CN1592095A - 带电压限制装置的晶体管电路及基极－发射极电阻的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有至少一个晶体管(2)及一个限制晶体管的集电极－发射极电压的电压限制装置(3)的晶体管电路(1)，其中该电压限制装置(3)具有一个配置给晶体管(2)的基极－发射极电阻(4)，该电阻的电阻值根据晶体管(2)的集电极－发射极区段的预选择的击穿电压来确定。此外本发明涉及具有该晶体管电路(1)的点火装置及涉及基极－发射极电阻(4)应用于：借助击穿电压实现晶体管(2)的集电极－发射极区段的电压限制或影响晶体管(2)的集电极－发射极区段的击穿电压。
Description
技术领域
本发明涉及具有至少一个晶体管及一个限制晶体管的集电极-发射极电压的电压限制装置的晶体管电路，具有晶体管电路的机动车点火装置，及具有至少一个晶体管的晶体管电路的基极-发射极电阻的应用。
背景技术
在使用晶体管时经常需要限制晶体管的集电极-发射极电压，以便保护晶体管本身以及与晶体管相连接的电负载以免过电压或电压尖峰。为了限制集电极-发射极电压由现有技术公知了许多可能性。例如对此可参考DE 32 27 536 A1及EP 0 551 293 B1。在公知的方案中共同的是：使晶体管的集电极-发射极电压限制在低于其击穿电压的值上。因此在通过电压限制产生的最大电压与击穿电压之间设有一个安全间隔。
发明内容
在具有至少一个晶体管及一个限制晶体管的集电极-发射极电压的电压限制装置的晶体管电路中，根据本发明，该电压限制装置具有一个配置给晶体管的基极-发射极电阻，该电阻的电阻值根据晶体管的集电极-发射极区段的预选择的击穿电压来确定。由此给出了一种可能性，利用晶体管的内部的电压击穿来用于电压限制，并同时保持一个窄的容差带，被限制电压的最大值应位于该容差带中。因为现在晶体管的击穿电压用来限制电压，可取消用于限制电压的、成本高的附加电路。由此可节省分离组件或-在集成电路的情况下-可节省芯片面积。基极-发射极电阻的电阻值根据预选择的击穿电压的确定在该说明书的另处描述。
根据本发明的一个构型，该晶体管是一个大功率晶体管。
在本发明的另一构型中，该大功率晶体管是一个三重扩散的大功率晶体管。其中通常对于“n+”，“p-”“n-”的层顺序从晶体管的后侧扩散入“n+”层。其表面到后侧“n+”层的距离被称为变量xi。
有利地，基极-发射极电阻的电阻值可被匹配。因此可借助相同的制造方法生产大量的晶体管电路及然后在另一步骤中这样地调整基极-发射极电阻，即调节到集电极-发射极区段所需的击穿电压。对此例如指出以下方法：测量晶体管电路中晶体管的击穿电压及与一个所需的额定值相比较。借助理论计算和/或由经验求得的数据确定及实施调整步骤，它这样地改变基极-发射极电阻的电阻值，以使得晶体管的击穿电压相应于所需额定值或在该额定值的一个窄的容差带中。
有利地，基极-发射极电阻由一个固定的第一电阻部分及一个可调整的第二电阻部分的并联电路构成。借助第一电阻部分使基极-发射极电阻的电阻值受到粗调节。然后借助第二电阻部分进行基极-发射极电阻的电阻值的细调节。通常第二电阻部分的电阻值大于第一电阻部分的电阻值，因为这样才允许基极-发射极电阻的电阻值的特别精确调整。
一个有利的构型在于，基极-发射极电阻或第二电阻部分是一个具有至少一个电阻支路的电阻阵列，该电阻支路由一个电阻及一个与它串联的激活元件(Aktivierungselement)组成。该电阻阵列有一定数目的电阻可供使用，其中对每个电阻配置一个激活元件。通过借助激活元件选择地激活电阻阵列的一定电阻可达到第二电阻部分的所需匹配。
有利地，激活元件是一个齐纳二极管，其中该齐纳二极管被这样构成，使得当被施加一个过电压时短路成一个低欧姆状态。该齐纳二极管通常工作在阻塞方向上及在其击穿电压以下时表现为高电阻。由此与齐纳二极管串联的电阻也不显示出其电功能，以致具有一个功能良好的齐纳二极管的电阻支路对电阻阵列的总电阻无影响。如果齐纳二极管被施加一个其值高于它的击穿电压的过电压，则使齐纳二极管短路(Durchlegieren)到低电阻状态。这导致与它串联的电阻显示出其电功能及影响到电阻阵列的总电阻并由此影响到基极-发射极电阻的电阻值。通过确定的多个齐纳二极管的有选择地激活(Zenerzapping)使电阻阵列具有所需的总电阻值。
有利地，基极-发射极电阻具有正的温度系数，它最好每100开尔文电阻约加倍。应当指出，晶体管电路中的晶体管击穿电压随着晶体管温度的增加而增加。这意味着，在一个确定的温度时的击穿电压可通过基极-发射极电阻的电阻值的适当选择来调节，使得当晶体管电路工作在与调整过程期间不同的温度点上时，击穿电压可改变。
如以下还要详细描述的，在本发明的范围中可知当温度增高时击穿电压的增高可通过基极-发射极电阻的电阻值的增加来抵消。因为从外部进行的基极-发射极电阻的再调节通常是不实用的，这样来引起基极-发射极电阻的电阻值的提高，即基极-发射极电阻具有正的温度系数。这意味着，电阻值随温度的升高而增大。在此情况下对于一些晶体管的试验表明，该温度系数最好每100开尔文使电阻值约加倍。
当基极-发射极电阻借助一个集成在半导体中的电阻层来实现时，则得到另一优点。如果一个集成的电阻层具有的面电阻例如为1000欧姆/单位面积(Ohm/sq)，则通过100个并联的面可得到10欧姆的电阻。这些面可节省位置地作为具有以“n-”绝缘指(Isolationsfinger)为侧面限界的“p”边缘之间的槽缝来构成。
在本发明的一个有利构型中，第二电阻部分由一个自调节的匹配电路组成，它被由基极-发射极电阻引起的负反馈这样地影响，即可调节到晶体管所需的击穿电压上。借助这种匹配电路可取消前面所述的基极-发射极电阻的调整，因为所需的击穿电压可在一定的容差带中自调节地调整。这种匹配电路的一个例子将在本说明书的以下部分中给出。
本发明还涉及具有所述晶体管电路的机动车的点火装置。这时该晶体管电路通常用在初级侧，其中晶体管中流过初级侧的点火电流。
此外本发明还包括，具有至少一个晶体管的晶体管电路的基极-发射极电阻应用于：借助击穿电压实现晶体管的集电极-发射极区段的电压限制或影响晶体管的集电极-发射极区段的击穿电压，其中基极-发射极电阻的电阻值根据晶体管的集电极-发射极区段的预选择的击穿电压来确定。
附图说明
现借助以下的附图来详细描述本发明。附图为：
图1：根据本发明的晶体管电路的一个实施例，
图2：晶体管的击穿电压与基极-发射极电阻关系的一个示范曲线，
图3：晶体管的击穿电压与基极-发射极电阻的温度及距离Xi的关系的一个示范曲线，及
图4：一个示范的自调节匹配电路的电路图。
具体实施方式
图1表示具有一个晶体管2及电压限制装置3的晶体管电路1，电压UCE降落在该晶体管的集电极-发射极区段上。该电压限制装置3具有一个基极-发射极电阻4，该基极-发射极电阻包括由一个固定的第一电阻部分5及一个可匹配的第二电阻部分6组成的并联回路，该可匹配的第二电阻部分6被作成电阻阵列7。该第二电阻部分6具有多个电阻支路8，各个电阻支路由一个电阻9及一个与它串联连接的激活元件10(这里作为齐纳二极管)组成。
该基极-发射极电阻在基极节点12上与晶体管2的基极相连接及在发射极节点13上与晶体管2的发射极相连接。由此引起：流向晶体管2的基极的一部分控制电流通过该基极-发射极电阻4流动-及因此在晶体管2的基极-发射极区段旁边经过-，由此影响晶体管2的击穿电压。如上所述，基极-发射极电阻4的电阻值通过第一电阻部分5的值及各个电阻支路8的选择激活这样地调节，以致调节出所需的击穿电压。
图2表示在不同集电极-发射极电流(2A，4A，6A及8A)情况下晶体管2的击穿电压与基极-发射极电阻4的电阻值的关系的一个曲线。在这里所示的例中可以看出，当电流为2A及基极-发射极电阻4的电阻值为21欧姆时晶体管2的击穿电压约在330V上面。如果基极-发射极电阻4下降到6欧姆，则击穿电压约上升40V达到370V。通过考察各个测量值及为清楚起见表示出的趋势曲线P2A及P8A可明显到得到：在基极-发射极电阻4与晶体管2的击穿电压之间形成可确定的函数关系。由该认识可导出在基极-发射极电阻的选择或确定方面合乎目标的优选方案。
借助随着基极-发射极电阻的电阻值的增加击穿电压基本上指数地衰减的曲线可以求得：为了调节晶体管2的一个所需的击穿电压，必需通过第二电阻部分6的调节使基极-发射极电阻4的电阻值减小多少值。例如假定，第一电阻部分5具有18欧姆的电阻值及实际测量的晶体管2的击穿电压处于所需击穿电压以下10V。由该曲线可以导出：为了使击穿电压提高10V，该基极-发射极电阻4的电阻值必需下降6欧姆。为了引起该电阻值的下降，将第二电阻部分6调节到36欧姆的值-或尽可能接近的值-上，因为通过18欧姆的第一电阻部分5与36欧姆的第二电阻部分6的并联使基极-发射极电阻4的电阻值调节到(近似)12欧姆。因此实现了击穿电压的所需调节。以此方式可在任意数目的晶体管2的情况下使击穿电压调节到所需额定值上或该额定值的一个窄的容差带内。
图3表示晶体管2的击穿电压与其温度的关系的曲线。此外，该附图还表示：当晶体管后侧的“n+”扩散层到晶体管表面的距离向上或向下偏移5μm时，所预期的击穿电压的变化。例如由该示例图可得出，当晶体管温度升高100开尔文时击穿电压升高约25V。考虑到图2中所示的关系例如可导出：为了在晶体管2的温度增高时减小或避免击穿电压的增高，基极-发射极电阻4应具有怎样的温度系数。此外由该图可得出，当层厚度的分散值(Streuung)为+/-5μm时击穿电压的分散值预计为约+/-20V。
图4表示一个晶体管电路1，其中基极-发射极电阻4的第二电阻部分6被构成匹配电路14。该匹配电路14的任务是：使通过晶体管Tr的电流从旁边经过基极-发射极区段-与一个可变电阻的作用相似-，击穿电压愈高，其中电流愈小，或者有效电阻愈大。这就是说，借助该匹配电路使较高的击穿电压比较低的击穿电压增高较小的量值。因此可以在不同的晶体管电路1中达到多个晶体管2的击穿电压的均衡。因为晶体管Tr通过其可调节的集电极-发射极电流起到类似一个可变电阻的作用，它与并联的第一电阻5协同作用得到一个总的可变的基极-发射极电阻4。
在晶体管2的集电极侧连接着一个集成的纵向晶体管(Vertikaltransistor)Tv，该晶体管Tv通过由电阻R1及R2形成的电阻负反馈使其击穿电压稍微低于晶体管2的击穿电压。如果集电极电压超过晶体管Tv的击穿电压，则通过晶体管Tv、电阻R1及电阻Rr向晶体管Tr的基极流过一个电流，该晶体管Tr通过被连接成二极管功能的晶体管D被置成恒定的电流放大系数、例如10。晶体管Tr的基极区域通过电流将导致：电流附加地从晶体管2的基极通过基极-发射极电阻流出到发射极节点13。在此情况下电阻Rr被这样设计，以使得晶体管Tr可承担一个适当参数的、可变电阻的上述功能。因此电阻Rr例如可被这样定参数，使得晶体管Tr在340V与380V之间的击穿电压间隔中表现出具有一个在15欧姆与无限可变的电阻值之间的电阻的功能。因为通过晶体管Tr的集电极-发射极电流仅要具有为达到所需击穿电压所需的高度，该集电极-发射极电流必需受到限制。这将借助通过齐纳二极管Z、电阻Ro及电阻Ru产生的一个温度补偿的参考电压来实现。通过晶体管Tu的基极的控制使晶体管Tr的一部分基极电流通过晶体管Tu的集电极-发射极区段流出。(应指出，晶体管Tu具有负的温度系数，而齐纳二极管具有正的温度系数。)因此可产生匹配电路14的自调节功能。
Claims (12)
1.具有至少一个晶体管及一个限制该晶体管的集电极-发射极电压的电压限制装置的晶体管电路，其特征在于：该电压限制装置(3)具有一个配置给该晶体管(2)的基极-发射极电阻(4)，该电阻的电阻值根据晶体管(2)的集电极-发射极区段的一个预选择的击穿电压来确定。
2.根据权利要求1的晶体管电路，其特征在于：该晶体管(2)是一个大功率晶体管。
3.根据以上权利要求中一项的晶体管电路，其特征在于：该大功率晶体管是一个三重扩散的大功率晶体管。
4.根据以上权利要求中一项的晶体管电路，其特征在于：该基极-发射极电阻(4)的电阻值可被调整。
5.根据以上权利要求中一项的晶体管电路，其特征在于：该基极-发射极电阻(4)由一个固定的第一电阻部分(5)及一个可调整的第二电阻部分(6)的并联电路构成。
6.根据以上权利要求中一项的晶体管电路，其特征在于：该基极-发射极电阻(4)或该第二电阻部分(6)是一个具有至少一个电阻支路(8)的电阻阵列(7)，该电阻支路由一个电阻(9)及一个与它串联的激活元件(10)组成。
7.根据以上权利要求中一项的晶体管电路，其特征在于：该激活元件(10)是一个齐纳二极管(11)，其中该齐纳二极管(11)被这样构成，即当它被施加一个过电压时短路成一个低欧姆状态。
8.根据以上权利要求中一项的晶体管电路，其特征在于：该基极-发射极电阻(4)具有正的温度系数，它最好每100开尔文使该电阻值约加倍。
9.根据以上权利要求中一项的晶体管电路，其特征在于：该基极-发射极电阻(4)借助一个集成在半导体中的电阻层来实现。
10.根据以上权利要求中一项的晶体管电路，其特征在于：该第二电阻部分(6)由一个自调节的匹配电路组成，该匹配电路被由该基极-发射极电阻引起的负反馈这样地影响，以致调节出晶体管的所需的击穿电压。
11.机动车的点火装置，其特征在于：具有根据以上权利要求中一项或多项的晶体管电路(1)。
12.具有至少一个晶体管(2)的晶体管电路(1)的基极-发射极电阻(4)应用于：借助电压击穿实现该晶体管(2)的集电极-发射极区段的电压限制或影响该晶体管(2)的集电极-发射极区段的击穿电压，其中该基极-发射极电阻(4)的电阻值根据该晶体管(2)的集电极-发射极区段的一个预选择的击穿电压来确定。
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