DE2921037A1 - Hochspannungsschaltung fuer isolierschicht-feldeffekttransistoren - Google Patents

Hochspannungsschaltung fuer isolierschicht-feldeffekttransistoren

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DE2921037A1 DE19792921037 DE2921037A DE2921037A1 DE 2921037 A1 DE2921037 A1 DE 2921037A1 DE 19792921037 DE19792921037 DE 19792921037 DE 2921037 A DE2921037 A DE 2921037A DE 2921037 A1 DE2921037 A1 DE 2921037A1
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Description

BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochspannungsschaltung für Feldeffekttransistoren und richtet sich insbesondere auf eine Hochspannungsschaltung für Isolierschicht-Feldeffekttransistoren (im folgenden kurz als "MOSFETs" bezeichnet).
Es ist bekannt, daß bei Verwendung einer Schaltung, wie sie in Figur 1 gezeigt ist, bei welcher zwei MOSFETs 1 und 2 in Totempfahlweise miteinander verbunden sind und eine Spannung zwischen den beiden Anschlüssen 5 und 6 in einem Widerstandsverhältnis geteilt wird, die scheinbare Durchbruchspannung gegenüber derjenigen bei einem einzelnen MOSFET erhöht werden kann.
Bei einer Serienschaltung der MOSFETs 1 und 2, bei welcher anders als in Fig. 1 keine Widerstände 3 und 4 angeschlossen sind, steigt bei Anlegen einer Spannung zwischen den Anschlüssen 5 und 6 das Potential in einem Punkt 7 mit dem Einschalten des MOSFET 2 an, und die Durchbruchspannung zwischen den Anschlüssen 5 und 6 ist auf die Elementdurchbruchspannung des MOSFET 1 beschränkt. Mit dem Abschalten des MOSFET 2 wird eine Spannung zwischen den Anschlüssen 6 und 7 angelegt, und die Durchbruchspannung zwischen den Anschlüssen 5 und 6 ist auf die Elementdurchbruchspannung des MOSFET 2 beschränkt.
Aus diesem Grund sind die Widerstände 3 und 4 vorgesehen, um eine Möglichkeit zu schaffen, die Potentiale der Anschlüsse 7 und 8 durch das Widerstandsverhältnis zu bestimmen. Es ist dabei im Ergebnis möglich, die Widerstände so auszuwählen, daß die Durchbruchspannung zwischen den Anschlüssen 5 und 6 gleich der Summe aus den Durchbruchspannungen der MOSFETs 1 und 2 wird. D. h., es ist möglich,
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das Potential des Anschlußes 7 zu steuern. Es wird also eine Schaltung mit hoher Durchbruchspannung durch die Verwendung mehrerer MOSFETs realisiert.
Bei der Schaltung der Fig. 1 fließt jedoch kein Strom, bevor die Spannung zwischen den Anschlüssen 7 und 8 mindestens gleich der Schwellenspannung V des MOSFET 2, bei der dieser MOSFET einschaltet, wird, so daß die Anstiegscharakteristik schlecht ist.
Die hohe Durchbruchspannung der Schaltung der Fig. 1 wird nämlich deshalb erreicht, weil das Potential des Anschlusses 8 durch das Verhältnis der Widerstände 3 und 4 bestimmt wird, während das Potential des Anschlusses 7 festliegt. Andererseits wird der Anstieg der Strom-Spannungscharakteristik (genannt der "Durchlaßwiderstand") der Schaltung qualitativ schlecht, weil überhaupt kein Strom fließt, bis der MOSFET 2 aufgrund der Potentialdifferenz zwischen den Anschlüssen 7 und 8 einschaltet.
Hinsichtlich eines einzelnen,in Fig. 2 gezeigten MOSFET ist die Strom-Spannungscharakteristik zwischen An-Schlüssen 51 und 6' bei einer Spannung von -5 V am Gate 9' in Fig. 3A wiedergegeben, während Strom-Spannungscharakteristlken, wenn die Gate-Spannung verändert wird, in Fig. 3B wiedergegeben sind. Hinsichtlich der Schaltung der Fig. 1 ist die Strom-Spannungscharakteristik zwischen den Anschlüssen 5 und 6 bei einer Gate-Spannung(der Spannung am Anschluß 9) von -5 V in Fig. 4A gezeigt, während Strom-Spannungscharakteristiken, wenn die Gate-Spannung verändert wird, in Fig. 4B wiedergegeben sind. Wie aus den Fign. 3A , 3B, 4A und 4B ersichtlich, ist bei der Schaltung der Fig. 1 die Durchbruchspannung angehoben (von 200 V auf 400 V erhöht), aber die Strom-Spannungscharakteristik für den Fall der Veränderung der Gate-Spannung qualitativ verschlechtert. Dies
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zeigt an,, daß der Durchlaßwiderstand, in der Schaltungsform der Fig. 1 erhöht ist.
In den Fign. 1 und 2 sind die MOSFETs 1, 2 und 11 Anreicherungs-N-Kanal-MOSFETs.
Aufgabe der Erfindung ist es , eine auf der Totempfahlverschaltung beruhende Hochspannungs-MOSFET-Schaltung so zu gestalten, daß der Einschalt- bzw. Durchlaßwiderstand vermindert ist.
Gemäß der Erfindung wird in der Schaltung der Fig. 1
IG der MOSFET 2 dadurch einfach in den Durchlaß zustand gebracht oder normalerweise im Durchlaßzustand gehalten, daß das Gate des MOSFET 2 mittels einer Vorspannungsschaltung oder einer Vorspannungsquelle vorgespannt wird oder daß als MOSFET 2 ein Verarmungs-MOSFET verwendet wird.
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind wirksam unabhängig davon, ob es sich bei dem MOSFET 1 um einen Anreicherungs- oder Verarmungs-MOSFET handelt, bei Verwendung eines Anreicherungs-MOSFET sind sie jedoch wirksamer· Selbst wenn es sich bei dem MOSFET 2 um einen Verarmungs-MOSFET handelt, kann sein Gate zusätzlich vorgespannt werden, wodurch die erfindungsgemäßen Maßnahmen noch wirkungsvoller werden.
Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben. Auf dieser zeigt, bzw. zeigen
Fig. 1 eine bekannte MOSFET-Totempfahl-Schaltung,
Fig. 2 einen einzelnen MOSFET,
Fign. 3A Kurven, die Strom-Spannungscharakteristiken des un einzelnen MOSFET der Fig. 2 wiedergegeben,
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Fign. 4A Kurven, die Strom-Spannungscharakteristiken der und 4B Schaltung der Fig> ! wiedergeben,
Fig. 5 eine Ausführungsform einer Hochspannungsschaltung für MOSFETs gemäß der Erfindung,
Fig. 6 Strom-Spannungscharakteristiken der Schaltung
der Fig. 5, wenn die Gate-Spannung verändert wird,
Fign. 7 weitere Ausführungsformen der Hochspannungsschaltung für MOSFETs gemäß der Erfindung,
Fig. 12 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, welche eine Totempfahl-Schaltung unter Verwendung dreier ' MOSFETs ist,
Fig. 13 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, welche eine Totempfahl-Schaltung unter Verwendung von η MOSFETs ist,
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Fig. 14 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, welche eine mit einer Zener-Diode vorgespannte Schaltung ist,
Fig. 15 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, welehe eine mit einem übergang eines bipolaren Tran
sistors vorgespannte Schaltung ist,
Fig. 16 Strom-Spannungscharakteristiken der Schaltung der Fig. 15 für verschiedene Gate-Spannungen, und
Fig. 17 Strom-Spannungscharakteristiken für verschiedene Gate-Spannungen bei einer Schaltung mit hoher
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Durchbruchspannung gemäß der Erfindung/ welche mit vier vorwärts-verschalteten Dioden vorgespannt ist, die als Impedanzelement mit Schwellenwert dienen.
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Ausführungsform 1:
Eine Schaltung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 5 gezeigt. Gemäß der Figur sind ein MOSFET 1 und ein weiterer MOSFET 2 in Totempfahlweise verschaltet, wobei eine Spannung zwischen dem Source-Anschluß 5 des MOSFET 1 und dem Drain-Anschluß 6 des MOSFET 2 durch Widerstände 3 und 4 geteilt wird, deren gemeinsamer Punkt am Gate-Anschluß 8 des MOSFET 2 liegt. Als Durchbruchspannung einer Schaltung mit den Anschlüssen 6 und 5 und einem Gate-Anschluß 9 wird daher die Summe der Durchbruchspannungen des MOSFET und des MOSFET 2 beobachtet. Wie weiter oben ausgeführt, wird jedoch auch der Durchlaßw/iderstand dieser Schaltung gleich der Summe aus dem Durchlaßwiderstand des MOSFET 1 und demjenigen des MOSFET 2 oder größer, wenn allein die Spannungsteilerwiderstände verwendet werden. Deshalb wird eine Vorspannungsquelle 10, welche das Gate des MOSFET 2 vorwärtsvorspannt, eingefügt. Als diese Vorspannungsquelle kann eine solche verwendet werden, deren Spannung wenigstens gleich der Schweilenspannung des MOSFET 2 ist, wobei eine mit hÖ-herer Spannung besser geeignet ist.
Indem man das Gate des MOSFET 2 in der obigen Weise vorspannt, läßt sich die Einschalt- bzw. Durchlaßwiderstandskomponente des MOSFET 2 vermindern, womit sich der Einschaltbzw. Durchlaßwiderstand dieser Schaltung vermindern läßt.
Insbesondere wenn es sich bei beiden der MOSFETs 1 und 2 um Anreicherungs-MOSFETs handelt, ist der Durchlaß widerstand groß, weil kein Strom fließt, bis der MOSFET 2 ein-
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schaltet, weshalb die Auswirkungen, die diese Schaltung mit sich bringt, bemerkenswert sind. Die der Einfügung der Vorspannungsquelle zuschreibbare Verminderung der Durchbruchspannung dieser Schaltung ist kaum merklich. Durch Hinzufügung einer Kapazität C werden die Schalteigenschaften des MOSFET 2 wirkungsvoll verbessert.
Die Auswirkungen der Schaltung, ausgedrückt in der Charakteristik, sind die folgenden. Wie weiter oben ausgeführt, zeigen die Fign. 4A und 4B die Spannungs-Stromcharakteristiken einer bekannten Schaltung. Das Anstiegsverhalten ist schlecht. Demgegenüber zeigt Fig. 6 die Charakteristiken der gerade beschriebenen Schaltung, und es ist klar ersichtlich, daß das Anstiegsverhalten merkbar verbessert ist. Die Charakteristiken in Fig. 6 entsprechen dem Fall, daß die Widerstände 3 und 4 150 kil betragen, die Vorspannung 10 15 V ist und die MOSFETs 1 und 2 des Typs " 2SK134" der Hitachi Ltd. sind. Damit ergibt sich quantitativ folgender Durchlaßwiderstand. Wenn V„ = 10 V und I„. = 4 A, beträgt der Durchlaß widerstand 4,6 42- bei der Schaltung der Fig. 1 und 2,2-C bei der erfindungsgemäßen Schaltung, so daß also eine Verbesserung ungefähr um.den Faktor zwei beobachtet wird. In beiden Fällen beträgt die Durchbruchspannung ungefähr 400 V.
Bei der gerade beschriebenen Ausfuhrungsform wird eine Vorspannungsquelle 10 zum Vorspannen des MOSFET 2 verwendet, der gleiche Effekt läßt sich jedoch auch auf andere Weise erreichen.
Ausführungsform 2:
In einer weiteren Ausführungsform wird der MOSFET 2 zu einer äquivalent vorgespannten Einrichtung gemacht, d. h., es wird eine Einrichtung verwendet, deren Schwellenspannung niedriger als diejenige des MOSFET 1 ist (beispielsweise kann ein
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-Tl-
Verarmungs-MOSFET verwendet werden). Es ist ohne weiteres möglich, dies gemeinsam mit dem Vorspannungssystem der Ausführungsform 1 zu verwenden.
Äusführungsform 3;
Als dritte Ausführungsform wird die Vorspannungsquelle 10 durch die in Fig. 7 gezeigte Schaltung ersetzt, nach der der in Fig. 5 gezeigte Anschluß 8mit einer externen Spannungsquelle vorgespannt werden kann.
Bei der Schaltung der Fig. 7 ist die Vorspannung durch die Spannungsteilung gegeben, wobei 11 einen Vorspannungsanschluß und 12 und 13 Vorspannungswiderstände bezeichnen. Beispielsweise kann unter den gleichen Bedingungen wie bei der Ausführungsform 1 eine Spannung von 100 V an den An-Schluß 11 gelegt werden, und können Widerstände von 90 klL· und 10 kILals die Widerstände 12 und 13 verwendet werden»
Andere Vorspannungssysteme als in der Schaltung der Fig. 7 sind in den Fig. 8, 9, 10 und 11 dargestellt.
In Fig. 8 ist die Lage der Vorspannungsquelle 10 abgeändert.
In Fig. 9 sind die Vorspannungsquelle 10 und eine Diode 14 mit dem Anschluß 8 verbunden.
Nach dem Vorspannungssystern der Fig. 10 ist eine Spannungsteilung svorspannung durch Widerstände 15 und 16 im System der Fig. 9 gegeben.
In Fig. 11 wird eine Vorspannung vom Gate-Anschluß 9 her aufgegeben.
Ausführungsform 4:
Fig. 12 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher drei MOSFETs in Totempfahlweise verschaltet sind. Gemäß der Figur sind MOSFETs Q1, Q2 und Q3 in Reihe miteinander verbunden, wobei die Gates G2 und G3 der MOSFETs Q2 und
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Q3 über einen Vorspannungsanschluß V_ durch die auf die
rs
Widerstände R1, R2, R3, R4 und R5 zurückgehende Widerstandsspannungsteilung vorgespannt werden, d bezeichnet eine Diode, G bezeichnet einen Gate-Anschluß des MOSFET Q1, der als Gate-Anschluß der Schaltung fungiert, und D und S bezeichnen einen Drain- bzw. einen Source-Anschluß der Schaltung. Fig. 13 zeigt nun eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher η MOSFETs in Totempfahlweise verschaltet sind. In der Figur bezeichnen Q1 bis Qn MOSFETs, R1 bis R2n Widerstände, d1 bis d(n - 1) Dioden, G, D und S einen Gate-, Drain- bzw. Source-Anschluß der Schaltung und Vn einen Vor-Spannungsanschluß.
Ausführungsform 5:
Fig. 14 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Erfindung.
Mit einem MOSFET 1, welcher eine Drain-Durchbruchspannung von 220 V hat, ist ein weiterer MOSFET 2, der die gleiche Größenordnung von Durchbruchspannung hat, in Totempfahlweise verbunden. Eine zwischen dem Source-Anschluß 5 des MOSFET 1 und dem Drain-Anschluß des MOSFET 2 angelegte Spannung wird durch Wiederstände 3 und 4 von 150 kCI geteilt, deren gemeinsamer Punkt am Gate-Anschluß 8 des MOSFET 2 liegt. Als Folge davon wird die Durchbruchspannung einer Schaltung mit den Anschlüssen 5 und 6 und einem Gate-Anschluß 9 des MOSFET 1 gleich der Summe aus der Durchbruchspannung des MOSFET 1 und derjenigen des MOSFET 2 bzw. also 440 V. Gleichzeitig wird der Durchlaßwiderstand der Schaltung größer als die Summe aus dem Durchlaßwiderstand des MDSFET 1 und demjenigen des MOSFET 2, weil der MOSFET 2 eine positive Schwellenspannung hat. Aus diesem Grunde wird eine Zener-Diode 17 mit einer Durchbruchspannung von 10 V eingefügt. Wenn also die an den Anschluß 6 gelegte Spannung niedrig ist, blockiert die Zener-Diode
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.den Strom und hebt daher das Potential des Anschlußes 8 an, wodurch ein Ansteigen des Durchlaßwiderstands verhindert wird. Wenn die angelegte Spannung hoch ist, schaltet die Zener-Diode durch, gestattet einen Stromfluß und hält das Potential des Anschlusses im wesentlichen auf einem mittleren Grad, womit sie dazu dient, die Spannung der Schaltung zu ungefähr 440 V zu machen'.
Die gerade beschriebene Ausführungsform besteht darin, daß ein Impedanzelement mit einem Schwellenwert, wie etwa eine Zener-Diode,in die bekannte Totempfahlschaltung eingebaut wird. Es liegt auf der Hand, daß gemäß der Ausführungsform der Fig. 14 die Anstxegscharakterxstik der Schaltung verbessert ist. Gibt man die Verbesserung, ausgedrückt durch den Durchlaßwiderstand, quantitativ an, so beträgt der Durchlaßwiderstand 4,6Jl beim Stand der Technik, während er 2, 8 XL bei der Erfindung wird, was gleichbedeutend damit ist, daß er um ungefähr 70 % vermindert werden kann.
Bei der gerade beschriebenen Ausführungsform wird eine Zener-Diode als Impedanzelement mit Schwellenwert verwendet, es ist jedoch auch möglich, einen übergang eines herkömmlichen bipolaren Transistors als Impedanzelement mit Schwellenwert zu verwenden, wie dies bei 18 in Fig. dargestellt ist, und ebenso können mehrere Dioden verwendet werden. Was die Anschlußweise bei der Verwendung des Transistorübergangs oder der Dioden anbelangt, so kann entweder die Vorwärtsrichtung oder die Rückwärtsrichtung angewandt werden, der Anschluß in Rückwärtsrichtung ist jedoch wirkungsvoller. Fig. 16 zeigt Strom-Spannungscharakteristiken, wenn die Gate-Spannung in der den Transistorübergang ausnützenden Schaltung der Fig. 15 verändert wird, während Fig. 17 Strom-Spannungscharakteristiken zeigt, wenn die Gate-Spannung in einer Schaltung, welche vier in Vorwärtsrichtung verschaltete Dioden enthält, verändert wird.
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Ein Merkmal der gerade beschriebenen Schaltung liegt darin, daß die Maßnahme sehr einfach durchgeführt werden kann, ohne durch irgendein anderes Schaltkreiselement Einschränkungen unterworfen zu sein. Die vorstehenden Ausführungsformen waren in erster Linie auf N-Kanal-Anreicherungs-MOSFETs bezogen. Die Erfindung ist jedoch auch auf P-Kanal-MOSFETs anwendbar, indem man die Polaritäten der Spannungsversorgung usw. umkehrt. Es versteht sich von selbst, daß sich die gewünschten Auswirkungen der erfindungsgemäßen Maßnahme ergeben, wenn sie bei Verarmungs-MOSFETs angewandt wird.
Ki/s
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Claims (9)

PATENTANWÄLTE SCHIFF v.FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK MARIAHILFPLATZ 2*3, MÜNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6D, D-8OOO MÜNCHEN 95 HITACHI, LTD. 23. Mai 1979 DEA-5904 Hochspannungsschaltung für Isolierschicht-Feldeffekttransistoren PATENTANSPRÜCHE
1. Isolierschicht-Feldeffekttransistor-Schaltung, bei welcher η Isolierschicht-Feldeffekttransistoren durch Verbindung der Drain des m-ten Transistors (1^ m ^ η - 1) mit der Source des (m + 1)-ten Transistors in Reihe geschaltet sind, wobei Source und Gate des ersten Transistors als Source-Anschluß bzw. Gate-Anschluß und die Drain des η-ten Transistors als Drain-Anschluß der Isolierschicht-Feldeffekttransistor-Schaltung verwendet werden, und bei welcher geteilte Spannungen, die durch Teilung einer zwischen dem Source- und dem Drain-Anschluß
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angelegten Spannung mittels einer ersten Spannungsteilerschaltung, bei welcher mehrere Widerstände in Reihe geschaltet sind, gewonnen sind, auf die Gates des zweiten bis η-ten Transistors gegeben werden, dadurch g e k e η η zeichnet, daß eine Einrichtung zum Anlegen von Vorspannungen einer Vorspannungsquelle an die einzelnen Gates des zweiten bis n-tenTransistors vorgesehen ist.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Einrichtung zum Anlegen von Vorspannungen eine Vorspannungszuführeinrichtung aufweist, welche zwischen den einzelnen Gates des zweiten bis n-ten Transistors (Q2 bis Qn) und den Verbindungsknoten der Widerstände (R1 bis Rn) der ersten Spannungsteilerschaltung angeschlossen ist.
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungszuführeinrichtung mit den Gates über Gleichrichter (d1 bis d(n - 1)) verbunden ist.
4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Anlegen von Vorspannungen eine Schaltung ist, welche eine über einen Vorspannungsanschluß zugeführte Spannung (V) mittels einer
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r>
zweiten Spannungsteilerschaltung mit einer Anzahl von in Reihe verbundenen Widerständen (R(n + 1} bis R2n) teilt und die geteilten Spannungen auf die einzelnen Gates als die Vorspannungen gibt.
5
5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Verbindungsknoten der Widerstände (R(n + 1) bis R2n) der zweiten Spannungsteilerschaltung mit einem Ende der ersten Spannungsteilerschaltung verbunden ist.
6. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Verbindungsknoten der Widerstände
(R(n + 1) bis R2n) der zweiten Spannungsteilerschaltung mit den einzelnen Gates des zweiten bis η-ten Transistors über Gleichrichter (d1 bis d(n - 1)) verbunden sind.
7. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impedanzelement mit Schwellen- wert zwischen angrenzenden Widerständen der ersten Spannungsteilerschaltung eingefügt ist, wobei die Vorspannungen auf die einzelnen Gates des zweiten bis η-ten Transistors gegeben werden.
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8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Impedanzelement mit Schwellenwert eine Zener-Diode (17) ist.
9. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Impedanzelement mit Schwellenwert ein diodenverschalteter bipolarer Transistor (18) ist.
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DE2921037A 1978-05-24 1979-05-23 Isolierschicht-Feldeffekttransistor-Schaltung Expired DE2921037C2 (de)

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