專利名稱：保護半導(dǎo)體器件的方法及采用這種方法用于半導(dǎo)體器件的保護裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及了一種用于保護用作切換并且配置在負載和電源電路之間的半導(dǎo)體器件的保護裝置及一種設(shè)置保護裝置的電路常數(shù)的方法。
背景技術(shù)：
例如，車輛上裝配的各種負載，如頭燈、尾燈等，它們采用電池提供的DC電壓操作。這樣的話，因為電路的故障、操作失效等原因，過載電流流到每一個負載上。當過載電流流過時，半導(dǎo)體開關(guān)及用于連接電源電路和負載的導(dǎo)線過熱，以至于這可能會導(dǎo)致導(dǎo)線燒毀的麻煩。
為了避免這種麻煩的出現(xiàn)，已經(jīng)實現(xiàn)了一種過載電流保護裝置，它探測流過負載或半導(dǎo)體開關(guān)的電流，當電流變成過載電流時切斷半導(dǎo)體開關(guān)。
但是，現(xiàn)有的電流保護裝置僅僅探測過載電流，而不考慮半導(dǎo)體開關(guān)的溫度。特別的，當半導(dǎo)體開關(guān)的溫度很高且周圍環(huán)境溫度也很高時，即使電流不太大，半導(dǎo)體開關(guān)也會損壞。相反，當半導(dǎo)體開關(guān)溫度很低時，即使電流很大，電路也被切斷，盡管沒必要擔(dān)心損壞。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于半導(dǎo)體器件的保護裝置及設(shè)置能夠保護半導(dǎo)體器件的電路常數(shù)的方法，它不僅考慮了流過半導(dǎo)體器件的電流而且考慮了半導(dǎo)體器件的溫度和周圍環(huán)境的溫度。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種保護半導(dǎo)體器件的方法，包含如下步驟提供DC電源、負載和配置在DC電源和負載之間的半導(dǎo)體器件；提供連接到半導(dǎo)體器件的電路元件；切換半導(dǎo)體器件，以便將負載在驅(qū)動狀態(tài)和停止狀態(tài)之間改變；當半導(dǎo)體器件兩端的電壓降超過預(yù)定參考電壓時，切斷DC電源和負載間的半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通；及設(shè)置電路元件的常數(shù)以便參考電壓不大于臨界電壓，其中，臨界電壓是半導(dǎo)體器件的溝道溫度為容許溫度的上限時的導(dǎo)通電阻和由于焦耳熱引起自加熱而導(dǎo)致溝道溫度達到容許溫度的上限的最小電流值的乘積。
優(yōu)選的，當導(dǎo)通電阻對于半導(dǎo)體器件的規(guī)格存在變化時，采用導(dǎo)通電阻變化中的最小值。
根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種用于半導(dǎo)體器件的保護裝置，包括DC電源；負載；配置在DC電源和負載之間的半導(dǎo)體器件，其將負載在驅(qū)動狀態(tài)和停止狀態(tài)之間切換；連接到半導(dǎo)體器件的電路元件；比較器，將半導(dǎo)體器件兩端的電壓降和預(yù)定參考電壓進行比較；及切斷部分，當電壓降大于預(yù)定參考電壓時，切斷DC電源和負載間的半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通，其中，電路元件的常數(shù)的設(shè)置使得參考電壓不大于臨界電壓；及其中，臨界電壓為半導(dǎo)體器件的溝道溫度為容許溫度的上限時的導(dǎo)通電阻和由于焦耳熱引起自加熱而導(dǎo)致溝道溫度達到容許溫度的上限的最小電流值的乘積。
優(yōu)選的，當導(dǎo)通電阻對于半導(dǎo)體器件的規(guī)格存在變化時，采用導(dǎo)通電阻變化中的最小值。
在上述結(jié)構(gòu)和方法中，因為保護裝置起作用，以致半導(dǎo)體器件在溝道溫度達到容許溫度上限(例如150℃)之前被切斷，半導(dǎo)體器件可得到安全保護。另外，由于用于連接半導(dǎo)體器件的導(dǎo)線比半導(dǎo)體器件更耐熱，因此通過熱保護半導(dǎo)體器件，導(dǎo)線也可得到保護。
另外，本發(fā)明采用的系統(tǒng)不僅探測半導(dǎo)體器件的溝道溫度而且探測半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通電阻。由此，與現(xiàn)有的電流探測系統(tǒng)相比，本發(fā)明可以避免陷于熱擊穿的問題。而且，即便是電流值增加了，只要溝道溫度未達到容許溫度，就可保持半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通狀態(tài)，因而允許半導(dǎo)體器件的性能表現(xiàn)最大化。


圖1是顯示了根據(jù)本發(fā)明的用于半導(dǎo)體器件的保護裝置的主要部分的布局的電路圖。
圖2是顯示了根據(jù)本發(fā)明實施例的用于半導(dǎo)體器件的保護裝置的布局的電路圖。
圖3是關(guān)系特性圖，顯示了當溝道溫度為容許溫度上限時的導(dǎo)通電阻Ron150℃、當工作環(huán)境溫度處于上限TAmax時由于自加熱導(dǎo)致溝道溫度達到容許溫度上限(150℃)的最小電流ID150℃&TAmax、臨界溫度、參考電壓V4和點p4處的電壓V5之間的關(guān)系。
具體實施例方式
現(xiàn)在參考附圖，對本發(fā)明的實施例進行說明。圖1是說明根據(jù)本發(fā)明的用于半導(dǎo)體器件的保護裝置的原理的示圖。首先，參考圖1，將對這個實施例的原理進行說明。
如圖1中所示，這個電路包含DC電源VB，諸如裝配在例如車輛上的燈的負載RL，配置在DC電源和負載RL之間的FET(T1；半導(dǎo)體器件)。在DC電源VB和FET(T1)間、FET(T1)和負載RL間及負載RL和地電平間存在導(dǎo)線電阻和電感。這些電阻和電感分別用Rw和Lw表示，作為代表，它們位于DC電源VB和FET(T1)之間。導(dǎo)線和FET(T1)的連接點p1，即漏極(第一個主電極)經(jīng)晶體管T4、電阻器R1和電阻器R2連接到地。
晶體管T4和電阻器R1的連接點p2經(jīng)電阻器R3、晶體管T2和電阻器R5連接到地。電阻器R3和晶體管T2的連接點經(jīng)電阻器R7連接到放大器AMP1的正極(+)端，而放大器AMP1的負極(-)端經(jīng)電阻器R8連接到FET(T1)的源極。放大器AMP1的輸出端通過電阻器R9連接到晶體管T2的柵極。
此外，F(xiàn)ET(T1)的源極經(jīng)電阻器R4和二極管D1連接到電阻器R1和R2的連接點p3上，而且連接點p3連接到比較器CMP1的負極(-)端。比較器CMP1的正極(+)端連接到晶體管T2和電阻器R5的連接點p4。
通過設(shè)置各種電路常數(shù)以便對于FET(T1)在規(guī)定閾值溫度N℃(典型的N＝150)的導(dǎo)通電阻Ron150℃，下面的方程(1)成立，可以控制FET(T1)的溫度不超過150℃。
α×β×Ron150℃＜RL(1)這里，α表示分割比率(dividing ratio)，而β表示FET(T1)的漏極和源極間的電壓降VDS的倍增因子，如后續(xù)所述。
將對方程(1)進行詳細說明。在這個實施例中，運用FET(T1)的導(dǎo)通電阻Ron隨著FET(T1)溝道溫度的增大而增大的事實。當FET(T1)的溝道溫度達到150℃時預(yù)先獲得導(dǎo)通電阻Ron150℃。設(shè)置各種電路元件的常數(shù)以便在FET達到這個導(dǎo)通電阻前FET(T1)就被切斷。
圖1中所示的電路中，如果電壓降(VDS漏極—源極電壓)超過預(yù)定參考電壓，就判定存在失常(過載電流)，然后FET(T1)被切斷，其中電壓降為FET(T1)導(dǎo)通電阻Ron和漏電流ID的乘積。這樣，將參考電壓設(shè)置為與電源電壓VB成比例的電平。
具體地，漏極—源極電壓VDS與β相乘得到β×VDS，電源電壓VB除以α得到參考電壓VB/α。電壓β×VDS與電壓VB/α進行比較。如果β×VDS大于VB/α(β×VDS＞VB/α)，F(xiàn)ET(T1)被切斷。更具體地，當FET(T1)的漏極—源極電壓超過預(yù)定參考電壓，切斷FET(T1)，以保護這個FET(T1)及其它電路元件。
現(xiàn)在，分割比率α為出現(xiàn)在p3點的電壓V4，表示為V4＝VB/α。
倍增因子β可用R5/R3表示，因此β×VDS表示點p4處產(chǎn)生的電壓V5。即放大器AMP1和晶體管T2控制流過電阻器R3的電流，以便FET(T1)的漏極—源極電壓等于電阻器R3兩端的電壓。流過電阻器R5的電流與流過電阻器R3的電流相同。從而，點p4處的電壓V5為(R5/R3)×VDS。
現(xiàn)在假設(shè)FET(T1)的工作環(huán)境溫度的上限為TAmax，從FET(T1)溝道到周圍環(huán)境溫度的熱阻為Rth(ch-A)，而當工作環(huán)境溫度為上限TAmax時由于自加熱導(dǎo)致溝道溫度達到150℃的漏電流為ID150℃&TAmax，下面方程(2)和(3)成立{ID150℃&TAmax}2×Ron150℃×Rth(ch-A)+TAmax＝150℃(2)ID150℃&TAmax×Ron150℃≥VB/α/β (3)方程(2)定義了提供150℃的FET(T1)溝道溫度的漏電流的最小值。TAmax由規(guī)格決定，通常為80-95℃。
方程(3)說明了ID150℃&TAmax流過時切斷FET(T1)的條件。方程(3)的左邊表示為當溝道溫度達到容許溫度上限(150℃)的導(dǎo)通電阻和由于焦耳熱引起自加熱而導(dǎo)致溝道溫度達到容許溫度的上限的最小電流值的乘積(臨界電壓)。如果參考電壓(VB/α/β)設(shè)置為與該乘積(臨界電壓)相等或小于它，在溝道溫度超過容許溫度的上限(150℃)前FET(T1)就會被切斷。
可以理解，根據(jù)方程(3)，這個FET(T1)可用于所有滿足如下方程(4)的負載。
ID×Ron150℃＜VB/α/β(4)現(xiàn)在假設(shè)負載電阻為RL，方程(4)轉(zhuǎn)化為如下方程(5)。
α×β×D×Ron150℃＜VB/ID＝RL(5)即得到如上所述的方程(1)。
現(xiàn)在，根據(jù)方程(3)可知，當點p4處的電壓V5變成等于或大于點p3處的電壓V4時，F(xiàn)ET(T1)受到控制以至切斷。具體的，根據(jù)方程(3)得到(β×VDS≥VB/α)。左邊的β×VDS為圖1中所示的電壓V5，而右邊的VB/α為電壓V4。從而，當V5≥V4時，F(xiàn)ET(T1)被切斷。換句話說，參考根據(jù)隨后進行描述的圖2中所示的電路，當比較器CMP1的輸出變?yōu)镠電平，F(xiàn)ET(T1)被切斷。
因此，可設(shè)置各個電路元件的常數(shù)(電阻)，以提供使方程(1)成立的α和β。相反，可采用具有使方程(1)成立的溫度特性的FET(T1)。
我們將給出用于實現(xiàn)上述原理的具體電路的說明。假設(shè)在圖1中所示的電路中，VB≈V1≈V2，且V4＝VB/α＝(I1+I2)R2，方程(6)和方程(7)成立。
I1×R4+0.7+(I1+I2)R2＝V1 (6)這里“0.7”表示二極管D1的電壓降。
I2×R1+(I1+I2)R2＝V1 (7)請注意，把晶體管T4的電壓降看作零。
根據(jù)方程(6)和方程(7)，可得到如下方程(8)和方程(9)。
I1×(R4+R2)+I2×R2＝V1-0.7(8)I1×R2+I2(R1+R2)＝V1 (9)此外，根據(jù)方程(8)和方程(9)，可得到如下方程(10)和方程(11)。
I1＝{V1×R1-0.7×(R1+R2)}/(R1R2+R2R4+R4R1)(10)I2＝{V1×R4+R2×0.7}/(R1R2+R2R4+R4R1) (11)根據(jù)方程(10)和方程(11)，可得到如下方程(12)。
V4＝(I1+I2)R2＝R2{V1(R1+R4)-0.7×R1}/(R1R2+R2R4+R4R1) (12)現(xiàn)在，假設(shè)R1＝R2＝10[KΩ]而R4＝2[KΩ]，得到如下方程(13)V4=(6/7)×V1-0.5]]>(13)≅(6/7)×V1]]>如圖1中所示，當負載和連接到負載上各個導(dǎo)線都處于正常狀態(tài)，可得到如下方程(14)。
V5＝β×VDS＝β×ID×Ron＝β×V1/RL×Ron (14)如上所述，當V5＞V4時，比較器CMP1的輸出變成“H”電平并且FET(T1)將被切斷。當V5＜V4時，F(xiàn)ET(T1)不會被切斷。
當上述方程(1)成立時，Ron＜Ron150℃。從而，如下方程(15)成立。
V5＝β×ID×Ron＜β×ID×Ron150℃(15)＜β×VB/α/β＝VB/α＝V4即，如果選定FET(T1)以滿足方程(1)、(3)和(4)，只要導(dǎo)線和負載正常，F(xiàn)ET(T1)的溫度不超過150℃，F(xiàn)ET(T1)就不會被切斷。
此外，如果電路處于過載電流狀態(tài)，則V5＝V4。這時，假設(shè)漏電流為IDs而源極—地電阻器為Rs，可得到如下方程(16)。
V5＝β×IDs×Ron＝β×V2/Rs×Ron＝V4＝V2/α(16)從而，可得到關(guān)系Rs＝αβRon和IDs＝V2/Rs。即，電阻Rs與電阻Ron成比例。此外，在Ron150℃，Rs最大而IDs最小。
現(xiàn)在，因為根據(jù)方程(13)α＝7/6，而β＝R5/R3＝41(假設(shè)R5＝8.2[KΩ]且R3＝200[Ω])，可得到如下方程(17)。
Rs＝αβRon＝47.8×Ron (17)從而，可選擇FET(T1)以便由過載電流狀態(tài)的最大電阻(正常狀態(tài)的最小電阻)除以47.8所得到的值為Ron150℃。
假設(shè)當漏電流流過FET(T1)時提供150℃的溝道溫度的電流值為ID150，ID150≥ID150℃&TAmax。從而，根據(jù)方程(3)可知，ID150不可能出現(xiàn)在正常電流范圍內(nèi)，因此，它是在過載電流范圍內(nèi)的一個值。ID150不是常數(shù)而會根據(jù)周圍環(huán)境溫度改變。電流值ID150隨著周圍環(huán)境溫度的升高而減小，且在周圍環(huán)境溫度的上限變成最小，即ID150℃&TAmax
這時，因為β×ID150×Ron150℃＞V4，ID陷于過載電流狀態(tài)。當它超過由周圍環(huán)境溫度決定的ID150時，F(xiàn)ET(T1)被切斷。隨著周圍環(huán)境溫度的下降，切斷電流值ID150和正常電流值間的差值增加。如果ID150＞ID，甚至當ID處在過載電流狀態(tài)時，溝道溫度低于150℃。
即，因為電流值ID150根據(jù)周圍環(huán)境溫度改變，F(xiàn)ET(T1)可在溝道溫度達到150℃前被切斷。
圖3示出了如下參數(shù)之間的關(guān)系當溝道溫度為容許溫度的上限(現(xiàn)在為150℃)時的導(dǎo)通電阻Ron150℃、當工作環(huán)境溫度為上限TAmax時由于自加熱而導(dǎo)致溝道溫度達到容許溫度的上限(150℃)的最小電流值ID150℃&Tamax、臨界電壓、參考電壓V4和連接點p4處產(chǎn)生的電壓V5。
圖3中，橫坐標軸表示流過FET(T1)的漏電流ID，縱坐標軸表示V5和溝道溫度。隨著ID的增大，V5以導(dǎo)通電阻Ron定義的傾斜度增大。隨著溝道溫度的升高，Ron增大，因此V5電壓相對于ID直線的傾斜度增大。
Ron與絕對溫度T的3/2次冪成比例，且在150℃時Ron值是室溫的1.7倍。由于焦耳熱引起自加熱，溝道溫度從工作環(huán)境溫度TAmax開始上升，溝道溫度達到150℃時最小漏電流為ID150℃&TAmax。根據(jù)這個電流值，由Ron150℃的傾斜度表示的V5直線上的點的電壓為β×臨界電壓。
如果參考電壓V4設(shè)置成略低于漏電流ID150℃&TAmax處的β×臨界電壓，F(xiàn)ET(T1)將在溝道溫度達到150℃之前被切斷。假設(shè)電壓V5等于電壓V4成立時的最小電流值為IDs，在這個IDs，溝道溫度不能因自加熱而達到150℃，因此V5等于V4成立時的溝道溫度為150℃-δ，它略低于150℃。
在低于IDs的漏電流處，得不到V4。在電流的這個范圍，F(xiàn)ET(T1)不被切斷。如果設(shè)置負載和FET(T1)的關(guān)系以便流過負載RL的正常電流(不包括沖流)不大于IDs，只要負載正常，F(xiàn)ET不會被切斷。如果超過正常范圍的過載電流流過，只要它不大于IDs，F(xiàn)ET(T1)不會被切斷。
但是，這時，溝道溫度沒有達到150℃，因此FET(T1)不會被損壞。在不小于IDs的過載電流流過時，當Ron×ID超過V4時，F(xiàn)ET(T1)將被切斷。這樣，溝道溫度不會超過150℃-δ。隨著差值(ID-IDs)的增大，在較低的溝道溫度，F(xiàn)ET(T1)將被切斷。
FET(T1)的溝道溫度在IDs的漏電流處最大。此時的溝道溫度為150℃-δ。即，不僅正常范圍的漏電流而且不正常狀態(tài)的任何過載電流流過時，溝道溫度不會超過150℃-δ。由此，F(xiàn)ET(T1)不會被損壞，而是得到安全的保護。這里，參考值V4設(shè)成與β×臨界電壓相等的值，在ID150℃&TAmax，溝道溫度達到150℃，但不會進一步上升。考慮到導(dǎo)通電阻的變化，將參考電壓V4設(shè)成不高于β×臨界電壓的值，這是理想的。
圖2是顯示了用于包含圖1中所示的電路的半導(dǎo)體器件的保護裝置的布局的電路圖。用于半導(dǎo)體器件的保護裝置100包含用于切換FET(T1)的導(dǎo)通/斷開的開關(guān)SW1，驅(qū)動電路1，定時器2和脈沖計數(shù)器3。保護電路100另外包含OR電路OR1-OR3，AND電路AND1-AND3及鎖存器DF1-DF3。
開關(guān)SW1連接到OR電路OR2的一個輸入端，而OR電路OR2的另一個輸入端連接到鎖存器DF1的輸出端。
OR電路OR2的輸出端連接到OR電路OR3的一個輸入端，而OR電路OR3的另一個輸入端連接到比較器CMP1的輸出端。OR電路OR3的輸出端連接到驅(qū)動電路1，也連接到定時器2上。驅(qū)動電路1的輸出經(jīng)電阻器R10連接到FET(T1)的柵極。比較器CMP1的輸出端連接到脈沖計數(shù)器3上。
三個電阻器R61、R60和R6與電阻器R5并聯(lián)配置。電阻器R61經(jīng)晶體管T32連接到地。同樣，電阻器R60經(jīng)晶體管T31連接到地而電阻器R6經(jīng)晶體管3連接到地。
晶體管T3的柵極連接到定時器2的輸出端。晶體管T31的柵極連接到AND電路AND3的輸出端。晶體管T32的柵極連接到AND電路AND2的輸出端。
在放大器AMP1的輸入側(cè)，配置了二極管D2、D3和D4及電阻器R30。
我們將給出如圖2中所示的用于半導(dǎo)體器件的保護裝置100的操作說明。當開關(guān)SW1為斷開時，鎖存器DF1復(fù)位，因此連接到OR電路OR2上的鎖存器DF1的輸出端變成“L”電平。當開關(guān)SW1由操作者接通時，連接到OR電路OR2的輸入端的導(dǎo)線的電勢變成L電平，因此OR電路OR2的輸出從H電平變成L電平。如果FET(T1)斷開，比較器CMP1的輸出為L電平，因此OR電路OR3的輸出變成L電平。在L電平的信號加載到驅(qū)動電路1。
因此，驅(qū)動電路1給FET(T1)的柵極提供了驅(qū)動信號。然后，F(xiàn)ET(T1)接通，因此電流從電源VB流到負載RL，從而驅(qū)動負載RL。當負載RL為一盞燈時，燈發(fā)亮。
OR電路OR3的輸出信號提供給定時器2，因此定時器2被啟動。定時器2包含持續(xù)20ms H電平的輸出(+Q)和另一個持續(xù)200ms H電平的輸出。20ms輸出(+Q)接通晶體管T3、T31和T32，以致電阻器R6、R60和R61被并聯(lián)連接到電阻器R5上。
因此，倍增因子β為β＝(R5|R6|R60|R61)/R3，變成小于標準值R5/R3。從而，與流過FET(T1)的漏電流ID有關(guān)的電壓V5由于β的減小而降低，以致電壓V5很難超過電壓V4。這是用于克服當開關(guān)SW1接通時瞬態(tài)流過的沖流的一種措施。
當經(jīng)過20ms時，20ms定時器輸出(+Q)變成L電平，因此晶體管T3、T31和T32斷開。因此，β的值變?yōu)闃藴手礡5/R3。同時，鎖存器DF2被觸發(fā)，因此DF2的輸出(-Q)從H電平變成L電平。
這時，如果V5＜V4，CMP1的輸出保持L電平，因此晶體管T3、T31和T32保持斷開。如果V5＞V4，CMP1輸出變成H電平。因此，又啟動定時器，以致20ms定時器輸出(+Q)變成H電平。這時，晶體管T3和T31接通，但晶體管T32保持斷開，因為鎖存器DF2的輸出(-Q)為L電平，以致AND2的輸出為L電平。
β的值變成(R5|R6|R60)/R3，它大于初始值但小于標準值。當20ms定時器的第二次輸出周期結(jié)束時，鎖存器DF3被觸發(fā)。從而，如果20ms定時器產(chǎn)生第三次輸出以及下列等，那么只有T3接通而T31和T32保持斷開。20ms定時器的輸出次數(shù)由計數(shù)器3累加起來。如果超過八(8)次，就判定電路處在不正常狀態(tài)。在這個判決下，鎖存器DF1被觸發(fā)，以致即使SW1接通，F(xiàn)ET(T1)也被切斷。
因此，當SW1接通時即使產(chǎn)生沖流，只要它為成指數(shù)衰減達到穩(wěn)定值的正常沖流，就可避免電路因沖流流過而被中斷的麻煩。
SW1接通不久后，電流值穩(wěn)定之處，如果微小過載電流(如層間短路)流過，F(xiàn)ET(T1)的兩個主要電極間的電壓VDS(漏極—源極電壓)增大。
因為放大器AMP1控制晶體管T2，以致電阻器R3兩端的電壓等于FET(T1)的漏極—源極電壓VDS，流過電阻器R3的電流增大。
從而，連接點p4的電壓V5(＝β×VDS)增大，因此提供給比較器CMP1的正輸入端的電壓增大(這時，晶體管T32、T31和T3都斷開)。
當電壓V5超過參考電壓V4時，比較器CMP1的輸出信號從L電平轉(zhuǎn)為H電平，因而脈沖計數(shù)器3遞增。
同時，定時器2被觸發(fā)，20ms定時器輸出(+Q)變成H電平，以致類似于開始時克服沖流的措施，三個晶體管T32、T31和T3分別只導(dǎo)通20ms。這減小了倍增因子β，因此點p4處的電壓V5降低，且變成低于電壓V4(電壓V5降低但不低于電壓V4的情況將隨后進行描述)。
當經(jīng)過20ms時，晶體管T32、T31和T3變成斷開，因此鎖存器DF2被觸發(fā)而倍增因子β變成標準值。因此，V5＞V4成立，因此定時器2被觸發(fā)且20ms定時器開始第二次操作，因而輸出(+Q)變成H電平。
從而，晶體管T31和T3接通而晶體管T32因為鎖存器DF2的輸出(-Q)為L電平保持斷開。倍增因子β變成(R5|R6|R60)/R3。如果V5在這個β值保持大于V4，比較器CMP1的輸出變成H電平。
因為20ms定時器輸出(+Q)和CMP1輸出都為H電平，而AND電路AND1輸出從L電平變成H電平。從而，鎖存器DF1通過OR電路OR1被觸發(fā)，以致DF1輸出變成H電平，因此FET被切斷。另一方面，如果V5＜V4成立，CMP1輸出保持L電平，因此FET(T1)保持20ms的導(dǎo)通。當20ms定時器的第二次輸出結(jié)束時，鎖存器DF3被觸發(fā)，以致鎖存器DF3的輸出(-Q)從H電平變成L電平。晶體管T31、T3斷開，以致β變成參考值。然后，V5＞V4成立，以致20ms定時器進行第三次啟動。
在第三次，只有晶體管T3接通而晶體管T32和T31保持斷開，以致β＝(R5|R6)/R3。這時，如果V5＞V4，AND1輸出變成H電平，以致鎖存器DF1被觸發(fā)，因此FET(T1)被切斷。如果V5＜V4，F(xiàn)ET(T1)保持20ms的導(dǎo)通。當20ms定時器結(jié)束時，V5＞V4，因此20ms定時器進行第四次啟動。
這種情況下，只有晶體管T3接通。但V5＜V4，因此FET(T1)保持20ms的導(dǎo)通。此后，重復(fù)20ms定時器操作直到第5次、第6次和第7次。計數(shù)器3累加定時器的操作次數(shù)。
當?shù)诎舜味〞r器操作開始時，計數(shù)器3溢出，以致鎖存器DF1被觸發(fā)而FET(T1)被切斷。到目前為止所作的說明應(yīng)用于相繼出現(xiàn)不正常狀態(tài)(過載電流)的情況。但是，情況也可能是，這種不正常狀態(tài)也許間歇出現(xiàn)。此外，由于故障，也會啟動20ms定時器。
為了處理這些情況，如果20ms定時器持續(xù)200ms或更長時間不再啟動，那么計數(shù)器3和鎖存器DF2及DF3復(fù)位。包含在定時器2中的200ms定時器進行這個操作。通過到目前為止所說明的操作，到FET(T1)的切斷所花的時間隨著過載電流的增大而縮短。這個技術(shù)允許FET(T1)和與其連接的電路得到安全保護。
我們將給出以下情況的說明，即由于負載RL短路或連接FET(T1)和負載RL的導(dǎo)線接地而引起嚴重過載電流(完全短路)。這種情況下，導(dǎo)線電感和導(dǎo)線電阻變成不可忽略，以致用于得到方程(6)的VB≈V1≈V2的關(guān)系不成立，且V4＝VB/α也不成立。從而，VB＞V1＞V2。假設(shè)γ＝VB/V2，則下面方程(18)成立。
V4＝V2/α＝VB/α/γ (18)根據(jù)方程(18)，電壓V4是正常狀態(tài)下的1/γ倍。這相當于FET(T1)的切斷電流變成1/γ，因此加快了FET(T1)的切斷。
具體的，在完全短路狀態(tài)，在點p4處的電壓V5增大，但電壓V4減小(變成1/γ)，以致促進了比較器CMP1的翻轉(zhuǎn)，因而抑制了過載電流的峰值。
在完全短路時，即使20ms定時器輸出(+Q)變成H電平，以致晶體管T32、T31和T3接通以減小電壓V5，電壓V5仍然高于電壓V4，因此比較器CMP1的輸出信號保持H電平。因此，AND電路AND1的輸出信號變成H電平，而驅(qū)動電路1被鎖存器DF1中斷。
從而，當發(fā)生完全短路時，不進行脈沖計數(shù)器3的計數(shù)(如8次)，驅(qū)動電路1即刻被中斷，以致FET(T1)被切斷。
這樣，在根據(jù)本發(fā)明的用于半導(dǎo)體器件的保護裝置100中，在過載電流流過負載RL的情況，F(xiàn)ET(T1)的溝道溫度達到規(guī)定溫度(在這個實施例中為150℃)之前，這個FET(T1)就被切斷，因此加載到負載RL上的電壓被阻斷，因而避免FET(T1)被損壞。
特別的，利用FET導(dǎo)通電阻Ron隨著溝道溫度升高而單調(diào)地增大的特性，F(xiàn)ET工作在不大于對應(yīng)容許溝道溫度的上限的導(dǎo)通電阻Ron的值。這個特征通過測量隨著Ron增大而增大的FET(T1)的漏極—源極電壓降且當電壓降達到規(guī)定電平時中斷電路的方式來實現(xiàn)。通過這種控制，F(xiàn)ET(T1)的溝道溫度在任何情況下都不會超過容許溫度的上限，以致半導(dǎo)體器件得到安全保護。
此外，中斷電路的時間取決于過載電流的大小。如果出現(xiàn)的過載電流為正常電流(正常工作的電流)的2到4倍，它很少伴隨溝道溫度的上升，電流設(shè)計成經(jīng)過例如160ms后被中斷；如果過載電流為4到8倍，則在40ms后被中斷；如果過載電流為8到16倍，則在20ms后中斷(這個放大倍率由電阻器R61、R60、R6和R5的大小決定)。如果過載電流為16倍或更大(在完全短路情況)，電流在250μs后被中斷。從而，根據(jù)過載電流的大小來中斷電路。
此外，當出現(xiàn)完全短路時，引入?yún)⒖茧妷旱膲嚎s效應(yīng)(電壓V4變成1/γ)，器件更早就被切斷了，以致器件和導(dǎo)線可得到保護。
接著，我們將給出FET(T1)的導(dǎo)通電阻的變化的說明。具有相同規(guī)格和標準的FET(T1)在個別器件中提供了不同的導(dǎo)通電阻。
請注意，隨著FET(T1)的導(dǎo)通電阻的增大，F(xiàn)ET(T1)的漏極—源極電壓達到參考值的漏電流ID成反比例減小，因此促進了FET(T1)的切斷。
當FET(T1)的導(dǎo)通電阻Ron最小時，切斷電流IDs和溝道生熱ΔTch為最大。如果在150℃溝道溫度時的導(dǎo)通電阻Ron150℃發(fā)生變化，則上述方程(1)的特征可用導(dǎo)通電阻Ron變化的最小值來設(shè)定。
150℃的溝道溫度引起的導(dǎo)通電阻Ron150℃會由于老化損耗或偶然損耗而增大，而不會減小。換句話說，我們無法估計導(dǎo)通電阻的上限，但我們可明確估計導(dǎo)通電阻的下限。從而，切斷電路的溝道生熱ΔTch的最大值有明確上限，因而實現(xiàn)了穩(wěn)定的保護性能。
我們將給出本發(fā)明與電流探測系統(tǒng)中的現(xiàn)有保護裝置之間比較的說明。電流探測系統(tǒng)是這樣一種系統(tǒng)，其中在采用并聯(lián)電阻的情況下，當探測到負載電流超過規(guī)定電流時，中斷電路。
在電流探測系統(tǒng)中，溝道生熱ΔTch與導(dǎo)通電阻Ron成比例地增大。但是，溝道生熱并沒有因電流的改變而改變，因此沒有探測到導(dǎo)通電阻Ron的增大。當導(dǎo)通電阻Ron增大時，溝道生熱進一步增加，它引起熱擊穿。從而，在現(xiàn)有的電流探測系統(tǒng)中，必須單獨引入過量熱中斷功能。
換句話說，在根據(jù)本實施例的過載電流保護裝置中，當導(dǎo)通電阻Ron增大時，中斷電流值減小，因此可抑制由于導(dǎo)通電阻增大引起的溝道自加熱，它不會導(dǎo)致熱擊穿。從而，和電流探測系統(tǒng)不同，可不單獨引入過量熱中斷功能。
此外，因為器件在溝道溫度達到150℃之前就被切斷，于是消除了引起器件損壞的原因。從而，可抑制器件的導(dǎo)通模式失效的出現(xiàn)，因而提高了可靠性。
在低溫環(huán)境，導(dǎo)通電阻Ron很小，因此允許通過大電流(甚至當微小過載電流出現(xiàn)時，電路也可工作而不被切斷)。在現(xiàn)有的過載電流探測系統(tǒng)中，不能探測出導(dǎo)通電阻的減少，因此當探測到電流值增大時，不考慮周圍環(huán)境溫度，電路就被中斷。從而，不容許通過大電流。根據(jù)這一點，本發(fā)明比現(xiàn)有過載電流探測系統(tǒng)更優(yōu)越。
產(chǎn)業(yè)應(yīng)用到此為止，參考附圖所示的實施例，說明用于半導(dǎo)體器件的保護裝置和設(shè)置電路常數(shù)的方法。但是，本發(fā)明不僅僅局限于這些裝置和方法，各個元件都可用具有相同功能的任何可選元件代替。
例如，在本實施例中，F(xiàn)ET(T1)配置在負載RL的正極(+)端和電源的正極(+)端之間，但在本發(fā)明中，不僅限于這種配置，F(xiàn)ET(T1)可提供在負載RL的負極(-)端。
權(quán)利要求
1.一種保護半導(dǎo)體器件的方法，包括以下步驟提供DC電源、負載和配置在DC電源和負載之間的半導(dǎo)體器件；提供連接到半導(dǎo)體器件的電路元件；切換半導(dǎo)體器件，使得負載在驅(qū)動狀態(tài)和停止狀態(tài)之間改變；當半導(dǎo)體器件兩端的電壓降超過預(yù)定參考電壓時，切斷DC電源和負載之間的半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通；及設(shè)置電路元件的常數(shù)，使得參考電壓不大于臨界電壓，其中臨界電壓為半導(dǎo)體器件的溝道溫度為容許溫度的上限時的半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通電阻和由于焦耳熱引起自加熱導(dǎo)致溝道溫度達到容許溫度的上限的最小電流值的乘積。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，當導(dǎo)通電阻對于半導(dǎo)體器件的規(guī)格存在變化時，采用導(dǎo)通電阻的變化之中的最小值。
3.一種用于半導(dǎo)體器件的保護裝置，包括DC電源；負載；半導(dǎo)體器件，配置在DC電源和負載之間，將負載在驅(qū)動狀態(tài)和停止狀態(tài)之間改變；電路元件，連接到半導(dǎo)體器件；比較器，將半導(dǎo)體器件兩端的電壓降和預(yù)定參考電壓進行比較；及切斷部分，當電壓降大于預(yù)定參考電壓時，切斷DC電源和負載間的半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通，其中，電路元件的常數(shù)設(shè)置為使得參考電壓不大于臨界電壓；及其中，臨界電壓為半導(dǎo)體器件溫度為容許溫度的上限時的半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通電阻和由于焦耳熱引起自加熱導(dǎo)致溝道溫度達到容許溫度的上限的最小電流值的乘積。
4.如權(quán)利要求3所述的保護裝置，其中，當導(dǎo)通電阻對于半導(dǎo)體器件的規(guī)格存在變化時，采用導(dǎo)通電阻的變化之中的最小值。
全文摘要
一種用于半導(dǎo)體器件的保護裝置，包括DC電源；負載；配置于DC電源和負載間的半導(dǎo)體器件，將負載在驅(qū)動狀態(tài)和停止狀態(tài)之間切換；比較器，對半導(dǎo)體器件兩端的電壓降和預(yù)定參考電壓進行比較；切斷單元，當電壓降大于預(yù)定參考電壓時，切斷DC電源和負載間的半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通。電路元件的常數(shù)設(shè)置使得參考電壓不大于臨界電壓。這個臨界電壓為半導(dǎo)體器件為容許溫度的上限時的設(shè)置的導(dǎo)通電阻和由于焦耳熱引起自加熱導(dǎo)致溝道溫度達到容許溫度的上限的最小電流值的乘積。
文檔編號H03K17/687GK1669118SQ0381646
公開日2005年9月14日 申請日期2003年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月12日
發(fā)明者大島俊藏 申請人:矢崎總業(yè)株式會社