DE102004046418A1

DE102004046418A1 - Überspannungs-Schutzschaltung für einen MOS-Ausgangstransistor

Info

Publication number: DE102004046418A1
Application number: DE102004046418A
Authority: DE
Inventors: Akihiro Kawasaki Nakahara
Original assignee: NEC Electronics Corp
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2004-09-24
Publication date: 2005-08-04
Also published as: US20050068705A1; US7576964B2; JP4390515B2; CN1604474A; CN1307797C; JP2005109162A

Abstract

Eine Überspannungs-Schutzschaltung für eine Schaltung eines Ausgangs-MOS-Transistors (7) und eine Last (9), die zwischen eine erste Energieversorgung (1) und eine zweite Energieversorgung (2) in Reihe geschaltet sind. Die Überspannungs-Schutzschaltung hat eine Steuersignalschaltung (5, 6), eine dynamische Klemmschaltung (10), einen Steuerschalter (12) und eine Spannungsstoßdetektorschaltung (11). Die Steuersignalschaltung ist zwischen das Gate des Ausgangs-MOS-Transistors und die Last geschaltet und die dynamische Klemmschaltung ist mit dem Gate des Ausgangs-MOS-Transistors verbunden. Der Steuerschalter ist zwischen die erste Energieversorgung und die dynamische Klemmschaltung und die Spannungsstoßdetektorschaltung geschaltet, die eine Spannung der ersten Energieversorgung überwacht und den Steuerschalter einschaltet, wenn die Spannung der ersten Energieversorgung auf eine Spannung steigt, die höher als eine vorbestimmte Spannung ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiterschaltung und insbesondere eine Überspannungs-Schutzschaltung eines Ausgangs-MOS-Transistors in einer integrierten Halbleiterschaltung.

Herkömmlicherweise wird eine Überspannungs-Schutzschaltung in breitem Umfang verwendet, einen Transistor gegenüber einer Überspannung wie beispielsweise einem Spannungsstoß zu schützen, und es ist eine dynamische Klemmschaltung als Überspannungs-Schutzschaltung bekannt, die in der japanischen offengelegten Patentanmeldung (JP-A-Heisei 06-204410) offenbart ist.

1 zeigt die Struktur einer derartigen dynamischen Klemmschaltung, die aus einem Widerstand 5, einem MOS-Transistor, einem Ausgangs-MOS-Transistor 7, einer Last 9 und einer dynamischen Klemmschaltung 10 besteht. Wie in der 1 gezeigt, sind der Ausgangs-MOS-Transistor 7 und die Last 9 zwischen einer ersten Energieversorgung 1 und einer zweiten Energieversorgung 2 in Reihe geschaltet, um eine N-Kanal-Source-Folger-Schaltungsstruktur zu bilden. Ein Knoten zwischen dem Ausgangs-MOS-Transistor 7 und der Last 9 ist an den Ausgangsanschluss 8 angeschlossen. Der Ausgangs-MOS-Transistor 7 wird in seinem EIN/AUS-Zustand in Antwort auf ein erstes Steuersignal 3 gesteuert, das einem Knoten A zugeführt wird, der mit dem Gate-Anschluss verbunden ist, d. h. über einen Gate-Widerstand 5 mit einem Knoten B. Das erste Steuersignal 3 ist ein Ausgangsspannungssignal einer Boost-Schaltung (nicht dargestellt). Das erste Steuersignal 3 hat ein Signal mit einem Spannungspegel, der höher als die Spannung der ersten Energieversorgung 1 ist, wenn der Ausgangs-MOS-Transistor 7 eingeschaltet ist und hat im Wesentlichen die gleiche Spannung wie die Spannung der zweiten Energieversorgung 2, wenn der Ausgangs-MOS-Transistor 7 abgeschaltet ist.

Der MOS-Transistor 6 ist zwischen den Knoten A und den Ausgangsanschluss 8 geschaltet, um die Gate-Ladung des Ausgangs-MOS-Transistors 7 zu entladen, wenn der Ausgangs-MOS-Transistor 7 abgeschaltet ist. Der MOS-Transistor 6 ist zwischen dem EIN/AUS-Zustand in Antwort auf ein zweites Steuersignal 4 gesteuert, das dem Gate-Anschluss zugeführt wird, d. h. einem Knoten C. Das zweite Steuersignal 4 hat im Wesentlichen die gleiche Spannung wie die Spannung der ersten Energieversorgung 1, wenn der MOS-Transistor 6 eingeschaltet ist und hat im Wesentlichen die gleiche Spannung wie die Spannung der zweiten Energieversorgung 2, wenn der MOS-Transistor 6 abgeschaltet ist. Wenn das erste Steuersignal 3 auf einem hohen Pegel ist, nimmt das zweite Steuersignal 4 den niedrigen Pegel ein. Umgekehrt gilt das Gleiche. Die dynamische Klemmschaltung 10 ist zwischen die erste Energieversorgung 1 und den Knoten B geschaltet. Die dynamische Klemmschaltung 10 besteht aus einer Zener-Diode D1 und einer Diode D2, die in Reihe geschaltet sind.

Als Nächstes wird die Funktionsweise der Schaltung beschrieben. Wenn der Ausgangs-MOS-Transistor 7 abgeschaltet werden sollte, wird das erste Steuersignal 3 auf den niedrigen Pegel gesetzt und das zweite Steuersignal 4 wird auf den hohen Pegel gesetzt. Zu diesem Zeitpunkt ist der MOS-Transistor 6 eingeschaltet, so dass die Gate-Ladung des Ausgangs-MOS-Transistor 7 oder die Ladung am Knoten B über den Ausgangsanschluss 8 und die Last 9 auf die zweite Energieversorgung 2 entladen wird. Wegen einer Induktanzkomponente der Last (Induktanzkomponente der induktiven Last wie beispielsweise eines Hubmagneten oder eines Kabelbaums) wird infolge der elektromotorischen Gegenkraft auch eine negative Ausgangsspannung an dem Ausgangsanschluss 8 erzeugt. In dem Schalter an der hohen Seite für das Automobil ist eine Durchschlagspannung des Ausgangs-MOS-Transistors 7 auf 60 V oder höher gesetzt und eine Durchschlagspannung der dynamischen Klemmschaltung 10 ist auf ungefähr 40 bis 60 V gesetzt, was ungefähr gleich der Durchschlagspannung der Zener-Diode D1 ist. Wenn die angelegte Spannung eine Durchschlagspannung des Ausgangs-MOS-Transistors 7 überschreitet, schlägt der Ausgangs-MOS-Transistor 7 durch und es fließt ein Durchschlagstrom. Somit besteht dabei die Möglichkeit, dass der Ausgangs-MOS-Transistor 7 schlechter wird, wenn der Überspannungsschutz durch die dynamische Klemmschaltung 10 nicht durchgeführt wird. Wenn eine Spannung, die höher als die Durchschlagspannung der dynamischen Klemmschaltung 10 ist, zwischen der ersten Energieversorgung 1 und dem Ausgangsanschluss 8 angelegt ist, weil an dem Ausgangsanschluss die negative Ausgangsspannung erzeugt wird, wird die Spannung zwischen Drain und Source des Ausgangs-MOS-Transistors 7 an eine Durchschlagspannung der dynamischen Klemmschaltung 10 geklemmt. Bei der negativen Ausgangsspannung ist das Design der Last so ausgebildet, dass der Strom, welcher durch den Ausgangs-MOS-Transistor 7 fließt, nicht über einen sicheren Betriebsbereich kreuzt, wenn eine Überspannungs-Schutzschaltung arbeitet. Daher gibt es keinen Fall, dass der Ausgangs-MOS-Transistor 7 zerstört wird.

Andererseits wird an der ersten Energieversorgung 1 ein positiver Spannungsentladestoß erzeugt, wenn während der Energieerzeugung durch einen Wechselstromgenerator ein Batterieanschluss nicht befestigt ist. Wenn der Entladestoß angelegt wird, wenn der Ausgangs-MOS-Transistor 7 in dem AUS-Zustand ist, arbeitet die dynamische Klemmschaltung 10 so, dass die dynamische Klemmschaltung 10 ausfällt, wie im Fall der Erzeugung einer negativen Ausgangsspannung. Zu diesem Zeitpunkt steigt die Gate-Spannung so an, dass der Ausgangs-MOS-Transistor 7 eingeschaltet wird. Als ein Ergebnis geht der Strom, welcher durch den Ausgangs-MOS-Transistor 7 fließt, über den sicheren Betriebsbereich (SOA). Daher wird der Ausgangs-MOS-Transistor 7 zerstört.

Nebenbei gesagt ist in dem vorstehend genannten Schalter an der hohen Seite der Einschaltwiderstand des Ausgangs-MOS-Transistors 7 sehr klein. Der Ausgangs-MOS-Transistor 7 ist aus einem Satz von Zellen gebildet, wie sie in der japanischen offengelegten Patentanmeldung (JP-P2002-343969A) offenbart sind. Als ein Verfahren zur Erzielung eines niedrigen Widerstandes wird ein Verfahren verwendet, bei dem eine Zellengröße geschrumpft ist, um den Einschaltwiderstand pro Einheitsfläche zu senken. Durch das Zellenschrumpfen erscheint ein Phänomen, dass der vordere SOA infolge des Sekundärdurchschlags in einem Zustand, in welchem zwischen dem Drain und der Source in dem Ausgangs-MOS-Transistor 7 eine hohe Spannung angelegt ist, eingeengt. Dies ergibt eine Beschränkung für eine Überspannungs-Schutzschaltung, die in diesem Bereich arbeitet. Weil der sichere Betriebsbereich eng wird, wenn die Überspannungs-Schutzschaltung in Betrieb ist, wenn eine Überspannung des Entladestoßes angelegt ist, geht der Betriebspunkt über den sicheren Betriebsbereich, so dass die Wärmezerstörung des Ausgangs-MOS-Transistors 7 resultiert. Dieses Phänomen verursachte kein Problem für den Fall, dass der Ausgangs-MOS-Transistor 7 einen breiten sicheren Betriebsbereich hat.

In Verbindung mit der vorstehenden Beschreibung ist eine Treiberschaltung eines Halbleiterschalters in der japanischen offengelegten Patentanmeldung (JP-A-Heisei 6-252721) offenbart. In der Treiberschaltung dieses herkömmlichen Beispieles steuert ein Halbleiterschalter die Versorgungsenergie zu einer Last, die mit einer Lasttreibenergieversorgung verbunden ist. Eine Zener-Diode setzt den Halbleiterschalter basierend auf dem Anstieg einer Spannung zwischen dem Halbleiterschalter und der Last in den EIN-Zustand, wenn der Halbleiterschalter ausgeschaltet ist. Ein zweiter Halbleiterschalter ist mit der Zener-Diode in Reihe geschaltet. Eine Kurzschlussdetektorschaltung ist vorgesehen, um einen zweiten Halbleiterschalter basierend auf einer Spannung zwischen dem Halbleiterschalter und der Last wegen des Kurzschlusses der Zener-Diode auszuschalten.

In der japanischen offengelegten Patentanmeldung JP-A-Heisei 8-8704) ist auch eine Schaltschaltung der hohen Seite offenbart. In der Schaltschaltung der hohen Seite gemäß dieses herkömmlichen Beispieles speist eine Boost-Sektion einen ersten MOS-Transistor für einen Schalter der hohen Seite mit einer Gate-Spannung, die durch Verstärken einer Energieversorgungsspannung erhalten worden ist. Eine Spannungsstoßdetektorsektion detektiert eine Stoßspannung, die höher als die maximale Nennspannung der Energieversorgung ist. Zwischen einem Energieversorgungsanschluss und der Boost-Sektion ist ein zweiter MOS-Transistor vorgesehen und wird basierend auf dem Ausgang der Spannungsstoßdetektorsektion abgeschaltet. Zwischen dem Gate des zweiten MOS-Transistors und dem Energieversorgungsanschluss ist ein Widerstand vorgesehen. Zwischen dem Gate des zweiten MOS-Transistors und der Masse ist ein dritter MOS-Transistor vorgesehen. Eine Spannung, die durch die Boost-Sektion verstärkt ist, wird über eine erste Diode zum Gate des zweiten MOS-Transistors zurückgeleitet. Der Ausgang der Spannungsstoßdetektorsektion ist mit dem Gate des dritten MOS-Transistors verbunden. Wenn der zweite MOS-Transistor abgeschaltet ist, ist der dritte MOS-Transistor eingeschaltet.

In der japanischen offengelegten Patentanmeldung (JP-A-Heisei 8-288817) ist auch eine Halbleitervorrichtung offenbart. Bei diesem herkömmlichen Beispiel besteht die Halbleitervorrichtung aus einem Leistungs-MOSFET, dessen Drain mit einem Energieversorgungsanschluss und dessen Source mit einem Ausgangsanschluss verbunden ist. Zwischen dem Gate des Leistungs-MOSFET und der Masse der Steuerschaltung ist ein erster MOSFET angeordnet, um den Leistungs-MOSFET basierend auf einer Spannung an einem Eingangsanschluss abzuschalten. Ein zweiter MOSFET ist zwischen dem Gate des Leistungs-MOSFET und einem Ausgangsanschluss angeordnet, um den Leistungs-MOSFET basierend auf der Spannung des Eingangsanschlusses abzuschalten. Mit dem Gate des Leistungs-MOSFET ist eine Gate-Ladeschaltung verbunden, um den Leistungs-MOSFET basierend auf der Spannung des Eingangsanschlusses einzuschalten.

In der japanischen offengelegten Patentanmeldung (JP-A-Heisei 9-163583) ist auch eine Schutzschaltung einer Halbleitervorrichtung offenbart. In einem sicheren Betriebsbereich mit inverser Vorspannung eines IGBT ist eine zulässige Spannung im Fall eines Stromes niedriger als der Nennstrom des IGBT hoch und die zulässige Spannung sinkt, wenn der Strom höher wird. Daher sind bei diesem herkömmlichen Beispiel wenigstens zwei Klemmvorrichtungen zwischen dem Kollektor und dem Gate in dem IGBT in Reihe geschaltet. Parallel zu den anderen Klemmvorrichtungen als der einen Klemmvorrichtung sind Schalter vorgesehen. Eine Schaltsteuereinheit steuert die Schalter basierend auf einem Kollektorstrom, der von einer Detektorsektion detektiert wird. Wenn der Kollektorstrom des IGBT so klein wie der Nennstrom ist, werden die Schalter so geöffnet, dass alle Klemmvorrichtungen zwischen dem Kollektor und dem Gate des IGBT geschaltet sind. Somit wird die Klemmspannung des IGBT erhöht.

In der japanischen offengelegten Patentanmeldung (JP-A-Heisei 9-298834) ist eine Lasttreiberschaltung offenbart, die eine Spannungsstoßschutzfunktion hat. Bei diesem herkömmlichen Beispiel hat die Lasttreiberschaltung eine Spannungsstoßschutzfunktion und besteht aus einem Ausgangstransistor, in welchem ein Emitter über eine Last an Masse gelegt ist und ein Kollektor mit einer Energieversorgungsleitung verbunden ist und einer Steuerschaltungssektion, die die Gate-Spannung des Ausgangstransistors steuert, um eine EIN/AUS-Steuerung des Ausgangstransistors durchzuführen. Eine Spannungsstoßdetektorschaltungssektion detektiert eine Energieversorgungsstoßspannung an der Energieversorgungsleitung. Eine Treiberschaltungssektion speist das Gate des Ausgangstransistors mit einer Spannung von der Energieversorgungsleitung basierend auf einer Ausgangsspannung der Spannungsstoßdetektorschaltungssektion, wenn eine Energieversorgungsstoßspannung detektiert ist, so dass der Ausgangstransistor eingeschaltet ist.

In der japanischen offengelegten Patentanmeldung (JP-A-Heisei 11-32429) ist auch eine integrierte Halbleiterschaltung offenbart. In der integrierten Halbleiterschaltung dieses herkömmlichen Beispieles ist ein Transistor mit dem Ausgangsanschluss verbunden, um eine Last zu treiben. Eine Transistorsteuerschaltung steuert den Transistor. Eine Überspannungsschutzsektion schaltet in einen leitenden Zustand, wenn eine Spannung zwischen dem Gate des Transistors und dem Ausgangsanschluss höher als eine vorbestimmte Spannung ist und ist in einer Klemmschaltung enthalten. Eine Klemmsteuerschaltung detektiert eine Änderung eines Steuersignals der Transistorsteuerschaltung und steuert den Betrieb der Klemmschaltung basierend auf dem Detektionsergebnis.

In der japanischen offengelegten Patentanmeldung (JP-A-Heisei 11-41801) ist auch eine Spannungsklemmschaltung offenbart. Bei diesem herkömmlichen Beispiel besteht die Spannungsklemmschaltung aus einer Energieversorgung, einer Konstantspannungsvorrichtung mit drei Anschlüssen, wobei zwei der drei Anschlüsse zwischen die Ausgangsanschlüsse dieser Energieversorgung geschaltet sind und einer Klemmschaltung, die mit dem ersten oder dritten Anschluss der 3-Anschluss-Konstantspanungsvorrichtung verbunden ist. In der Klemmschaltung sind ein erster Transistor und ein erster Widerstand zwischen den ersten und zweiten Anschlüssen in Reihe geschaltet. Ein zweiter Widerstand ist zwischen einem Knoten zwischen dem ersten Transistor und dem ersten Widerstand und dem Gate oder der Basis des ersten Transistor geschaltet. Ein dritter Widerstand ist zwischen das Gate oder die Basis des ersten Transistor und den dritten Anschluss geschaltet. Eine Steuerschaltung ist parallel zu einer Reihenschaltung des zweiten Widerstandes und des dritten Widerstandes geschaltet.

In der japanischen offengelegten Patentanmeldung (JP-P2000-245137A) ist eine Schutzvorrichtung einer Halbleitervorrichtung offenbart. Bei diesem herkömmlichen Beispiel ist eine Spannungsklemmschaltung zwischen die Elektroden der Halbleitervorrichtung geschaltet, um eine Spannung der Halbleitervorrichtung auf eine Nennspannung zu klemmen, wenn ein Strom der Halbleitervorrichtung abgeblockt ist. Ein Ende der Spannungsklemmschaltung ist mit einer Ausgangselektrode der Halbleitervorrichtung verbunden, entweder direkt oder mit einem leitfähigen Kühlkörper, der durch ein Material mit geringer Induktanz in einem kürzestmöglichen Abstand an die Elektrode gekoppelt ist, und das andere Ende der Spannungsklemmschaltung ist mit der Steuerelektrode der Halbleitervorrichtung in einem kürzestmöglichen Abstand verbunden.

In der japanischen offengelegten Patentanmeldung JP-P2002-151989A) ist auch eine Klemmschaltung offenbart. In diesem herkömmlichen Beispiel klemmt die Klemmschaltung eine Stoßspannung, um ein Schaltelement zu schützen. Eine Klemmsektion klemmt eine Eingangsspannung, wenn die Eingangsspannung höher als ein spezifischer Wert wird. Eine Zeiteinstellsektion schaltet die Klemmsektion auf einen Nichtbetriebszustand, wenn eine spezifische Zeit vergangen ist, nachdem die Klemmsektion das Klemmen begonnen hat.

In der japanischen offengelegten Patentanmeldung (JP-P2002-343969A) ist auch ein Feldeffekttransistor vom Vertikaltyp offenbart. In diesem herkömmlichen Beispiel besteht der Feldeffekttransistor aus einem Halbleitersubstrat von einem ersten Leitungstyp und einer ersten Basisregion von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, die auf dem Halbleitersubstrat so ausgebildet ist, dass sie eine Polygonform hat. Eine zweite Basisregion vom zweiten Leitfähigkeitstyp ist in der ersten Basisregion ausgebildet, hat eine höhere Konzentration als die erste Basisregion und enthält eine Anzahl von diagonalen Sektionen, welche sich von dem Mittelpunkt der ersten Basisregion zu jeder der oberen Sektionen des Polygons. erstrecken. Eine Source-Region vom ersten Leitfähigkeitstyp ist flacher als die zweite Basisregion und ist so ausgebildet, dass sie durch die Anzahl von Diagonalsektionen in der zweiten Basisregion geteilt ist. Eine Source-Elektrode kontaktiert die Source-Region. Eine Drain-Elektrode kontaktiert die Rückseite des Halbleitersubstrats und liegt der ersten Basisregion über die Drain-Region des Halbleitersubstrats gegenüber. Die Kantensektion der Source-Elektrode erstreckt sich zum Inneren der zweiten Basisregion über den Boden der Source-Region hinaus.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Überspannungs-Schutzschaltung zum Verhindern der Zerstörung eines Ausgangs-MOS-Transistors zu schaffen.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung dient eine Überspannungs-Schutzschaltung für eine Schaltung eines Ausgangs-MOS-Transistors und einer Last, die zwischen einer ersten Energieversorgung und einer zweiten Energieversorgung in Reihe geschaltet sind. Die Überspannungs-Schutzschaltung enthält eine Steuersignalschaltung, eine dynamische Klemmschaltung, einen Steuerschalter und eine Spannungsstoßdetektorschaltung. Die Steuersignalschaltung ist zwischen das Gate des Ausgangs-MOS-Transistors und die Last geschaltet und die dynamische Klemmschaltung ist mit dem Gate des Ausgangs-MOS-Transistors verbunden. Der Steuerschalter ist zwischen die erste Energieversorgung und die dynamische Klemmschaltung und die Spannungsstoßdetektorschaltung geschaltet, die die Spannung der ersten Energieversorgung überwacht und den Steuerschalter einschaltet, wenn die Spannung der ersten Energieversorgung auf eine Spannung steigt, die höher als eine vorbestimmte Spannung ist.

Gemäß einem anderen Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Schützen eines Ausgangs-MOS-Transistors, wobei der Ausgangs-MOS-Transistor und eine Last in Reihe zwischen eine erste Energieversorgung und eine zweite Energieversorgung geschaltet sind und eine Reihenschaltung aus einem Steuerschalter und einer dynamischen Klemmschaltung zwischen die erste Energieversorgung und ein Gate des Ausgangs-MOS-Transistors geschaltet ist. Das Verfahren wird durch Überwachen einer Spannung der ersten Energieversorgung erzielt und durch Abschalten eines Steuerschalter, wenn die Spannung der ersten Energieversorgung eine Spannung übersteigt, die höher als eine vorbestimmte Spannung ist.

Kurze Beschreibung der Figuren
1 ist ein Schaltbild eines herkömmlichen Beispiels einer Überspannungsschutzschaltung;
2 ist eine grafische Darstellung einer Anwendungssignalform eines Entladungsstoßes;
3 ist ein Schaltbild einer Überspannungs-Schutzschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
4 ist ein Schaltbild einer Spannungsstoßdetektorschaltung, die in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Im Folgenden wird eine Überspannungs-Schutzschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung im Einzelnen unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben. Bezug nehmend auf 3 hat die Überspannungs-Schutzschaltung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine N-Kanal-Source-Folgerstruktur, bei der ein Ausgangs-MOS-Transistor 7 und eine Last 9 zwischen eine erste Energieversorgung 1 und eine zweite Energieversorgung 2 in Reihe geschaltet sind. Ein Knoten zwischen dem Ausgangs-MOS-Transistor 7 und der Last 9 ist an einen Ausgangsanschluss 8 angeschlossen. Der Ausgangs-MOS-Transistor 7 wird bezüglich EIN/AUS in Antwort auf ein erstes Steuersignal 3 gesteuert, das einem Knoten A zugeführt wird, der mit dem Gate-Anschluss verbunden ist, d. h. über den Gate-Widerstand 5 mit dem Knoten B. Das erste Steuersignal 3 ist ein Spannungssignal, das von der Boost-Schaltung (nicht dargestellt) ausgegeben wird und einen Spannungspegel einnimmt, der höher als eine Spannung der ersten Energieversorgung 1 ist, wenn der Ausgangs-MOS-Transistor 7 eingeschaltet ist und der im Wesentlichen die gleiche Spannung wie die Spannung der zweiten Energieversorgung 2 einnimmt, wenn der Ausgangs-MOS-Transistor 7 abgeschaltet ist.
Zwischen den Knoten A und den Ausgangsanschluss 8 ist ein MOS-Transistor 6 geschaltet, um die Gate-Ladung des Ausgangs-MOS-Transistors 7 zu entladen, wenn der Ausgangs-MOS-Transistor 7 abgeschaltet ist. Der MOS-Transistor 6 wird bezüglich EIN/AUS in Antwort auf ein zweites Steuersignal 4 gesteuert, das dem Gate-Anschluss, d. h. dem Knoten C, zugeführt wird. Das zweite Steuersignal 4 nimmt im Wesentlichen die gleiche Spannung wie die Spannung der ersten Energieversorgung 1 ein, wenn der Ausgangs-MOS-Transistor 7 eingeschaltet ist und nimmt im Wesentlichen die gleiche Spannung wie die Spannung der zweiten Energieversorgung 2 ein, wenn der Ausgangs-MOS-Transistor 7 abgeschaltet ist.
Die Beziehung des ersten Steuersignals 3 und des zweiten Steuersignals ist entgegengesetzt, d. h. wenn das erste Steuersignal 3 auf dem hohen Pegel ist, ist das zweite Steuersignal 4 auf dem niedrigen Pegel (und umgekehrt). Ein MOS-Transistor als ein Steuerschalter 12 und eine dynamische Klemmschaltung 10 sind zwischen die erste Energieversorgung 1 und den Knoten B in Reihe geschaltet. Die dynamische Klemmschaltung 10 besteht aus einer Zener-Diode D1 und einer Diode D2, die in Reihe geschaltet sind. Der Gate-Anschluss des Steuerschalters 12, d. h. der Knoten D ist mit dem Ausgangsanschluss einer Spannungsstoßdetektorschaltung 11 verbunden. Die Spannungsstoßdetektorschaltung 11 überwacht die Spannung der ersten Energieversorgung 1, um einen Spannungsstoß der ersten Energieversorgung 1 zu detektieren und gibt ein Detektorsignal an den Knoten D, um das EIN/AUS des Steuerschalters 12 zu steuern.
Als Nächstes wird der Betrieb der Überspannungs-Schutzschaltung bei abgeschaltetem Ausgangs-MOS-Transistor 7 beschrieben. Im Fall des Abschaltvorganges des Ausgangs-MOS-Transistors 7 ist das erste Steuersignal auf den niedrigen Pegel gesetzt und das zweite Steuersignal 4 auf den hohen Pegel gesetzt. Zu diesem Zeitpunkt ist der MOS-Transistor 6 eingeschaltet und die Gate-Ladung des Ausgangs-MOS-Transistors (die Ladung des Knotens B) wird über den Ausgangsanschluss 8 und die Last 9 auf die zweite Energieversorgung 2 entladen. Zu diesem Zeitpunkt wird infolge der rückwärts gerichteten elektromotorischen Kraft am Ausgangsanschluss 8 wegen einer Induktanzkomponente der Last (einer Induktanzkomponente der Last wie beispielsweise eines Hubmagneten oder eines Kabelbaums) eine negative Ausgangsspannung erzeugt. Bei der negativen Ausgangsspannung gibt die Spannungsstoßdetektorschaltung 11, d. h. der Knoten D das Detektionssignal auf niedrigem Pegel aus, so dass die dynamische Klemmschaltung 10 in einem betriebsbereiten Zustand wie bei der herkömmlichen Schaltung ist. Wenn die Spannung zwischen der Energieversorgung 1 und dem Ausgangsanschluss 8 höher als eine Durchschlagspannung der dynamischen Klemmschaltung 10 ist, bricht die dynamische Klemmschaltung 10 durch, so dass die Spannung zwischen dem Drain und der Source im Ausgangs-MOS-Transistor 7 an die Durchschlagspannung der dynamischen Klemmschaltung 10 geklemmt wird, weil der MOS-Transistor 6 eingeschaltet ist. Bei der negativen Ausgangsspannung ist die Gestaltung der Last so ausgeführt, dass der Strom, welcher durch den Ausgangs-MOS-Transistor 7 fließt, nicht über einen sicheren Betriebsbereich geht, wenn die Überspannungs-Schutzschaltung in Betrieb ist. Daher gibt es keinen Fall, bei dem der Ausgangs-MOS-Transistor 7 zerstört wird.
Andererseits wird der folgende Vorgang, der sich von dem herkömmlichen Beispiel unterscheidet, bei einem positiven Entladestoß durchgeführt. Der Entladestoß wird an der ersten Energieversorgung 1 erzeugt, wenn ein Batterieanschluss während der Energieerzeugung durch einen Wechselstromgenerator (nicht dargestellt) nicht befestigt ist. Wenn der Entladestoß angelegt wird, wenn der Ausgangs-MOS-Transistor 7 in dem Aus-Zustand ist, überwacht die Spannungsstoßdetektorschaltung 11 die Stoßspannung und detektiert diese und gibt das Detektionssignal auf hohem Pegel an den Knoten D. Daher wird der Schalter 12 abgeschaltet, so dass die dynamische Klemmschaltung C nicht arbeitet. Somit wird der Ausgangs-MOS-Transistor 7 niemals in einen Vorwärts-SOA-Modus gesetzt. Weil der Spannungswert der Durchschlagspannung des Ausgangs-MOS-Transistors 7 auf einen Wert gesetzt ist, der höher als der Entladestoß ist, schlägt der Ausgangs-MOS-Transistor 7 auch niemals durch.
4 ist ein Schaltbild, das die Spannungstoßdetektorschaltung 11 zeigt. Wie in der 4 gezeigt, besteht die Spannungsstoßdetektorschaltung 11 aus einer Diode D3, einem Widerstand 14, einem Inverter und einem wahlweisen Inverter 17. Die Diode D3 und der Widerstand 14 sind zwischen die erste Energieversorgung 1 und eine dritte Energieversorgung 13 in Reihe geschaltet. Der Inverter besteht aus einem N-Kanal-MOS-Transistor 16 und einem Widerstand 15, die zwischen die erste Energieversorgung 1 und die dritte Energieversorgung 13 in Reihe geschaltet sind. Das Gate des MOS-Transistors 16 ist mit einem Knoten E zwischen der Diode D3 und dem Widerstand 14 verbunden und der Drain des MOS-Transistors 16 ist über den Widerstand 15 mit der ersten Energieversorgung 1 verbunden. Der Inverter 17 ist mit einem Knoten F zwischen dem Drain des MOS-Transistors 16 und dem Widerstand 15 verbunden und der Ausgang des Inverters 17 hat die Funktion eines Knotens D.
In dem Zustand, in welchem der Entladestoß nicht angelegt ist, ist der Knoten E auf dem gleichen Pegel wie die dritte Energieversorgung 13. Daher ist der MOS-Transistor 16 abgeschaltet, so dass der Knoten F auf dem hohen Pegel ist und der Knoten D auf dem niedrigen Pegel ist. Als Ergebnis ist der Steuerschalter 12 eingeschaltet. Somit kann die dynamische Klemmschaltung 10 arbeiten, um die negative Spannung auszugeben.
Wenn andererseits der Entladestoß an die erste Energieversorgung 1 angelegt ist und die Stoßspannung die Durchschlagspannung der Diode D3 übersteigt, wird die Spannung des Knotens E höher als die Spannung der dritten Energieversorgung 13. Somit ist der MOS-Transistor 16 eingeschaltet, so dass der Knoten F auf den niedrigen Pegel geht, und der Knoten D geht auf den hohen Pegel. Weil zu diesem Zeitpunkt der Steuerschalter 12 abgeschaltet ist, spricht die dynamische Klemmschaltung 10 nicht auf den Entladestoß an.
In der vorliegenden Erfindung wird die Existenz oder Nichtexistenz des Entladestoßes durch die Spannungsstoßdetektorschaltung detektiert. Der Steuerschalter 12, der mit der dynamischen Klemmschaltung 10 verbunden ist, wird in Antwort auf dieses Detektionssignal von der Spannungsstoßdetektorschaltung 11 ein- oder ausgeschaltet. Wenn der Entladestoß detektiert wird, gibt die Spannungsstoßdetektorschaltung 11 das Detektionssignal aus, um den Steuerschalter 12 abzuschalten. Weil somit die dynamische Klemmschaltung 10 bei Anlegen des Entladestoßes nicht anspricht, ist der Ausgangs-MOS-Transistor 7 niemals dem Vorwärts-SOA-Modus ausgesetzt. Weil die Durchschlagsspannung des Ausgangs-MOS-Transistors 7 höher als der Spannungswert des Entladestoßes ist, schlägt der Ausgangs-MOS-Transistor 7 auch nicht durch. Daher fließt niemals Strom durch den Ausgangs-MOS-Transistor 7 und der Ausgangs-MOS-Transistor beginnt niemals infolge des Entladestoßes mit Hitzezerstörung.
Bei Erzeugen der negativen Ausgangsspannung am Ausgangsanschluss 8 spricht die Spannungsstoßdetektorschaltung 11 überhaupt nicht an. Daher ist die dynamische Klemmschaltung 10 in einem Zustand, in dem sie arbeiten kann. Wenn die negative Ausgangsspannung, die am Ausgangsanschluss 8 erzeugt wird, größer als die Durchschlagspannung der Zener-Diode der dynamischen Klemmschaltung 10 wird, spricht die dynamische Klemmschaltung 10 an, und führt den Überspannungsschutz wie beim herkömmlichen Beispiel durch.

Claims

Überspannungs-Schutzschaltung für eine Schaltung eines Ausgangs-MOS-Transistors (7) und eine Last (9), die zwischen eine erste Energieversorgung und eine zweite Energieversorgung in Reihe geschaltet sind, mit: einer dynamischen Klemmschaltung (10), die mit dem Gate des Ausgangs-MOS-Transistors (7) verbunden ist; einem Steuerschalter (12), der zwischen die erste Energieversorgung und die dynamische Klemmschaltung geschaltet ist; und eine Spannungsstoßdetektorschaltung (11), die die Spannung der ersten Energieversorgung überwacht und den Steuerschalter einschaltet, wenn die Spannung der ersten Energieversorgung eine Spannung übersteigt, die höher als eine vorbestimmte Spannung ist.
Überspannungs-Schutzschaltung gemäß Anspruch 1, weiterhin mit: einer Steuersignalschaltung (5, 6), die zwischen das Gate des Ausgangs-MOS-Transistors und die Last geschaltet ist.
Überspannungs-Schutzschaltung nach Anspruch 2, wobei die Steuersignalschaltung aufweist: einen ersten Widerstand (5), der mit einem ersten Ende mit dem Gate des Ausgangs-MOS-Transistors verbunden ist, wobei das zweite Ende des ersten Widerstandes mit einem ersten Steuersignal gespeist wird; und einen Entladeschalter (6), der zwischen das zweite Ende des ersten Widerstandes und einem Knoten zwischen dem Ausgangs-MOS-Transistor und der Last verbunden ist, wobei der Ausgangs-MOS-Transistor in Antwort auf das erste Steuersignal auf einem ersten logischen Pegel eingeschaltet wird und in Antwort auf das erste Steuersignal auf einem zweiten logischen Pegel abgeschaltet wird, wobei der Entladeschalter eingeschaltet wird, wenn der Ausgangs-MOS-Transistor abgeschaltet wird, so dass eine Ladung des Gates des Ausgangs-MOS-Transistor über den ersten Widerstand entladen wird, und der Entladeschalter abgeschaltet wird, wenn der Ausgangs-MOS-Transistor eingeschaltet wird.
Überspannungs-Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Spannungsstoßdetektorschaltung aufweist: eine erste Diode (D3), die eine Kathode hat, die mit der ersten Energieversorgung verbunden ist und durchschlägt, wenn die Spannung der ersten Energieversorgung die Spannung übersteigt, welche höher als die vorbestimmte Spannung ist, einen zweiten Widerstand (14), der zwischen die Anode der ersten Diode und eine dritte Energieversorgung geschaltet ist; einen ersten Inverter (15, 16), der den logischen Pegel entsprechend einer Spannung an einem Knoten zwischen der ersten Diode und dem zweiten Widerstand invertiert; und einen zweiten Inverter (17), der den Ausgang des ersten Inverters so invertiert, dass der Steuerschalter eingeschaltet wird, wenn die erste Diode durchgeschlagen ist.
Überspannungs-Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die dynamische Klemmschaltung aufweist: eine Zener-Diode, die eine Kathode hat, die mit der ersten Energieversorgung verbunden ist; und eine Diode, die zwischen die Anode der Zener-Diode und das Gate des Ausgangs-MOS-Transistors geschaltet ist.
Überspannungs-Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Ausgangs-MOS-Transistor dadurch gebildet ist, dass eine Anzahl von Einheitszellentransistoren parallel geschaltet sind und in einem sicheren Betriebsbereich eine zweite Durchschlagscharakteristik hat.
Verfahren zum Schützen eines Ausgangs-MOS-Transistors, wobei der Ausgangs-MOS-Transistor und eine Last zwischen eine erste Energieversorgung und eine zweite Energieversorgung in Reihe geschaltet sind, und eine Reihenschaltung aus Steuerschalter und dynamischer Klemmschaltung zwischen die erste Energieversorgung und das Gate des Ausgangs-MOS-Transistors geschaltet ist, wobei das Verfahren aufweist: Überwachen der Spannung der ersten Energieversorgung; Abschalten eines Steuerschalters, wenn die Spannung der ersten Energieversorgung eine Spannung übersteigt, die höher als eine vorbestimmte Spannung ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Last eine induktive Last ist, wobei das Verfahren weiterhin aufweist: Trennen des Gates des Ausgangs-MOS-Transistors von dem Drain des Ausgangs-MOS-Transistors, wenn der Ausgangs-MOS-Transistor eingeschaltet wird und Verbinden des Gates des Ausgangs-MOS-Transistor mit dem Drain des Ausgangs-MOS-Transistor über einen Widerstand, wenn der Ausgangs-MOS-Transistor abgeschaltet wird, so dass die Ladung des Gates des Ausgangs-MOS-Transistors über den Widerstand entladen wird.
Überspannungs-Schutzschaltung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Überwachung aufweist: Setzen einer Spannung eines ersten Knotens auf eine hohe Spannung, wenn die Spannung der ersten Energieversorgung nicht auf die Spannung höher als die vorbestimmte Spannung steigt; und Setzen einer Spannung des ersten Knotens auf eine niedrige Spannung, wenn die Spannung auf eine Spannung höher als die vorbestimmte Spannung steigt, wobei das Abschalten eines Steuerschalters aufweist: Abschalten des Steuerschalters basierend auf der niedrigen Spannung des ersten Knotens.