體管34。當(dāng)晶體管34導(dǎo)通的電流接近電流源35，晶體管36的基極被拉低，從而將其打開(kāi)。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，驅(qū)動(dòng)晶體管21的基極被拉低，從而控制晶體管12中的電流。
[0020]電容41連接在晶體管33和34達(dá)林頓對(duì)的輸入和輸出之間，以提供關(guān)斷放大器頻率補(bǔ)償。這有助于電路保持穩(wěn)定。
[0021]41所需的電容值取決于晶體管26和27的跨導(dǎo)，較低的工作電流有較低的跨導(dǎo)，并需要更小的電容。晶體管26和27的工作電流不能減小到如此之低，在有源集電極(倒置的發(fā)射極)的寄生漏電流在溫度接近175°C時(shí)影響偏置電流。反向連接將漏電流放在晶體管23和24的集電極，它們工作在高電流下，這樣微安級(jí)的漏電流可以忽略不計(jì)。完成這件事，晶體管26和27的有源集電極上的寄生漏電流通過(guò)精心的設(shè)計(jì)可以減少到亞微安水平。
[0022]例子:圖2的電路以IC形式構(gòu)成，使用傳統(tǒng)的PN結(jié)隔離的單片硅元件。PNP晶體管是垂直雙擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，NPN晶體管是傳統(tǒng)的橫向結(jié)構(gòu)。使用以下的元件值:
【權(quán)利要求】
1.一種功率晶體管過(guò)熱保護(hù)電路，其特征是:在一個(gè)有基極、發(fā)射極和集電極還有一個(gè)獨(dú)立分布的與多個(gè)獨(dú)立的發(fā)射極溫度密切相關(guān)的感測(cè)發(fā)射極的功率晶體管中，一個(gè)過(guò)熱保護(hù)電路包括:一個(gè)用來(lái)偏置分立的感測(cè)發(fā)射極的電流裝置，其中分立的感測(cè)發(fā)射極會(huì)在一個(gè)取決于它最熱部分的電勢(shì)下工作；一個(gè)用來(lái)在分立的感測(cè)發(fā)射極指示超過(guò)溫度時(shí)，減小在所述功率晶體管的電流的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種功率晶體管過(guò)熱保護(hù)電路，其特征是:其中用來(lái)檢測(cè)的裝置包括一個(gè)差分輸入級(jí)，它的一個(gè)輸入端耦合到感測(cè)發(fā)射極，另一個(gè)輸入端耦合到功率晶體管的基極，還有一個(gè)輸出端，耦合到減小在所述功率晶體管的電流的裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種功率晶體管過(guò)熱保護(hù)電路，其特征是:其中差分輸入級(jí)的輸出耦合到一個(gè)有差分輸入、單端輸出，并且工作在低電流下的電流鏡負(fù)載。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種功率晶體管過(guò)熱保護(hù)電路，其特征是:其中電流鏡負(fù)載由倒置的NPN晶體管組成，他們的在晶體管關(guān)閉溫度附近的漏電流小于他們的工作電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種功率晶體管過(guò)熱保護(hù)電路，其特征是:其中電流鏡負(fù)載的輸出耦合到一個(gè)高增益反相放大級(jí)的輸入端，來(lái)輪流驅(qū)動(dòng)減小在所述功率晶體管的電流的裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種功率晶體管過(guò)熱保護(hù)電路，其特征是:其中電流鏡負(fù)載依靠一個(gè)提供低電流的電流源工作，所述低電流維持在一個(gè)相對(duì)于差分輸入級(jí)的尾電流較小的水平。
【文檔編號(hào)】H02M1/32GK103532364SQ201310509560
【公開(kāi)日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年10月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月25日
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