CN1307797C - 输出mos晶体管的过电压保护电路 - Google Patents
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Abstract
过电压保护电路用于输出MOS晶体管和负载串联在第一电源和第二电源之间的电路。过电压保护电路包含控制信号电路、动态箝位电路、控制开关和电涌检测电路。控制信号电路连接在所述输出MOS晶体管的栅极和所述负载之间，而动态箝位电路连接所述输出MOS晶体管的所述栅极。控制开关连接在所述第一电源和所述动态箝位电路以及电涌检测电路之间，该电涌检测电路监视所述第一电源的电压并在所述第一电源的电压升高到比预定电压高的电压时断开所述控制开关。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体集成电路，具体地说涉及一种半导体集成电路中的输出MOS晶体管的过电压保护电路。
背景技术
通常，过电压保护电路被广泛用于保护晶体管免遭诸如电涌电压(serge voltage)此类的过电压的损害，在日本公开专利申请(JP-A-Heisei 06-204410)中披露的动态箝位电路也被称为过电压保护电路。
图1示出这种动态箝位电路的结构，其由电阻器5、MOS晶体管6、输出MOS晶体管7、负载9和动态箝位电路10组成。如图1所示，输出MOS晶体管7和负载9串联在第一电源1和第二电源2之间，以形成N沟道源极跟随电路结构。输出MOS晶体管7和负载9之间的节点与输出端8连接。响应提供给节点A的第一控制信号3，控制输出MOS晶体管7的ON/OFF状态，该节点A通过栅电阻5与栅极端(即节点B)相连。第一控制信号3是一个升压电路(未示出)的输出电压信号。当输出MOS晶体管7导通时，第一控制信号3具有比第一电源1的电压高的电压电平信号，并且当输出MOS晶体管7断开时，其具有基本上与第二电源2的电压相同的电压。
MOS晶体管6连接在节点A和输出端8之间，以便当输出MOS晶体管7断开时释放输出MOS晶体管7的栅电荷。响应提供给栅极端(即节点C)的第二控制信号4，在ON/OFF状态之间控制MOS晶体管6。当输出MOS晶体管6导通时，第二控制信号4具有与第一电源1的电压基本相同的电压，并且当输出MOS晶体管6断开时，其具有与第二电源2的电压基本相同的电压。当第一控制信号3处于高电平时，第二控制信号4变为低电平。反之也成立。动态箝位电路10连接在第一电源1和节点B之间。动态箝位电路10由齐纳二极管D1和二极管D2串联组成。
接下来，将描述该电路的操作。当应将输出MOS晶体管7断开时，就将第一控制信号3设置为低电平，而将第二控制信号4设置为高电平。在这时候，MOS晶体管6导通，如此使得输出MOS晶体管7的栅电荷或节点B的电荷被通过输出端8和负载9释放到第二电源2。由于负载的电感成份(像螺线管和电线束这样的电感负载的电感成份)的原因，在输出端8生成了由反电动势所引起的负输出电压。在用于汽车的高压侧开关中，输出MOS晶体管7的击穿电压被设置为60伏或更高，而动态箝位电路10的击穿电压被设置为大约40-60伏，这一电压近似地等于齐纳二极管D1的击穿电压。当外加电压超过输出MOS晶体管7的击穿电压时，输出MOS晶体管7被击穿，从而流出击穿电流。因此，如果不由动态箝位电路10执行过电压保护，那么将会存在输出MOS晶体管7性能下降的可能。由于在输出端8所生成了负输出电压，因此当将高于动态箝位电路10的击穿电压的电压施加于第一电源1和输出端8之间时，输出MOS晶体管7中的漏极和源极之间的电压被箝位在动态箝位电路10的击穿电压。由于有负输出电压，因此对负载进行设计，以便在过电压保护电路运行时，流过输出MOS晶体管7的电流不会跨越安全操作区。因此，就不会存在损坏输出MOS晶体管7的情况。
另一方面，当在交流发电机发电期间断开了电池电极时，在第一电源1处产生正电压断电电涌。当输出MOS晶体管7处于断开状态时，如果施加断电电涌，那么运行动态箝位电路10以至于击穿动态箝位电路10，这就像产生负输出电压的情况。在这时候，栅电压升高使得输出MOS晶体管7导通。结果，流过输出MOS晶体管7的电流跨越了安全操作区(SOA)。因此，使输出MOS晶体管7遭到损坏。
顺便说一下，在上述提到的高压侧开关中，输出MOS晶体管7的导通电阻很小。输出MOS晶体管7由一组单元组成，这组单元如同在日本公开专利申请(JP-P2002-343969A)中披露的一组单元。作为实现低电阻的一种方法，一种方法是将单元尺寸减到能够降低每单位面积的导通电阻。通过减小单元，出现了一种现象，即由于在将高电压施加在输出MOS晶体管7中的漏极和源极之间的状态中的二次击穿使得前推SOA变窄。这限制了运行在这个区域中的过电压保护电路。因为安全操作区变窄，如果当施加断电电涌的过电压时运行过电压保护电路，那么操作点跨越了安全操作区，以致导致输出MOS晶体管7发生热损坏。如果输出MOS晶体管7具有很宽的安全操作区，那么这个现象就不会产生问题。
结合以上所述，在日本公开专利申请(JP-A-heisei 6-252721)中披露了一种半导体开关的驱动电路。在这个现有实例的驱动电路中，半导体开关控制与负载驱动电源相连的负载的电力供应。当半导体开关断开时，基于半导体开关和负载之间的电压上升，齐纳二极管将半导体开关设置为ON状态。第二半导体开关与齐纳二极管串联连接。由于齐纳二极管的短路，因此提供一种短路检测电路以根据半导体开关和负载之间的电压而断开第二半导体开关。
此外，在日本公开专利申请(JP-A-Heisei 8-8704)中披露了一种高压侧开关电路。在这个现有实例的高压侧开关电路中，升压部件为高压侧开关的第一MOS晶体管提供通过升压供电电压而获得的栅电压。电涌检测部件检测高于最大额定供电电压的电涌电压。在电源端和升压部件之间提供了第二MOS晶体管，并且根据电涌检测部件的输出断开该第二MOS晶体管。在第二MOS晶体管的栅极和电源端之间提供电阻。在第二MOS晶体管的栅极和接地之间提供第三MOS晶体管。通过第一二极管，由升压部件升高的电压反馈给第二MOS晶体管的栅极。电涌检测部件的输出端与第三MOS晶体管的栅极相连。当第二MOS晶体管断开时，第三MOS晶体管导通。
此外，在日本公开专利申请(JP-A-Heisei 8-288817)中披露了一种半导体器件。在这个现有的实例中，半导体器件由功率MOSFET组成，功率MOSFET具有与电源端连接的漏极和与输出端连接的源极。第一MOSFET安排在功率MOSFET的栅极和控制电路的接地之间，以根据输入端的电压断开功率MOSFET。第二MOSFET安排在功率MOSFET的栅极和输出端之间，以根据输入端的电压断开功率MOSFET。栅极充电电路连接功率MOSFET的栅极，以根据输入端的电压导通功率MOSFET。
此外，在日本公开专利申请(JP-A-Heisei 9-163583)中披露了一种半导体器件的保护电路。在IGBT的反向偏置安全操作区中，在电流低于IGBT的额定电流的情况下，准许电压为高电压，并且该准许电压随着电流的变大而下降。因此，在这个现有的实例中，至少两个箝位装置串联在IGBT中的集电极和栅极之间。以并联的形式将开关提供给这些箝位装置，而不是提供给一个箝位装置。开关控制单元根据检测部件检测的集电极电流来控制开关。当IGBT的集电极电流与额定电流等同小时，打开开关，以致于所有的箝位装置都连接在IGBT的集电极和栅极之间。因此，提高了IGBT的箝位电压。
在日本公开专利申请(JP-A-Heisei 9-298834)中披露了一种具有电涌保护功能的负载驱动电路。在这个现有的实例中，负载驱动电路具有电涌保护功能，其由输出晶体管和控制电路部件组成。该输入晶体管的发射极通过负载接地，而集电极与电源线连接；控制电路部件控制输出晶体管的栅电压，以对输出晶体管执行ON/OFF控制。电涌检测电路部件检测供电线路上的电源电涌电压。当检测到电源电涌电压时，驱动电路部件根据电涌检测电路部件的输出电压从供电线路向输出晶体管的栅极提供电压，以致于输出晶体管导通。
此外，在日本公开专利申请(JP-A-Heisei 11-32429)中披露了一种半导体集成电路。在这个现有实例的半导体集成电路中，晶体管与输出端连接以驱动负载。晶体管控制电路控制该晶体管。当晶体管的栅极和输出端之间的电压高于预定电压时，包含在箝位电路中的过电压保护部件开始进入导电状态。箝位控制电路检测晶体管控制电路的控制信号的变化，并根据检测结果控制箝位电路的操作。
此外，在日本公开专利申请(JP-A-Heisei 11-41801)中披露了一种电压箝压电路。在该现有实例中，电压箝压电路由电源、三端恒压装置和箝位电路组成。三端恒压装置的三个终端中的两个终端连接在该电源的输出端之间，而箝位电路与三端恒压装置的第一或第三端连接。在箝位电路中，第一晶体管和第一电阻串联在第一和第二端之间。第二电阻连接在第一晶体管和第一电阻之间的节点和所述第一晶体管的栅极或基极之间。第三电阻连接在第一晶体管的栅极或基极和第三端之间。控制电路与第二电阻和第三端电阻的串联并联连接。
此外，在日本公开专利申请(JP-P2000-245137A)中披露了一种半导体器件的保护装置。在该现有实例中，箝压电路连接在半导体器件的电极之间，以便当半导体器件的电流被挡住时，将半导体器件的电压箝位到额定电压。电压箝压电路的一端与半导体器件的输出电极直接相连或利用通过低电感材料与耦合在电极的传导冷却体来最短距离地相连，而箝压电路的另一端与半导体器件的控制电极最短距离地相连。
此外，在日本公开专利申请(JP-P2002-151989A)中披露了一种箝位电路。在该现有的实例中，箝位电路对电涌电压箝位以保护开关元件。当输入电压变得高于特定值时，箝位部件将对输入电压进行箝位。时间置位部件在箝位部件开始箝位后的特定时间之后将箝位部件设置为非操作状态。
此外，在日本公开专利申请(JP-P2002-343969A)中披露了一种垂直型场效应晶体管。在该现有实例中，场效应晶体管由第一传导类型的半导体衬底，和构成在半导体衬底上以具有多角形状的第二传导类型的第一基极区。第二传导类型的第二基极区构成在第一基极区中，该第二基极区具有比第一基极区高的密度并且包含多个从第一基极区的中心延伸到多角形的每个顶部的斜截面。第一传导类型的源极区比第二基极区薄，并被第二基极区中的多个斜截面隔开地构成。源极连接源极区域。漏极连接半导体衬底的后表面并通过半导体衬底的漏极区与第一基极区相对。源极的边缘部分延伸到位于源极区之上的第二基极区的内部。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于防止损坏输出MOS晶体管的过电压保护电路。
在本发明的一个方面，过电压保护电路属于一种输出MOS晶体管和负载串联在第一电源和第二电源之间的电路。过电压保护电路包含控制信号电路、动态箝位电路、控制开关和电涌检测电路。控制信号电路连接在所述输出MOS晶体管的栅极和所述负载之间，而动态箝位电路连接所述输出MOS晶体管的所述栅极。控制开关连接在所述第一电源和所述动态箝位电路以及电涌检测电路之间，该电涌检测电路监视所述第一电源的电压并在所述第一电源的电压升高到比预定电压高的电压时断开所述控制开关。
在另一方面，本发明涉及一种保护输出MOS晶体管的方法，其中输出MOS晶体管和负载串联在第一电源和第二电源之间，控制开关和动态箝位电路的串联电路连接在第一电源和输出MOS晶体管的栅极之间。本方法是通过以下来完成的：监视所述第一电源的电压；和当所述第一电源的电压升高到比预定电压高的电压时断开控制开关。
附图说明
图1是示出过电压保护电路的现有实例的电路图；
图2是示出断电电涌的应用波形的曲线图；
图3是示出根据本发明第一具体实施例的过电压保护电路的电路图；和
图4是示出用于本发明第一具体实施例中的电涌检测电路的电路图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图来详细地描述根据本发明的过电压保护电路。请参考图3，根据本发明第一具体实施例的过电压保护具有N沟道源极跟随结构，其中输出MOS晶体管7和负载9串联在第一电源1和第二电源2之间。输出MOS晶体管7和负载9之间的节点与输出端8连接。响应提供给节点A的第一控制信号3，控制MOS晶体管7为ON/OFF。节点A通过栅电阻5与栅极端(即节点B)相连。第一控制信号3是升压电路(未示出)输出的电压信号，并且在输出MOS晶体管7导通时，采取比第一电源1的电压大的电压电平，并且在输出MOS晶体管7断开时，采取基本上与第二电源2的电压相同的电压。
MOS晶体管6连接在节点A和输出端8之间，以便在输出MOS晶体管7断开时释放输出MOS晶体管7的栅电荷。响应提供给栅极端(即节点C)的第二控制信号4，控制MOS晶体管6为ON/OFF。在输出MOS晶体管7导通时，第二控制信号4采取基本上与第一电源1的电压相同的电压，并且在输出MOS晶体管7断开时，第二控制信号4采取基本上与第二电源2的电压相同的电压。
第一控制信号3和第二控制信号4之间的关系是相反的，即当第一控制信号3处于高电平时，第二控制信号4处于低电平(反之也成立)。作为控制开关12的MOS晶体管和动态箝位电路10串联在第一电源1和节点B之间。动态箝位电路10由串联的齐纳二极管D1和二极管D2组成。控制开关12的栅极端，即节点D与电涌检测电路11的输出端相连。电涌检测电路11监视第一电源1的电压，以便检测第一电源1的电涌电压并向节点D输出控制控制开关12的ON/OFF的检测信号。
接下来，将描述当输出MOS晶体管7断开时的过电压保护电路的操作。在输出MOS晶体管7的断开操作的情况中，第一控制信号3被设置为低电平，而第二控制信号4被设置为高电平。在这时候，MOS晶体管6导通，从而输出MOS晶体管的栅电荷(节点B的电荷)被通过输出端8和负载9释放到第二电源2。在此时，因为负载的电感成份(像螺线管和电线束这样的负载电感成份)的缘故，在输出端8由于反电动势而产生负输出电压。由于有负输出电压，电涌检测电路11(即节点D)输出低电平的检测信号，以便如现有电路那样使动态箝位电路10处于可操作状态。当电源1和输出端8之间的电压大于动态箝位电路10的击穿电压时，因为MOS晶体管6导通，因此动态箝位电路10发生击穿，以便将输出MOS晶体管7的漏极和源极之间的电压箝位到动态箝位电路10的击穿电压。由于有负输出电压，因此执行负载的设计，以便在过电压保护电路操作时流过输出MOS晶体管7的电流不会跨越安全操作。因此，不存在损坏输出MOS晶体管7的情况。
另一方面，以正断电电涌形式执行不同于现有实例的下列操作。断电电涌是在交流发电机(未示出)发电期间断开电池端时在第一电源1上产生的。如果在输出MOS晶体管处于断开状态时施加断电电涌，那么电涌检测电路11监视和检测电涌电压，并向节点D输出高电平的检测信号。因此，控制开关12断开，因此动态箝位电路10不会操作。因此，输出MOS晶体管7将永不被设置为前推SOA模式。此外，因为输出MOS晶体管7的击穿电压的电压值被设置为高于断电电涌的值，因此输出MOS晶体管7将不被击穿。
图4是示出电涌检测电路11的电路图。如图4所示，电涌检测电路11由二极管D3、电阻14、反相器和可选反相器17组成。二极管D3和电阻14串联在第一电源1和第三电源13之间。反相器由串联在第一电源1和第三电源13之间的N沟道MOS晶体管16和电阻15组成。MOS晶体管16的栅极与二极管D3和电阻14之间的节点E相连，而MOS晶体管16的漏极通过电阻15与第一电源1相连。反相器17与MOS晶体管16的漏极和电阻15之间的节点F相连，以及反相器17的输出端作为节点D。
在不施加断电电涌的状态中，节点E处于与第三电源13相同的低电平。因此，MOS晶体管16断开，从而节点F处于高电平，以及节点D处于低电平。结果，控制开关12接通。因此，动态箝位电路10可以操作以输出负电压。
另一方面，当将断电电涌施加到第一电源1并且电涌电压高于二极管D3的击穿电压时，节点E的电压变的高于第三电源13的电压。因此，MOS晶体管导通，从而节点F转为低电平，而节点D转为高电平。此时，因为控制开关12断开，所以动态箝位电路10不会对断电电涌进行操作。
在本发明中，由电涌检测电路检测断电电涌是否存在。响应来自电涌检测电路11的这个检测信号，导通或断开与动态箝位电路10相连的控制开关12。当检测到断电电涌时，电涌检测电路11输出检测信号以断开控制开关12。因此，因为动态箝位电路10不会在施加了断电电涌的情况中操作，因此输出MOS晶体管7将永不被置于前推SOA模式中。此外，因为输出MOS晶体管7的击穿电压高于断电电涌的电压值，因此输出MOS晶体管7将不会被击穿。因此，电流从不流过输出MOS晶体管7，输出MOS晶体管也从不会由于断电电涌而引起热损坏。由于在输出端8产生负输出电压，所以电涌检测电路11根本不会进行操作。因此，动态箝位电路10处于其可以操作的状态。像现有实例那样，当在输出端8产生的负输出电压变得大于动态箝位电路10的齐纳二极管的击穿电压时，动态箝位电路10操作执行过电压保护。
Claims (9)
1、一种用于输出MOS晶体管和负载串联在第一电源和第二电源之间的电路的过电压保护电路，包括：
与所述输出MOS晶体管的栅极相连的动态箝位电路；
连接在所述第一电源和所述动态箝位电路之间的控制开关；和
电涌检测电路，监视所述第一电源的电压并当所述第一电源的电压升高到比预定电压高的电压时断开所述控制开关。
2、根据权利要求1所述的过电压保护电路，还包括：
连接在所述输出MOS晶体管的栅极和所述负载之间的控制信号电路。
3、根据权利要求2所述的过电压保护电路，其中所述控制信号电路包括：
第一电阻，第一末端与所述输出MOS晶体管的所述栅极相连，第一控制信号提供给所述第一电阻的第二末端；和
放电开关，连接在所述第一电阻的所述第二端和所述输出MOS晶体管和所述负载之间的节点之间，
响应第一逻辑电平的所述第一控制信号导通所述输出MOS晶体管，而响应第二逻辑电平的所述第一控制信号断开所述输出MOS晶体管，
当所述输出MOS晶体管断开时，所述放电开关导通，以便通过所述第一电阻释放所述输出MOS晶体管的所述栅极的电荷，当所述输出MOS晶体管导通时，断开所述放电开关。
4、根据权利要求1到3任意之一所述的过电压保护电路，其中所述电涌检测电路包括：
第一二极管，具有与所述第一电源相连的负极并且在所述第一电源的电压升高到比预定电压高的电压时被击穿；
第二电阻，连接在所述第一二极管的正极和第三电源之间；
第一反相器，相应于所述第一二极管和所述第二电阻之间的节点的电压而反转逻辑电平；和
第二反相器，反转所述第一反相器的输出，以便当所述第一二极管被击穿时断开所述控制开关。
5、根据权利要求1到3任意之一所述的过电压保护电路，其中所述动态箝位电路包括：
齐纳二极管，具有与所述第一电源相连的负极；和
二极管，连接在所述齐纳二极管的正极和所述输出MOS晶体管的所述栅极之间。
6、根据权利要求1到3任意之一所述的过电压保护电路，其中所述输出MOS晶体管是通过相连并联的多个单元晶体管构成的，并且其在安全操作区中具有二次击穿特性。
7、一种保护输出MOS晶体管的方法，其中所述输出MOS晶体管和负载串联在第一电源和第二电源之间，控制开关和动态箝位电路的串联电路连接在所述第一电源和所述输出MOS晶体管的栅极之间，所述方法包括：
监视所述第一电源的电压；
当所述第一电源的电压升高到高于预定电压的电压时，断开控制开关。
8、根据权利要求7所述的方法，其中所述负载是电感负载，
所述方法还包括：当所述输出MOS晶体管导通时，断开所述输出MOS晶体管的漏极和所述输出MOS晶体管的所述栅极的连接；和
当所述输出MOS晶体管断开时，通过电阻连接所述输出MOS晶体管的所述栅极和所述输出MOS晶体管的所述漏极，以便通过所述电阻释放所述输出MOS晶体管的所述栅极的电荷。
9、根据权利要求7或8所述的方法，其中所述监视包括：
当所述第一电源的电压没有升高到比预定电压高的电压时，将第一节点的电压设置为高电压；以及
当所述第一电源的电压升高到比预定电压高的电压时，将第一节点的电压设置为低电压，
所述断开控制开关包括：根据第一节点的低电压断开所述控制开关。
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