ITMI960688A1 - Dispositivo a semiconduttori di alimentazione a porte mos integrato con tensione del morsetto negativo elevata e funzionamento senza - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
di una domanda di Brevetto d'invenzione dal titolo:
"DISPOSITIVO A SEMICONDUTTORI DI AUMENTAZIONE A PORTE MOS INTE-GRATO CON TENSIONE DEL MORSETTO NEGATIVO ELEVATA E FUNZIONAMENTO SENZA RISCHI PER LA SICUREZZA"
DESCRIZIONE
FONDAMENTI DELL'INVENZIONE
Quest'invenzione si riferisce ai dispositivi a semiconduttori di alimentazione a porte MOS integrati, e più particolarmente si riferisce ad un nuovo circuito che permette la rapida disinserzione di un interruttore di alta tensione che controlla un carico collegato a terra con una dissipazione di potenza bassa per il dispositivo a porte MOS.
Sono ben noti gli interruttori di alta tensione che utilizzando uno o più dispositivi a semiconduttori di alimentazione a porte MOS con circuiti di controllo integrati, come il dispositivo IR6000 fabbricato dalla International Rectifier Corporation, l'assegnataria della presente invenzione.Quando tali dispositivi azionando un carico induttivo, come nelle applicazioni automobilistiche, il dispositivo di alimentazione a porte MOS viene difficilmente disinserito e può dover dissipare sostanziali quantità di energia a causa della corrente induttiva che si produce durante la disinserzione..
Inoltre quando la terra logica dell'interruttore di alta tensione si trova ad un potenziale differente dalla terra del circuito di carico, il dispositivo a porte MOS di alimentazione può essere inintenzionalmente conduttore e può dissipare una potenza elevata che può distruggere il dispositivo.
Sono noti i circuiti usati per evitare questi problemi,ma tali circuiti introducono un nuovo problema,per cui, se la tensione di uscita è inferiore alla tensione di soglia di quella del MOSFET di controllo che blocca la gate del dispositivo a porte MOS di alimentazione principale, il dispositivo principale non può essere attivato su comando.
BREVE DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE
In accordo con la presente invenzione viene fornito un nuovo circuito per controllare un MOSFET di controllo che collega la gate del dispositivo di alimentazione alla sua source o ad un altro elettrodo di alimentazione in risposta ad un segnale di disinserzione.Un circuito traslatore del livello accoppia il segnale di ingresso con un circuito invertitore che, a sua volta, è accoppiato con la gate del MOSEFT di controllo per assicurare che il MOSFET di controllo possa essere inserito quando la tensione di uscita è negativa.
La tensione di soglia del MOSFET di controllo viene scelta in modo che sia inferiore a quella del dispositivo di alimentazione e conduca per collegare la gate del dispositivo di alimentazione con la sua source prima che il dispositivo di alimentazione conduca la corrente, in tal modo evitando l'involontario avviamento del dispositivo di alimentazione durante il processo di disinserzione . Una tensione di bloccaggio negativa più elevata può essere quindi applicata al circuito per aumentare il rapporto di/dt durante la disinserzione per abbreviare il tempo di disinserzione. E' anche possibile inserire il dispositivo di alimentazione con un segnale di inserzione intenzionale tramite l’uso del circuito traslatore del livello che aziona il dispositivo a MOSFET di controllo.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
Le Figure illustrano:
- La Figura 1 è uno schema circuitale di un interruttore di alta tensione monolitico della tecnica precedente tipico che ha una terra logica collegate ad un carico avente una terra di alimentazione del carico;
- Le Figure 2a, 2b e 2c illustrano il segnale di disinserzione, la tensione di carico e la corrente di carico rispettivamente in base ad un tempo comune, per il circuito della Figura 1, con un carico induttivo;
- La Figura 3 illustra una modifica nota del circuito della tecnica precedente della Figura 1 che abbrevia il tempo di disinserzione sotto un carico induttivo e evita l'inserzione inintenzionale del dispositivo a semiconduttori di alimentazione a porte MOS a causa di una tensione di terra mal regolata;
- La Figura 4a illustra.il segnale di disinserzione del circuito della Figura 3 in funzione del tempo;
- La Figura 4b illustra le tensioni di uscita e di gate del dispositivo a saniconduttori di alimentazione a porte MOS della Figura 3 nella stessa scala di tempo della Figura 4a;
- La Figura 5a illustra diversi cicli del segnale di disinserzione nel circuito della Figura 3 in funzione del tempo;
- La Figura 5b illustra la tensione di uscita del circuito della Figura 3 nella stessa scala di tempo della Figura 5a ed illustra la prevenzione di un'inserzione inintenzionale;
- La Figura 6 è uno schema circuitale di una forma di realizzazione preferita della presente invenzione, che utilizza un invertitore a transistore-resistore ed un circuito traslatore del livello; - La Figura 7a illustra il segnale di disinserzione nel circuito della Figura 6 in funzione del tempo;
- La Figura 7b illustra la tensione di uscita del circuito della Figura 6 in funzione del tempo;
- La Figura 8 illustra un'altra forma di realizzazione della presente invenzione nella quale il circuito invertitore utilizza la circuiteria CMOS.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DEI DISEGNI
Con riferimento dapprima alla Figura 1 viene illustrato uno schema circuitale dei componenti principali di un interruttore di alta tensione formato in un circuito integrato monolitico. Pertanto un dispositivo a semiconduttori di alimentazione a porte MOS a canale N 20 è il dispositivo di alimentazione principale ed è formato nello stesso circuito integrato monolitico degli elementi di controllo. Il circuito integrato monolitico viene quindi incorporato in un componente 21. Il semiconduttore di alimentazione 20 è illustrato come un MOSFET di alimentazione a canale N, ma esso potrebbe essere un qualsiasi altro tipo di dispositivo a porte MOS come un IGBT o simile.
Il circuito della Figura 1 ha un terminale 22 di tensione di ingresso Vcc che è collegato alla drain del MOSFET 20 e ad un terminale di uscita 23 collegato alla source del MOSFET 20.
I terminali 22 e 23 possono essere piedini di terminale per il conponente 21, illustrato schematicamente nel profilo a linee tratteggiate con un piedino di terra logico 24 ed un piedino di segnale di ingresso 25.
Nello stesso circuito integrato del MOSFET 20 è anche contenuto un circuito di pompaggio di cariche convenzionale 26, un MOSFET 27 a canale N di disinserzione, un circuito di controllo logico 28 e i circuiti di protezione 29 che possono monitorare, per esempio, le condizioni di tensione, di corrente e di temperatura del circuito integrato per disinserire il MOSFET 20 in condizioni selezionate. Un terminale di ingresso 25 della logica 28 è collegato ad un microcontrollore dell'utilizzatore o simile, per inserire e disinserire il MOSFET in una data sequenza o in certe condizioni.
Il terminale di uscita 23 può essere collegato ad un carico 30 che è collegato alla sua terra di alimentazione 31, che è prevista per essere allo stesso potenziale del terminale di terra logica 24. Il carico 30 può tipicamente essere un carico automobilistico o simile, azionabile dalla tensione Vcc che nell'applicazione automobilistica sarebbe di circa 12 volt. Il dispositivo di pompaggio di cariche 26 fornisce una tensione alla gate del MOSFET di alimentazione 20 che è di 5-10 volt superiore alla Vcc per rendere possibile l'inserzione del MOSFET 20.
Il MOSFET ausiliario 27 viene usato per disinserire il MOSFET 20 tramite il collegamento della sua gate con la terra quando il MOSFET 27 viene inserito.
Il circuito della Figura 1 ha due problemi principali.
Il primo si presenta quando il carico 30 è un carico induttivo, Quando si aziona un carico induttivo, la tensione di uscita viene bloccata alla disinserzione del MOSFET 20 per (-Vgs), nella quale Vgs è la tensione fra gate e source del MOSFET 20 durante la conduzione della corrente di carico. Questa tensione è tipicamente di 3-5 volt. La tensione negativa bassa fra i capi dell'induttanza del carico durante la disinserzione provoca un basso rapporto di/dt per la corrente di source e pertanto un tempo lungo è necessario perché la corrente si riduca a zero. Questo provoca una maggiore dissipazione nel MOSFET 20 e lunghi tempi di risposta al carico.
Questo effetto può essere rilevato dalle Figure 2a, 2b e 2c.
Pertanto il terminale di ingresso invia un segnale al tempo tl sul circuito logico 28 che, a sua volta, produce il segnale di disinserzione della Figura 2a (un segnale alto sulla gate del MOSFET 27) . Il MOSFET 27 quindi si inserisce al tempo tl delle Figure 2a, 2b e 2c e la tensione di carico (Figura 2b) inizia a ridursi verso il valore ( -Vgs ) . La corrente di carico si ridurrà ora lentamente (Figura 2c) fino a quando, al tempo t2, essa raggiunge il valore zero e la tensione di carico ritorna a zero. Un secondo problema si verifica con il circuito della Figura 1 quando la terra di alimentazione 31, per esempio, un telaio di automobile, è ad un potenziale differente da quello della terra logica 24. Questo si può verificare a causa delle induttanze parassite, delle resistenze, della corrosione, o della disinserzione accidentale dei connettori e simili. Questo produce una tensione di sfasamento, illustrata schematicamente nella Figura 1 dalla batteria 40. Se come risultato di questa tensione di sfasamento, la terra logica è superiore a 1, la soglia del MOSFET di alimentazione 20 è superiore alla terra di alimentazione 31, il MOSFET di alimentazione 20 inizierà a condurre una corrente elevata dal terminale Vcc 22 alla terra 31, e dissiperà una potenza elevata nel MOSFET 20 che può portare alla distruzione dell'interruttore di alta tensione.
Gli svantaggi sopra descritti sono stati evitati tramite l'aggiunta al circuito della Figura 1 di un circuito di bloccaggio adatto, come illustrato nella Figura 3.Pertanto viene aggiunto fra la pompa delle cariche 26 e il MOSFET 20 un circuito di bloccaggio comprendente un resistore 50,un resistore 51,un diodo Zener 52 ed un secondo MOSFET o transistore di controllo 53. Il transistore 53 è designato in modo da avere una tensione di soglia inferiore a quella del MOSFET di alimentazione 20.Questa struttura nota viene usata nell'interruttore IR 6000 di alta tensione fabbricato dalla International Rectifier Corporation, l'assegnataria di questa invenzione.
Nel circuito della Figura 3 si supponga che il MOSFET 20 sia inserito e il carico 30 sia attivato . Se ora il segnale di disinserzione verso il MOSFET 27 viene regolato a valore alto (nel tempo tl delle Figure 4a e 4b), il MOSFET 27 diviene "INSERITO".Questo scarica la gate del MOSFET 20 sulla terra e il MOSFET 20 si disinserisce. Se il carico 30 è induttivo, o se la terra di alimentazione 31 è sotto il valore della tensione di terra logica 24, la tensione di uscita nel terminale 23 diverrà negativa.
Pertanto, come illustrato nella Figura 4b, la tensione di source si riduce a (-vth(53)) (il negativo della tensione di soglia del MOSFET 53)di modo che, nel tempo t2 della Figura 4b, il transistore 53 si attiva e collega la gate del MOSFET 20 con la sua source.Si noti che questo si verifica prima che il MOSFET 20 possa iniziare a condurre in quanto il MOSFET 53 ha una tensione di soglia inferiore a quella del MOSFET 20.Quando la tensione di uscita diviene più negativa, il MOSFET 20 rimane disinserito in quanto il MOSFET 53 è inserito.
Durante il suddetto processo, il resistore 51 e il diodo Zener 52 limitano la tensione dalla gate alla source del MOSFET 53 ad un valore di sicurezza. Il resistore 50 limita la corrente che passa nel MOSFET 27.
La tensione negativa attuale (morsetto -V) (Figura 4b) raggiunta dalla tensione di uscita dipende dalle condizioni di circuito esterne e può essere il valore dello sfasamento di terra,·· la tensione ad effetto valanga del MOSFET 20 o una tensione di bloccaggio interna.Questa tensione può essere molto superiore alla tensione Vgson della Figura 2b e,pertanto, forzerà a un valore di di/dt più alto di quello della Figura 2c e ad una più rapida disinserzione dell'interruttore. La tensione (morsetto-V)eilvalore maggiore di di/dt prodotti in tal modo sono anche illustrati in linee tratteggiate nelle Figure 2b e 2c rispettivamente.
Mentre il circuito della tecnica precedente della Figura 3 risolve i due problemi indicati per il circuito della Figura 1, esso introduce un nuovo problema. Pertanto mentre la tensione di uscita nel terminale 23 è inferiore alla tensione di soglia negativa (-Vth) del MOSFET 53, è inpossibile inserire il MOSFET di alimentazione 20. Questa azione è illustrata nelle Figure 5a e 5b.
La Figura 5a illustra il complemento del segnale di ingresso, come il segnale di disinserzione, applicato alla gate del MOSFET 27. Nella Figura 5a il segnale di disinserzione al tempo t1 viene regolato a valore basso per disinserire il MOSFET 27 e inserire il MOSFET 20. Tuttavia come descritto con riferimento alla Figura 4b, il dispositivo deve attendere fino a quando il carico induttivo è completamente disattivato prima di accettare il nuovo segnale di inserzione al tempo t1 della Figura 5b e l'inserzione non si può verificare fino ad un certo tempo dopo il tempo t3, per esempio al tempo t4. E' anche inpossibile inserire il MOSFET 20 se la terra di alimentazione 31 della Figura 3 è superiore alla tensione di soglia del MOSFET 53 inferiore alla terra logica 24.
La presente invenzione, come indicato nel circuito della Figura 6, evita il suddetto problema mentre mantiene gli altri vantaggi del circuito della Figura 3. I componenti della Figura 6 che sono identici a quelli delle Figure 1 e 3, hanno gli stessi numeri di identificazione e la stessa funzione. I componenti aggiunti sono i resistori 60, 61 e 62, il transistori MOSFET 63, 64, 65 e 66, il transistore bipolare 67, e i diodi Zener 68, 69 e 70. I componenti 60, 61, 63, 64, 65, 68 e 69 agiscono come un traslatore di livello per il MOSFET 53. I conponenti 62, 66, e 67 e 70 agiscono come un invertitore per il segnale di disinserzione di ingresso, indicato con Vcc.
Il nuovo circuito della Figura 6 opera come segue:
Se il segnale di disinserzione verso i transistori 66 e 67 è elevato, il circuito opera come il circuito della Figura 3.
Pertanto il transistore 66 verrà inserito e il nodo 80 è a tensione bassa. Inoltre il nodo 81 è a tensione negativa di una quantità eguale a Vbe del transistore 67 satinata alla tensione di Zener del diodo Zener 70. I transistori 64 e 65 sono realizzati in modo da essere identici di modo che la stéssa corrente scorrerà nei resistori identici 60 e 61 rispettivamente di modo che i resistori 60 e 61 si regolino alla stessa tensione inferiore.
Pertanto il potenziale nel nodo 82 sarà inferiore a quello del nodo 83 . Dato che la gate del transistore 65 viene polarizzata vicina alla sua tensione di soglia Vth, il transistore 63 verrà polarizzato sotto la sua soglia Vth e verrà spento. A causa del fatto che il transistore MOSFET 63 è disinserito, la parte restante del circuito opererà come descritto per la Figura 3 quando il segnale di ingresso o di disinserzione è elevato.
Se ora il segnale di disinserzione della Figura 6 è a tensione bassa, il MOSFET 66 è disinserito e il nodo 80 è a tensione elevata. Il diodo Zener 70 ha una tensione di Zener che è inferiore a [Vcc - Vbe (67) ] di modo che il nodo 81 sia positivo. Dato che i resistori 60 e 61 scendono alla stessa tensione, il nodo 82 sarà a tensione superiore a quella del nodo 83. Dato che la gate del MOSFET 65 viene polarizzata vicina alla sua tensione di soglia Vth, la gate del MOSFET 63 verrà polarizzata sopra la sua tensione di soglia Vth ed essa condurrà la corrente.
Questa situazione dinserirà il MOSFET 53 per inserire il MOSFET di alimentazione 20, anche se la tensione di uscita è inferiore a {-Vth) del MOSFET 53 come illustrato nelle Figure 7a e 7b.
Pertanto nella Figura 7b, il MOSFET 20 può essere inserito al tarpo t2, e non appena il segnale di ingresso nella Figura 7a viene regolato a tensione bassa. Pertanto viene evitato il problema principale introdotto dal circuito della Figura 3.
Il circuito della Figura 6 fornisce anche una funzione di protezione aggiuntiva. Pertanto se la tensione Vcc è inferiore a Vbe del transistore 67 scrunata alla tensione di Zener del diodo Zener 70, il nodo 81 verrà regolato a valore negativo quando la tensione di uscita nel terminale 23 viene regolata a valore negativo.
Questo mantiene il MOSFET di alimentazione 20 disinserito se Vcc è bassa e la tensione di uscita è negativa. Questa è la caratteristica di protezione desiderabile.
I componenti del circuito della Figura 6 possono essere facilmente implementati con i MOSFET a canale N ed un transistore bipolare NPN. Pertanto il circuito può essere integrato facilmente con il sistema monolitico. Ovviamente altri componenti possono essere scelti per le funzioni descritte.
Un'altra forma di realizzazione dell'invenzione è illustrata nella Figura 8, nella quale i conponenti aventi la stessa struttura e funzione di quelli della Figura 6 hanno gli stessi numeri di riferimento. Il traslatore invertitore che riceve il segnale di disinserzione di ingresso conprende tre transistori MOSFET 90, 91 e 92.Questi agiscono in modo tale che,come si verificava nella Figura 6,quando il segnale di ingresso di disinserzione è a livello basso, il nodo 81 è al di sopra del potenziale di terra, e quando l'ingresso di disinserzione è elevato, il nodo 81 è inferiore al potenziale di terra.Pertanto i vantaggi del circuito della Figura 6 vengono ottenuti nel circuito della Figura 8.
Sebbene l'invenzione sia stata descritta in relazione alle sue forme di realizzazione particolari, sarà chiaro alle persone esperte della tecnica che altre varianti modifiche ed altri usi possono essere realizzati.Tuttavia è preferito che la presente invenzione sia limitata non dalla specifica rivelazione illustrata,ma solo dalle rivendicazioni allegate.
Claims (10)
- RIVENDICAZIONI 1. Un circuito di interruttore ad alta tensione avente un dispositivo di alimentazione a semiconduttori a porte MOS e avente un primo ed un secondo elettrodo di alimentazione ed un elettrodo di controllo, un circuito di ingresso che produce segnali per disinserire e inserire il detto dispositivo di alimentazione, caratterizzato dal fatto di avere un MOSFET di controllo principale collegato fra il detto primo elettrodo di alimentazione e il detto elettrodo di controllo del detto dispositivo di alimentazione per disinserire il detto dispositivo di alimentazione quando il detto MOSFET di controllo principale viene inserito, un circuito traslatore ed un circuito invertitore del livello del segnale; il detto circuito di traslatore del livello di segnale accoppiato fra il detto circuito di ingresso e il detto circuito invertitore; il detto circuito invertitore essendo accoppiato al detto MOSFET di controllo principale per inserire il detto MOSFET di controllo in risposta ad un segnale di disinserzione di ingresso; la tensione di conduzione di soglia del detto MOSFET di controllo principale essendo inferiore alla tensione di conduzione di soglia del detto dispositivo a semiconduttori a porte MOS.
- 2. Il circuito della rivendicazione 1 che è inoltre caratterizzato dal fatto di includere un terminale Vcc collegato al detto secondo elettrodo di alimentazione del detto dispositivo di alimentazione, un terminale di tensione di uscita collegato al detto primo elettrodo di alimentazione del detto dispositivo di alimentazione ed un terminale di terra logico.
- 3. Il circuito delle rivendicazioni 1 o 2, che è inoltre caratterizzato dal fatto che il detto dispositivo di alimentazione a porte MOS è un MOSFET di alimentazione.
- 4. Il circuito delle rivendicazioni 2 o 3, che è inoltre caratterizzato dal fatto che il detto dispositivo di alimentazione e il detto MOSFET di controllo sono dispositivi a canale N che sono integrati in un circuito integrato a semiconduttori comune, e nel quale il detto circuito invertitore e il detto circuito traslatore sono anch'essi integrati nel detto circuito integrato a semiconduttori comune.
- 5. Il circuito delle rivendicazioni 2, 3 o 4, che è inoltre caratterizzato dal fatto che il detto circuito invertitore conprende un resistore e un secondo MOSFET di controllo collegato in serie e avente un nodo; un’estremità del detto resistore collegata al detto terminale di terra; un'estremità del detto secondo MOSFET collegata al detto terminale di tensione di uscita; il detto nodo fra il detto resistore e il detto secondo MOSFET collegato alla gate del detto MOSFET di controllo principale.
- 6. Il circuito della rivendicazione 5, che è inoltre caratterizzato dal fatto di includere un diodo Zener collegato fra la gate del detto secondo MOSFET di controllo e il detto terminale di tensione di uscita.
- 7. Il circuito delle rivendicazioni 2-6, che è inoltre caratterizzato dal fatto che il detto circuito traslatore comprende un primo MOSFET traslatore e un secondo MOSFET traslatore identico e il primo e secondo resistore traslatori identici; il detto primo e secondo MOSFET traslatore essendo collegati in serie con il detto primo e secondo resistore traslatore rispettivamente; il detto primo e secondo MOSFET traslatore essendo collegati al detto terminale di uscita; il detto primo resistore traslatore essendo collegato al detto terminale di terra; il nodo fra il detto primo MOSFET traslatore e il primo resistore traslatore collegati alle gate del detto primo e secondo MOSFET traslatore, il nodo fra il detto secondo MOSFET traslatore e il detto secondo resistore traslatore collegati alla gate del detto secondo MOSFET di controllo; ed un mezzo di circuito di accoppiamento che accoppia il detto secondo resistore traslatore con il detto circuito di ingresso.
- 8. Il circuito della rivendicazione 7, che è inoltre caratterizzato dal fatto che il detto mezzo di circuito di accoppiamento include un mezzo a MOSFET in serie con un resistore di aumento della tensione (pull-up) che è collegato al detto terminale di Vcc; la gate del detto mezzo di MOSFET collegata al detto circuito di ingresso; il nodo fra il detto mezzo di MOSFET e il detto resistore di aumento della tensione collegato alla base di un transistore bipolare; ed un diodo Zener collegato fra l'emettitore del detto transistore bipolare e il detto secondo resistere traslatore.
- 9. Il circuito delle rivendicazioni 2-8, che è inoltre caratterizzato dal fatto di includere un terzo mezzo a MOSFET collegato fra la detta gate del detto dispositivo di alimentazione attraverso un resistere di limitazione ·e il detto terminale di terra logico; il detto circuito di ingresso essendo collegato alla gate del detto terzo mezzo a MOSFET.
- 10. Il circuito della rivendicazione 7, nel quale il detto mezzo di circuito di accoppiamento include un primo mezzo a MOSFET in serie con un resistore di aumento della tensione che è collegato al detto terminale Vcc; la gate del detto primo mezzo MOSFET collegata al detto circuito di ingresso; il nodo fra il detto primo mezzo a MOSFET e il detto restistore di aumento della tensione collegato alla base di un transistore più potente; ed un secondo mezzo a MOSFET collegato fra l'emettitore del detto transistore bipolare e il detto secondo resistore traslatore; la gate del detto secondo transistore a MOSFET essendo collegata alla
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