CN101910964A - 用于使用金属绝缘体转变装置来控制晶体管的辐射热的方法和电路 - Google Patents

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Abstract

提供了用于控制功率晶体管的热生成的方法和电路，其中可通过使用金属绝缘体转变(MIT)装置来防止功率晶体管的热生成而保护功率晶体管，该金属绝缘体转变装置可用作保险丝并且可以半持久地使用。所述用于控制晶体管的热生成的电路包括：金属绝缘体转变(MIT)装置，其中在预定的临界温度处发生突然MIT；以及功率晶体管，连接到驱动装置，并控制对驱动装置的功率供应，其中，所述MIT装置被附着到晶体管的表面或发热部分，并且从电路角度而言、被连接到晶体管的基极端子或栅极端子或者周围电路，以及其中，当晶体管的温度增加到等于或大于预定的临界温度的温度时，MIT装置减少或关断晶体管的电流，以便防止晶体管的热生成。

Description

用于使用金属绝缘体转变装置来控制晶体管的辐射热的方法和电路
技术领域
本发明涉及一种金属绝缘体转变(MIT)装置，且更具体地，涉及一种用于使用MIT装置来控制功率晶体管的热生成的方法和电路。
背景技术
用于控制功率的功率晶体管已经广泛地使用在包括计算机的工业装置中。由于功率晶体管供应功率，所以它们生成大量的热。通常，保险丝连接到功率晶体管的基极或栅极，以便保护功率晶体管。
当其温度达到预定的危险温度时，保险丝熔断，从而截止并冷却晶体管，以便保护它。在昂贵设备中使用廉价的保险丝，从而可以通过检查保险丝是否被切断来保护包括所述设备的系统。然而，当更换/替换保险丝时，出现问题。
当更换/替换保险丝时，尽管保险丝廉价，但是它花费一定量的时间，并且在更换/替换保险丝时招致成本，并且由于在更换/替换保险丝期间不能使用设备所以可能导致经济损失。相应地，已经对可用作保险丝并且可连续地使用而无需被更换/替换的装置、和用于使用该装置来控制晶体管的辐射热的方法和电路进行了研究。
当前，当对蓄电池充电时，需要至少500mA的电流可流过其的功率晶体管。在这个情况下，功率晶体管的温度(TIP 29C和2A的最大电流)可增加到等于或大于100℃的温度，例如140℃。这样，温度保险丝被用于保护功率系统，并且铝散热器被用于冷却功率系统的热生成。
功率晶体管使用铝散热器来防止热生成。在这点上，由于散热器的尺寸大于晶体管的尺寸，所以散热器占用了功率系统中的大空间，这是对于这种功率系统的小型化的障碍。此外，由于晶体管的辐射热是从电能转换的废弃热能，所以应该克服关于辐射热的问题，以提高能量效率。
发明内容
技术问题
本发明提供了一种用于控制晶体管的辐射热的方法和电路，其中可通过使用金属绝缘体转变(MIT)装置来防止功率晶体管的热生成而保护功率晶体管，该金属绝缘体转变装置可用作保险丝并且可以半持久地(semi-permanently)使用。
技术解决方案
根据本发明的一方面，提供了一种用于控制晶体管的热生成的电路，所述电路包括：金属绝缘体转变(MIT)装置，其中在预定的临界温度处发生突然MIT；以及功率晶体管，连接到驱动装置，并控制对驱动装置的功率供应，其中，所述MIT装置被附着到晶体管的表面或发热(heating)部分，并且从电路角度而言、被连接到晶体管的基极端子或栅极端子或者周围电路，以及其中，当晶体管的温度增加到等于或大于预定的临界温度的温度时，MIT装置减少或关断晶体管的电流，以便防止热生成。
所述晶体管可以是NPN或PNP结晶体管。所述晶体管可以是金属氧化物半导体(MOS)晶体管。所述晶体管可包括使用输入到基极端子的光的光电二极管、光电继电器(photo relay)、和光可控硅整流器(SCR)中的任一个。所述晶体管可包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)、SCR、和三端双向可控硅开关元件中的任一个。
所述MIT装置可包括：MIT薄膜，其中在临界温度处发生突然MIT；以及至少两个电极薄膜，与MIT薄膜接触。所述MIT装置可以是其中所述至少两个电极薄膜被布置在MIT薄膜之间的堆叠类型、或者其中所述至少两个电极薄膜被布置在MIT薄膜的两侧的水平类型。所述MIT装置可以以双列直插封装(DIP)类型来封装或者以罐式(CAN)类型来封装，在双列直插封装类型中通过密封件来密封所述MIT薄膜和所述至少两个电极薄膜，在所述罐式类型中MIT薄膜的预定部分被暴露。所述MIT装置可以由薄膜、陶瓷或单晶体来制造。
所述MIT装置可以是DIP类型MIT装置，其中所述DIP类型MIT装置可包括与所述至少两个电极薄膜连接的两个外部电极、以及检测驱动装置的热生成并连接到MIT薄膜的外部发热端子。所述MIT装置可以是罐式类型MIT装置，其中所述罐式类型MIT装置包括与所述至少两个电极薄膜连接的两个外部电极端子，并通过经由所暴露的预定部分输入的红外线(即，热射线)来检测驱动装置的热生成。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于控制晶体管的热生成的电路，所述电路包括：MIT装置，其中在预定的临界温度处发生突然MIT；以及两个功率晶体管，连接到驱动装置的两侧，并控制对驱动装置的功率供应，其中，所述MIT装置被附着到所述两个功率晶体管中的至少一个的表面或发热部分，并且从电路角度而言、被连接到所述两个功率晶体管中的每一个的基极端子或栅极端子，以及其中，当所述两个功率晶体管中的第一晶体管的温度增加到等于或大于预定的临界温度的温度时，MIT装置关断第一晶体管的电流，并允许电流流过所述两个功率晶体管中的第二晶体管，以便防止所述两个功率晶体管的热生成。替换地，提供了一种用于控制晶体管的热生成的电路，所述电路包括替代第二晶体管使用并且被附着到第一晶体管的表面或发热部分的功率MIT装置，其中，当第一晶体管的温度增加到等于或大于预定的临界温度的温度时，所述功率MIT装置可补偿在第一晶体管中减少的电流量。
所述两个功率晶体管中的一个可以是NPN结晶体管，而所述两个功率晶体管中的另一个是PNP结晶体管。所述两个功率晶体管中的一个可以是N型MOS晶体管，而所述两个功率晶体管中的另一个是P型MOS晶体管，其中所述N型和P型MOS晶体管被分开地形成、或者集成为互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管。
所述功率晶体管和所述MIT装置可被设计为单个芯片，或者替换地，可被集成在单个封装中。
根据施加到MIT装置的电压，所述预定的临界温度可以变化。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于控制晶体管的热生成的电路，所述电路包括：MIT装置，其中在预定的临界温度处发生突然MIT；两个功率晶体管，连接到驱动装置的两侧，并控制对驱动装置的功率供应；以及晶体管(MIT晶体管)，用于保护MIT装置，控制MIT装置的电流，并朝向驱动装置供应功率，其中，所述MIT装置被附着到所述两个功率晶体管中的至少一个的表面或发热部分，并且从电路角度而言、被连接到所述两个功率晶体管中的每一个的基极端子或栅极端子，以及其中，当所述两个晶体管的温度增加到等于或大于预定的临界温度的温度时，MIT装置控制向所述两个晶体管供应的电流，以便控制所述两个晶体管的热生成。
所述两个功率晶体管中的一个可以是NPN结晶体管，而所述两个功率晶体管中的另一个是PNP结晶体管。当所述两个晶体管中的第一晶体管的温度增加到等于或大于所述临界温度的温度时，MIT装置可关断或减少第一晶体管的电流，并可以允许电流流过所述两个功率晶体管中的第二晶体管，以便防止所述两个功率晶体管的热生成，这是用于补偿在第一晶体管中减少的电流的方法。此外，可使用MIT装置来替代第二晶体管
所述MIT装置可布置在NPN结晶体管上，或者可共同地布置在NPN结晶体管和PNP晶体管上。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于控制晶体管的热生成的电路，所述电路包括：功率晶体管，连接到驱动装置，并控制对驱动装置的功率供应；第一MIT装置，连接到所述晶体管的基极端子或栅极端子或者周围电路，其中在预定的临界温度处发生突然MIT；第二MIT装置(功率MIT装置)，连接在所述晶体管的集电极端子或发射极端子之间，并且连接在所述晶体管的源极端子和漏极端子之间，其中在临界温度处发生突然MIT，其中，所述第一和第二MIT装置被附着到所述晶体管的表面或发热部分，其中，当所述晶体管的温度增加到临界温度时，第一装置和第二装置操作以便控制向所述晶体管供应的电流，并防止所述晶体管的热生成。
根据本发明的另一方面，提供了一种电气电子(electric-electronic)电路系统，包括用于控制晶体管的热生成的所述电路。所述电气电子电路系统还可包括蜂窝电话、计算机、电池充电器、电机控制器、包括音频设备的功率放大器、电气电子装置的功率控制电路和电源、和包括微处理器的集成功能集成电路(IC)的内部电路。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于控制连接到驱动装置并控制对驱动装置的功率供应的功率晶体管的热生成的方法，所述方法包括：将其中在预定的临界温度处发生突然MIT的MIT装置附着到功率晶体管的表面或发热部分，其中从电路角度而言、所述MIT装置被连接到功率晶体管的基极端子或栅极端子或者周围电路；以及当所述晶体管的温度增加到等于或大于临界温度的温度时，通过减少或关断功率晶体管的电流来防止功率晶体管的热生成。
两个晶体管可以被连接到驱动装置的两侧，以及其中当所述两个晶体管中的第一晶体管增加到等于或大于临界温度的温度时，MIT装置减少或关断第一晶体管的电流，并允许电流流过所述两个晶体管中的第二晶体管，以便防止两个晶体管的热生成。
有益效果
根据本发明，在用于控制晶体管的热生成的方法和电路中，附着到功率晶体管的MIT装置防止功率晶体管由于其温度的过度增加而错误地操作。这样，可以保护功率晶体管向其供应功率的所有装置或系统。
相应地，用于控制功率晶体管的热生成的电路可使用在使用功率晶体管的所有电气电子电路系统(诸如，蜂窝电话、笔记本计算机、电池充电电路、电机控制电路、电气电子装置的功率控制电路和电源、包括音频设备的功率放大器、和集成功能集成电路(IC)的内部电路)中。
此外，由于MIT装置可以半持久地使用，而无需更换或替换MIT装置，所以可以克服由于替换而招致的替换时间或成本的问题。
附图说明
通过参考附图来详细描述本发明的示范实施例，本发明的以上和其它特征和优点将变得更明显，其中：
图1是根据本发明实施例的使用金属绝缘体转变(MIT)装置来控制功率晶体管的热生成的电路的电路图。
图2是图示了由二氧化钒VO2形成的MIT装置的阻抗变化相对于MIT装置的温度的曲线图；
图3是图示了当将电压施加到由VO2形成的MIT装置时测量的电流相对于MIT装置的温度的曲线图；
图4A是根据本发明实施例的以双列直插封装(DIP)来封装的MIT装置的透视图；
图4B是如图4A图示的以DIP来封装的MIT装置的图像；
图4C是以罐式类型来封装的MIT装置的图像；
图5是检查控制图1的功率晶体管的热生成的电路的测试板的图像；
图6是根据本发明另一实施例的使用MIT装置来控制功率晶体管的热生成的电路的电路图；
图7是根据本发明实施例的被配置为单个芯片的包括MIT装置和晶体管的复合装置的横断面视图；
图8A和图8B是根据本发明另一实施例的控制功率晶体管的热生成的电路的电路图；
图9A至图9D是当将图8A或图8B的发热控制电路配置为单个芯片时、在晶体管和MIT装置之间的排列关系的结构视图；以及
图10是其中图8A的发热控制电路被配置为单个芯片的情况的芯片管脚的排列视图。
具体实施方式
现在，将参考其中示出了本发明的示范实施例的附图来更全面地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，并且不应该被解释为限于这里陈述的实施例；而是，提供这些实施例，使得这个公开将是彻底和完全的，并且将向本领域的技术人员全面传达本发明的构思。在图中，为了清楚而夸大了层的厚度和区域。还将理解，当层被称为处于另一层或衬底“之上”时，它可以直接处于该另一层或衬底之上，或者还可能存在居间层。附图中的相同的附图标记表示相同的元件，并因此将省略它们的描述。
图1是根据本发明实施例的使用金属绝缘体转变(MIT)装置100来控制功率晶体管的热生成的电路的电路图。
参考图1，根据本实施例的用于控制功率晶体管的热生成的电路包括功率晶体管200(即，PNP结晶体管)和MIT装置100。功率晶体管200的发射极和集电极分别连接到功率源Vcc和驱动装置300，并且功率晶体管200的基极连接到MIT装置100。
功率晶体管200控制对驱动装置300的大功率供应。如在本发明的背景技术中描述的，由于大电流而导致生成热，并且功率晶体管200可能由于热而错误地操作。当功率晶体管200错误地操作时，驱动装置300可能被破坏或毁坏。
为了控制功率晶体管200的热生成，根据本实施例的用于控制功率晶体管的热生成的电路包括与PNP晶体管的基极连接的MIT装置100。MIT装置100被附着到发热部分，例如功率晶体管200的表面，以便根据功率晶体管200的温度而进行操作。
在MIT装置100中，MIT在预定的临界电压、临界温度等处突然地发生，从而MIT装置100具有从绝缘体到金属的转变特性，或反之亦然。MIT装置100可被配置为成为堆叠(垂直)类型或水平类型。
在堆叠类型中，在衬底上依次形成第一电极薄膜、MIT薄膜、以及第二电极薄膜，在所述MIT薄膜中，在临界电压、临界温度等处发生突然的MIT。在水平类型中，在衬底上形成MIT薄膜，并且第一和第二电极薄膜被布置在MIT薄膜的两侧。当必要时，可以在衬底上形成缓冲层，以便减少在衬底与第一薄膜或MIT薄膜之间的晶格失配。MIT装置100的MIT薄膜可以由VO2、陶瓷或单晶体形成。
将参考图2和图3来更详细地描述MIT装置100的温度特性。现在，将描述经由MIT装置100来控制功率晶体管200的热生成的操作。
功率晶体管200的发射极经由第一电阻250连接到功率源Vcc。功率晶体管200的基极经由第二电阻器150连接到功率源Vcc。根据功率源Vcc适当地调整第一电阻器250和第二电阻器150的阻抗，以便正确地操作功率晶体管200并控制供应到驱动装置300的功率。
在根据本实施例的用于控制功率晶体管的热生成的电路中，MIT装置100连接到功率晶体管200的基极。在通常的时间中，即当功率晶体管200不辐射热时，由于基极电压大于连接到驱动装置300的集电极电压，所以功率晶体管200导通，从而向驱动装置300供应功率。
当功率晶体管200辐射热时，功率晶体管200的温度可增加到预定的临界温度。如果它达到预定的临界温度，则MIT装置100转变为金属，并从而基极电压改变到几乎0V。相应地，基极电压小于集电极电压，并且功率晶体管200截止，从而关断向驱动装置300供应的功率。由于功率(即，电流的流动)被关断，所以功率晶体管200停止辐射热并从而冷却。
当功率晶体管200冷却到低于预定的温度时，MIT装置100变换回为绝缘体，并且功率晶体管200导通，从而正常地向驱动装置300供应功率。
借助于具有取决于其温度的MIT特性的MIT装置100，可以半持久地控制功率晶体管200的热生成，而无需改变MIT装置100，这与保险丝的情况下不同。这样，可以安全地保护与功率晶体管200连接的、包括驱动装置300的系统或所有装置。
在本实施例中，虽然将PNP结晶体管例示为功率晶体管200，但是本发明不限于此。例如，在NPN结晶体管、N型或P型金属氧化物半导体(MOS)晶体管、或者N型或P型互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管的情况下，可以使用MIT装置100来控制热生成。在MOS晶体管的情况下，MIT装置可连接到栅极区。此外，MIT装置的端子接地。当必要时，其它周围电路可连接到MIT装置的端子，并且可连接在基极端子和MIT装置之间。
虽然例示了结型晶体管和MOS晶体管，但是可以使用光电二极管、光电晶体管、光电继电器、光可控硅整流器(SCR)等，它们使用输入到其基极端子的光。此外，可以使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)、SCR、三端双向可控硅开关元件等。
图2是图示了由二氧化钒VO2形成的MIT装置的阻抗变化相对于MIT装置的温度的曲线图。
参考图2，横轴是以K为单位的绝对温度，而竖轴是以欧姆Ω为单位的阻抗。MIT装置在等于或小于338K的绝对温度处具有等于大于105Ω的高阻抗，这代表了绝缘体的特性。然而，MIT装置的阻抗在大约338K(即，大约65℃(即“A”))处突然减少，并因此MIT装置获得具有几十Ω的阻抗的金属特性。如参考图1描述的，由于在MIT装置中在大约65℃处发生突然的MIT，所以MIT装置的阻抗突然减少。因此，可以看出，在这个实验中使用的MIT装置的临界温度是大约65℃。
在由VO2形成的MIT装置中，在65℃处发生突然MIT。然而，通过掺杂合适的材料，MIT装置的临界温度可以改变。此外，可通过改变MIT装置的构成元件的材料或结构来改变临界温度。同样，使用其中在临界温度处发生突然MIT的这种MIT装置，可以配置图1图示的、控制功率晶体管的热生成的电路的电路图。
图3是图示了当将电压施加到由VO2形成的MIT装置时测量的电流相对于MIT装置的温度的曲线图。
参考图3，当将1V的电压施加到MIT装置时，绘图示出了VO2的典型电流曲线。也就是说，图2的曲线图的绘图根据关于温度的阻抗而转换。此外，可以看出，电压越大，则其中发生突然MIT的、MIT装置的临界温度越小。
当所施加的电压接近于其中发生突然MIT的临界电压(即，21.5V)时，临界温度接近于室温。当向MIT装置施加22V的电压时，仅欧姆定律应用于所述装置，并且没有临界温度。也就是说，当向MIT装置施加等于或大于临界电压的电压时，温度改变不再导致突然MIT。
此外，在等于或大于取决于所施加的电压的临界温度的温度处，可以看出，在电流跳变之后，电流根据欧姆定律而变化。在大约68℃(即，“B”附近)处，当电压增加时，电流变化减少，这代表了构成MIT装置的VO2结构从正交晶系(orthorhombic system)改变到四方晶系(tetragonal system)。这是因为在大约68℃处发生VO2的结构相变(其中VO2的结构从正交晶系改变到四方晶系)，并相应地发生MIT(不是突然MIT)，从而生成电阻抗变化。这些特性不同于图2中所图示的、取决于临界温度的MIT特性。也就是说，在取决于临界温度的MIT特性中，没有发生结构相变，这公开在关于MIT装置的其它先前专利申请中。
根据本发明，在控制功率晶体管的热生成的电路中使用MIT装置，通过改变施加到MIT装置的电压，可以改变临界温度。利用具有可变临界温度的MIT装置，可以自由地设置和控制功率晶体管的温度。
可以使用其中可变电阻器串联连接到MIT装置的简单方法来变化施加到MIT装置的电压。例如，在图1的用于控制功率晶体管的热生成的电路中，通过将第二电阻器150用作可变电阻器，可以控制施加到MIT装置200的电压。可以根据施加到MIT装置200的电压和功率晶体管200的基极电压来设置第二电阻器150的阻抗。
图4A是根据本发明实施例的以双列直插封装(DIP)来封装的MIT装置的透视图。
参考图4A，MIT装置100被以DIP来封装。在这点上，DIP是其中用密封件来密封MIT装置100的构成元件(例如，衬底以及第一和第二电极薄膜)的封装形式。在DIP的情况下，可以形成外部电极端子140和160，以便将第一和第二电极薄膜连接到外部电极。此外，可以形成连接到MIT薄膜的外部发热端子180，以便MIT薄膜检测功率晶体管200的温度。附图标记120代表通过密封件来密封的封装的MIT装置。
如图4A所图示的，封装的MIT装置120可以以小尺寸来实施，例如具有竖边为1.6mm和横边为0.8mm的尺寸，但是本发明不限于此。也就是说，根据封装的MIT装置120的使用，封装的MIT装置120可以以比图4A的情况下更小或更大的尺寸来实施。
图4B和图4C分别是以DIP和罐式类型来封装的MIT装置的产品的图像。
图4B是如图4A图示的、以DIP来封装的MIT装置120的图像。图4C是以罐式类型来封装的MIT装置的图像。由于DIP的情况已经参考图4A进行了描述，所以将不重复其描述。以罐式类型封装来封装的MIT装置被密封，使得MIT薄膜的一部分被暴露到外面。在这个情况下，可在MIT薄膜的暴露部分上形成汇聚光的透镜。
在罐式类型MIT装置中，MIT薄膜的暴露部分通过电磁波(例如，诸如红外线之类的热射线)来检测温度。当所检测的温度等于或大于临界温度时，在MIT薄膜中出现MIT。相应地，可能不需要图4B的DIP的外部发热端子180。在图4C中，两个凸出的管脚的集合对应于图4B所图示的外部电极端子140和160。
图5是检查控制图1的功率晶体管的热生成的电路的测试板的图像。
图5图示了作为实际产品在底板衬底上实施的、图1的用于控制功率晶体管的热生成的电路。发光二极管(LED)300被用作驱动装置。MIT装置领域中的“PCTS”是可编程临界温度开关的缩写，其代表了可以控制MIT装置100的临界温度。这已经在参考图3描述可变电阻器时进行了描述。
MIT装置100和晶体管可被设计为单个芯片，或替换地，可被集成在单个封装中，这将参考图7进行描述。
图6是根据本发明另一实施例的使用MIT装置100来控制功率晶体管的热生成的电路的电路图。
参考图6，图示了用以控制功率晶体管的热生成的电路，其通过使用两个PNP和NPN结晶体管200a和200b来保护驱动装置300。也就是说，用于控制功率晶体管的热生成的电路包括连接到驱动装置300的两侧的PNP和NPN结晶体管200a和200b、以及共同地连接到PNP和NPN结晶体管200a和200b的MIT装置100。电阻器250a、250b和150b可具有与图1的情况下相同的功能。虽然电阻器150a形成在MIT装置100和地之间，以便保护MIT装置100，但是可省略电阻器150a。
图7是根据本发明实施例的被配置为单个芯片的包括MIT装置100和晶体管200的复合装置的横断面视图。
参考图7，MIT装置100形成在硅衬底上或蓝宝石衬底上。当MIT装置100形成在硅衬底上时，在SiO2薄膜上沉积MIT薄膜。这样，当晶体管200和MIT装置100被集成为单个芯片时，如图7所图示的，在晶体管200和MIT装置100之间形成SiO2绝缘层(未示出)。此外，经由在绝缘层中形成的接触孔来连接MIT装置100的电极和晶体管200。
在图6中，提供用于控制功率晶体管的热生成的电路，以便向驱动装置300连续地供应稳定的功率。在图1中，在存在热生成时，通过使功率晶体管200截止来在预定时间中不向驱动装置300供应功率。然而，需要连续将功率提供到一些电气或电子装置，而不关断该功率。这样，对于这样的电气或电子装置而言，用于控制功率晶体管的热生成的电路是有用的。
图6的用于控制功率晶体管的热生成的电路操作如下。在通常的时间中，由于MIT装置100处于绝缘体状态，所以电流没有流动。在这个情况下，由于PNP晶体管200a的基极电压大于PNP晶体管200a的集电极电压，所以PNP晶体管200a导通，并因此PNP晶体管200a向驱动装置300供应功率。此时，NPN晶体管200b截止，从而关断功率。
由于PNP晶体管200a向驱动装置300供应功率，所以PNP晶体管200a的温度增加。此时，MIT装置100变换为金属状态，并相应地，PNP晶体管200a截止，从而关断到驱动装置300的功率。然而，朝向NPN晶体管200b的基极供应电流，并且与NPN晶体管200b的集电极电压相比，NPN晶体管200b的基极电压减少，NPN晶体管200b导通，从而供应功率到驱动装置300。
相应地，即使由于PNP晶体管200a的热生成而关断功率，NPN晶体管200a也操作以供应功率到驱动装置300，并因此可以连续地向驱动装置300供应稳定的功率。
当PNP晶体管200a再次冷却时，MIT装置100进入绝缘状态。在这个情况下，PNP晶体管200a操作，并且NPN晶体管200b不操作。重复这些事件。
同样，可以使用MIT装置来代替保险丝，并且功率晶体管可以半永久地维持高可靠性。
在图6中，例示了PNP晶体管200a和NPN晶体管200b。当然，使用MIT装置的N型和P型晶体管可防止热生成，并且可以利用CMOS结构来使用N型和P型MOS晶体管。此外，可以将作为功率装置的IGBT、三端双向可控硅开关、SCR等用作PNP晶体管200a或NPN晶体管200b。
图8A和图8B是根据本发明另一实施例的用于控制功率晶体管的热生成的电路的电路图。
参考图8A，用于控制功率晶体管的热生成的电路包括MIT装置100、两个功率晶体管410和420、以及用于控制MIT装置100的电流的MIT晶体管MIT-NPN 430。将从电路的角度来更详细地描述所述电路。两个功率晶体管(即，PNP晶体管410和NPN晶体管420)分别经由集电极端子而连接在用于向驱动装置300供应功率的功率源Vcc与驱动装置300之间。此外，PNP晶体管410和NPN晶体管420的基极端子分别经由电阻器R2520和电阻器R3530而连接到MIT装置100。
NPN型的MIT晶体管MIT-NPN 430连接到MIT装置100，以便保护MIT装置100。MIT装置100连接在MIT晶体管430的发射极端子和基极端子之间，并经由电阻器R4540而连接到驱动装置300。PNP晶体管410和NPN晶体管420的基极端子以及MIT晶体管430经由电阻器R1连接到基本功率(base power)Vbase。
作为图8A的用于控制功率晶体管的热生成的电路的实验示例，由VO2形成的MIT装置100被附着到作为功率晶体管的NPN晶体管420(TIP 29C并且最大电流2A)的表面，使用R1＝100Ω、R2＝110Ω、R3＝1KΩ、R4＝0Ω、PNP晶体管410(TIP 32C且最大电流3A)和MIT晶体管430(TIP 29C)。
功率源Vcc是3.4V，并且基本功率Vbase是4.9V。此时，最初地，NPN晶体管420的基极电流是大约6mA，PNP晶体管410的基极电流没有流动，并且向驱动装置300供应的全部电流(即，大约0.8A)流过NPN晶体管420。然后，当NPN晶体管420的温度增加时，MIT装置100操作，从而发生从高阻抗到低阻抗的MIT，NPN晶体管420的基极电流减少到大约3.86mA并且PNP晶体管410的温度开始增加。这代表了电流流过PNP晶体管410。此时，向驱动装置300供应的全部电流为大约0.52A。
可以看出，当PNP晶体管410的发射极短路时，大约0.25A的发射极电流流过NPN晶体管420。这代表了大约0.25A的电流还朝向PNP晶体管410的发射极流动。此时，NPN晶体管420的表面温度是71℃，并且PNP晶体管410的表面温度是69℃。可使用与PNP晶体管410的基极连接的NPN晶体管来确认关闭图8A的用于控制功率晶体管的热生成的电路。也就是说，当NPN晶体管的发射极和集电极分别连接到PNP晶体管410和电阻器R3时，NPN晶体管的基极连接到基本功率Vbase，可以使用重复地接通/关断基本功率Vbase的脉冲来确认关闭图8A的电路。
图8B图示了图8A的电路的另一应用。设计图8B的电路，使得功率供应MIT装置110、而不是图8A中图示的PNP晶体管410被附着到NPN晶体管420，并且使得当NPN晶体管420的温度增加为等于或大于功率供应MIT装置110的临界温度的温度时，功率供应MIT装置110操作。更详细地，由于被附着到NPN晶体管420的基极的MIT装置100，在等于或大于临界温度的温度处，NPN晶体管420的电流从大约0.5A减少到大约0.25A。此外，大约0.2A的电流流动到代替图8A中图示的PNP晶体管410而使用的功率供应MIT装置110，并因此通过驱动装置300供应的全部电流是大约0.45A。由于代替PNP晶体管410而使用功率供应MIT装置110，该功率供应MIT装置110的阻抗在等于或大于临界温度的温度处低于晶体管，所以可以有效地减少晶体管的热生成。
在根据本发明的用于控制功率晶体管的热生成的电路中，对于相同的电流0.5A，与在传统电路情况下的表面温度140℃相比，NPN晶体管420的表面温度减少到70℃。这样，不需要铝散热器或温度保险丝。尽管用于控制功率晶体管的热生成的电路有点复杂，但是当将晶体管制作在单个芯片中时可简化该电路。此外，可使单个封装的MIT+晶体管复合装置充分地小型化。
图9A至图9D是当将图8A或图8B的发热控制电路配置为单个芯片时、在晶体管和MIT装置100之间的排列关系的结构视图。更详细地，图9A和图9B图示了图8A的发热控制电路被配置为单个芯片。图9C和图9D图示了图8B的发热控制电路被配置为单个芯片。
图9A图示了如下的安排，在所述安排中MIT装置100被布置在发热控制电路封装1000中的功率NPN晶体管420上，其中发热控制电路被配置为单个芯片。图9B图示了如下的安排，在所述安排中MIT装置100与发热控制电路封装1000a中的功率NPN晶体管420和PNP晶体管410的部分重叠。在图9B中，MIT装置100可根据功率NPN晶体管420和PNP晶体管410的温度来控制它们，并且可以将功率NPN晶体管420和PNP晶体管410的温度维持为类似的温度。
图9C图示了包括功率供应MIT装置110而不是图9A或图9B图示的PNP晶体管410的结构。图9D图示了还包括保护MIT装置110的NPN晶体管430(右面部分)的结构。
图10是其中图8A的发热控制电路被配置为单个芯片的情况的芯片管脚的排列视图。
在图8A的发热控制电路中被指示为圆点的端子1至8可分别连接到在所述单个芯片(即，图10的发热控制电路封装1000)之外凸出的芯片管脚1至8。芯片管脚的数目对应于图8A的发热控制电路中的数目。然而，本发明不限于此。
根据本发明的上述实施例，用于控制功率晶体管的热生成的电路可使用在使用功率晶体管的所有电气电子电路系统(诸如，蜂窝电话、笔记本计算机、电池充电电路、电机控制电路、电气电子装置的功率控制电路和电源、包括音频设备的功率放大器、和包括微处理器的集成功能集成电路(IC)的内部电路)中。
根据本发明，在用于控制晶体管的热生成的方法和电路中，附着到功率晶体管的MIT装置防止功率晶体管由于其温度的过度增加而错误地操作。这样，可以保护功率晶体管向其供应功率的所有装置或系统。
相应地，用于控制功率晶体管的热生成的电路可使用在使用功率晶体管的所有电气电子电路系统(诸如，蜂窝电话、笔记本计算机、电池充电电路、电机控制电路、电气电子装置的功率控制电路和电源、包括音频设备的功率放大器、和集成功能集成电路(IC)的内部电路)中。
此外，由于MIT装置可以半持久地使用，而无需更换或替换MIT装置，所以可以克服由于替换而招致的替换时间或成本的问题。
尽管已经参考本发明的示范实施例而具体示出和描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将理解，可以在其中进行形式和细节上的各种改变，而不脱离由接下来的权利要求限定的本发明的精神和范围。
发明模式
工业实用性
本发明涉及一种金属绝缘体转变(MIT)装置，且更具体地，涉及一种用于使用MIT装置来控制功率晶体管的热生成的方法和电路。根据本发明，在用于控制晶体管的热生成的方法和电路中，附着到功率晶体管的MIT装置防止功率晶体管由于其温度的过度增加而错误地操作。这样，可以保护功率晶体管向其供应功率的所有装置或系统。
序列列表文本

Claims (46)

1.一种用于控制晶体管的热生成的电路，所述电路包括：
金属绝缘体转变(MIT)装置，其中在预定的临界温度处发生突然MIT；以及
功率晶体管，连接到驱动装置，并控制对驱动装置的功率供应，
其中，所述MIT装置被附着到晶体管的表面或发热部分，并且从电路角度而言、被连接到晶体管的基极端子或栅极端子或者周围电路，以及
其中，当晶体管的温度增加到等于或大于预定的临界温度的温度时，MIT装置减少或关断晶体管的电流，以便防止热生成。
2.根据权利要求1的用于控制晶体管的热生成的电路，其中所述晶体管是NPN或PNP结晶体管。
3.根据权利要求1的用于控制晶体管的热生成的电路，其中所述晶体管是金属氧化物半导体(MOS)晶体管。
4.根据权利要求1的用于控制晶体管的热生成的电路，其中所述晶体管包括使用输入到基极端子的光的光电二极管(或光电晶体管)、光电继电器、和光可控硅整流器(SCR)中的任一个。
5.根据权利要求1的用于控制晶体管的热生成的电路，其中所述晶体管包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)、SCR、和三端双向可控硅开关元件中的任一个。
6.根据权利要求1的用于控制晶体管的热生成的电路，其中所述MIT装置包括：
MIT薄膜，其中在临界温度处发生突然MIT；以及
至少两个电极薄膜，与MIT薄膜接触。
7.根据权利要求6的用于控制晶体管的热生成的电路，其中所述MIT装置是其中所述至少两个电极薄膜被布置在MIT薄膜之间的堆叠类型、或者其中所述至少两个电极薄膜被布置在MIT薄膜的两侧的水平类型。
8.根据权利要求7的用于控制晶体管的热生成的电路，其中所述MIT装置以双列直插封装(DIP)类型来封装或者以罐式类型来封装，在双列直插封装类型中通过密封件来密封所述MIT薄膜和所述至少两个电极薄膜，在所述罐式类型中MIT薄膜的预定部分被暴露。
9.根据权利要求8的用于控制晶体管的热生成的电路，其中所述MIT装置是DIP类型MIT装置，其中所述DIP类型MIT装置包括与所述至少两个电极薄膜连接的两个外部电极、以及检测驱动装置的热生成并连接到MIT薄膜的外部发热端子。
10.根据权利要求8的用于控制晶体管的热生成的电路，其中所述MIT装置是罐式类型MIT装置，其中所述罐式类型MIT装置包括与所述至少两个电极薄膜连接的两个外部电极端子，并通过经由所暴露的预定部分输入的红外线(即，热射线)来检测驱动装置的热生成。
11.根据权利要求1的用于控制晶体管的热生成的电路，其中所述MIT装置由薄膜、陶瓷或单晶体来制造。
12.根据权利要求1的用于控制晶体管的热生成的电路，其中所述MIT装置由VO2形成。
13.根据权利要求1的用于控制晶体管的热生成的电路，其中所述MIT装置和晶体管被设计为单个芯片。
14.根据权利要求13的用于控制晶体管的热生成的电路，其中所述单个芯片具有其中MIT装置被布置在晶体管上的结构。
15.根据权利要求14的用于控制晶体管的热生成的电路，其中所述MIT装置被布置在形成于晶体管上的绝缘层上，其中MIT装置的电极和晶体管的电极经由在绝缘层中形成的接触孔来彼此连接。
16.根据权利要求1的用于控制晶体管的热生成的电路，其中所述MIT装置和晶体管被集成并使用在单个封装中。
17.根据权利要求1的用于控制晶体管的热生成的电路，其中所述临界温度根据施加到MIT装置的电压来变化。
18.一种用于控制晶体管的热生成的电路，所述电路包括：
MIT装置，其中在预定的临界温度处发生突然MIT；以及
两个功率晶体管，连接到驱动装置的两侧，并控制对驱动装置的功率供应，
其中，所述MIT装置被附着到所述两个功率晶体管中的至少一个的表面或发热部分，并且从电路角度而言、被连接到所述两个功率晶体管中的每一个的基极端子或栅极端子，以及
其中，当所述两个功率晶体管中的第一晶体管的温度增加到等于或大于预定的临界温度的温度时，MIT装置关断第一晶体管的电流，并允许电流流过所述两个功率晶体管中的第二晶体管，以便防止所述两个功率晶体管的热生成。
19.根据权利要求18的用于控制晶体管的热生成的电路，其中所述两个功率晶体管中的一个是NPN结晶体管，而所述两个功率晶体管中的另一个是PNP结晶体管。
20.根据权利要求18的用于控制晶体管的热生成的电路，其中所述两个功率晶体管中的一个是N型MOS晶体管，而所述两个功率晶体管中的另一个是P型MOS晶体管，其中所述N型和P型MOS晶体管被分开地形成、或者集成为互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管。
21.根据权利要求18的用于控制晶体管的热生成的电路，其中所述MIT装置包括其中在预定的临界温度处发生突然MIT的MIT薄膜、以及与MIT薄膜接触的至少两个电极薄膜，并且
其中所述MIT装置是其中所述至少两个电极薄膜被垂直地堆叠在MIT薄膜两侧的堆叠类型、或者其中所述至少两个电极薄膜被布置在MIT薄膜的两端的水平类型。
22.根据权利要求21的用于控制晶体管的热生成的电路，其中所述MIT装置以双列直插封装(DIP)类型来封装或者以罐式类型来封装，在双列直插封装类型中通过密封件来密封所述MIT薄膜和所述至少两个电极薄膜，在所述罐式类型中所述MIT薄膜的预定部分被暴露。
23.根据权利要求18的用于控制晶体管的热生成的电路，其中所述MIT装置由薄膜、陶瓷或单晶体来制造。
24.根据权利要求18的用于控制晶体管的热生成的电路，其中所述MIT装置由VO2形成。
25.根据权利要求18的用于控制晶体管的热生成的电路，其中所述MIT装置和晶体管被设计为单个芯片。
26.根据权利要求25的用于控制晶体管的热生成的电路，其中所述单个芯片具有其中MIT装置被布置在所述两个功率晶体管中的任一个上的结构。
27.根据权利要求25的用于控制晶体管的热生成的电路，其中所述单个芯片具有其中MIT装置被共同地布置在所述两个功率晶体管上的结构。
28.根据权利要求18的用于控制晶体管的热生成的电路，其中所述MIT装置和所述两个功率晶体管被集成并使用在单个封装中。
29.根据权利要求28的用于控制晶体管的热生成的电路，其中所述两个晶体管中的每一个包括使用输入到基极端子的光的光电二极管(或光电晶体管)、光电继电器、和光可控硅整流器(SCR)中的任一个。
30.一种用于控制晶体管的热生成的电路，所述电路包括：
MIT装置，其中在预定的临界温度处发生突然MIT；
两个功率晶体管，连接到驱动装置的两侧，并控制对驱动装置的功率供应；以及
晶体管(MIT晶体管)，用于保护MIT装置，控制MIT装置的电流，并朝向驱动装置供应功率，
其中，所述MIT装置被附着到所述两个功率晶体管中的至少一个的表面或发热部分，并且从电路角度而言、被连接到所述两个功率晶体管中的每一个的基极端子或栅极端子，以及
其中，当所述两个晶体管的温度增加到等于或大于预定的临界温度的温度时，MIT装置控制向所述两个晶体管供应的电流，以便控制所述两个晶体管的热生成。
31.根据权利要求30的用于控制晶体管的热生成的电路，其中所述两个功率晶体管中的一个是NPN结晶体管，而所述两个功率晶体管中的另一个是PNP结晶体管。
32.根据权利要求31的用于控制晶体管的热生成的电路，其中当所述两个晶体管中的第一晶体管的温度增加到等于或大于所述临界温度的温度时，MIT装置关断或减少第一晶体管的电流，并允许电流流过所述两个功率晶体管中的第二晶体管，以便防止所述两个功率晶体管的热生成。
33.根据权利要求32的用于控制晶体管的热生成的电路，其中，当第二晶体管操作以便反复地接通/关断驱动装置时，控制第二晶体管的另一晶体管被附着到第二晶体管的基极。
34.一种用于控制晶体管的热生成的电路，所述电路包括：
功率晶体管，连接到驱动装置，并控制对驱动装置的功率供应；
第一MIT装置，连接到所述晶体管的基极端子或栅极端子或者周围电路，其中在预定的临界温度处发生突然MIT；
第二MIT装置(功率MIT装置)，连接在所述晶体管的集电极端子或发射极端子之间，或者连接在所述晶体管的源极端子和漏极端子之间，其中在临界温度处发生突然MIT，
其中，所述第一和第二MIT装置被附着到所述晶体管的表面或发热部分，其中，当所述晶体管的温度增加到临界温度时，第一装置和第二装置操作以便控制向所述晶体管供应的电流，并防止所述晶体管的热生成。
35.根据权利要求34的用于控制晶体管的热生成的电路，其中保护所述MIT装置中的任一个的晶体管被附着其上。
36.一种电气电子电路系统，包括根据权利要求1、18和30中的任一项的用于控制晶体管的热生成的电路。
37.根据权利要求36的电气电子电路系统，还包括：蜂窝电话、计算机、电池充电器、电机控制器、包括音频设备的功率放大器、电气电子装置的功率控制电路和电源、和包括微处理器的集成功能集成电路(IC)的内部电路。
38.一种用于控制连接到驱动装置并控制对驱动装置的功率供应的功率晶体管的热生成的方法，所述方法包括：
将其中在预定的临界温度处发生突然MIT的MIT装置附着到功率晶体管的表面或发热部分，其中从电路角度而言、所述MIT装置被连接到功率晶体管的基极端子或栅极端子或者周围电路；以及
当所述晶体管的温度增加到等于或大于临界温度的温度时，通过减少或关断功率晶体管的电流来防止功率晶体管的热生成。
39.根据权利要求38的方法，其中所述晶体管包括NPN或PNP结晶体管、MOS晶体管、IGBT、SCR或三端双向可控硅开关元件。
40.根据权利要求38的方法，其中两个晶体管被连接到驱动装置的两侧，以及
其中当所述两个晶体管中的第一晶体管增加到等于或大于临界温度的温度时，MIT装置减少或关断第一晶体管的电流，并允许电流流过所述两个晶体管中的第二晶体管，以便防止两个晶体管的热生成。
41.根据权利要求40的方法，其中所述两个功率晶体管中的一个是NPN结晶体管，而所述两个功率晶体管中的另一个是PNP结晶体管。
42.根据权利要求40的方法，其中所述两个功率晶体管中的一个是N型MOS晶体管，而所述两个功率晶体管中的另一个是P型MOS晶体管，其中所述N型和P型MOS晶体管被分开地形成、或者集成为互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管。
43.根据权利要求40的方法，其中所述两个晶体管被配置为其中组合了双极型晶体管和MOS晶体管的电路。
44.根据权利要求38的方法，其中还包括功率MIT装置，该功率MIT装置连接在所述晶体管的集电极端子和发射极端子之间、和或连接在所述晶体管的源极端子和漏极端子之间，其中在预定温度处发生突然MIT，
其中功率供应MIT装置被附着到晶体管的表面或发热部分。
45.根据权利要求38的方法，其中所述MIT装置和晶体管被设计为单个芯片。
46.根据权利要求38的方法，其中所述MIT装置和两个功率晶体管被集成并使用在单个封装中。
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