CN86103419A

CN86103419A - 导电率调制型mos场效应管的过电流保护电路

Info

Publication number: CN86103419A
Application number: CN86103419.8A
Authority: CN
Inventors: 冈土千寻; 山口好広; 中川明夫
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-05-15
Filing date: 1986-05-14
Publication date: 1986-11-12
Also published as: EP0206505A1; EP0206505B1; DE3672910D1; CN1004184B; US4719531A; KR860009515A; KR900006046B1

Abstract

双极性场效应管(BIFET)的过电流保护电路具有探测BIFET的漏极和源极之间电压的电压探测电路和一种主开关电路用来降低BIFET的栅极和源极之间电压以及根据电压探测电路的输出来防止BIFET的导通事故或导通延迟。接收到接通栅极信号后，BIFET初始导通期间，在主开关电路变成导通时刻之前有一个延迟时间常数。在本发明中，这样一种情形可以防止，在BIFET初始导通期间过电流保护电路起作用使BIFET不导通或经过一些延迟以后才导通。

Description

本发明涉及对导电率调制型金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）的过电流保护电路。

导电率调制型MOSFET是一种具有MOS栅极输入的金属氧化物半导体场效应晶体管。它以双极性方式工作并具有如开关速度快及低导通（饱和）电压的一些优越性能。这使得它可能对大功率高频进行控制，从而完全有可能制造出各种体积小而成本低的各种装置。目前，使用常规的双极性的（双极型）晶体管或金属氧化物场效应晶体管，还不能实现对大功率高频进行控制。下面，把上面所述的导电率调制型金属氧化物场效应管简称为BIFET（双极型场效应管）

图1表示BIFET的一种基本的斩波电路，其中编号1表示BIFET。在图1中，BIFET1的导通和断开控制着从直流电源2向负载3输送的电能。而BIFET1的导通和断开是受产生栅极信号的电路50控制的，电路50具有栅极电源4，5和双极性晶体管6到9。栅极电源4是向BIFET1的栅极其供给正电压，栅极电源5是向BIFET1的栅极供给负电压，双极性的晶体管6到9则放大在控制信号输入端10接收到的控制信号。当产生栅极信号的电路50的控制信号输入端10接收到的一个正信号时，晶体管6和7就导通，从栅极电源4通过输出端11向BIFET1的栅极提供一个正电压，因此使双极型场效应晶体管1导通。当控制信号输入端10接收到一个负信号时，晶体管8和9导通，从栅极电源5通过输出端11向BIFET1的栅极提供一负电压，因此使BIFET1截止。

图2是阐明BIFET的漏极电压V_D和漏极电流I_D两者之间特性的一例的曲线图。如图所示，当工作于较高的栅极电压V_G时BIFET的导通电压就变得较低，因此能够减少电能的损失。

在图1中，当负载3内发生短路事故时，BIFET1的漏极和源极之间的电压就上升到等于直流电源2的电压。结果在BIFET1内的电能损失就变得非常大，因此可能造成BIFET1的损坏。如果考虑到在负载3内这种事故的发生，BIFET1以较低的栅极电压工作，从图4可见，BIFET1的导通电压就变得较高，因此在导通状态下，BIFET内的电能损失就会变得较大。

为了解决上述提出的问题，就出现了一种如图3所示的过电流保护电路。在图3中，在BIFET1的漏极和源极之间串联了电阻12和13，源极和漏极之间电阻13两端的电压被检测。在BIFET1的源极和栅极之间串联电阻41和晶体管42，而晶体管42的基极通过一齐纳二极管43接到电阻13电压较高的一端。BIFET1的栅极通过电阻44连接到产生栅极信号电路50的输出端11。

在操作中，当负载3内发生短路事故引起过电流流过BIFET1时，BIFET的导通电压就上升。这种导通电压被电阻12和13所分压，而当电阻13两端的电压超过齐纳二极管43的齐纳电压值时，就有电流流入晶体管42的基极。这就使晶体管42导通以致栅极电源4的电压变成由电阻41和44所分压，从而使栅极电压降低。例如，假设栅极电源的电压是15V，电阻41和44都是50Ω，当在正常情况下操作时，BIFET1的栅电压是15V，然而，在负载3内发生短路事故以后，上述栅电压就降低到7.5V，因此流过BIFET1的电流就可以减小。另一方面，当BIFET1在负载3处在正常状态下导通时，在它的最初导通期间有几十个毫微秒的延迟时间。因此，从一个正栅极电压施加到BIFET1的栅极上一瞬间的几十毫微秒期间，直流电源2的电压就施加于BIFET1的漏极和源极之间，在此期间，电流流入晶体管42的基极，以致BIFET1的栅电压变成较低的值。然而随着时间进展，BIFET1的导通电压逐渐下降，最终达到只有几伏。在这瞬间电阻13两端的电压如果变得比齐纳二极管43的齐纳电压低的话，晶体管42变成截止，而BIFET1的栅电压上升到等于栅极电源4的电压，以致BIFET1能够在它的导通电压变成足够的低的情况下工作。

图4是表明由于过电流流过而损坏BIFET时的情况下，BIFET的漏极电流I_D（最大）和漏极-源极电压V_D之间关系的曲线图。在图4中，影线部分是BIFET的损坏区域。由这曲线图可看出，I_D（最大）与V_D成反比例，特别地，当BIFET应用在高压电路时，过电流要减得尽可能的低就变得很重要。为了达到这一点，有必要限制BIFET的栅电压或者低于阈电压Vth（使BIFET到达导通状态的最小栅电压）以便中止电流，或者，要低于大约Vth+3V以便有效地减少实质上流动的电流。

但是，在图3所示通常的过电流保护电路中，如果电阻41和44确定得使当有过电流流入BIFET1时，BIFET1的栅电压变得小於或等於Vth，就会产生如下一些问题：第一，如以上所述，在BIFET开始导通期间，直流电源的电压是加压在BIFET1的源极和漏极之间的，从而晶体管42变成导通状态，而在这瞬间，BIFET1的栅电压必然要降低到小於或等於Vth的水平，结果，BIFET1就不能变成导通或者它的导通时间变成相当的长。第二当负载3内发生事故使保护电路作用的情况下，流过BIFET1的过电流突然下降，以致由于电路的杂散电感成份使施加于BIFET1的电压产生振荡和电阻13两端的电压变得暂时地低于齐纳二极管43的齐纳电压，在此瞬间，晶体管42变成截止而高的栅电压又一次施加于BIFET1上，因此造成过电流的流动，以上所述的情况重复发生在电路内引起振荡现象。

本发明的一个目的是为了BIFET提供一种高度可靠的过电流保护电路。

因此，根据本发明所提供的BIFET的过电流保护电路包括：在BIFET的漏极和源极之间探测电压的一种电压探测电路，降低BIFET的栅极和源极之间电压及根据电压探测电路的输出，防止事故BIFET延迟导通的主开关电路。

图1是表明BIFET的基本电路配置图;

图2是表明BIFET电压-电流特性的曲线图;

图3是表明具有通常的过电流保护电路的BIFET的电路配置图;

图4是表明BIFET处于损坏危险的工作区域的曲线图;

图5是表明根据本发明的一个实施例的BIFET电路配置图;

图6是和图7是表明根据本发明另外实施例的BIFET电路配置图;

图5表示一个实施例的电路配置图。在图5中，与图1所示电路的那些相对应部分用相同的数字编号，所以这些部分的详细叙述就省略掉了。作为在BIFET1的漏极和源极之间探测电压的一种电压探测电路，以与图3所示相同方式在BIFET1的漏极和源极之间串联有电阻12和13。作为当过电流流过时，起降低BIFET栅极和源极之间电压的一种电路，在BIFET1的栅极和源极之间接有半导体闸流管14和MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）15的串联电路。半导体闸流管14的栅极通过起触发二极管作用的齐纳二极管16连接到电阻13的高电压端，这高电压端是电压探测电路的输出端。在产生栅极信号的电路50的输出端11和BIFET1的栅极之间接有电阻18，在产生栅极信号电路50的输出端11和MOSFET15的栅极之间接有电阻19。电阻19和MOS场效应管15的栅极杂散电容的组合构成一种延迟电路。在MOS场效应管15的漏极和源极之间接有齐纳二极管17以便防止过电压。

电阻19和MOS场效应管15的栅极杂散电容构成的延迟电路的时间常数选择得在BIFET1变导通之前MOS场效应管15不会变成导通。例如选择这延迟电路的时间常数使MOS场效应管15直到BIFET的漏极和源极之间电压在接到导通-栅极信号以后下降百分之十时才变成导通。

在上面提到的保护电路中，假设一个正信号施加于产生栅极信号电路的控制信号输入端10，使BIFET1保持导通状态，而与此同时负载3内发生短路事故。在这种情况下，一过电流流过BIFET1因此它的导通电压上升并被电阻12和13所分压而被探测。在此，由产生栅极信号电路50的导通-栅极信号的作用MOS场效应管15是处导通状态。当电阻13两端的电压超过齐纳二极管16的齐纳电压时，栅极电流就流过半导体闸流管14，使该半导体闸流管14导通。当半导体闸流管14变成导通状态时，在BIFET1的栅极和源极之间的电压就变成半导体闸流管14的导通电压和MOS场效应管15的导通电压之和，此和很容易被限制到小於2伏。BIFET1的阈电压Vth是近似5伏，以致当过电流流过BIFET1时，它的栅极和源极之间的电压就能够被限制到小於Vth，因而能完全中断电流。另外，一旦半导体闸流管14变成导通时，只要它的阳极处在正电位，半导体闸流管14就能保持导通状态，以致甚至当BIFET1的过电流突然减少引起电压振荡和半导体闸流管14的栅极电压下降时，BIFET1的栅极和源极之间电压能够被限制到小於Vth，因此，过电流不能再流入BIFET1内。

下面，将叙述BIFET1初始导通期间的工作情况。当一个正信号施加于产生栅极信号电路的控制输入端10时，从输出端11通过电阻18向BIFET1的栅极输送一导通-栅极信号，而在这同时，通过电阻19也向MOS场效应管15的栅极输送导通-栅极信号。在这种情况下，根据电阻19和栅极杂散电容所确定的充电时间常数使MOS场效应管15的栅压升高，而当MOSFET15的栅压达到它的Vth值时，MOSFET15就变成导通。在本实施例中，使MOS场效应管15变成导通所需的时间比BIFET的导通延迟时间长，所以，即使在BIFET1的初始导通期间的导通电压比较高的时候，MOS场效应管15仍然保持截止状态导致半导体闸流管14保持截止状态。因此，有一高电平导通-栅极信号加到BIFET1的栅极。随着时间的推移，MOS场效应管15变成导通，可是在这一瞬间，BIFET1的导通电压已经变得明显的低，所以半导体闸流管14决不可能导通。因此，在本实施例的过电流保护电路中，除掉当过电流流过BIFET1情况下，有一高电平导通栅极信号可接到BIFET1的栅极上，因此能够防止BIFET1的导通事故或导通延迟。在图5中，编号31表示一种光电耦合器，它的发光元件是和半导体闸流管14串联的，而它的接收光的元件接到电阻32上。该光电耦合器31起着探测半导体闸流管14和MOS场效应管15两者都变成导通的一瞬间的作用。电阻32两端的电压通过波形成形电路33和双稳态多谐振荡器电路34输送入“与”逻辑电路36的输入端的一端。把逻辑态“1”或“0”的控制信号输送到“与”逻辑电路36的另一输出端37。编号38是把“与”逻辑电路36的输出转换成具有正极或负极性信号的电平转换电路。电平转换电路38的输出端连接到产生栅极信号电路50的控制输入端10。

下面将叙述上面提到的电路配置的正常工作原理。在双稳态多谐振荡器电路34的复位端35上加一个信号使双稳态多谐振荡器电路34的输出总是逻辑“1”状态。另一方面，把逻辑态为“1”或“0”的信号施加到“与”逻辑电路36控制输入端37以便使BIFET1导通或截止。在这种情况下，“与”逻辑电路36的输出与在控制输入端37所接收信号的逻辑状态相同，并输送入电平转换电路38以便转换成具有正或负极性的信号，再输送到产生栅极信号电路的控制信号输入端10。结果，使正导通栅极信号或负截止栅极信号从产生栅极信号电路的输出端11输送到BIFET1的栅极。

下面接着将叙述当过电流流过BIFET1时的操作原理。当过电流流过BIFET1时，半导体闸流管14变成导通，因此BIFET的栅极电压下降。在这瞬间，电流流过与半导体闸流管14串联的光电耦合器31的发光元件侧，从而在电阻32的两端产生一个电压，该电压在波形成形电路33内转换成一规定的逻辑电平信号，然后再输送到双稳态多谐振荡器电路34内。这就使双稳态多谐振荡器34的输出被翻转成“0”，结果“与”逻辑电路36的输出也变成“0”，从而一种负电压就输送到产生栅极信号电路50的控制输入端10，因而输送到BIFET1的导通栅极信号中止。

如上所述，在本实施例中，不仅能提供对BIFET的过电流保护，而且也能提供一种自动控制以便当过电流流过BIFET时，产生栅极信号的操作能自动地中止。

图6是对图5所示的实施例有所改进的一种实施例电路配置图。在前面的实施例中，从开始到中断流过BIFET1的过电流需要有一段一定的时间，这个时间决定于半导体闸流管14变成导通所需要的时间，通常是2到3微秒（usec.）。在此期间内，过电流继续流过BIFET1，因此处于损坏的危险之中。在本实施例中，上述的缺陷有效地得到改善，也就是除了图5中的保护电路以外在BIFET1的栅极和源极之间还接有双极晶体管20和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）21的串联电路。在BIFET1的漏极和源极之间，另外接有电阻24和25的串联电路作为电压探测电路。晶体管20的基极通过齐纳二极管22连接到电阻25的高电压端。MOS场效应管21的栅极与MOS场效应管15的栅极共同通过电阻19连接到输出端11。在MOS场效应管21漏极和源极之间接有齐纳二极管23以便防止过电压。

在上述的电路中，如前所述，当负载3内发生短路事故时，过电流就流过BIFET1，因而它的导通电压上升。这造成电阻13和25两端的电压上升，当这些电压分别超过齐纳二极管16和22的齐纳电压时，电流就分别流到半导体闸流管14的栅极和晶体管20的基极。如以上所述，半导体闸流管14有一个2到3微秒（usec.）的导通时间，而在此期间，晶体管20首先变成导通。也就是BIFET1的栅极和源极之间的电压是降低到晶体管20的导通电压和MOS场效应管21的导通电压之和，这种样就使流过BIFET1过电流中断，如前所述，当过电流中断时，在BIFET1的漏极和源极之间有可能产生电压振荡。然而，从过电流开始2到3微秒（usec.）以后，半导体闸流管14变成充分导通，从而使BIFET1的栅极和源极之间的电压能够保持低于它的Vth。因而能够防止在BIFET内过电流的再次发生。

如上所述本实施例与前实施例相比，在本实施例中的BIFET1能够更好地防止过电流。

此外，在图5所示的能够自动控制产生栅极信号电路操作的电路配置也能类似地适合于图6所示的实施例中。

图7表示另一实施例的电路配置图。当过电流流过BIFET时，作为一种能降低它的栅极和源极之间的电压的电路，在BIFET的栅极和源极之间接有二极管27和MOS场效应管26的串联电路。MOS场效应管26的栅极通过电阻28和二极管29的并联电路连接到电阻13的高电压端，此高电压端是电压探测电路的输出端。电阻28和二极管29与MOS场效应管26的栅极输入电容一起构成一种特定的时间常数电路。作为有选择地短路电阻13的高电压端的一种电路，该高电压端是电压探测电路的输出端，它具有包括MOS场效应管40和电阻43的金属氧化物半导体倒相器（MOS-INVERTER）和受金属氧化物半导体倒相器控制的MOS场效应管30。MOS-倒相器的输入端通过电阻41连接到产生栅极信号电路50的输出端11上。电阻41与MOS场效应管40的栅极输入电容一起构成一种延迟电路。在MOS场效应管30的漏极和源极之间为了过电压保护接有齐纳二极管39。

电阻41和MOS场效应管40所构成电路的时间常数选择得在BIFET1变成导通之前MOS场效应管26不能导通，即MOS场效应管30保持导通。具体地说，例如，延迟电路的时间常数选择得使MOS场效应管30直到BIFET1的漏极和源极之间电压在接收导通栅极信号后下降百分之十，才变成截止。

在上面提到的保护电路中，当有一正信号加到产生栅极信号电路50的控制信号输入端10时，导通栅极信号从输出端11通过电阻42输送到BIFET1的栅极，接着BIFET1导通。虽然与此同时，导通栅极信号通过电阻41也输送到MOS场效应管40的栅极，然而，由于电阻41和MOS场效应管40的栅极输入电容所组成的延迟电路，与BIFET1变成导通的时刻相比，MOS场效应管40变成导通的时刻延迟一规定时间。当MOS场效应管40变成导通时，与电阻13并行连接的MOS场效应管30变成截止。这意味着MOS场效应管在BIFET1的规定的初始导通期间把电阻13的两端都短路了。

当一负控制信号施加于产生栅极信号电路的控制输入端10时，由输出端11产生一负截止栅极信号使BIFET1截止。而在这同时负的截止栅极信号也输送到MOS场效应管40的栅极上，使MOS场效应管40变成截止。因此，MOS场效应管30变成导通使电压探测电路的电阻13短路。

如上所述，在此过电流保护电路中，在BIFET1的截止期间和特定在初始导通期间，MOS场效应管30保持导通。因而，在电压探测电路的输出端即电阻13的高电压端保持连接到接地结点（groundnode）。

在上述电路配置图中，将进一步叙述在负载3内发生事故时过电流流过BIFET1的情形下的工作原理。当过电流流过BIFET1时，BIFET1的导通电压上升。在此时刻，与电压探测电路的电阻13并联的MOS场效应管30是处于截止状态，而在电阻13的两端就获得与BIFET1的导通电压相对应的电压，该电压通过二极管29施加于MOSFET26的栅极上，当此电压超过它的阈电压时，MOSFET26就变成导通。因此，BIFET1的栅极和源极之间电压就下降到二极管27的正向电压和MOS场效应管26的导通电压之和的电压值。由于上述电压和安排得明显低於BIFET1的阈电压，因而流过BIFET1的过电流就中断。

如上所述，当过电流中断时，BIFET1的漏极和源极之间的电压产生振荡。然而，在本实施例的电路配置中，即使当这些振荡存在时，BIFET1也不再导通，所以没有过电流流过它。其原因如下：在BIFET1的栅极和源极之间短路的MOS场效应管26的栅极处接有一与二极管29并行连接的电阻28。当BIFET1的漏极和源极之间电压发生振荡造成电阻13两端的端电压下降时，由于MOS场效应管26的栅极输入电容的作作用所贮存的电荷，通过电阻28进行放电。然而，在本实施例中，上述放电的时间常数如此之长以致MOS场效应管26的栅极电压达到它的阈电压，Vth，所需要的放电时间变成大於BIFET1的漏极和源极之间电压振荡周期。所以，即使当BIFET1的漏极和源极之间的电压变成零时，MOS场效应管26也不可能截止，这就防止了BIFET1再变成导通而流过过电流。

另外，在本实施的电路配置图中，如上面所叙，当在正常运转情况下工作时，在导通栅极信号施加到BIFET1以后，MOS场效应管30保持导通一个规定的时间。因此，在BIFET1的导通延迟期间，电压探测电路的输出端即电阻13的高电压端是与接地结点（ground node）短路的，所以MOS场效应管14不能导通，因而BIFET1的导通事故或导通延迟能够防止。

再则，图5所示的光电耦合器也能相类似地适合于图7所示实施例的电路中。

Claims

1、一种双极型场效应晶体管(BIFET)的过电流保护电路，BIFET的栅极连接到产生栅极信号电路的输出端，该产生栅极信号的电路包括在BIFET的漏极和源极之间探测电压的第一电压探测电路，其特征在于所述的过电流保护电路还包括降低上述BIFET的栅极和源极之间电压和根据上述电压探测电路的输出来防止上述BIFET的事故或导通延迟的主开关装置。

2、根据权利要求1所述的过电流保护电路，其中所述的主开关装置包括它的阳极连接到上述BIFET的栅极的一个半导体闸流管;连接到上述半导体闸流管的栅极上的一个第一齐纳二极管;一个第一金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），它的漏极连接到上述半导体闸流管的阴极，而它的源极是连接到上述BIFET的源极和一个第一延迟装置，该延迟装置连接在上述第一MOSFET的栅极和上述产生栅极信号电路的输出端之间。

3、根据权利要求1所述的过电流保护电路，其中所述的主开关装置包括：一个第一MOS场效应管，它的栅极是连接到上述BIFET的源极上;一个第一二极管连接在第一MOS场效应管的漏极和上述BIFET的栅极之间;第一延迟装置连接在电压探测装置的上述输出端和上述第一MOSFET的栅极之间;和短路装置，该装置在上述产生栅极信号电路的一个输出端的控制下，在上述BIFET的特定初始导通期间和截止期间，在所述电压探测装置输出端之间实行短路。

4、根据权利要求1所述的过电流保护电路，还包括：降低上述BIFET的源极和栅极之间的电压和防止上述BIFET的导通事故或导通延迟的一个次开关装置和为探测上述BIFET的漏极和源极之间电压的一个第二电压探测装置。

5、根据权利要求2所述的过电流保护电路，还包括连接在上述第一MOS场效应管的漏极和源极之间为防止过电压的一个第二齐纳二极管。

6、根据权利要求2所述的过电流保护电路，其中，所述的第一延迟装置包括：连接在产生栅极信号电路的输出端和上述第一MOS场效应管的栅极之间的一个电阻和上述第一MOS场效应管的一个电容。

7、根据权利要求2所述的过电流保护电路，还包括连接在上述BIFET的栅极和上述半导体闸流管的阳极之间的光电耦合器。

8、根据权利要求2所述的过电流保护电路，其中，延迟电路的时间常数选择得使在导通栅极信号没有施加到上述导电率调制型MOS场效应管的栅极期间和在上述导电率调制型MOS场效应管的漏极和源极之间电压与它的栅极上接收到导通栅极信号之前的电压相比至少降低百分之十的初始导通期间，保持上述MOS场效应管处在截止状态。

9、根据权利要求3所述的过电流保护电路，其中所述的短路装置包括：在上述电压探测装置的输出端之间进行短路的一个第二MOS场效应管，一个具有第三MOS场效应管的金属氧化物半导体倒相器（MOS INVERTER），第三MOS场效应管的漏极被连接到上述第二MOSFET的栅极，一个上述产生栅极信号电路的第二延迟装置的输出端和上述第二MOSFET的栅极。

10、根据权利要求3所述的过电流保护电路，其中第一延迟装置包括一个电阻和与上述电阻并行连接的第二二极管。

11、根据权利要求3所述的过电流保护电路，还包括连接在上述BIFET的栅极和上述第一二极管的阳极之间的一个光电耦合器。

12、根据权利要求4所述的过电流保护电路，其中所述次开关装置包括：一个双极性的晶体管，它的集电极连接到上述BIFET的栅极上;一个第二齐纳二极管连接在上述双极性晶体管的基极和上述电压探测装置的输出端之间;一个第二MOS场效应管，它的漏极是连接到上述双极性晶体管的发射极上，而它的源极是连接到上述BIFET的源极上;和一个第二延迟装置连接到上述第二MOS场效应管的栅极上。

13、根据权利要求9所述的过电流保电路，其中所述的第二延迟装置包括连接在上述产生栅极信号电路的输出端和上述第三MOS场效应管的栅极之间的一个第二电阻，和上述第三MOS场效应管的一个电容。

14、根据权利要求12所述的过电流保护电路，还包括连接在上述第二MOS场效应管的漏极和源极之间、用以防止过电压的一个第三齐纳齐二极管。

15、根据权利要求12所述的过电流保电路，其中，上述第二延迟装置包括：连接在产生栅极信号电路的输出端和MOSFET的栅极之间的一个第一电阻，和上述第二MOSFET的一个电容。