CN102739221A - 过热保护三端双向可控硅开关及其保护方法 - Google Patents

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Abstract

一种三端双向可控硅开关电路，包括：三端双向可控硅开关，具有第一和第二主端子(MT1、MT2)和栅极端子，以及晶闸管，连接在所述主端子(MT1、MT2)之一与所述三端双向可控硅开关电路的控制端子之间。当通过温度诱导泄漏电流接通晶闸管时，所述晶闸管用于防止所述三端双向可控硅开关的接通。

Description

过热保护三端双向可控硅开关及其保护方法
技术领域
本发明涉及三端双向可控硅开关(triac)。
背景技术
三端双向可控硅开关是一种被触发时可以沿任一方向传导电流的电子部件。
三端双向可控硅开关近似等效于反向并联连接的两个互补单向晶闸管(thyristor)。可以通过向三端双向可控硅开关的栅电极上施加正电流或者负电流来触发三端双向可控硅开关。一旦被触发，所述器件将持续导通直至流经其上的所述电流下降到某个阈值(即保持电流(holdingcurrent))之下为止，诸如在交流(AC)干线电源的半周期结束时。这使得所述三端双向可控硅开关成为对于AC电路的一种非常方便的开关，允许控制功率流。
按照惯例，三端双向可控硅开关具有两个主端子(main terminal)MT1和MT2以及栅极端子。当在主端子MT1上的电压相对于在另一个主端子MT2上的电压为正，并且施加正或者负栅极电流时，其中内部晶闸管之一导通。当所述电压反转并且向所述栅极施加正或者负栅极电流时，另一个内部晶闸管导通。这样在所述器件两端提供足够的电压，使得最小保持电流能够流动。
在实际应用中，假如发生短路负载故障，过量电流将流经所述三端双向可控硅开关直到芯片过热失效为止。这是三端双向可控硅开关的最常见失效模式中的一种。
因此，当它变得太热时并且在器件失效之前，需要能够关断所述三端双向可控硅开关。三端双向可控硅开关通常在交流半周期结束时关断，但是如果存在栅极触发信号出现它将再次接通。因此，需要一种三端双向可控硅开关电路，它能够检测器是否已经到达临界温度，而且即使存在栅极触发信号出现，在下一个半周期也拒绝接通所述三端双向可控硅开关电路。
然而，为了限制成本，需要用尽量少的附加部件来实现这种电路，并且优选地以一种简化了所述附加电路部件与所述三端双向可控硅开关集成的方式来实现这种电路。
发明内容
根据本发明，提供了一种三端双向可控硅开关电路，包括：
三端双向可控硅开关，具有第一和第二主端子以及栅极端子；以及
晶闸管，连接在其中所述三端双向可控硅开关电路的主端子之一与控制端子之间。
所述晶闸管可以是任何晶闸管型结构，即具有至少四层交替的N型和P型材料的晶闸管类型。因此应当这样理解术语“晶闸管”。
所述晶闸管的功能是当所述晶闸管变热时防止将施加在所述控制端子的栅极控制信号施加在所述三端双向可控硅开关的栅极端子。优选地，所述晶闸管与所述三端双向可控硅开关的MT1端子相连。
所述晶闸管是在所述三端双向可控硅开关的所述控制端子与其中主端子之一之间的附加部件，以便为所施加的栅极电流提供并联路径。当变热时该并联路径应当变成非常低的阻抗，有效地在所述控制端子和所述主端子之间形成短路并且“抢走”所述三端双向可控硅开关上的任何栅极电流。因此，任何所施加的栅极电流优选地流经这个低阻抗并联路径，而不是流经所述三端双向可控硅开关中的内部PN结结构。这样，所述晶闸管用作温度敏感开关。
许多具有温度依赖性传导特性使得电流随着温度升高而大大增加的半导体部件或者结构可以用在这个位置，来抢走所述三端双向可控硅开关的栅极电流并且因此使得它不能接通。然而，因为三端双向可控硅开关的触发特性在两个方向上是不相同的，这种部件的使用将很可能导致“半波”(half-waving)，一个方向的传导在比另外一个方向更低的温度下失效。该“半波”可以导致电感负载不期望的饱和。这是为什么需要晶闸管类的结构来提供这种功能：它具有两个稳定的状态并且在特定的温度下将快速地从阻断状态(blocking state)切换至短路状态。这两种状态之间的差异足以确保所述三端双向可控硅开关触发的两个方向同时失效。
作为两种稳定状态的结果，所述晶闸管也提供快速转变(changeover)，并且可以快速地从阻断状态切换至短路状态。
优选地，所述晶闸管设计为使得在期望的温度控制范围内，能够由其自身的热致(thermally generated)泄漏电流将它接通。
在所述控制端子和栅极端子之间可以提供诸如二极管之类的电压降元件。这用于增加需要施加至所述控制端子的驱动电压，并且意味着所述晶闸管在提供短路路径时更加有效。因此所述二极管用来提高所述栅极的阈值电压，使得所述晶闸管能够更有效地关断所述三端双向可控硅开关。优选地，所述控制栅极端子与所述二极管的阴极和所述晶闸管的阴极相连。
优选地，所述晶闸管的栅极是开路，使得不需要外部控制信号。当变热时，利用具有合适灵敏度的晶闸管可以自触发至接通状态(on-state)。
例如，当达到100至200℃范围内的温度时，作为泄漏电流的结果所述晶闸管可以接通。
优选地，所述晶闸管包括单向器件，并且最优选地是可控硅整流器(SCR)。当所述晶闸管由可控硅整流器实现时，提供了一种当变热时能够使所述三端双向可控硅开关的栅极失效的既便宜又简单的解决方案。
本发明还为三端双向可控硅开关提供了一种温度保护方法，包括形成一种三端双向可控硅开关电路，该三端双向可控硅开关电路包括所述三端双向可控硅开关和在所述三端双向可控硅开关电路的控制端子和所述三端双向可控硅开关的主端子之间的路径中的晶闸管。
附图说明
现在将参考附图详细地描述本发明的示例，其中：
图1示出了一种本发明电路的三端双向可控硅开关的结构以及概念性功能；
图2示出了本发明所述电路如何为所述三端双向可控硅开关栅极电流提供替代路径；
图3示出了晶闸管的结构并且示出了本发明电路的两个示例；
图4示出了实现本发明电路的第一种方式；
图5示出了实现本发明电路的第二种方式；
图6示出了实现本发明电路的第三种方式；
图7示出了实现本发明电路的第四种方式；
图8示出了实现本发明电路的第五种方式；
图9示出了实现本发明电路的第六种方式。
具体实施方式
本发明提供了一种三端双向可控硅开关电路，包括具有第一和第二主端子和栅极端子的三端双向可控硅开关，以及连接在所述三端双向可控硅开关电路的主端子之一与控制端子之间的晶闸管。
图1概念地示出了本发明电路的期望电路操作。所述三端双向可控硅开关10(或者称作双向三极晶闸管，bidirectional triodethyristor)用作具有单个栅极端子反向并联的一对晶闸管。在图1(a)中示出了这种结构的示例。存在两个主端子MT1和MT2以及栅极。
如图1(b)和(c)所示，期望能够利用开关器件12的形式将三端双向可控硅开关10的控制输入信号与所述三端双向可控硅开关栅极隔离。图1(b)示出了低温情况，这时所述电路输入处的控制信号传递给所述三端双向可控硅开关栅极，而图1(c)示出了高温情况，这时所述控制信号与所述栅极隔离。
除了如图1所示的串联开关之外，本发明是基于在所述三端双向可控硅开关栅极与主端子MT1和MT2之一之间的部件的使用。
如图2(a)所示，开关器件20在所述栅极与主端子之一之间，并且在低温期间关断，使得所述三端双向可控硅开关10正常工作。当检测到高温时，所述开关器件20接通，如图2(b)所示，并且为主端子之一的控制信号提供了低阻抗路径，从而阻止所述控制信号电流到达所述三端双向可控硅开关栅极。
出于这种解释的目的，施加在电路输入上的信号称作控制输入，并且将其施加在所述控制端子上。在所述三端双向可控硅开关的栅极上的得到的信号称作栅极信号，并且所述三端双向可控硅开关的栅极称作栅极端子。
图3(a)示出了本发明的第一种实现，其中图2的开关器件20实现为晶闸管30，例如晶闸管的最简单形式，反向阻断三极晶闸管(reverse blocking triode thyristor)，通常称作可控硅整流器。然而，可以使用其他晶闸管设计。
图3(b)示出了晶闸管的四层结构，包括p-n-p-n叠层，在中间叠层之一处具有控制栅极。
本发明是基于晶闸管可由泄漏电路接通的原理的使用。这些泄漏电路随着温度而升高，并且假如允许所述结温度上升地足够高，将启动所述晶闸管再生回路的闭锁(latching)，从而允许正向传导。
所述晶闸管的栅极是开路，即没有外部连接，使得没有将接通信号施加至所述栅极上，并且实际上不需要实现与所述晶闸管栅极的信号连接。
在图3(a)的电路的工作期间，所述晶闸管初始地处在其阻断(开路)状态，因为其栅极是开路。施加至所述三端双向可控硅开关的外部施加控制信号(以栅极电流的形式)将在所述三端双向可控硅开关栅极结构中正常地流动，以便接通所述三端双向可控硅开关。
假如三端双向可控硅开关/晶闸管组合变得非常热，所述晶闸管将自启动(self-turn-on)至低阻抗状态。利用适当低的接通状态电压，所有栅极电流现在将优先地流经所述晶闸管，抢走所述三端双向开关开关的任何栅极电流。
在所述晶闸管通过过热事件自触发之后，只要来自所述控制端子的所述电流保持施加在所述三端双向可控硅开关电路上，并且只要该电流大于所述晶闸管的保持电流，晶闸管都将保持接通状态。这样，即使当过载条件已经过去并且所述温度已经下降，所述三端双向可控硅开关保持失效。
在所述控制端子处的栅极电压复位至零(以便使所述电流停止流经晶闸管)并且所述温度低于跳变点(trip point)之后，所述三端双向可控硅开关将再次开始正常工作。
图3(a)的电路已经采用分立部件(discrete component)进行了测试。可以使用敏感晶闸管，它最有可能只通过温度自启动。所述电路已经显示正常地工作。然而，需要仔细选择部件，以便使所述晶闸管的接通状态电压下降地足够小于典型三端双向可控硅开关的栅极触发电压。
为了提供所用部件选择的更大自由度，可以使用图3(c)的电路。该电路在控制输入端子(“控制”)和栅极端子(“栅极”)之间提供了二极管32，并且晶闸管位于在所述控制端子和主端子之一(在该示例中的MT1)之间。
因此，所述二极管和晶闸管在所述三端双向可控硅开关栅极和其主端子之一之间是串联的，并且它们之间的结点形成了所述控制输入端子。
所述二极管32的目的是提高所述三端双向可控硅开关10的栅极触发电压。
然后总的有效阈值电压(所述三端双向可控硅开关的栅极阈值电压加上所述二极管的正向电压)高于所述晶闸管的接通阈值电压。当所述晶闸管接通时，它使所述三端双向可控硅开关在两个方向上都完全失效。
与图3(a)相比，所述晶闸管的方向已经反转。因此，这涉及一种负栅极触发的实现。对于高电流负载的大多数栅极触发电路采用负栅极电流工作。
因此本发明可应用于正栅极电流和负栅极电流三端双向可控硅开关电路。当使用二极管时，当然要适当地选择二极管的方向，使它在正偏置方向上传导三端双向可控硅开关栅极电流。
所述晶闸管设计用于简单地用作温度开关，而不施加外部控制信号。
可以按照多种方式制造所述整体电路(三端双向可控硅开关+晶闸管或者三端双向可控硅开关+晶闸管+二极管)。
理想地，所有部件应当被集成在与正常的三端双向可控硅开关相同的封装内。然后，用户可以将正常的负载电流引线与MT1和MT2相连，并且将栅极控制引线与控制端子相连。所述电路可以保持为三端电路。所述器件提供正常的三端双向可控硅开关行为加上过热保护。如果需要，可以提供用于访鏻所述三端双向可控硅开关的栅极端子的端子，使得可以旁路所述过热保护电路(这将给出一种四端子电路)。
所述晶闸管应当与所述三端双向可控硅开关紧密热接触，使得所述三端双向可控硅开关中的过热(无论出于何种原因的过载)造成所述晶闸管自触发并且使所述三端双向可控硅开关失效。
在图4中示意性地示出了实现所述电路的第一种方式。
提供了三个分立部件——晶闸管30、二极管32和三端双向可控硅开关10作为安装在一个封装中的分立芯片。如图4所示，晶闸管30和二极管32表面安装在所示三端双向可控硅开关10的接触焊盘的上方。这是最直接的解决方案，并且可以简单地测试。所述三端双向可控硅开关需要设计成能够在所述栅极上装配(fit)所述二极管32。
在图4所示的示例中，示出了晶闸管放置在三端双向可控硅开关的有源区一侧。这将更加有效地防止所述结构的一半中的过载(与正的或者负的负载电流相对应)，但是来自另外一半中的过载的热量不得不在所述三端双向可控硅开关失效之前到达被保护的一半。因此，单个保护晶闸管将替代地设置在所述有源区的中心。可以通过并联两个保护晶闸管来获得防止任何一半中源自短路的快速温度上升的改进保护，在每一半三端双向可控硅开关的中心各有一个保护晶闸管。无论哪一个晶闸管先自动断开(trip)都将保护所述三端双向可控硅开关。因此，尽管在图4中以及下面的其他示例中示出了单个保护晶闸管，但是应当理解本发明可以拓展至包括两个(或者多个)保护晶闸管。
在图5中示意性地示出了实现所述电路的第二种方式。在这种情况下，存在所述晶闸管30和二极管32单片集成，用作单个部件50，然后将所述单个部件附着在所述标准三端双向可控硅开关芯片10的顶面上。这提供了一种较低组装或者封装成本的解决方案。所述晶闸管和二极管可以设计成能够应用于不同三端双向可控硅开关设计的部件。
在图6中示意性地示出了实现所述电路的第三种方式。在这种情况下，存在所述三端双向可控硅开关10和二极管32单片集成，然后在所述主端子MT1的顶面上附着所述晶闸管芯片30。
在图7中示意性地示出了实现所述电路的第四种方式。这种设计利用所述栅极区域上的多晶硅二极管提供了所述三端双向可控硅开关和二极管的集成，然后将所述晶闸管芯片30附着到顶面上。
在图8中示意性地示出了实现所述电路的第五种方式，其中所述三端双向可控硅开关、晶闸管和二极管集成在一个芯片中。在这种设计中，单个晶片80划分成用于所述三端双向可控硅开关10、晶闸管30和二极管32的不同区域。隔离扩散区域82使所述三端双向可控硅开关与所述二极管和晶闸管分离。在该示例中，每个器件都包括在n型衬底中的p型阱，并且能够同时形成这些p型阱。所述晶闸管30具有另一n型区域，该区域可以与所述三端双向可控硅开关的发射极同时形成。
该方法实质上提供了在所述晶片中并排排列的三个部件，具有共享的层处理。
在图9中示出了所述部件更积极的集成。
附加扩散区域用于在所述MT1端子和所述控制端子之间限定所述晶闸管30的n-p-n-p结构，以及用于限定所述二极管32的p-n结构。如图所示，在它们之间共享n型区域。
所述控制端子(“控制”)通过所述二极管32与栅极接触90相连，并且该栅极接触90随后通过所述芯片上的金属总线与所述三端双向可控硅开关的栅极相连。
如图中91所示，可以调节结宽度以便调节所示晶闸管的温度灵敏度。可以对于不同的操作象限(operating quarter)调节处理来避免当所述晶闸管接通时的误触发，，例如通过增加如92所示的氧化物(对于区域2)以及移动N+区域93(对于象限3)。
许多其他的选择和实施例可以实现这个概念，包括在相同硅芯片上单片集成所述部件中的任意两个并且采用组装技术连接第三个，或者单片地集成所有部件。
上述集成示例都包括了二极管的使用。然而，可以只用合适的三端双向可控硅开关和晶闸管来实现本发明，当然这进一步简化了部件的集成。此外，二极管不是能够用于形成电压阶跃(voltage step)的唯一部件。例如，可以使用电阻器，尽管这只适用于相对恒定的栅极电流，因为所述电压降将依赖于所述电流。本领域普通技术人员应当理解，其他的分立器件也可以用于提供电压降。
在上述示例中，所述晶闸管设置在所述控制端子和主端子之一之间。然而，这并不需要是直接连接，而是在所述路径中可以存在其他部件。
本领域普通技术人员应当理解各种其他变化。

Claims (15)

1.一种三端双向可控硅开关电路，包括：
三端双向可控硅开关(10)，具有第一和第二主端子(MT1、MT2)以及栅极端子；以及
晶闸管(30)，连接在所述主端子(MT1、MT2)之一与所述三端双向可控硅开关电路的控制端子之间。
2.根据权利要求1所述的三端双向可控硅开关电路，其中调节所述晶闸管(30)，使得当上升至期望温度时，通过由晶闸管自身的热致泄漏电流将所述晶闸管接通。
3.根据前述权利要求中任一项所述的三端双向可控硅开关电路，其中所述晶闸管包括可控硅整流器SCR。
4.根据前述权利要求中任一项所述的三端双向可控硅开关电路，还包括在所述控制端子和所述栅极端子之间的电压降元件。
5.根据前述权利要求中任一项所述的三端双向可控硅开关电路，其中所述电压降元件包括二极管(32)。
6.根据权利要求5所述的三端双向可控硅开关电路，其中所述控制端子与所述二极管(32)的阴极和所述晶闸管(30)的阴极相连。
7.根据前述权利要求中任一项所述的三端双向可控硅开关电路，其中所述晶闸管的栅极端子是开路。
8.根据前述权利要求中任一项所述的三端双向可控硅开关电路，其中当达到100至200℃范围内的温度时，作为泄漏电流的结果所述晶闸管接通。
9.一种为三端双向可控硅开关提供温度保护的方法，包括：形成一种三端双向可控硅开关电路，该三端双向可控硅开关电路包括三端双向可控硅开关(10)和在所述三端双向可控硅开关电路的控制端子和所述三端双向可控硅开关(10)的主端子(MT1)之间的路径中的晶闸管(30)。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括在所述控制端子和所述栅极端子之间提供电压降元件。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述电压降元件包括二极管(32)。
12.根据权利要求9、10或11所述的方法，包括使所述晶闸管(30)的栅极端子开路。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其中调节所述晶闸管(30)，使得当上升至期望温度时，通过由晶闸管自身的热致泄漏电流将所述晶闸管接通。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，其中设计所述晶闸管(30)，使得当达到100至200℃范围内的温度时，作为由所述晶闸管自身的热致泄漏电流的结果将所述晶闸管接通。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的方法，其中所述晶闸管(30)包括可控硅整流器SCR。
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