[发明专利]过温保护晶体管

说明书

技术领域

本发明涉及用于控制晶体管开关操作以确保在晶体管操作的某些特定状态中过温保护的控制电路和对应方法，特别地，涉及确保在热不稳定操作状态中关闭晶体管到控制电路和的对应方法。

背景技术

为了满足维持低电磁干扰（EMI）和提供足够的电磁兼容性（EMC）的需求，用于控制开关晶体管（例如，MOSFET）的所述开关操作的控制电路通常被设计为避免晶体管负载电流（即，在MOSFET情况下的漏电流）以及对应的电压降（即，在MOSFET情况下的漏源电压）突然变化。当接通或切断负载电流时，生成的负载电流梯度应当不可以太陡，以便避免在生成的电流波形中出现高频率信号分量。控制电路的这种行为及其控制方法常常称作“边沿整形”。

然而，缓慢和平稳地开关负载电流会导致更高的开关损耗，其通常是不期望的和因此与现有设计目标冲突。高开关损耗通常导致集成半导体开关的硅衬底中的更高的芯片温度。由于晶体管的电子特性，通常来说，随温度而定的，所以在某些操作条件下，升高芯片温度最终导致更高的电流和对应的更高的损耗，从而导致热不稳定操作状态。电流成丝，即半导体衬底中形成的“热点”，和半导体开关的一般老化甚至损毁可能是这种热不稳定操作状态的结果。

鉴于上述内容，因而需要用于控制半导体开关的开关操作以帮助避免热不稳定操作状态，同时维持正常操作状态中的低电磁干扰（EMI）的控制电路和各方法

发明内容

本发明描述了一种用于控制场效应晶体管开关操作的电路。该场效应晶体管具有栅极电极、第一负载端子、第二负载端子，所述第一负载端子适于连接至第一电源电势、所述第二负载端子适于连接至电负载，用于提供输出电压，并用于向所述负载供应负载电流。根据本发明的第一示例，该电路包括栅极驱动器电路，该栅极驱动器电路适于连接至栅电极并被配置为根据控制信号对栅电极充电和放电，以分别接通和关断该晶体管，其中对栅电极充电和放电以便负载电流和输出电势的对应转变是平缓的具有定义的斜率。该电路进一步包括连接至栅电极的可控制开关，以便当闭合该开关时，经由该开关度栅极快速放电。而且，该电路包括控制逻辑电路，该控制逻辑断路被配置为闭合可控制开关以在下列情况中至少一个为真时关断该晶体管：（1）输出电压变成负；（2）晶体管消耗的总功率比给定功率限制高；（3）负载电流比第一电流阈值高；（4）晶体管以负载电流具有正温度系数和负载电流超过第二电流阈值的状态操作；以及（5）晶体管以负载电流具有正温度系数和晶体管的负载电流路径上的电压降超过电压阈值的状态操作。

附图说明

参考下列附图和描述可以更好地说明本发明。附图中的部件尺寸不一定符合比例，相反，重点在于说明本发明的原理。而且，在附图中，相同的参考标号指定对应的零件。在附图中：

图1示出了包括高端半导体开关以及开关控制电路的电路，其中开关控制电路被配置为根据控制信号驱动半导体开关至接通状态或关断状态；

图2为示出不同芯片温度下MOSFET的栅源电压和各自的漏电流之间的关系；

图3示出了不同时间间隔内MOSFET的漏电流最大允许值和对应的漏源电压；

图4在时序图中示出了开关电阻负载时为了实现低EMI所需的负载两端的输出电势的期望波形；

图5示出了具有改进的开关控制电路的电路；以及

图6在时序图中示出了开关电感负载时负载两端输出电势的期望波形。

具体实施方式

图1示出了开关具有电阻性分量和电抗性分量的电负载Z_L的电路。该电路包括高端半导体开关T₁，在本示例中其为n沟道MOSFET。然而，也可以使用p沟道MOSFET以及对应的IGBT。而且，这里说明的原理可以容易得适用于使用低端半导体开关而非这里说明的示例中所使用的高端开关的电路。