CN100511074C - 功率元件保护电路及包含该电路的半导体装置 - Google Patents

Abstract

与具有第一电极、第二电极和控制电极的功率元件相连，功率元件保护电路检测所述功率元件的第一和第二电极之间的电压以及流过所述功率元件的电流，然后分别地对数转换与所检测到的电压成比例的电流以及与所检测到的电流成比例的电流，然后将结果相加，然后从预定的值中减去总和，然后利用反对数转换器反对数转换结果，然后根据反对数转换器的输出来限制功率元件的驱动。

Description

功率元件保护电路及包含该电路的半导体装置

本申请基于2003年5月19日提交的日本专利申请No.2003-139831，该申请的内容在此被合并参考。

技术领域

本发明涉及一种功率元件保护电路，用于防止诸如功率MOSFET或功率双极晶体管之类的功率元件击穿。

背景技术

传统上，通常形成于半导体集成电路芯片上的功率元件保护电路的一种类型是热断路电路。热断路电路利用其中包含的温度传感器检测温度，并且当所检测到的温度高于设定温度时，停止功率元件的操作，从而防止其免受热击穿。

通常较少使用的另一种类型的功率元件保护电路检测流过功率元件的电流，并按照所检测到的电流不高于设定电流的方式来控制功率元件。

可以利用简单的电路结构来实现上述热断路电路。但是，由于不能将功率装置和温度传感器形成于同一位置，特别地，当功率元件中产生了瞬变热，则在由温度传感器检测到的温度和功率元件本身的温度之间会出现较大差别。这会使该热断路电路不能及时停止功率元件的操作，导致该功率元件的热击穿。

另一方面，在限制流过功率元件电流类型的功率元件保护电路中，随着电源电压变大以及由此功率元件两端的电压降变大，功率元件的功率消耗可能会较大，从而引起功率元件的热击穿。通过在较高电源电压情况下使设定的电流较小来试图避免此问题，但是，不利地，这可能会影响所期望的操作。

发明内容

本发明的目的是提供一种功率元件保护电路，该功率元件保护电路尽管具有简单的电路结构，但即使在功率元件产生瞬变热或电源电压波动的情况下，也能够防止功率元件的击穿，并且提供了一种包含这种功率元件保护电路的半导体装置。

为了实现以上目的，根据本发明的一方面，一种功率元件保护电路配备有：电压检测器，用于对于具有第一电极、第二电极和控制电极的功率元件，检测所述功率元件的第一和第二电极之间的电压，然后输出与所检测到的电压成比例的电流；电流检测器，用于检测流过所述功率元件的电流，然后输出与所检测到的电流成比例的电流；第一对数转换器，用于对数转换、然后输出从所述电流检测器输出的电流；第二对数转换器，用于对数转换、然后输出从所述电压检测器输出的电流；反对数转换器，用于反对数转换从所述第一和第二对数转换器的输出之和导出的电平；以及驱动限制器，用于根据所述反对数转换器的输出来限制功率元件的驱动。

根据本发明的另一方面，一种半导体装置配备有：具有第一电极、第二电极和控制电极的功率元件；驱动器，用于将驱动信号提供给所述功率元件的控制电极以驱动该功率元件；以及功率元件保护电路，所述功率元件保护电路与所述功率元件和所述驱动器相连，以便控制所述驱动器。这里，所述功率元件保护电路配备有：电压检测器，用于检测所述功率元件的第一和第二电极之间的电压，然后输出与所检测到的电压成比例的电流；电流检测器，用于检测流过所述功率元件的电流，然后输出与所检测到的电流成比例的电流；第一对数转换器，用于对数转换、然后输出从所述电流检测器输出的电流；第二对数转换器，用于对数转换、然后输出从所述电压检测器输出的电流；反对数转换器，用于反对数转换从所述第一和第二对数转换器的输出之和导出的电平；以及驱动限制器，用于根据所述反对数转换器的输出来限制功率元件的驱动。

附图说明

结合参考了附图的优选实施例，从下面的说明中，本发明的这一及其它目的和特点会变得显而易见。

图1是示出了体现了本发明的半导体装置结构的示例的图；

图2是示出了体现了本发明的功率元件保护电路结构的示例的图；

图3是示出了体现了本发明的功率元件保护电路结构的另一个示例的图；

图4是示出了体现了本发明的功率元件保护电路结构的另一个示例的图；

图5是示出了包括本发明第一实施例的电流检测器的电路结构的示例的电路框图；

图6是示出了包括第一实施例的电流检测器的电路结构的另一个示例的电路框图；

图7A和7B是示出了包括第一实施例的电流检测器的电路结构的其它示例的电路框图；

图8A到8D是示出了包括第一实施例的电流检测器的电路结构的其它示例的电路框图；

图8A到8D是示出了包括第一实施例的电流检测器的电路结构的其它示例的电路框图；

图9A到9D是示出了包括第一实施例的电流检测器的电路结构的其它示例的电路框图；

图10A到10D是示出了包括第一实施例的电流检测器的电路结构的其它示例的电路框图；

图11是示出了包括本发明第二实施例的电流检测器的电路结构的示例的电路框图；

图12是示出了包括第二实施例的电流检测器的电路结构的另一个示例的电路框图；

图13A和13B是示出了包括第二实施例的电流检测器的电路结构的其它示例的电路框图；

图14A到14D是示出了包括第二实施例的电流检测器的电路结构的其它示例的电路框图。

具体实施方式

图1示出了体现了本发明的半导体装置结构的示例。体现了本发明的半导体装置1由功率元件2、驱动电路3以及功率元件保护电路4构成。功率元件2是例如功率MOSFET或功率双极晶体管。驱动电路3根据负载驱动命令信号S2，将驱动信号S3提供给功率元件2的控制电极(即，如果功率元件2是功率MOSFET，则是其栅极，或如果功率元件2是功率双极晶体管，则是其基极)，以便驱动功率元件2。在其驱动状态，功率元件2将电功率16提供给半导体装置1。

功率元件保护电路4配备有：电压检测器5，用于检测功率元件2两端的电压降Vo(即，如果功率元件2是功率MOSFET，则是其漏极-源极电压，或如果功率元件2是功率双极晶体管，则是集电极-发射极电压)，并输出与所检测到的电压Vo成比例的电流；电流转换器6，用于将电压检测器5的输出电压转换为电流；以及对数转换器7，用于对数转换电流转换器6的输出电流I₂。

功率元件保护电路4还配备有：电流检测器8，用于检测流过功率元件2的电流Io(即，如果功率元件2是功率MOSFET，则是其漏极电流，或如果功率元件2是功率双极晶体管，则是集电极电流)，并输出与所检测到的电流Io成比例的电流；电流转换器9，用于产生与电流检测器8的输出电流成比例的电流；以及对数转换器10，用于对数转换电流转换器9的输出电流I₁。

功率元件保护电路4还配备有：参考恒流源11；参考恒流对数转换器12，用于对数转换从参考恒流源11输出的参考恒定电流I₃；计算器13，用于将对数转换器7的输出电压V₂和对数转换器10的输出电压V₁相加到一起，然后从总和中减去参考恒流对数转换器12的输出电压V₃，之后输出结果；反对数转换器14，用于反对数转换计算机13的输出电压V₄；以及比较器15，用于将反对数转换器14的输出电流I₄与有限功率命令信号S1进行比较。

当反对数转换器14的输出电流I₄的电平高于有限功率命令信号S1时，不考虑负载驱动命令信号S2，比较器15将驱动信号S3保持在其在一定限制内驱动功率元件2的状态。此外，产生有限功率命令信号S1的电路可以包含于或从外部安装于功率元件保护电路4中；产生负载驱动命令信号S2的电路可以包含于或从外部安装于半导体装置1中。

在功率元件保护电路4中，根据流过功率元件2的电流和功率元件2两端的电压降来计算功率元件2中的功率消耗。这里，这不仅可以通过直接将流过功率元件2的电流和功率元件2两端的电压降来实现，而且还可以通过首先分别对数转换流过功率元件2的电流和功率元件2两端的电压降，然后将结果相加，之后从预定值中减去总和，然后反对数转换结果，从而最后计算了功率元件2中的功率消耗。按照这种方式，通过执行加法和减法以及不执行乘法来计算功率元件2中的功率消耗有助于简化电路结果并由此使集成容易。此外，这里所检测的不是作为非直接因素的温度，而是功率元件中的功率消耗，这使得可以准确控制所产生的热。因此，可以限制由于到电源电压或地线的短路或部分负载上的短路导致的瞬变热的产生。

接下来，将对功率元件保护电路4的电路结构进行说明。图2示出了功率元件保护电路4的电路结构的示例。在图2中，用相同的数字或符号表示在图1中也存在的电路元件，并且不再重复它们详细的说明。

输出与电流检测器8的输出电流成比例的电流I₁的电流源17在其一端接收电源电压，并且具有与pnp型晶体管Q1的发射极以及pnp型晶体管Q2的基极相连的另一端。晶体管Q1的集电极接地。

输出与电压检测器5的输出电压成比例的电流I₂的电流源18在其一端接地，并且具有与晶体管Q2的集电极、晶体管Q1的基极以及pnp型晶体管Q3的基极相连的另一端。晶体管Q2的发射极与pnp型晶体管Q4的发射极相连，并且将电源电压施加到这二者之间的节点。

输出参考恒定电流I₃的参考恒定电流源11在其一端接收电源电压，并且具有与晶体管Q3的发射极和晶体管Q4的基极相连的另一端。晶体管Q3的集电极接地，且晶体管Q4的集电极与比较器15相连。

按照如上所述构造，图2所示的功率元件保护电路如下进行操作。在下面操作的说明中，忽略所述晶体管的基极电流。电流检测器8输出与流过功率元件2的电流Io[A]成比例的电流，且电流源17输出与电流检测器8的输出电流成比例的电流I₁[A]。因此，以下方程(1)成立。在方程(1)中，K₁[A/A]是转换系数。

I₁＝K₁·I₀                               (1)

电压检测器5输出与功率元件2两端的电压降Vo[V]成比例的电压，且电流源18输出与电压检测器5的输出电压成比例的电流I₂[A]。因此，以下方程(2)成立。在方程(2)中，K₂[A/A]是转换系数。

I₂＝K₂·V₀                                   (2)

晶体管Q1接收作为其发射极电流的、电流源17的输出电流I₁，并输出作为其发射极电流对数转换结果的基极-发射极电压V₁。在晶体管Q1的发射极电流I₁[A]和基极-发射极电压V₁[V]之间，以下由方程(3)给出的二极管方程成立。在方程(3)中，V_T[V]表示由k·T/q给出热电压(这里，k表示玻耳兹曼常数；T表示绝对温度；以及q表示电子的单位电荷，在室温下是大约26[mV])。符号I_s[A]表示集电极反向饱和电流，这是一个取决于功率元件保护电路制作工艺的常数。

V₁＝V_T·ln(I₁/I_s)                            (3)

晶体管Q2接收作为其集电极电流的、电流源18的输出电流I₂，并输出作为其发射极电流对数转换结果的基极-发射极电压V₂，所述发射极电流依次与其集电极电流相等。在晶体管Q2的发射极电流I₂[A]和基极-发射极电压V₂[V]之间，以下由方程(4)给出的二极管方程成立。在方程(4)中，变量V_T和I_s与方程(3)中使用的相同。

V₂＝V_T·ln(I₂/I_s)                 (4)

晶体管Q3接收作为其集电极电流的、参考恒流源11的参考恒定电流I₃，并输出作为其发射极电流对数转换结果的基极-发射极电压V₃。在晶体管Q3的发射极电流I₃[A]和基极-发射极电压V₃[V]之间，以下由方程(5)给出的二极管方程成立。在方程(5)中，变量V_T和I_s与方程(3)中使用的相同。

V₃＝V_T·ln(I₃/I_s)              (5)

此外，晶体管Q1到Q4的基极-发射极电压V₁[V]到V₄[V]满足以下方程(6)给出的关系。

V₃+V₄＝V₁+V₂            (6)

根据以上方程(1)到(6)，由以下方程(7)给出晶体管Q4的基极-发射极电压V₄[V]。

$V_4=V_1+V_2-V_3$

$=V_T\·\ln \left(\frac{I_1}{I_s}\right)+V_T\·\ln \left(\frac{I_2}{I_s}\right)-V_T\·\ln \left(\frac{I_3}{I_s}\right)$

$=V_T\·\ln \left(\frac{K_1\·I_0}{I_s}\right)+V_T\·\ln \left(\frac{K_2\·V_0}{I_s}\right)-V_T\·\ln \left(\frac{I_3}{I_s}\right)$

$=V_T\·\ln \left(\frac{K_1\·K_2\·I_0\·V_0}{{\left(I_s\right)}^2}\right)-V_T\·\ln \left(\frac{I_3}{I_s}\right)$

$=V_T\·\ln \left(\frac{K_1\·K_2\·I_0\·V_0}{I_s\·I_3}\right)---\left(7\right)$

晶体管Q4将与其发射极电流相等的其集电极电流I₄输出到比较器15，这依次是其基极-发射极电压V₄的反对数转换结果。在晶体管Q4的发射极电流I₄[A]和基极-发射极电压V₄[V]之间，以下由方程(8)给出的二极管方程成立。在方程(8)中，变量V_T和I_s与方程(3)中使用的相同。

I₄＝I_s·exp(V₄/V_T)         (8)

根据方程(7)和(8)，以下方程(9)成立。

I4＝K₁·K₂·I₀·V₀/I₃          (9)

从方程(9)中可以清楚看到，从晶体管Q4输出到比较器15的电流I4具有与功率元件2的功率消耗(V₀·I₀)成比例的电平。因此，考虑到功率元件2中电流I₄和功率消耗(V₀·I₀)之间的比例常数(K₁·K₂/I₃)，设置有限功率命令信号S1的电平是可取的。

图2所示的功率元件保护电路包含了较少数目的晶体管，由此以较高的速度操作。

即使根据二极管方程对电压V₁和V₂的总和进行反对数转换，仍然不能抵消集电极反向电流I_s项(见方程(7)和(8))。出于此原因，在图2所示的功率元件保护电路中，从电压V₁和V₂的总和中减去通过根据二极管方程对数转换参考恒定电流I₃而获得的电压V₃，从而获得电压V₄(见公式(6))，然后根据二极管方程反对数转换该电压V₄，从而获得与功率元件2的功率消耗成比例的电流I₄，以及从中已经抵消了集电极反向电流I_s项。

图3示出了功率元件保护电路4的电路结构的另一个示例。在图3中，用相同的数字或符号表示在图2中也存在的电路元件，并且不再重复它们详细的说明。与图2所示的功率元件保护电路4相比，图3所示的功率元件保护电路4附加地配备了pnp型晶体管Q5，从而将晶体管Q1和Q3的基极之间的节点与晶体管Q2的集电极和电流源18之间的节点相分离。

晶体管Q5的发射极与晶体管Q1和Q3的基极之间的节点相连，且晶体管Q5的基极与晶体管Q2的集电极和电流源18之间的节点相连。晶体管Q5的集电极接地。

在图3所示的功率元件保护电路中，与图2所示的功率元件保护电路相比，可以将由晶体管Q1和Q3的基极电流在电流源18的输出电流和晶体管Q2的集电极电流之间产生的误差减小到1/h_fe。这使得可以比图2所示的功率元件保护电路更准确地检测功率元件2的功率消耗。此外，符号h_fe表示当在具有输出短路的共发射极连接中操作晶体管Q5时，所观测到的晶体管Q5的电流增益。

图4示出了功率元件保护电路4的电路结构的另一个示例。鉴于图2所示的功率元件保护电路使用了pnp型晶体管Q1到Q4，则图4所示的功率元件保护电路使用npn型晶体管Q1’到Q4’。由于图2和4所示的功率元件保护电路具有基本相同的结构，并且按照基本相同的方式操作，因此在下面的说明中，只对图4所示功率元件保护电路中特殊的特点进行说明。

图4所示功率元件保护电路还配备有npn型晶体管Q6到Q8。将电源电压施加到晶体管Q6的集电极。晶体管Q6的基极与参考恒流源11和晶体管Q3’的集电极相连。晶体管Q6的发射极与晶体管Q7的基极以及晶体管Q8的基极和集电极相连。晶体管Q7的集电极与晶体管Q3’的发射极和晶体管Q4’的基极相连。晶体管Q7和Q8的发射极接地。

在这种结构中，由晶体管Q7和Q8形成的电流反射镜电路保持流过晶体管Q3’的电流与流过晶体管Q6的电流相等。设晶体管Q6的基极电流是晶体管Q6的集电极电流的1/β，则以下方程(10)成立。

I₃＝(1+1/β)I                     (10)

这里，1<<β，因此I₃≈I。相比而言，在图2所示的功率元件保护电路中，参考恒定电流I3与晶体管Q4的基极电流的总和流过晶体管Q3。因此，在图4所示的功率元件保护电路中，流过晶体管Q3’的电流I和参考恒定电流I₃之间的差小于图2所示功率元件保护电路中流过晶体管Q3的电流和参考恒定电流I₃之间的差。因此，图4所示的功率元件保护电路能够比图2所示的功率元件保护电路更准确地检测功率元件2的功率消耗。

在上述图2和3所示的功率元件保护电路中，使用了pnp型晶体管。然而，还可以采用使用了npn晶体管代替的电路结构。在例如所设置的、利用空气冷却功率元件的冷却扇出现故障的情况下，即使功率元件的功率消耗在允许的范围内，但功率元件的温度还是可能超出允许的范围。因此，最好结合使用由热断路电路实现的温度保护，从而进一步减小击穿功率元件的可能性。

这里，使电流检测器8的检测精度更高导致检测功率元件的功率消耗的精度更高。因此，作为电流检测器8，使用以令人满意的较高检测精度进行操作的电流检测器8是可取的。现在，将对以令人满意的较高检测精度进行操作的电流检测器8的实施例进行说明。

首先，下面将参考附图说明电流检测器8的第一实施例。图5是示出了只包括功率元件2、电流检测器8和负载16的结构的电路框图。

图5所示的电路包括：充当功率元件2的功率晶体管M1，用于将电流提供给负载16；晶体管M2，其栅极和源极分别与功率晶体管M1的栅极和源极相连；运算放大器A，其同相输入端子与功率晶体管M1的漏极相连，且其反相输入端子与晶体管M2的漏极相连；以及晶体管M3，其栅极与运算放大器A的输出端子相连，且其源极与晶体管M2的漏极相连。

功率晶体管M1和晶体管M2的源极经过地端子20接地，并且经过控制端子21将控制信号S3提供给功率晶体管M1和晶体管M2的栅极。功率晶体管M1的漏极经过负载端子22与负载16相连。晶体管M3的漏极与检测端子23相连，经过该检测端子23输出检测电流。这里，功率晶体管M1以及晶体管M2和M3都是N沟道MOSFET。晶体管M3和运算放大器A构成了负反馈电路。

在图5所示的电路中，运算放大器A的反相和同相输入端子的电压近似相等，因此，功率晶体管M1和晶体管M2的漏极处的电压近似相等。结果，由于功率晶体管M1和晶体管M2使其源极相连并使其栅极相连，因此其漏极的电压相等，其源极的电压相等，并且其栅极的电压相等。

通过按照这种方式使施加于功率晶体管M1的不同电极的电压与施加到晶体管M2的对应电极的电压相等，可以使通过晶体管M2的漏极电流与通过功率晶体管M1的漏极电流成比例。具体地，使功率晶体管M1的栅极宽度和栅极长度分别是W1和L1，并且使晶体管M2的栅极宽度和栅极长度分别是W2和L2。于是，对于通过功率晶体管M1的漏极电流I1，给出通过M2的漏极电路I2是I1×(W2/L2)/(W1/L1)。这里，鉴于通过晶体管M2的漏极电流的数量级是几个μA到几十个μA，则通过功率晶体管M1的漏极电流的数量级是几百个μA。

此外，晶体管M3的设置使得运算放大器A的输出电压可以用于晶体管M3的栅极电压的采样的唯一用途。这有助于防止电流作为晶体管M3的漏极电流的一部分流出运算放大器A，或与晶体管M2通过电阻器等直接与运算放大器A的输出端子相连的情况相反，防止流过检测端子23的部分电流流入运算放大器A。结果，在检测端子23出现的电流没有受到流入或流出运算放大器A的电流的影响，因此在检测端子23出现的电流表示了晶体管M2的漏极电流，该电流与功率晶体管M1的漏极电流成比例。

在图5中，将N沟道MOSFET用作晶体管M3。然而，如图6所示，还可以使用npn型双极晶体管作为晶体管T3来代替晶体管M3。在这种情况下，晶体管T3使其集电极与检测端子23相连，使其基极与运算放大器A的输出端子相连，并且使其发射极与晶体管M2的漏极相连。即，晶体管T3和运算放大器A构成了负反馈电路。由于该晶体管T3的基极电流与其集电极电流相比是负的，只在图5所示的情况下，检测端子23处出现的电流表示晶体管M2的漏极电流，该电流与功率晶体管M1的漏极电流成比例。

在图5和6中，将N沟道MOSFET用作功率晶体管M1。然而，如图7A和7B所示，还可以使用npn型双极晶体管作为功率晶体管T1来代替功率晶体管M1。在这种情况下，使用npn型双极晶体管作为晶体管T2来代替作为N沟道MOSFET的晶体管M2。

将运算放大器A的反相和同相输入端子分别与功率晶体管T1和晶体管T2的集电极相连。功率晶体管T1和晶体管T2的发射极与地端子20相连，且功率晶体管T1和晶体管T2的基极与控制端子21相连。图7A示出了将N沟道MOSFET用作晶体管M3的情况，而图7B示出了将npn型双极晶体管用作晶体管T3的情况。

在图7A和7B所示的结构中，运算放大器A和晶体管M3或T3具有与图5和6中的运算放大器A和晶体管M3或T3相同的功能。此外，功率晶体管T1和晶体管T2的发射极电压相等，其集电极电压相等，并且其基极电压相等。因此，流过功率晶体管T1和晶体管T2的集电极的电流与其发射极区域成比例。结果，使功率晶体管T1和晶体管T2的发射极区域分别是s1和s2，则，对于功率晶体管T1的集电极电流I1，流过晶体管T2的集电极电流I2是I1×s2/s1，并且该集电极电流I2出现于检测端子13。

在图5、6、7A和7B中，功率晶体管M1或T1与运算放大器A的同相输入端子相连，且晶体管M2或T2与运算放大器A的反相输入端子相连。然而，还可以颠倒与运算放大器A的同相和反相输入端子的连接。具体地，在这种情况下，如图8A和8B所示，功率晶体管M1和晶体管M2的漏极分别与运算放大器A的反相和同相输入端子相连，或如图8C和8D所示，功率晶体管T1和晶体管T2的集电极分别与运算放大器A的反相和同相输入端子相连。

在这种情况下，与运算放大器A的输出端子相连的晶体管M3或T3分别是P沟道MOSFET或pnp型双极晶体管，从而运算放大器A和晶体管M3或T3构成了负反馈电路。具体地，如图8A和8C所示，晶体管M3使其栅极与运算放大器A的输出端子相连，使其源极与检测端子23相连，并且使其漏极与运算放大器A的同相输入端子相连；或，如图8B和8D所示，晶体管T3使其基极与运算放大器A的输出端子相连，使其发射极与检测端子23相连，并且使其集电极与运算放大器A的同相输入端子相连。

在图5、6、7A、7B以及8A到8D中，功率晶体管M1和晶体管M2是N沟道MOSFET，或功率晶体管T1和晶体管T2是npn型双极晶体管。然而，如图9A到9D所示，还可以使用P沟道MOSFET作为功率晶体管M1和晶体管M2，或pnp型双极晶体管作为功率晶体管T1和晶体管T2。

在这种情况下，如图9A和9B所示，功率晶体管M1和晶体管M2的漏极分别与运算放大器A的同相和反相输入端子相连。此外，将P沟道MOSFET或pnp型双极晶体管分别用作晶体管M3或T3，并且将运算放大器A的同相输入端子与输出端子22相连。因此，图9A和9B所示的电路结构具有与图5和6所示虽然极性相反，但是相同的相互连接。

可选地，如图9C和9D所示，功率晶体管T1和晶体管T2的集电极分别与运算放大器A的同相和反相输入端子相连。此外，将P沟道MOSFET或pnp型双极晶体管分别用作晶体管M3或T3，并且将运算放大器A的同相输入端子与输出端子22相连。因此，图9C和9D所示的电路结构具有与图7A和7B所示虽然极性相反，但是相同的相互连接。

可选地，如图10A和10B所示，功率晶体管M1和晶体管M2的漏极分别与运算放大器A的反相和同相输入端子相连。此外，将N沟道MOSFET或npn型双极晶体管分别用作晶体管M3或T3，并且将运算放大器A的反相输入端子与输出端子22相连。因此，图10A和10B所示的电路结构具有与图8A和8B所示虽然极性相反，但是相同的相互连接。

可选地，如图10C和10D所示，功率晶体管T1和晶体管T2的集电极分别与运算放大器A的反相和同相输入端子相连。此外，将N沟道MOSFET或npn型双极晶体管分别用作晶体管M3或T3，并且将运算放大器A的反相输入端子与输出端子22相连。因此，图10C和10D所示的电路结构具有与图8C和8D所示虽然极性相反，但是相同的相互连接。

下面参考附图对电流检测器8的第二实施例进行说明。图11是示出了只包括功率元件2、电流检测器8和负载16的结构的电路框图。在图11中，用相同的参考数字或符号表示在图5中也存在的电路元件，并且不再重复它们的详细说明。

图11所示的电路与图5所示电路的不同之处在于省略了图5所示的运算放大器A，而改为设置了电阻器R和晶体管M4。将电源电压VDD提供给电阻器R的一端。晶体管M4使其源极与电阻器R的另一端和晶体管M3的栅极相连，并使其栅极与功率晶体管M1的漏极相连。该晶体管M4是P沟道MOSFET，并且使其漏极经过地端子20接地。晶体管M3和M4实质上具有相等的源极-栅极阈值电压Vth。

在这种结构中，如果设功率晶体管M1的漏极电压是Va，将该功率晶体管M1的漏极电压Va提供给晶体管M4的栅极，因此晶体管M4的源极电压等于Va+Vth。将该晶体管M4的源极电压Va+Vth提供给晶体管M3的栅极，因此晶体管M3的源极电压等于Va+Vth—Vth＝Va。这使得晶体管M2的漏极电压等于Va，即，等于功率晶体管M1的漏极电压。

因此，晶体管M2的漏极电压、栅极电压和源极电压分别等于功率晶体管M1的漏极电压、栅极电压和源极电压。因此，晶体管M2的漏极电流以(栅极宽度)/(栅极长度)的比例因子与功率晶体管M1的漏极电压成比例。此外，将功率晶体管M1的漏极电压用于被采样为晶体管M4栅极电压的唯一用途，将晶体管M4的源极电压用于被采样为晶体管M3栅极电压的唯一用途。这有助于减小经过检测端子23输出的晶体管M2的漏极电流的影响。

具体地，晶体管M3的漏极电流不会被流过由晶体管M4和电阻器R构成的电路的电流增大或减小，而是等于晶体管M2的漏极电流。此外，流过功率晶体管M1的电流不会被流过由晶体管M4和电阻器R构成的电路的电流增大或减小，而是等于流过负载16的电流。因此，与第一实施例相同，出现在检测端子23的电流等于晶体管M2的漏极电流，该电流与功率晶体管M1的漏极电流成比例。

在图11中，将N沟道MOSFET用作晶体管M3，并且将P沟道MOSFET用作晶体管M4。然而，如图12所示，还可以使用npn型双极晶体管作为晶体管T3来代替晶体管M3，以及pnp型双极晶体管T4来代替晶体管M4。

在这种情况下，晶体管T3使其集电极与检测端子23相连，使其基极与电阻器R的一端相连，并且使其发射极与晶体管M2的漏极相连。此外，晶体管T4使其集电极与接地端子10相连，使其基极与功率晶体管M1的漏极相连，并且使其发射极与晶体管T3的基极相连。这些晶体管T3和T4的基极电流与其集电极电流相比是负的，因此，与图11所示的情况相同，在检测端子23处出现的电流表示晶体管M2的漏极电流，该电流与功率晶体管M1的漏极电流成比例。

在图11和12中，将N沟道MOSFET用作功率晶体管M1。然而，如图13A和13B所示，还可以使用npn型双极晶体管作为功率晶体管T1来代替功率晶体管M1。在这种情况下，使用npn型双极晶体管作为晶体管T2来代替作为N沟道MOSFET的晶体管M2。

在图13A中，功率晶体管T1的集电极与晶体管M4的栅极相连，晶体管T2的集电极与晶体管M3的源极相连。在图13B中，功率晶体管T1的集电极与晶体管M4的基极相连，晶体管T2的集电极与晶体管M3的发射极相连。此外，在图13A和13B中，功率晶体管T1和晶体管T2的发射极与地端子20相连，功率晶体管T1和晶体管T2的基极与控制端子21相连。

在图11、12、13A和13B中，将N沟道MOSFET用作功率晶体管M1和晶体管M2，或将npn型双极晶体管用作功率晶体管T1和晶体管T2。然而，还可以使用P沟道MOSFET作为功率晶体管M1和晶体管M2，或pnp型双极晶体管作为功率晶体管T1和晶体管T2。

可选地，如图14A和14C所示，将P沟道MOSFET用作晶体管M3，晶体管M3使其源极与晶体管M2的漏极或晶体管T2的集电极相连，并且将N沟道MOSFET用作晶体管M4，晶体管M4使其栅极与功率晶体管M1的漏极或功率晶体管T1的集电极相连。因此，图14A和14C所示的电路结构具有与图11和13A所示虽然极性相反，但是相同的相互连接。

可选地，如图14B和14D所示，将pnp型双极晶体管用作晶体管T3，晶体管T3使其发射极与晶体管M2的漏极或晶体管T2的集电极相连，并且将npn型双极晶体管用作晶体管T4，晶体管T4使其基极与功率晶体管M1的漏极或功率晶体管T1的集电极相连。因此，图14B和14D所示的电路结构具有与图12和13B所示虽然极性相反，但是相同的相互连接。

Claims (16)

1.一种功率元件保护电路，包括：

电压检测器，用于对于具有第一电极、第二电极和控制电极的功率元件，检测所述功率元件的第一和第二电极之间的电压，然后输出与所检测到的电压成比例的电流；

电流检测器，用于检测流过所述功率元件的电流，然后输出与所检测到的电流成比例的电流；

第一对数转换器，用于对数转换从所述电流检测器输出的电流，然后输出；

第二对数转换器，用于对数转换从所述电压检测器输出的电流，然后输出；

反对数转换器，用于反对数转换通过以下方式获得的结果：从所述第一和第二对数转换器的输出之和导出的电平中减去参考恒流对数转换器的输出电压；以及

驱动限制器，用于根据所述反对数转换器的输出来限制功率元件的驱动。

2.根据权利要求1所述的功率元件保护电路，其特征在于

所述第一对数转换器是第一双极晶体管，用于接收作为其发射极电流或集电极电流的、从所述电流检测器输出的电流，并输出其基极-发射极电压，

其中所述第二对数转换器是第二双极晶体管，用于接收作为其发射极电流或集电极电流的、从所述电压检测器输出的电流，并输出其基极-发射极电压，以及

其中所述反对数转换器是第三双极晶体管，用于接收作为其基极-发射极电压的通过以下方式获得的结果，并输出其发射极电流或集电极电流：从所述第一和第二对数转换器的输出之和导出的电平中减去参考恒流对数转换器的输出电压。

3.根据权利要求2所述的功率元件保护电路，其特征在于所述电流检测器包括：

第一晶体管，所述第一晶体管的第二电极和控制电极分别与所述功率元件的第二电极和控制电极相连；

第二晶体管，所述第二晶体管的第一电极或第二电极其中之一与所述第一晶体管的第一电极相连；以及

运算放大器，所述运算放大器的一个输入端子与所述功率元件的第一电极相连，

所述运算放大器的另一个输入端子与所述第一晶体管的第一电极相连，以及

所述运算放大器的输出端子与所述第二晶体管的控制电极相连，

其中第二晶体管在第一和第二电极中未与第一晶体管的第一电极相连的电极处输出与流过功率元件的电流成比例的电流信号。

4.根据权利要求3所述的功率元件保护电路，其特征在于所述第二晶体管和运算放大器构成了负反馈电路。

5.根据权利要求2所述的功率元件保护电路，其特征在于所述电流检测器包括：

第一晶体管，所述第一晶体管的第二电极和控制电极分别与所述功率元件的第二电极和控制电极相连；

第二晶体管，所述第二晶体管的第二电极与所述第一晶体管的第一电极相连；以及

第三晶体管，所述第三晶体管的控制电极与所述功率元件的第一电极相连，所述第三晶体管的第二电极与所述第二晶体管的控制电极相连，

其中第二晶体管在其第一电极处输出与流过功率元件的电流成比例的电流信号。

6.根据权利要求5所述的功率元件保护电路，其特征在于所述第三晶体管的第一电极与所述功率元件和第一晶体管的第二电极相连，并且通过电阻器将直流电压施加到所述第三晶体管的第二电极。

7.根据权利要求6所述的功率元件保护电路，其特征在于所述第二和第三晶体管是极性相反的晶体管，并且出现在所述第二晶体管的第二电极和控制电极之间的电势差与出现在所述第三晶体管的第二电极和控制电极之间的电势差相等。

8.根据权利要求7所述的功率元件保护电路，其特征在于所述第二晶体管是与第一晶体管极性相同的晶体管。

9.一种半导体装置，包括：

具有第一电极、第二电极和控制电极的功率元件；

驱动器，用于将驱动信号提供给所述功率元件的控制电极以驱动所述功率元件；以及

功率元件保护电路，所述功率元件保护电路与所述功率元件和所述驱动器相连，以便控制所述驱动器，

其中，所述功率元件保护电路包括：

电压检测器，用于检测所述功率元件的第一和第二电极之间的电压，然后输出与所检测到的电压成比例的电流；

电流检测器，用于检测流过所述功率元件的电流，然后输出与所检测到的电流成比例的电流；

第一对数转换器，用于对数转换从所述电流检测器输出的电流，然后输出；

第二对数转换器，用于对数转换从所述电压检测器输出的电流，然后输出；

反对数转换器，用于反对数转换通过以下方式获得的结果：从所述第一和第二对数转换器的输出之和导出的电平中减去参考恒流对数转换器的输出电压；以及

驱动限制器，用于根据所述反对数转换器的输出来限制功率元件的驱动。

10.根据权利要求9所述的半导体装置，其特征在于

所述第一对数转换器是第一双极晶体管，用于接收作为其发射极电流或集电极电流的、从所述电流检测器输出的电流，并输出其基极-发射极电压，

其中所述第二对数转换器是第二双极晶体管，用于接收作为其发射极电流或集电极电流的、从所述电压检测器输出的电流，并输出其基极-发射极电压，以及

其中所述反对数转换器是第三双极晶体管，用于接收作为其基极-发射极电压的通过以下方式获得的结果，并输出其发射极电流或集电极电流：从所述第一和第二对数转换器的输出之和导出的电平中减去参考恒流对数转换器的输出电压。

11.根据权利要求10所述的半导体装置，其特征在于

所述电流检测器包括：

第一晶体管，所述第一晶体管的第二电极和控制电极分别与所述功率元件的第二电极和控制电极相连；

第二晶体管，所述第二晶体管的第一电极或第二电极其中之一与所述第一晶体管的第一电极相连；以及

运算放大器，所述运算放大器的一个输入端子与所述功率元件的第一电极相连，

所述运算放大器的另一个输入端子与所述第一晶体管的第一电极相连，以及

所述运算放大器的输出端子与所述第二晶体管的控制电极相连，

其中第二晶体管在第一和第二电极中未与第一晶体管的第一电极相连的电极处输出与流过功率元件的电流成比例的电流信号。

12.根据权利要求11所述的半导体装置，其特征在于所述第二晶体管和运算放大器构成了负反馈电路。

13.根据权利要求10所述的半导体装置，其特征在于所述电流检测器包括：

第一晶体管，所述第一晶体管的第二电极和控制电极分别与所述功率元件的第二电极和控制电极相连；

第二晶体管，所述第二晶体管的第二电极与所述第一晶体管的第一电极相连；以及

第三晶体管，所述第三晶体管的控制电极与所述功率元件的第一电极相连，所述第三晶体管的第二电极与所述第二晶体管的控制电极相连，

其中第二晶体管在其第一电极处输出与流过功率元件的电流成比例的电流信号。

14.根据权利要求13所述的半导体装置，其特征在于所述第三晶体管的第一电极与所述功率元件和第一晶体管的第二电极相连，并且通过电阻器将直流电压施加到所述第三晶体管的第二电极。

15.根据权利要求14所述的半导体装置，其特征在于所述第二和第三晶体管是极性相反的晶体管，并且出现在所述第二晶体管的第二电极和控制电极之间的电势差与出现在所述第三晶体管的第二电极和控制电极之间的电势差相等。

16.根据权利要求15所述的半导体装置，其特征在于所述第二晶体管是与第一晶体管极性相同的晶体管。

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