DE10046668B4

DE10046668B4 - Elektrische Lastansteuerungsschaltung mit Schutzeinrichtung

Info

Publication number: DE10046668B4
Application number: DE2000146668
Authority: DE
Inventors: Masahiro Kariya Kitagawa; Junichi Kariya Nagata
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-09-20
Filing date: 2000-09-20
Publication date: 2011-03-31
Anticipated expiration: 2020-09-21
Also published as: DE10046668A1; JP3610890B2; JP2001160748A

Abstract

Elektrische Lastansteuerungsschaltung zum Ansteuern einer elektrischen Last (4) mit:
einem Anschluss (TB), an den eine Ansteuerungsstromversorgung (2) anzuschließen ist;
einem MOS-Transistor (Tr0), welcher zwischen der Ansteuerungsstromversorgung (2) und der elektrischen Last (4) vorgesehen ist und erste und zweite Elektroden sowie eine Gateelektrode aufweist, die einen Kanal zwischen den ersten und zweiten Elektroden steuert, wobei der MOS-Transistor ein oder ausgeschaltet wird, um die elektrische Last anzusteuern, und eine Spannung zwischen den ersten und zweiten Elektroden des MOS-Transistors eine vorbestimmte Polarität besitzt;
einer ersten Begrenzerschaltung (ZD1), welche derart bemessen ist, dass sie die Spannung zwischen den ersten und zweiten Elektroden auf eine erste vorbestimmte Spannung begrenzt, wenn eine hohe Spannung extern an einen Verbindungspunkt (TL) zwischen dem MOS-Transistor (Tr0) und der elektrischen Last (4) angelegt wird, wobei durch das Anlegen der hohen Spannung sich zwischen den ersten und zweiten Elektroden eine Spannung mit der derselben Polarität wie derjenigen der...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Lastansteuerungsschaltung mit einer Schutzeinrichtung.
Es ist eine elektrische Lastansteuerungsschaltung einschließlich einem MOS-Transistor zum Ein- bzw. Ausschalten des elektrischen Durchgangs bekannt, welcher einer elektrischen Last eine Ansteuerungsspannung zuführt. Des weiteren ist eine elektrische Lastansteuerungsschaltung mit einer Schutzschaltung zum Schutz des MOS-Transistors bekannt. 11 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer derartigen elektrischen Lastansteuerungsschaltung einschließlich einer Schutzschaltung nach dem Stand der Technik. Diese elektrische Lastansteuerungsschaltung 90 enthält einen N-Kanal MOS-Transistor Tr0 als Schalter der heißen Seite an dem Durchgang von einer positiven Elektrode einer Gleichstromversorgung 2 zu einer elektrischen Last 4. Der MOS-Transistor Tr0 wird entsprechend einem Steuersignal ein- bzw. ausgeschaltet, welches dem Gate des MOS-Transistors Tr0 zugeführt wird, um die elektrische Last 4 anzusteuern.
Der Drain des MOS-Transistors Tr0 ist über einen Verbindungsanschluss TB mit dem positiven Anschluss der Gleichstromversorgung 2 verbunden, und das Source des MOS-Transistors Tr0 ist über einen Verbindungsanschluss TL mit einem Anschluss der elektrischen Last 4 verbunden. Darüber hinaus ist zwischen dem Gate und dem Source des MOS-Transistors Tr0 ein Widerstand RO zum Verringern der Impedanz zwischen dem Gate und dem Source vorgesehen, um die Einschalt- und Ausschaltoperationen des MOS-Transistors Tr0 zu stabilisieren.
In der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 90 wird der MOS-Transistor Tr0 eingeschaltet, wenn ein Gatepotential des MOS-Transistors Tr0 um eine Spannung, welche größer als eine vorbestimmte Spannung ist, größer als ein Sourcepotential ist. Somit wird dem Gate des MOS-Transistors Tr0 eine positive Spannung über einen Schalter SW (beispielsweise einen Transistor) zugeführt, welcher entsprechend einem Schaltsteuersignal gesteuert wird.
Bei dieser elektrischen Lastansteuerungsschaltung 90 kann sich ein Rauschen einer hohen Spannung (high voltage noise) an dem Verbindungsanschluss TL zu der elektrischen Last 4 oder dem Anschluss Ta, welcher mit der elektrischen Last 4 verbunden ist, infolge von elektrostatischen Ladungen entwickeln, die sich an dem menschlichen Körper oder an der weiteren Einrichtung bzw. Ausstattung gebildet haben. Wenn ein derartiges Rauschen einer hohen Spannung dem MOS-Transistor Tr0 aufgebracht wird, kann die Drain-Source-Spannung des MOS-Transistors größer als die Halte- bzw. Aushaltespannung (withstand voltage) sein kann, so dass der MOS-Transistor Tr0 zerstört werden oder sich die Charakteristik des MOS-Transistors verschlechtern kann. Die japanische Patentveröffentlichungsschrift 59-181722 offenbart eine Schutzschaltung für eine elektrische Lastansteuerungsschaltung nach dem Stand der Technik.
Diese Schutzschaltung wird für die elektrische Lastansteuerungsschaltung 90 verwendet. Die Schutzschaltung enthält eine Diode Da, deren Kathode an die Leitung angeschlossen ist, welcher das Rauschen der hohen Spannung aufgebracht wird, und deren Anode an Masse angeschlossen ist, und einen NPN-Transistor Tra, dessen Kollektor an die Leitung angeschlossen ist, und einen Widerstand Ra, dessen beide Enden an die Basis bzw. den Emitter des NPN-Transistors Tra angeschlossen sind.
Wenn bei dieser Schutzschaltung eine positive elektrostatische Ladung, welche größer als die des Massepotential ist, dem Anschluss Ta aufgebracht wird, kann die Spannungsdifferenz zwischen dem Kollektor und der Basis des NPN-Transistors Tra die Kollektor-Basis-Durchbruchspannung (break down voltage) überschreiten. Danach tritt ein Durchbruch zwischen dem Kollektor und der Basis auf. Dieser Strom wirkt als Basisstrom des NPN-Transistors Tra, so dass der NPN-Transistor Tra eingeschaltet wird. Dementsprechend folgt die an dem Anschluss Ta entwickelte elektrostatische Ladung einer hohen Spannung dem NPN-Transistor Tra als der Kollektorstrom des NPN-Transistors Tra.
Wenn demgegenüber eine negative elektrostatische Ladung, deren Potential niedriger als das Massepotential ist, dem Anschluss Ta aufgebracht wird, wird das Potential der Kathode kleiner als das Massepotential, so dass die negative elektrostatische Ladung durch die Diode Da in die Durchlassrichtung fließt und deren Energie verbraucht wird.
Wie oben erwähnt kann die für die elektrische Lastansteuerungsschaltung 90 vorgesehene Schutzschaltung den Strom unterdrücken, welcher sich durch das Rauschen der hohen Spannung an der Seite der elektrischen Last 4 entwickelt hat, um den MOS-Transistor Tr0 vor dem Rauschen der hohen Spannung zu schützen.
Jedoch ist es bei der oben beschriebenen Schutzschaltung möglich, dass die Schutzschaltung nicht den gesamten Strom infolge des Rauschens der hohen Spannung absorbieren kann, so dass der verbleibende Strom den MOS-Transistor Tr0 zerstören kann. Dies liegt daran, dass die Strombelastbarkeit des NPN-Transistors Tra und der Diode Da unzureichend sind oder eine Induktivitätskomponente auf der Leitung zu der Schutzschaltung vorhanden ist.
Wenn insbesondere ein Rauschen der hohen Spannung dem Anschluss Ta aufgebracht wird und wenn der gesamte Strom infolge des Rauschens der hohen Spannung nicht von dem NPN-Transistor Tra absorbiert werden kann, absorbiert eine (in 11 durch gepunktete Linien dargestellte) parasitäre Diode DO, welche zwischen dem Drain und dem Source des MOS-Transistors Tr0 vorhanden ist, den verbleibenden Strom. D. h. die parasitäre Diode DO leitet den verbleibenden Strom um. Dementsprechend zeigt die in 11 dargestellte elektrische Lastansteuerungsschaltung 90 eine relativ hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber positivem Rauschen (positive noise).
Wenn demgegenüber ein Rauschen einer negativen hohen Spannung (negative high voltage noise) dem Anschluss Ta aufgebracht wird und wenn nicht der gesamte Strom infolge des Rauschen der hohen Spannungs fließen kann, kann der verbleibende Strom durch den MOS-Transistor Tr0 von dem Drain zu dem Source fließen, wenn der MOS-Transistor Tr0 eingeschaltet ist. Somit ist die zwischen dem Drain und dem Source gebildete Spannung relativ klein, so dass der MOS-Transistor Tr0 nicht zerstört wird.
Wenn jedoch ein hohes negatives Rauschen (high negative noise) dem Anschluss Ta aufgebracht wird, während sich der MOS-Transistor Tr0 im Sperrzustand befindet, verringert sich die Spannung des Source des MOS-Transistors Tr0 stark, da kein Durchgang vorhanden ist, durch welchen der nicht absorbierte Strom in der Schaltung fließt. Wenn in diesem Zustand eine Spannung zwischen dem Drain und dem Source, welche größer als die Haltespannung des MOS-Transistors Tr0 ist, sich infolge des Verringerns der Spannung des Source entwickelt hat, kann der MOS-Transistor Tr0 infolge eines Durchbruchs zerstört werden.
Bei der oben beschriebenen Schutzschaltung nach dem Stand der Technik kann der Fall auftreten, dass die Schutzschaltung den MOS-Transistor nicht vor dem Rauschen der hohen Spannung schützt. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache kann es besser sein, dass die Strombelastbarkeiten der Elemente in der Schutzschaltung erhöht werden. Jedoch erhöhen sich in diesem Fall die Flächen für diese Elemente in einer integrierten Schaltung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die bei dem Stand der Technik auftretenden Nachteile zu überwinden und eine verbesserte elektrische Lastansteuerungsschaltung zu schaffen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Patenanspruchs 1.
Entsprechend einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Lastansteuerungsschaltung bereitgestellt mit: einem MOS-Transistor, welcher erste und zweite Elektroden und eine Gateelektrode aufweist, die einen Kanal zwischen den ersten und zweiten Elektrode steuert, und eine Schaltung, welche eine Ansteuerungsstromversorgung und eine elektrische Last enthält, entsprechend einem Steuersignal über die Gateelektrode mit einer vorbestimmten Polarität in einer Spannungsdifferenz zwischen einem Drain und einem Source des MOS-Transistors bezüglich einem von positiven und negativen Anschlüssen der Ansteuerungsstromversorgung ein- und ausschaltet; einer ersten Begrenzerschaltung, welche eine erste Spannungsdifferenz zwischen den ersten und zweiten Elektroden auf eine erste vorbestimmte Spannung begrenzt, wenn sich eine hohe Spannung extern zwischen den ersten und zweiten Elektroden entwickelt, wobei eine Polarität der hohen Spannung gleich der vorbestimmten Polarität ist; und einer zweiten Begrenzerschaltung, welche die Gateelektrode des MOS-Transistors auf eine zweite vorbestimmte Spannung bezüglich einem von positiven und negativen Anschlüssen der Ansteuerungsstromversorgung begrenzt, wenn die hohe Spannung sich extern entwickelt.
Vorzugsweise weist der MOS-Transistor einen N-Kanal MOS-Transistor auf, wobei die zweite Elektrode an den positiven Anschluss der Ansteuerungsstromversorgung gekoppelt ist, der negative Anschluss der Ansteuerungsstromversorgung an Masse angeschlossen ist, die zweite Elektrode an die elektrische Last gekoppelt ist, die zweite Begrenzerschaltung zwischen der Gateelektrode und Masse vorgesehen ist und die zweite vorbestimmte Spannung um eine vorbestimmte Spannung kleiner als das Massepotential ist und größer als ein Potential der zweiten Elektrode ist, wenn sich die hohe Spannung extern entwickelt.
In diesem Fall kann die erste Begrenzerschaltung eine Zenerdiode aufweisen, deren Anode an die erste Elektrode und deren Kathode an die zweite Elektrode angeschlossen sind. Darüber hinaus kann diese elektrische Lastansteuerungsschaltung des weiteren eine dritte Begrenzerschaltung aufweisen, welche einen NPN-Transistor, dessen Kollektor mit dem ersten Anschluss verbunden ist, und einen zwischen einer Basis des NPN-Transistors und dem zweiten Anschluss vorgesehenen Widerstand enthält, wobei ein Emitter des NPN-Transistors mit der zweiten Elektrode verbunden ist und wobei der NPN-Transistor eingeschaltet wird, wenn sich die hohe Spannung extern entwickelt.
In diesem Fall kann die elektrische Lastansteuerungsschaltung des weiteren eine dritte Begrenzerschaltung enthalten mit: einem NPN-Transistor, dessen Kollektor an dem ersten Anschluss angeschlossen ist, und einem Widerstand, welcher zwischen einer Basis des NPN-Transistors und dem zweiten Anschluss vorgesehen ist, wobei ein Emitter des NPN-Transistors an dem zweiten Anschluss angeschlossen ist, wobei der NPN-Transistor eingeschaltet wird, wenn die hohe Spannung sich extern entwickelt. Des weiteren kann die elektrische Lastansteuerungsschaltung eine vierte Begrenzerschaltung enthalten, welche zwischen der ersten Elektrode und der Gateelektrode zum Halten der Spannung der Gateelektrode vorgesehen ist, wenn die Spannung der Elektrode um eine zweite vorbestimmte Spannung niedriger als eine Spannung der ersten Elektrode ist.
In diesem Fall kann die zweite Begrenzerschaltung eine Diode und einen NPN-Transistor aufweisen, welcher parallel mit der Diode verbunden ist, wobei eine Kathode der Diode an die Gateelektrode angeschlossen ist, eine Anode der Diode an Masse angeschlossen ist, ein Emitter des NPN-Transistors an Masse angeschlossen ist und ein Kollektor des NPN-Transistors mit der Gateelektrode des MOS-Transistors verbunden ist. Darüber hinaus kann die zweite Blockierschaltung enthalten: eine n-Typ Schicht auf dem Substrat; ein erstes p-Typ Diffusionsgebiet in der n-Typ Schicht; ein erstes n-Typ Diffusionsgebiet in der n-Typ Schicht; ein zweites p-Typ Diffusionsgebiet, welche voneinander bezüglich der n-Typ Schicht getrennt sind; und ein zweites n-Typ Diffusionsgebiet in dem ersten p-Typ Diffusionsgebiet, wo die Diode durch das zweite p-Typ Diffusionsgebiet und die n-Typ Schicht vorgesehen ist, wobei der Kollektor des NPN-Transistors durch das erste n-Typ Diffusionsgebiet vorgesehen ist, wobei die Basis des NPN-Transistors durch das erste p-Typ Diffusionsgebiet vorgesehen ist, wobei der Emitter des NPN-Transistors durch das zweite n-Typ Diffusionsgebiet vorgesehen ist, wobei die Anode der Diode durch das zweite p-Typ Diffusionsgebiet vorgesehen ist, wobei die Kathode der Diode durch die n-Typ Schicht vorgesehen ist, wobei die Kathode der Diode mit dem Kollektor des NPN-Transistors durch die n-Typ Schicht verbunden ist. Vorzugsweise kann darüber hinaus die elektrische Lastansteuerungsschaltung des weiteren eine Halbleiterstruktur aufweisen, welche ein p-Typ Substrat, eine umgebende p-Typ Wand auf dem p-Typ Substrat, eine n-Typ Schicht innerhalb des p-Typ Substrats und der umgebenden Wand und einen Transistorschaltungsabschnitt in der n-Typ Schicht, welche den NPN-Transistor bildet, enthält, wobei die Diode durch die umgebende p-Typ Wand und die n-Typ Schicht gebildet wird.
Die vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.
1 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer elektrischen Lastansteuerungsschaltung einer ersten Ausführungsform;
2 zeigt ein schematisches Diagramm eines anderen Schaltungsbeispiels der elektrischen Lastansteuerungsschaltung der ersten Ausführungsform;
3 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Modifizierung der ersten Ausführungsform;
4 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer elektrischen Lastansteuerungsschaltung einer zweiten Ausführungsform;
5 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer elektrischen Lastansteuerungsschaltung einer dritten Ausführungsform;
6 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer elektrischen Lastansteuerungsschaltung einer vierten Ausführungsform
7 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Schaltungsstruktur des NPN-Transistors und der Diode der vierten Ausführungsform;
8 zeigt eine perspektivische Ansicht einer anderen Schaltungsstruktur des NPN-Transistors und der Diode der vierten Ausführungsform;
9 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer elektrischen Lastansteuerungsschaltung einer Modifizierung der Erfindung;
10 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm eines Schaltertyps der heissen Seite einer elektrischen Lastansteuerungsschaltung, welche einen P-Kanal MOS-Transistor als Schalter der kalten Seite verwendet; und
11 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer elektrischen Lastansteuerungsschaltung nach dem Stand der Technik, welche eine Schutzschaltung enthält.
Dieselben oder entsprechende Elemente oder Teile werden in den Figuren mit ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet.
Erste Ausführungsform
1 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer elektrischen Lastansteuerungsschaltung 10 einer ersten Ausführungsform. Die elektrische Lastansteuerungsschaltung 10 enthält einen N-Kanal MOS-Transistor Tr0, welcher auf einem Durchgang von der positiven Elektrode einer Gleichstromversorgung 2 zu der elektrischen Last 4 als Schalter an einer heissen Seite (high side switch) vorgesehen ist, einen Widerstand R0, welcher die Impedanz zwischen dem Gate und dem Source des MOS-Transistors Tr0 verringert, eine Zenerdiode ZD1 als erste Begrenzerschaltung und eine Diode D1 als zweite Begrenzerschaltung. Darüber hinaus ist ein Schalter SW vorgesehen, um den MOS-Transistor-Ansteuerungsstrom als Steuersignal dem Drain des MOS-Transistors Tr0 zuzuführen. Der Drain des MOS-Transistors Tr0 ist über einen Anschluss TB der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 10 mit einem positiven Anschluss einer Stromversorgung 2 verbunden, und das Source des MOS-Transistors Tr0 ist über einen Verbindungsanschluss TL der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 10 mit einem Ende einer elektrischen Last 4 verbunden. Dem Gate des MOS-Transistors Tr0 wird die MOS-Transistor-Ansteuerungsspannung von einer positiven Stromversorgung durch den Schalter SW über einen Anschluss der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 10 zugeführt. Der Schalter SW wird entsprechend einem Schaltsteuersignal von einem Anschluss TC der elektrischen Lastansteuerungsschaltung gesteuert. Der Widerstand R0 verringert die Impedanz zwischen dem Gate und dem Source des MOS-Transistors Tr0, um die Ein- und Ausschaltoperation des MOS-Transistors Tr0 zu stabilisieren. Die Kathode der Zenerdiode ZD1 ist mit dem Drain des MOS-Transistors Tr0 verbunden, und die Anode der Zenerdiode ZD1 ist mit dem Source des MOS-Transistors Tr0 verbunden. Die Kathode der Diode D1 ist mit dem Gate des MOS-Transistors Tr0 verbunden, und die Anode der Diode D1 ist mit Masse verbunden. Die Masse der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 10 ist geerdet. Des weiteren sind ein negativer Anschluss der Gleichstromversorgung 2 und ein anderer Anschluss der elektrischen Last 4 vorgesehen.
Das Gate des MOS-Transistors Tr0 steuert wie bekannt einen Kanal zwischen dem Drain und dem Source davon (erste und zweite Elektroden). Der MOS-Transistor Tr0 schaltet eine Schaltung, welche eine Ansteuerungsstromversorgung und eine elektrische Last enthält, entsprechend einem Steuersignal über die Gateelektrode mit einer vorbestimmten Polarität einer Spannungsdifferenz zwischen dem Drain und dem Source des MOS-Transistors Tr0 bezüglich einem von positiven und negativen Anschlüssen der Gleichstromversorgung 2 ein und aus (öffnet und schließt).
Wenn bei der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 10 der ersten Ausführungsform ein Rauschen einer positiven hohen Spannung (positive high voltage noise) (elektrostatische Ladungen) an dem Verbindungsanschluss TL über den Anschluss Ta oder dergleichen an die Seite der elektrischen Last 4 angelegt wird, fließt ein Durchlassstrom durch die Zenerdiode ZD1 und die parasitäre Diode D0 des MOS-Transistors Tr0. Beide wirken als die erste Begrenzerschaltung dieser Ausführungsform. Somit wird lediglich ein Diodendurchlassspannungsabfall Vf zwischen dem Drain und dem Source des MOS-Transistors Tr0 erzeugt. Dieser Zustand wird dadurch bestimmt, dass die Polarität des Spannungsabfalls entgegengesetzt zu dem Spannungsabfall zwischen dem Drain und dem Source ist, jedoch ist der Durchlassspannungsabfall Vf sehr klein, so dass der MOS-Transistor Tr0 sich nicht verschlechtert oder zerstört wird.
In dem Fall, bei welchem ein Rauschen einer negativen hohen Spannung (negative high voltage noise) (electrostatic charge), welches niedriger als das Massepotential ist, an dem Verbindungsanschluss TL über den Anschluss an der Seite der elektrischen Last 4 angelegt wird, fließt der Strom infolge der negativen hohen Spannung von dem Drain zu dem Source des MOS-Transistors Tr0, wenn der MOS-Transistor Tr0 eingeschaltet ist. Obwohl in diesem Zustand der Strom, welcher durch den MOS-Transistor Tr0 fließt, gegenüber dem normalen Strom zur Ansteuerung der elektrischen Last erhöht ist, wird die Drain-Source-Spannung des MOS-Transistors Tr0 nicht übermäßig groß. Somit wird der MOS-Transistor Tr0 nicht verschlechtert und zerstört.
Wenn demgegenüber ein negatives Rauschen der hohen Spannung (elektrostatische Ladung) an dem Verbindungsanschluss TL angelegt wird und sich der MOS-Transistor Tr0 in einem Sperrzustand befindet, ist die Sourcespannung niedriger als das Massepotential. D. h. die Drain-Source-Spannung erhöht sich mit derselben Polarität wie bei dem Zustand, bei welchem kein Rauschen auftritt (das Sourcepotential ist kleiner als das Drainpotential).
Es ist jedoch zwischen den Drain und dem Source des MOS-Transistors Tr0 die Zenerdiode ZD1 als die erste Begrenzerschaltung vorgesehen. Wenn somit die Drain-Source-Spannung die Durchbruchspannung der Zenerdiode ZD1 überschreitet, fließt der Durchbruchstrom durch die Zenerdiode ZD1, so dass die Drain-Source-Spannung auf die Durchbruchspannung der Zenerdiode ZD1 begrenzt wird.
Wenn darüber hinaus die Strombelastbarkeit der Zenerdiode ZD1 relativ niedrig ist und somit das dem Verbindungsanschluss TL aufgebrachte negative Rauschen der hohen Spannung nicht durch den Durchbruchstrom absorbiert werden kann, welcher durch die Zenerdiode ZD1 fließt, überschreitet die Drain-Source-Spannung die Durchbruchspannung der Zenerdiode ZD1.
Jedoch ist zwischen dem Gate des MOS-Transistors Tr0 und der Masse die Diode D1 vorgesehen, welche als die zweite Begrenzerschaltung dieser Ausführungsform wirkt, so dass das Potential des Source auf eine Spannung (–Vf) begrenzt wird, welche um den Durchlassspannungsabfall (Vf) der Diode D1 niedriger als das Massepotential ist, da dem Gate des MOS-Transistors Tr0 ein Strom von der Masse durch die Diode D1 zugeführt wird. Wenn somit das Sourcepotential des MOS-Transistors Tr0 um die Schwellenwertspannung (Vt) des MOS-Transistors Tr0 kleiner als das Gatepotential (–Vf) wird, wird der MOS-Transistor Tr0 eingeschaltet, und somit fließt ein Strom durch den MOS-Transistor Tr0. Es wird angenommen, dass die Spannung der Gleichstromversorgung 2 gleich VB ist. Die Drain-Source-Spannung VDS des MOS-Transistors Tr0 wird gegeben durch: VDS = VB – Vf – Vt
Dementsprechend wird die Drain-Source-Spannung auf einen Wert unterhalb der Durchbruchspannung des MOS-Transistors Tr0 begrenzt.
D. h. wenn bei der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 10 dieser Ausführungsform ein Rauschen der negativen hohen Spannung dem Verbindungsanschluss TL infolge von elektrostatischen Ladungen oder dergleichen aufgebracht werden, welche an der Seite der elektrischen Last 4 erzeugt werden, während sich der MOS-Transistor Tr0 in dem Sperrzustand befindet, fließt durch die Zenerdiode ZD1, welche als die erste Begrenzerschaltung arbeitet, der Durchbruchstrom, um das Rauschen der hohen Spannung zu absorbieren. Danach schaltet die Diode D1, welche als die zweite Begrenzerschaltung arbeitet, den MOS-Transistor Tr0 ein, so dass durch den MOS-Transistor Tr0 der Strom fließt, welcher das Rauschen der hohen Spannung aufhebt. Somit wird die Drain-Source-Spannung des MOS-Transistors Tr0 auf einen Wert unterhalb der Durchbruchspannung des MOS-Transistors Tr0 begrenzt.
Entsprechend dieser Ausführungsform kann der MOS-Transistor Tr0 zur Ansteuerung der elektrischen Last 4 sicher vor einem Rauschen der positiven und negativen hohen Spannung infolge der elektrischen Ladungen geschützt werden, welche an der Seite der elektrischen Last gebildet werden.
Darüber hinaus ist es nicht nötig, dass der gesamte Strom durch die Zenerdiode ZD1 oder die Diode D1 fließt, um das Rauschen der hohen Spannung zu absorbieren. Es ist somit ausreichend, dass die Strombelastbarkeiten der Zenerdiode ZD1 und der Diode D1 relativ niedrig sind. Somit können die Flächen, welche zur Bereitstellung dieser Elemente auf einer integrierten Schaltung notwendig sind, verringert werden. Dementsprechend kann die Größe der elektrischen Ansteuerungsschaltung verringert werden.
2 zeigt ein schematisches Diagramm eines anderen Beispiels der elektrischen Lastansteuerungsschaltung der ersten Ausführungsform.
Bei der in 1 dargestellten elektrischen Lastansteuerungsschaltung 20 ist die zweite Begrenzerschaltung mit einer Diode D1 versehen. Jedoch ist bei dieser Schaltung beispielsweise eine Mehrzahl von in Serie verbundenen Dioden vorgesehen, um die zweite Begrenzerschaltung zu bilden.
Insbesondere ist die Kathode einer Diode D2 an die Anode der Diode D1 angeschlossen, deren Kathode mit dem MOS-Transistor Tr0 verbunden ist. Die Anode der Diode D2 ist an die Anode einer Zenerdiode ZD2 angeschlossen, deren Kathode an Masse angeschlossen ist. Dementsprechend stellt diese zweite Begrenzerschaltung eine Begrenzung auf eine vorbestimmte Spannung (2·Vf + VZD2) bereit, wobei 2·Vf durch die Dioden D1 und D2 bereitgestellt wird und VZD2 durch die Durchbruchspannung der Zenerdiode ZD2 bereitgestellt wird.
Darüber hinaus kann bei der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 20 die begrenzte Spannung an dem Gate des MOS-Transistors Tr0 auf das kleinere Potential gegenüber dem der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 10 festgelegt werden. Wenn somit die elektrische Last 4 eine induktive Last wie ein Solenoid aufweist, kann bei dieser elektrischen Lastansteuerungsschaltung 20 verhindert werden, dass der MOS-Transistor Tr0 wiederum infolge einer negativen Spannung eingeschaltet wird, welche sich unmittelbar nach dem Ausschalten des MOS-Transistors Tr0 gebildet hat.
Darüber hinaus wird als die Diode D1 lediglich eine Struktur eines PN-Übergangs benötigt. Darüber hinaus gibt es verschiedene andere Modifizierungen. 3 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer derartigen Modifizierung. Entsprechend 3 ist ein NPN-Transistor Tr1 als die zweite Begrenzerschaltung vorgesehen. Der Emitter und die Basis des NPN-Transistors Tr1 sind an Masse angeschlossen, und der Kollektor des NPN-Transistors Tr1 ist an das Gate des MOS-Transistors Tr0 angeschlossen. Dementsprechend begrenzt der Kollektor-Basis-Übergang das Gatepotential auf das Potential, welches um eine vorbestimmte Spannung niedriger als das Massepotential ist. Des weiteren können in diesem Fall andere durch einen PNP-Transistor, einen N-Kanal MOS-Transistor oder einen P-Kanal MOS-Transistor bereitgestellte Verbindungen bzw. Übergänge für diese Struktur verwendet werden.
Zweite Ausführungsform
4 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer elektrischen Lastansteuerungsschaltung 40 der zweiten Ausführungsform.
Die Struktur der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 40 der zweiten Ausführungsform ist im wesentlichen dieselbe wie diejenige der ersten Ausführungsform. Der Unterschied besteht darin, dass des weiteren eine Diodenschaltung zwischen dem Drain und dem Gate des MOS-Transistors Tr0 vorgesehen ist. Die Diodenschaltung enthält eine Diode D3, eine Zenerdiode ZD3 und eine Zenerdiode ZD4, welche in Serie angeschlossen sind. Die Anode der Diode D3 ist mit dem Drain des MOS-Transistors Tr0 verbunden, die Kathode der Diode D3 ist mit der Kathode der Zenerdiode ZD3 verbunden, die Anode der Zenerdiode ZD3 ist mit der Kathode der Zenerdiode ZD4 verbunden, und die Anode der Zenerdiode ZD4 ist mit dem Gate des MOS-Transistors Tr0 verbunden.
Wenn bei dieser elektrischen Lastansteuerungsschaltung 40 das Potential des Gates um eine vorbestimmte Spannung (VZD3 + VZD4 + Vf), welche durch die Durchbruchspannung VZD3 und die Durchbruchspannung VZD4 der Zenerdiode ZD4 und den Durchlassspannungsabfall Vf in der Diode D3 bestimmt wird, kleiner als das Potential des Drains ist, welches durch den positiven Anschluss der Gleichstromversorgung 2 bestimmt wird, wird das Potential des Gates auf das Potential (VB – VZD3 – VZD4 – Vf) des Gates bei diesem Beispiel begrenzt (gehalten).
Wenn bei dieser Ausführungsform Masseleitungen in der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 40 dünn sind und somit die Masseleitungspotentiale im Vergleich mit der externen Masse der Gleichstromversorgung 2 und der elektrischen Last 4 instabil sind, können die Massepotentiale in der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 40 mit der Entwicklung des Rauschens der negativen hohen Spannung variieren. In diesem Fall kann die Diode D1 als die zweite Begrenzerschaltung unkorrekt arbeiten. Jedoch kann die Diodenschaltung als die vierte Begrenzerschaltung den MOS-Transistor Tr0 einschalten, wenn sich das Rauschen der negativen hohen Spannung entwickelt.
Somit kann bei der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 40 der MOS-Transistor Tr0 gegenüber dem Fall der in 1 bis 3 dargestellten elektrischen Lastansteuerungsschaltungen 10, 20, 30 sicherer geschützt werden, so dass die Zuverlässigkeit der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 40 verbessert werden kann.
Insbesondere dienen die Diode D3 und die Zenerdioden ZD3 und ZD4 nicht dem Stromfluss zur Absorption des Rauschens der hohen Spannung sondern lediglich dem Begrenzen des Gatepotentials des MOS-Transistors Tr0, so dass es möglich gemacht wird, die Strombelastbarkeiten der Diode in der Diodenschaltung niedrig zu machen. Somit wird bei der Diodenschaltung nicht ein Ansteigen der Größe der Schaltungsanordnung der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 40 hervorgerufen.
Darüber hinaus wird die vierte Begrenzerschaltung lediglich zum Begrenzen des Gatepotentials benötigt, welches um eine vorbestimmte Spannung kleiner als das Drainpotential ist, wenn sich das Gatepotential des MOS-Transistors Tr0 verringert. Somit wird die in 4 dargestellte Struktur nicht immer benötigt. D. h. die Anzahl der Dioden oder der Zenerdioden kann variiert werden. Des weiteren können andere Elemente zur Spannungsbegrenzung für die Diodenschaltung verwendet werden.
Dritte Ausführungsform
5 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer elektrischen Lastansteuerungsschaltung 50 der dritten Ausführungsform.
Die Struktur der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 50 der dritten Ausführungsform entspricht im wesentlichen derjenigen der zweiten Ausführungsform. Der Unterschied besteht darin, dass des weiteren eine dritte Begrenzerschaltung vorgesehen ist, welche einen NPN-Transistor und einen Widerstand R1 enthält.
Insbesondere ist ein Kollektor des NPN-Transistors Tr2 mit der Kathode der Zenerdiode ZD1 bzw. dem Drain des MOS-Transistors Tr0 verbunden, und der Emitter des NPN-Transistors Tr2 ist mit der Anode der Zenerdiode ZD1 bzw. dem Source des MOS-Transistors Tr0 verbunden. Der Widerstand R1 ist zwischen der Basis und dem Emitter des NPN-Transistors Tr2 vorgesehen.
Wenn bei dieser elektrischen Lastansteuerungsschaltung 50 sich an einem Verbindungsanschluss TL an der Seite der elektrischen Last 4 ein Rauschen der negativen hohen Spannung bildet, fließt ein Strom durch den Widerstand R1 durch den Kollektor-Basis-Übergang des NPN-Transistors Tr2, so dass der NPN-Transistor Tr2 eingeschaltet wird. Somit bildet der NPN-Transistor Tr2 einen Strompfad, welcher eine Umleitung der Drain-Source-Elektroden bildet.
Somit wird bei der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 50 der dritten Ausführungsform von dem Zeitpunkt an, bei welchem sich das Rauschen der negativen hohen Spannung an der Seite der elektrischen Last 4 bildet, bis zu dem Zeitpunkt, bei welchem der MOS-Transistor Tr0 durch die Operation der zweiten Begrenzerschaltung eingeschaltet wird, verhindert, dass die Spannungsdifferenz zwischen dem Drain und dem Source des MOS-Transistors Tr0 sich durch Ströme erhöht, welche durch die Zenerdiode ZD1 und den NPN-Transistor 2 fließen. Somit wird der MOS-Transistor Tr0 sicher vor dem Rauschen der hohen Spannung geschützt.
Da darüber hinaus lediglich erfordert wird, dass der NPN-Transistor Tr2 den Strom zum Absorbieren des Rauschens der hohen Spannung zuläßt, welcher von dem Zeitpunkt, bei welchem die hohe Spannung gebildet wird, bis zu dem Zeitpunkt fließt, bei welchem der MOS-Transistor Tr0 eingeschaltet wird, kann die Strombelastbarkeit des NPN-Transistors Tr2 niedrig sein. Somit führt das Bereitstellen des NPN-Transistors Tr2 als die dritte Begrenzerschaltung nicht zu einem Ansteigen der Größe der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 50.
Vierte Ausführungsform
6 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer elektrischen Lastansteuerungsschaltung 60 einer vierten Ausführungsform.
Die Struktur der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 60 der vierten Ausführungsform entspricht im wesentlichen derjenigen der zweiten Ausführungsform. Der Unterschied besteht darin, dass ein NPN-Transistor Trs des weiteren als Abschnitt der zweiten Begrenzerschaltung vorgesehen ist.
Insbesondere ist ein Kollektor des NPN-Transistors Trs mit dem Gate des MOS-Transistors Tr0 bzw. der Kathode der Diode D1 verbunden, der Emitter des NPN-Transistor Trs ist an Masse angeschlossen, und die Basis des NPN-Transistors Trs ist mit dem Signaleingangsanschluss TS verbunden.
Bei dieser elektrischen Lastansteuerungsschaltung 60 wird der MOS-Transistor Tr0 ausgeschaltet, wenn der Schalter SW ausgeschaltet wird, da die Gatevorspannung abgeschnitten wird. Zusätzlich wird das Gate des MOS-Transistors Tr0 durch den NPN-Transistor Trs geerdet, wenn ein Signal eines hohen Pegels dem NPN-Transistor Trs durch den Eingangsanschluss TS zugeführt wird, um den NPN-Transistor Trs einzuschalten. Danach kann die in der parasitären Kapazität des MOS-Transistors Tr0 gespeicherte Ladung rasch entladen werden.
Daher kann bei der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 60 bei der Operation, bei welcher das Zuführen der Energie bzw. des Stroms der elektrischen Last 4 durch Ausschalten des MOS-Transistors Tr0 gestoppt wird, der MOS-Transistor Tr0 rasch ausgeschaltet werden. Somit sorgt diese Operation für ein unmittelbares Stoppen des Zuführens von Strom der elektrischen Last 4.
7 zeigt eine perspektivische Ansicht der Schaltungsstruktur des NPN-Transistors Trs und der Diode D1 der vierten Ausführungsform.
Der NPN-Transistor Trs und die Diode D1, welche parallel verbunden sind, können vereinigt in der integrierten Halbleiterschaltungsstruktur bereitgestellt werden. Darüber hinaus wird die Diode D1 als eine parasitäre Diode des NPN-Transistors Trs bereitgestellt.
Entsprechend 7 ist der NPN-Transistor Trs wie folgt gebildet.
Ein N⁺-Diffusionsgebiet 72 und ein P⁺-Diffusionsgebiet 74 sind in einer N-Typ Schicht gebildet, welche N⁺- und N^–-Typ Gebiete enthält, die von einer Isolierschicht 70 mit einer offenen Kastenform auf einem Substrat 79 zur Isolierung der Schaltungsstruktur des NPN-Transistors Trs und der Diode D1 von anderen Elementen der auf der integrierten Halbleiterschaltung gebildeten elektrischen Lastansteuerungsschaltung 60 umgeben sind. D. h. die Schaltungsstruktur des NPN-Transistors Trs und der Diode D1 werden in dem Isoliertrennverfahren (insulation separating method) unter Verwendung der Isolierschicht 70 gebildet. Des weiteren ist ein N⁺-Diffusionsgebiet 76 in dem P⁺-Diffusionsgebiet 74 gebildet.
Darüber hinaus ist ein P⁺-Diffusionsgebiet 78 in der N-Typ Schicht 71 gebildet.
Danach wird eine parasitäre Diode zwischen dem Emitter und dem Kollektor des NPN-Transistors Trs an dem P⁺-Diffusionsgebiet 78 und der N-Typ Schicht 71 als die Diode D1 gebildet. Insbesondere ist die Kathode der parasitären Diode, d. h. die N-Typ Schicht 71, mit dem Kollektor (dem N⁺-Diffusionsgebiet 72) verbunden.
Wie oben beschrieben sind der NPN-Transistor Trs und die Diode D1 innerhalb desselben Halbleiterschaltungsgebiets gebildet, so dass die Schaltungsfläche auf der integrierten Halbleiterschaltung verringert werden kann.
Darüber hinaus entlädt sich bei dieser Schaltungsstruktur eines parasitären PNP-Transistors, welche mit diesem parasitären PNP-Transistor gebildet ist, die in dem Basisgebiet des NPN-Transistors Trs gespeicherte Ladung in das P⁺-Diffusionsgebiet 78. Somit wird das Umschalten des NPN-Transistors zwischen Durchlass- und Sperrzuständen beschleunigt.
8 zeigt eine perspektivische Ansicht der Schaltungsstruktur des NPN-Transistors Trs und der Diode D1 einer anderen Beispiels der vierten Ausführungsform.
Die Schaltungsstruktur des NPN-Transistors Trs und der Diode D1 wird in dem Übergangs- bzw. Verbindungstrennverfahren (junction separating method) gebildet. D. h., ein P⁺-Gebiet 80 mit einer offenen Kastenform trennt die Schaltungsstruktur des NPN-Transistors Trs und der Diode D1 von anderen Elementen der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 60. Darüber hinaus sind in einer N^–-Schicht 81 in dem P⁺-Gebiet 80 ein N⁺-Diffusionsgebiet 82 und ein P⁺-Diffusionsgebiet 84 gebildet. Darüber hinaus ist in dem P⁺-Diffusionsgebiet 84 ein N⁺-Diffusionsgebiet 86 gebildet.
Das N⁺-Diffusionsgebiet 82, das P⁺-Diffusionsgebiet 84 und das N⁺-Diffusionsgebiet 86 entsprechen dem Kollektorgebiet, dem Basisgebiet bzw. dem Emittergebiet des NPN-Transistor Trs und sind auf Leitern gebondet. Darüber hinaus ist das P⁺-Gebiet 80 im allgemeinen an Masse angeschlossen, d. h. an das niedrigste Potential der Schaltung.
Wie oben beschrieben wird durch Bilden des NPN-Transistors Trs in dem Übergangstrennverfahren die parasitäre Diode zwischen der Masse und dem Kollektor des NPN-Transistors Trs gebildet. Diese parasitäre Diode kann als die Diode D1 als die zweite Begrenzerschaltung verwendet werden. In diesem Fall ist es nicht nötig das P⁺-Diffusionsgebiet 78 von 7 speziell zu bilden, so dass die Schaltungsfläche für die zweite Begrenzerschaltung verringert werden kann.
Oben sind bezüglich der ersten bis vierten Ausführungsformen die elektrischen Lastansteuerungsschaltungen einschließlich der N-Kanal MOS-Transistoren Tr0 als Schalter der heissen Seite beschrieben. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt, und es gibt verschiedene Modifizierungen.
Beispielsweise kann in dem Fall, bei welchem der N-Kanal MOS-Transistor Tr0 als Schalter der heissen Seite verwendet wird, die in 11 dargestellte Schutzschaltung weiter bereitgestellt werden. D. h. die Diode Da, der NPN-Transistor Tra und der Widerstand sind zwischen dem Verbindungsanschluss TL und Masse angeschlossen. Diese Struktur bildet einen sicheren Schutz für den MOS-Transistor Tr0.
9 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer elektrischen Lastansteuerungsschaltung 70 einer Modifizierung. Die in 9 dargestellte elektrische Lastansteuerungsschaltung enthält den MOS-Transistor, welcher zwischen der elektrischen Last 4 und Masse als Schalter der kalten Seite angeschlossen ist. Wenn bei einer derartigen Struktur der MOS-Transistor vom N-Kanaltyp ist, wird der Schaltertyp der kalten Seite der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 70 wie in 9 dargestellt bereitgestellt. Wenn der MOS-Transistor vom P-Kanal-Typ ist, wird die elektrische Lastansteuerungsschaltung 80 wie in 10 dargestellt bereitgestellt.
Bei der in 9 dargestellten elektrischen Lastansteuerungsschaltung ist der Drain des MOS-Transistors Tr10 mit einem Anschluss der elektrischen Last 4 gegenüberliegend der Gleichstromversorgung 2 verbunden. Das Source des MOS-Transistors Tr10 ist über den Masseanschluss TG, dessen Potential dasselbe wie das des negativen Pols der Gleichstromversorgung 2 ist, an Masse angeschlossen. Darüber hinaus ist ein Widerstand R10 zwischen dem Gate und dem Source des MOS-Transistors R10 angeschlossen. Darüber hinaus wird dem Gate des MOS-Transistors Tr10 eine positive Spannung von einem Stromversorgungsanschluss TD über den Schalter SW (einem Schaltelement wie einem Transistor) zugeführt.
Der Schalter SW wird im Ansprechen auf ein an einem Steueranschluss TC eingegebenen Schaltsteuersignal geschlossen und geöffnet (eingeschaltet und ausgeschaltet). Wenn die positive Spannung dem Gate des MOS-Transistors Tr10 über den Schalter SW zugeführt wird, wird der MOS-Transistor Tr10 eingeschaltet und steuert die elektrische Last 4 an.
Bei der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 70 ist eine Zenerdiode ZD11 als die erste Begrenzerschaltung an dem MOS-Transistor Tr10 angeschlossen. Insbesondere ist eine Anode der Zenerdiode ZD11 mit dem Source des MOS-Transistors Tr10 verbunden, und die Kathode der Zenerdiode ZD11 ist mit dem Drain des MOS-Transistors Tr10 verbunden.
Darüber hinaus ist ein PNP-Transistor Tr11 in der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 70 vorgesehen. Der Emitter des PNP-Transistors Tr11 ist mit dem Drain des MOS-Transistors Tr7 verbunden, und der Kollektor des PNP-Transistors Tr11 ist mit dem Gate des MOS-Transistors Tr10 verbunden. Des weiteren ist eine Diodenschaltung, welche eine Diode D11, Zenerdioden ZD12 und ZD13 enthält, zwischen dem Drain und dem Gate des MOS-Transistors Tr10 angeschlossen.
Der PNP-Transistor Tr11 arbeitet als die zweite Begrenzerschaltung der Erfindung, und dessen Basis ist über einen Widerstand R11 mit dem Stromversorgungsanschluss TD verbunden.
Bei der Diodenschaltung ist die Kathode einer Diode D11 an der Kathode der Zenerdiode ZD12 angeschlossen, und die Anode der Zenerdiode ZD12 ist an der Kathode der Zenerdiode ZD13 angeschlossen. Die Anode der Diode D11 ist an dem Drain des MOS-Transistors TR10 angeschlossen, und die Anode der Zenerdiode ZD13 ist an dem Gate des MOS-Transistors TR10 angeschlossen.
Wenn bei dieser elektrischen Lastansteuerungsschaltung 70 ein Rauschen der negativen hohen Spannung, dessen Potential niedriger als das Potential der Masse ist, an dem Verbindungsanschluss TL über den Anschluss Ta oder dergleichen an der Seite der elektrischen Last 4 induziert wird, fließen Durchlassströme durch die Zenerdiode ZD11 und die (nicht dargestellte) parasitäre Diode des MOS-Transistors Tr10 als die erste Begrenzerschaltung. Somit wird zwischen dem Drain und dem Source des MOS-Transistors Tr10 lediglich ein Spannungsabfall infolge der Durchlassströme gebildet. Dementsprechend wird der MOS-Transistor Tr10 infolge des Rauschens der negativen hohen Spannung nicht verschlechtert oder zerstört.
Wenn ein Rauschen des positiven hohen Pegels an dem Verbindungsanschluss TL über dem Anschluss Ta oder dergleichen an der Seite der elektrischen Last 4 sich entwickelt und wenn der MOS-Transistor Tr10 sich in dem Durchlasszustand befindet, fließt der Strom infolge des Rauschens der positiven hohen Spannung durch den MOS-Transistor Tr10 über Drain und Source davon, so dass die Spannungsdifferenz zwischen dem Drain und dem Source des MOS-Transistors Tr10 nicht übermäßig groß wird. Somit wird der MOS-Transistor Tr10 nicht verschlechtert und zerstört.
Falls demgegenüber der MOS-Transistor Tr10 sich in dem Sperrzustand befindet, wenn sich die positive hohe Spannung an dem Verbindungsanschluss TL entwickelt, steigt das Drainpotential des MOS-Transistors TR10 an, so dass sich die Spannungsdifferenz zwischen der Drain- und Sourcespannung mit der Polarität erhöht, welche dieselbe wie diejenige in den Durchlass- und Sperrzuständen ist, wo kein Rauschen der hohen Spannung bezüglich der positiven (oder negativen) Elektrode der Gleichstromversorgung 2 vorhanden ist. Mit anderen Worten, das Sourcepotential ist niedriger als das Drainpotential des MOS-Transistors Tr10.
In diesem Zustand begrenzt die Zenerdiode ZD11 die Spannungsdifferenz zwischen dem Drain und dem Source des MOS-Transistors TR10 auf die Durchbruchspannung der Zenerdiode ZD11.
Wenn die Strombelastbarkeit der Zenerdiode ZD11 niedrig ist und somit nicht das ganze Rauschen der positiven hohen Spannung durch den Durchbruchstrom absorbiert werden kann, welcher durch die Zenerdiode ZD11 fließt, erhöht sich die Spannungsdifferenz zwischen dem Drain und dem Source des MOS-Transistors Tr10 stärker als die Durchbruchspannung der Zenerdiode ZD11. Jedoch ist zwischen dem Gate und dem Drain des MOS-Transistors Tr10 der PNP-Transistor Tr11 als die zweite Begrenzerschaltung angeschlossen, so dass dann, wenn das Drainpotential die Vorspannung des Drain überschreitet, der PNP-Transistor Tr11 eingeschaltet wird. Danach erhöht sich ebenfalls das Gatepotential des MOS-Transistors Tr10. Als Ergebnis wird der MOS-Transistor Tr10 eingeschaltet und somit die Spannungsdifferenz zwischen dem Drain und dem Source des MOS-Transistors Tr10 unter die Rate begrenzt.
Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung auf die elektrische Lastansteuerungsschaltung 70 unter Verwendung der N-Kanäle des MOS-Transistors Tr10 als dem Schalter der kalten Seite anwendbar. Somit kann der MOS-Transistor Tr10 vor dem Rauschen der positiven und negativen hohen Spannung geschützt werden, welches sich an der Seite der elektrischen Last 4 entwickelt.
Darüber hinaus ist es nicht erforderlich, dass die Zenerdiode ZD11 und der PNP-Transistor Tr11 als die ersten und zweiten Begrenzerschaltungen große Ströme fließen lassen, so dass es ausreicht, dass die Strombelastbarkeiten von Elementen, welche wirklich als die Zenerdiode ZD11 und der PNP-Transistor Tr11 verwendet werden, nicht so groß sind. Somit kann die Schaltungsfläche der elektrischen Lastansteuerungsschaltung verringert werden.
Darüber hinaus wird wie oben beschrieben bei der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 70 die Seriendiodenschaltung zwischen dem Gate und dem Drain zusätzlich zu dem PNP-Transistor Tr11 als die zweite Begrenzerschaltung vorgesehen. Obwohl der PNP-Transistor Tr11 nicht arbeitet, da die an dem Versorgungsanschluss TD eingegebene Versorgungsspannung infolge der Wirkung des Rauschens der hohen Spannung variiert, wenn ein Rauschen der positiven hohen Spannung an dem Verbindungsanschluss TL induziert wird, begrenzt somit die Diodenschaltung das Gatepotential des MOS-Transistors Tr10, um den MOS-Transistor Tr10 einzuschalten.
Darüber hinaus kann bei dem Schaltertyp der kalten Seite der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 70 wie in 9 dargestellt ähnlich wie bei der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 50 der dritten Ausführungsform die Spannungsbegrenzerschaltung, welche einen Transistor oder dergleichen aufweist, zusätzlich zu der Zenerdiode ZD11 vorgesehen sein.
10 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm eines anderen Beispiels des Schaltertyps der kalten Seite der elektrischen Lastansteuerungsschaltung, welche einen P-Kanal MOS-Transistor als Schalter der kalten Seite verwendet.
Die elektrische Lastansteuerungsschaltung 80 enthält einen P-Typ MOS-Transistor Tr20, einen Widerstand R20, eine Diode D21, eine Zenerdiode ZD21 und einen Schalter SW. Das Source des P-Typ MOS-Transistors Tr20 ist über einen Verbindungsanschluss TL mit einem Anschluss der elektrischen Last 4 verbunden. Das andere Ende der elektrischen Last 4 ist mit einem positiven Anschluss der Gleichstromversorgung 20 verbunden. Der Drain des P-Typ MOS-Transistors Tr20 ist an Masse angeschlossen, deren Potential denselben Wert wie der negative Anschluss der Gleichstromversorgung 2 aufweist. Der Widerstand R20 ist zwischen dem Source und dem Gate des P-Typ MOS-Transistors Tr20 angeschlossen.
Der P-Typ MOS-Transistor Tr20 wird eingeschaltet, wenn das Gatepotential um mehr als die Schwellenwertspannung kleiner als das Drainpotential ist, um Energie bzw. Strom von der Gleichstromversorgung 2 der elektrischen Last 4 zuzuführen. Somit wird dem Gate des P-Typ MOS-Transistors Tr20 eine MOS-Transistor-Ansteuerungsspannung, welche kleiner als die Versorgungsspannung der Gleichstromversorgung 2 ist, durch den Schalter SW (Schaltelement wie ein Transistor) zugeführt. Der Schalter SW wird entsprechend einem von außen über einen Steueranschluss TC eingegebenen Schaltsteuersignal geschlossen und geöffnet.
Die Diode D21 als die erste Begrenzerschaltung ist mit dem Gate des MOS-Transistors TR20 verbunden. D. h. das Gate des P-Typ MOS-Transistors Tr20 ist mit einer Kathode der Diode D21 verbunden, und die Anode der Diode D21 ist mit dem Stromversorgungseingangsanschluss TD verbunden. Die Zenerdiode ZD21 als die erste Begrenzerschaltung ist zwischen dem Source und dem Drain des MOS-Transistors Tr20 angeschlossen. D. h. die Kathode der Zenerdiode ZD21 ist mit dem Source des MOS-Transistors TR20 verbunden, und die Anode der Zenerdiode ZD21 ist mit dem Drain des MOS-Transistors Tr20 verbunden.
Wenn bei dieser elektrischen Lastansteuerungsschaltung 80 ein Rauschen der negativen hohen Spannung, dessen Potential kleiner als das Massepotential ist, an dem Verbindungsanschluss TL induziert wird, fließen Durchlassströme durch die Zenerdiode ZD21 und die (nicht dargestellte) parasitäre Diode des MOS-Transistor Tr20 als die Begrenzerschaltung. Somit werden zwischen dem Drain und dem Source des MOS-Transistors Tr20 lediglich Durchlassspannungsabfälle von Dioden entwickelt, so dass der MOS-Transistor Tr20 infolge des Rauschens der negativen hohen Spannung sich nicht verschlechtert oder zerstört wird.
Wenn sich ein Rauschen der positiven hohen Spannung an dem Verbindungsanschluss TL über den Anschluss Ta oder dergleichen an der Seite der elektrischen Last 4 in dem Zustand entwickelt, bei welchem der MOS-Transistor Tr20 eingeschaltet wird bzw. ist, fließt ein Strom zwischen dem Source und dem Drain. Somit tritt keine übermäßige Spannung zwischen dem Drain und dem Source des MOS-Transistors Tr20 auf, so dass der MOS-Transistor Tr20 sich nicht verschlechtert oder zerstört wird.
Wenn demgegenüber ein Rauschen der positiven hohen Spannung an dem Verbindungsanschluss TL in dem Zustand induziert wird, bei welchem der MOS-Transistor Tr20 ausgeschaltet wird, erhöht sich das Sourcepotential des MOS-Transistors Tr20 mit derselben Polarität wie derjenigen in dem Zustand ohne Rauschen. D. h. die Polarität wird derart bestimmt, dass das Sourcepotential größer als das Drainpotential ist. Mit anderen Worten, die Polarität der Spannungsdifferenz zwischen dem Source und dem Drain bezüglich der Gleichstromversorgung 2 (von daher betrachtet) besitzt denselben Wert wie die Spannungsdifferenz zwischen dem Source und dem Drain ohne Rauschen.
Danach begrenzt die Zenerdiode ZD21 die Spannungsdifferenz zwischen dem Source und dem Drain auf die Durchbruchspannung der Zenerdiode ZD21.
Wenn die Strombelastbarkeit der Zenerdiode ZD21 relativ niedrig ist und somit das Rauschen der hohen Spannung nicht durch den Durchbruchstrom absorbiert werden kann, welcher durch die Zenerdiode ZD21 fließt, erhöht sich die Spannungsdifferenz zwischen dem Source und dem Drain des MOS-Transistors Tr20 über die Durchbruchspannung der Zenerdiode ZD21. Jedoch ist die Diode D21 als die zweite Begrenzerschaltung mit dem Gate des MOS-Transistors Tr20 verbunden, so dass sich das Gatepotential nicht mit einem Ansteigen des Sourcepotentials erhöht. D. h. das Gatepotential wird auf eine Spannung (VB – Vf) begrenzt, welche um den Durchlassspannungsabfall zu der Diode D1 kleiner als die Versorgungsspannung VB der Gleichstromquelle 2 ist.
Wenn somit das Sourcepotential des MOS-Transistors Tr20 um die Schwellenwertspannung (Vt) des MOS-Transistors Tr20 kleiner als das Gatepotential (VB – Vf) wird, wird der MOS-Transistor 20 eingeschaltet, und es fließt somit ein Strom durch den MOS-Transistor Tr20, so dass die Spannungsdifferenz VDS zwischen dem Drain und dem Source des MOS-Transistors Tr20 gegeben wird durch: VDS = VB – Vf + Vt
Daher wird die Spannungsdifferenz des MOS-Transistors unter die Rate begrenzt.
Dementsprechend kann bei der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 80, welche den P-Kanal MOS-Transistor Tr20 als Schalter der kalten Seite verwendet, der MOS-Transistor Tr20 vor einem Rauschen der negativen und positiven hohen Spannung geschützt werden, welches durch elektrostatische Ladungen oder dergleichen an der Seite der elektrischen Last 4 induziert wird, ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform.
Darüber hinaus ist es nicht nötig, dass die gesamten Ströme zum Absorbieren des Rauschens der hohen Spannung durch die Zenerdiode ZD21 und die Diode D21, welche die ersten und zweiten Begrenzerschaltungen bilden, fließen, so dass es nicht nötig ist, dass die Strombelastbarkeiten der in diesen Begrenzerschaltungen verwendeten Elemente groß sind. Somit kann die Schaltungsfläche dieser Elemente verringert werden.
Des weiteren kann bei dem Schaltertyp der kalten Seite der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 80 die zweite Begrenzerschaltung mit der Kombination der Dioden und der Zenerdiode wie durch die in 2 dargestellte elektrische Lastansteuerungsschaltung 20 dargestellt gebildet werden. Darüber hinaus kann die Begrenzerschaltung mit dem p-n-Übergang in dem Transistor Tr1 wie in 3 dargestellt gebildet werden.
Des weiteren kann bei dem in 10 dargestellten Schaltertyp der kalten Seite der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 80 die Begrenzerschaltung zum Begrenzen (Halten) des Gatepotentials auf den Wert in dem Fall, bei welchem das Gatepotential um eine vorbestimmte Spannung größer als das Drainpotential wird, wie in der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 40 der zweiten Ausführungsform dargestellt bereitgestellt werden. Diese Struktur kann verhindern, dass das Gatepotential des MOS-Transistors Tr20 um eine vorbestimmte Spannung größer als das Massepotential wird. Obwohl ein Rauschen der positiven hohen Spannung induziert wird und somit der an dem Versorgungsstromeingangsanschluss TD1 eingegebene Versorgungsstrom infolge des Rauschens der positiven hohen Spannung variiert, kann dementsprechend der MOS-Transistor Tr20 eingeschaltet werden.
Darüber hinaus kann bei dem Schaltertyp der kalten Seite der elektrischen Lastansteuerungsschaltung 80 die Spannungsbegrenzerschaltung, welche einen Transistor oder dergleichen enthält, zwischen dem Drain und dem Source des MOS-Transistors Tr20 zusätzlich zu der Zenerdiode ZD21 wie in 5 dargestellt vorgesehen werden.
Vorstehend wurde eine elektrische Lastansteuerungsschaltung mit Schutzeinrichtung offenbart. Bei einem Schaltertyp einer heissen Seite einer elektrischen Lastansteuerungsschaltung, bei welcher ein N-Kanal MOS-Transistor auf der Schaltung zum Versorgen der elektrischen Last mit Energie bzw. Strom vorgesehen ist, ist eine Zenerdiode zwischen dem Drain und dem Source des MOS-Transistors vorgesehen, um den MOS-Transistor zu schützen. Eine Diode ist zwischen dem Gate und Masse vorgesehen, um den MOS-Transistor zu schützen. Wenn bei dieser Schaltung eine positive hohe Spannung an der Seite der elektrischen Last induziert wird, fließen Durchlassströme durch die Zenerdiode und eine parasitäre Diode des MOS-Transistors, welche das Rauschen der hohen Spannung absorbieren. Wenn ein Rauschen einer negativen hohen Spannung an der Seite der elektrischen Last induziert wird, fließt ein Durchbruchstrom durch die Zenerdiode, so dass die Spannungsdifferenz zwischen dem Drain und dem Source auf eine vorbestimmte Spannung begrenzt wird. Danach schaltet die Diode den MOS-Transistor ein. Somit kann der MOS-Transistor sicher vor einem Rauschen der hohen Spannung geschützt werden, ohne dass die Strombelastbarkeit der Elemente für die Schutzschaltung erhöht wird.

Claims

Elektrische Lastansteuerungsschaltung zum Ansteuern einer elektrischen Last (4) mit: einem Anschluss (TB), an den eine Ansteuerungsstromversorgung (2) anzuschließen ist; einem MOS-Transistor (Tr0), welcher zwischen der Ansteuerungsstromversorgung (2) und der elektrischen Last (4) vorgesehen ist und erste und zweite Elektroden sowie eine Gateelektrode aufweist, die einen Kanal zwischen den ersten und zweiten Elektroden steuert, wobei der MOS-Transistor ein oder ausgeschaltet wird, um die elektrische Last anzusteuern, und eine Spannung zwischen den ersten und zweiten Elektroden des MOS-Transistors eine vorbestimmte Polarität besitzt; einer ersten Begrenzerschaltung (ZD1), welche derart bemessen ist, dass sie die Spannung zwischen den ersten und zweiten Elektroden auf eine erste vorbestimmte Spannung begrenzt, wenn eine hohe Spannung extern an einen Verbindungspunkt (TL) zwischen dem MOS-Transistor (Tr0) und der elektrischen Last (4) angelegt wird, wobei durch das Anlegen der hohen Spannung sich zwischen den ersten und zweiten Elektroden eine Spannung mit der derselben Polarität wie derjenigen der vorbestimmten Polarität ausbildet; und einer zweiten Begrenzerschaltung (D1), welche derart bemessen ist, dass sie die Gateelektrode des MOS-Transistors (Tr0) auf ein vorbestimmtes Potential begrenzt, um den MOS-Transistor einzuschalten, wenn die hohe Spannung extern an den Verbindungspunkt (TL) angelegt wird, während der MOS-Transistor ausgeschaltet ist.
Elektrische Lastansteuerungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der MOS-Transistor (Tr0) einen N-Kanal MOS-Transistor aufweist, wobei die erste Elektrode an einen positiven Anschluss der Ansteuerungsstromversorgung (2) gekoppelt ist, ein negativer Anschluss der Ansteuerungsstromversorgung an Masse angeschlossen ist, die zweite Elektrode an die elektrische Last (4) gekoppelt ist, die zweite Begrenzerschaltung (D1) zwischen der Gateelektrode und Masse vorgesehen ist, und das vorbestimmte Potential um einen ersten vorbestimmten Wert kleiner als das Massepotential ist und größer als ein Potential an der zweiten Elektrode ist, wenn die hohe Spannung extern an den Verbindungspunkt (TL) angelegt wird, während der MOS-Transistor ausgeschaltet ist.
Elektrische Lastansteuerungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Begrenzerschaltung eine Zenerdiode (ZD1) aufweist, deren Anode mit der zweiten Elektrode verbunden ist und deren Kathode mit der ersten Elektrode verbunden ist.
Elektrische Lastansteuerungsschaltung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine dritte Begrenzerschaltung (Tr2, R1), welche einen NPN-Transistor (Tr2), dessen Kollektor mit der ersten Elektrode verbunden ist, und einen zwischen einer Basis des NPN-Transistors und der zweiten Elektrode vorgesehenen Widerstand (R1) enthält, wobei ein Emitter des NPN-Transistors mit der zweiten Elektrode verbunden ist und wobei der NPN-Transistor eingeschaltet wird, wenn die hohe Spannung extern an den Verbindungspunkt (TL) angelegt wird, während der MOS-Transistor (Tr0) ausgeschaltet ist.
Elektrische Lastansteuerungsschaltung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine dritte Begrenzerschaltung (D3, ZD3, ZD4), welche zwischen der ersten Elektrode und der Gateelektrode vorgesehen ist und dann, wenn das Potential an der Gateelektrode um einen zweiten vorbestimmten Wert kleiner als ein Potential an der ersten Elektrode ist, das Potential an der Gateelektrode hält.
Elektrische Lastansteuerungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Begrenzerschaltung eine Diode (D1) und einen NPN-Transistor (Trs) aufweist, welcher parallel mit der Diode verbunden ist, wobei eine Kathode der Diode an die Gateelektrode angeschlossen ist, eine Anode der Diode an Masse angeschlossen ist, ein Emitter des NPN-Transistors an Masse angeschlossen ist und ein Kollektor des NPN-Transistors mit der Gateelektrode des MOS-Transistors verbunden ist.
Elektrische Lastansteuerungsschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Begrenzerschaltung: eine n-Typ Schicht (71) auf einem Substrat (79); ein erstes p-Typ Diffusionsgebiet (74) in der n-Typ Schicht (71); ein erstes n-Typ Diffusionsgebiet (72) in der n-Typ-Schicht (71); ein zweites p-Typ Diffusionsgebiet (78), wobei das erste p-Typ Diffusionsgebiet (74), das erste n-Typ Diffusionsgebiet (72) und das zweite p-Typ Diffusionsgebiet (78) voneinander durch die n-Typ Schicht (71) getrennt sind; und ein zweites n-Typ Diffusionsgebiet (76) in dem ersten p-Typ Diffusionsgebiet (74) enthält, wobei die Diode (D1) durch das zweite p-Typ Diffusionsgebiet (78) und die n-Typ Schicht (71) gebildet ist, der Kollektor des NPN-Transistors (Trs) durch das erste n-Typ Diffusionsgebiet (72) gebildet ist, die Basis des NPN-Transistors durch das erste p-Typ Diffusionsgebiet (74) gebildet ist, der Emitter des NPN-Transistors durch das zweite n-Typ Diffusionsgebiet (76) gebildet ist, die Anode der Diode durch das zweite p-Typ Diffusionsgebiet (78) gebildet ist, die Kathode der Diode durch die n-Typ Schicht (71) gebildet ist, wobei die Kathode der Diode mit dem Kollektor des NPN-Transistors durch die n-Typ Schicht (71) verbunden ist.
Elektrische Lastansteuerungsschaltung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Halbleiterstruktur, welche ein p-Typ Substrat, eine p-Typ Umgebungswand (80) auf dem p-Typ Substrat, eine n-Typ Schicht (81) innerhalb des p-Typ Substrats und der Umgebungswand und einen Transistorschaltungsabschnitt in der n-Typ Schicht enthält, welcher den NPN-Transistor bildet, wobei die Diode (D1) durch die p-Typ Umgebungswand und die n-Typ Schicht gebildet ist.