ITMI980962A1 - Circuito di protezione di un transistore bipolare di potenza - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
Il presente trovato riguarda un circuito di protezione di un transistore di potenza. Più particolarmente, il trovato riguarda un procedimento e un circuito di protezione contro l'uscita dall'area operativa sicura di polarizzazzione diretta di un transistore di potenza.
Come è noto, la regione delle caratteristiche di uscita di dispositivi attivi è limitata dalla potenza massima dissipabile e da valori di tensione e di corrente che non devono essere superati, se non si vogliono danneggiare dispositivi.
Nel caso di un transistore di potenza i limiti sono posti daimassimi valori permessi di temperatura, potenza dissipabile, tensione e corrente.
I limiti di temperatura possono causare fusione dei materiali, dissociazioni 0 formazioni di prodotti di reazione che alterano le caratteristiche del transistore, deterioramento delle caratteristiche tecniche e materiali e aumento delle correnti superficiali.
Tenuto conto dei limiti suddetti di correnti, tensione e potenza, la regione utile in cui può operare un transistore di potenza è quella indicata nella figura 1 che è un grafico che riporta sull'asse delle ascisse la tensione di collettore e sull'asse delle ordinate la corrente di col-1ettore.
In tale grafico sono evidenziate diverse curve che sottendono a regioni utili di funzionamento di area differente, a seconda della durata di impulso applicata al termine di porta del transistore di potenza in oggetto.
Al di fuori della regione utile indicata, si può dire, che se si superano i limiti di corrente o potenza, il transistore viene ad essere danneggiato o distrutto.
La naturale retroazione positiva di un transistore di potenza bipolare nei confronti della temperatura può divenire critica se ci si trova a lavorare per tensioni superiori al verificarsi del primo breakdown, dove la capacità di corrente del dispositivo decresce rapidamente al crescere della tensione applicata.
Senza un accorto circuito di protezione il punto di funzionamento del transistore di potenza bipolare può andare a portarsi fuori dalla regione utile sopra indicata, a meno di non utilizzare un transistore sovradimensionato rispetto ai punti di lavoro utilizzati.
Sono attualmente noti circuiti di protezione di transistori di potenza bipolari i quali tuttavia risentono di alcuni inconvenienti.
In particolare, il circuito di protezione illustrato nella figura 2 (in modo semplificato, ma essenziale) in cui il transistore di potenza è indicato dal numero di riferimento 1, vengono impiegati due generatori di corrente 4 e 5 e transistori bipolari 2 e 3 i quali tuttavia hanno l'inconveniente di non essere in grado di impostare con precisione la corrente di corto circuito Isc, perchè il generatore 5 tende ad andare in saturazione.
Esistono altre configurazioni circuitali che eliminano i problemi di retroazione positiva del transistore bipolare rispetto alla temperatura con una protezione che, all'incremento della temperatura, risponde con il forzare una corrente Isc più bassa. Tuttavia, tali circuiti non risultano applicabili in un contesto in cui si voglia la possibilità di spegnimento di consumi ad un comando di spegnimento e di impostare una corrente Isc costante per tensioni superiori, ossia per tensioni fino alla tensione massima prevista dalla tecnologia del dispositivo.
Compito precipuo del presente trovato è quindi quello di realizzare un circuito di protezione per un transistore di potenza bipolare in cui l'area di lavoro utile del transistore di potenza sia sfruttabile al massimo, permettendo al dispositivo di lavorare sino al suo limite di sicurezza.
Nell'ambito di questo compito, uno scopo del presente trovato è quello di realizzare un circuito di protezione per transistori di potenza bipolari in cui non sia necessario utilizzare un transistore sovradimensionato rispetto ai punti di lavoro utilizzati.
Un altro scopo del presente trovato è quello di realizzare un circuito di protezione per transistori di potenza bipolari in cui sia possibile spegnere il consumo di corrente del dispositivo, e con esso quello del circuito di protezione, alla richiesta di un comando esterno di spegnimento.
Un ulteriore scopo del presente trovato è quello di realizzare un circuito di protezione per transistore di potenza bipolari in cui la corrente di cortocircuito sia impostata con precisione, senza indeterminazione dovute a saturazioni di transistori bipolari di circuiti di protezione di tipo noto.
Ancora un altro scopo del presente trovato è quello di realizzare dn regolatore utilizzante un transistore di potenza con il circuito di protezione sopra descritto.
Non ultimo scopo del presente trovato è quello di realizzare un procedimento e un circuito di protezione per un transistore di potenza bipolare, che sia di elevata affidabilità, di relativamente facile realizzazione ed a costi competitivi.
Questo compito, nonché questi ed altri scopi che meglio appariranno in seguito sono raggiunti da un circuito di protezione di un transistore bipolare di potenza contro l'uscita del punto di lavoro del transistore dall'area di funzionamento utile, comprendente un generatore di corrente che pilota il terminale di base di un transistore di potenza il quale ha il terminale di collettore collegato alla tensione di alimentazione tramite un resistore di rilevamento, con l'uscita prelevata in corrispondenza del terminale di emettitore,caratterizzato dal fatto di comprendere: un primo ramo circuitale collegato tra il terminale di collettore di detto transistore di potenza e un nodo comune di uscita, comprendente un primo diodo ed un primo generatore di corrente, detto primo diodo essendo collegato al terminale di collettore del transistore di potenza,detto nodo di uscita comune essendo coincidente con l'uscita di detto transistore di potenza;
un secondo ramo circuitale comprendente un secondo diodo ed un secondo generatore di corrente, detto secondo ramo circuitale essendo collegato tra la tensione di alimentazione e detto nodo comune di uscita;
un terzo ramo circuitale collegato tra detta tensione di alimentazione e detto nodo comune di uscita, comprendente una prima coppia di transistori collegati con i terminali di emettitore in comune, ed una seconda coppia di transistori rispettivamente collegati in serie ai transistori di detta prima coppia di transistori ed aventi i terminali di emettitore in comune e i terminali di collettore rispettivamente collegati ai terminali di collettore dei transistori di detta prima coppia, i transistori di detta seconda coppia essendo collegati a specchio tra di loro; un quarto ramo circuitale comprendente una pluralità di diodi collegati fra loro in serie ed in serie ad un primo e ad un secondo resistore, detto quarto ramo circuitale essendo collegato ad uno specchio di corrente formato da una coppia di transistori aventi i rispettivi terminali di emettitore collegati a detto nodo comune di uscita, i terminali di base in comune ed i terminali di collettore rispettivamente collegati ad un nodo comune tra detto primo e secondo resistore e ad un terzo generatore di corrente; un diodo Zener collegato tra detto primo e detto quarto ramo circuitale; e
un ulteriore transistore collegato tra il terminale di base di detto transistore di potenza e detto nodo comune di uscita e con il terminale di base collegato ai terminali di collettore di due transistori in serie di detto terzo ramo circuitale.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione di una forma di realizzazione preferita, ma non esclusiva, del circuito secondo il trovato, illustrata a titolo indicativo e non limitativo negli uniti disegni, in cui:
la figura 1 è un grafico illustrante l'area di funzionamento utile di un transistore di potenza bipolare;
la figura 2 è uno schema circuitale illustrante un circuito di protezione di tipo noto per un transistore di potenza bipolare; e
la figura 3 è un grafico illustrante la curva definente l'area operativa utile ottenibile mediante il circuito secondo il presente trovato; e la figura 4 è uno schema circuitale del circuito di protezione realizzato secondo il presente trovato.
Con riferimento alle figure citate, il circuito di protezione per un transistore di potenza bipolare secondo il trovato presenta tre campi di funzionamento, distinguibili dalla tensione applicata al transistore di potenza, indicato, analogamente alle precedenti figure, dal numero di riferimento 1 in condizione di sovraccarico sull'uscita.
Si distinguono quindi tre zone:
zona 1: "bassa tensione" tensioni inferiore al verificarsi del primo breakdown del transistore di potenza;
zona 2: "media tensione": tensioni che comportano il verificarsi del primo breakdown fino oltre il verificarsi del secondo breakdown del transistore di potenza 1; e
zona 3: "alta tensione":tensioni superiori al secondo breakdown fino alla massima tensione consentita dalla tecnologia del dispositivo.
Con riferimento ora 1n particoìar modo alla figura 4, il transistore di potenza 1 è pilotato in base da un generatore di corrente Io (per semplicità descrittiva se ne esclude la rete di polarizzazione ed eventuale preamplificazione).
La tensione di uscita Vout è prelevata sul terminale di emettitore del transistore di potenza 1,mentre al terminale di collettore è collegata una resi stenza Rs la quale è col legata al la tensione di al imentazione di ingresso Vin.
Un primo ramo circuitale costituito da un diodo Dj e da un generatore di corrente sono collegati tra il terminale di collettore del transistore 1 e il nodo comune di uscita Vout.
Un secondo ramo circuitale formato da un diodo con collegato in serie un generatore di corrente I collegato tra la tensione di ingresso Vin e il nodo di uscita comune Vout, in parallelo al primo ramo circuitale.
Un resistore Rs di "sense" collega il collettore del transistore di potenza 1 al nodi di alimentazione Vin.
Un terzo ramo circuitale è formato da due coppie di transistori Tl, T2 e T3, T4 rispettivamente collegati con i terminali di emettitore in comune. Il terminale di collettore di transistori Tl e T2 sono rispettivamente collegati ai terminali di collettori dei transistori T3 e T4.
Il transistore T4 è collegato a specchio di corrente con il transistore T3 ed i loro emettitori sono sul nodo comune di uscita Vout.
Un resistore R è collegato ai terminali di emettitore dei transistori Tl e T2 e alla tensione di ingresso Vin.
I transistori Tl e T2 sono opportunamente di tipo PNP,mentre i tran sistori T3 e T4 sono di tipo NPN.
La base del transistore Tl è collegata tra il diodo D2 ed il genera tore di corrente I2 del secondo ramo circuitale.
Un quarto ramo circuitale è costituito da una pluralità di diodi da D3 a Dn collegati in serie tra loro e ai quali è collegato in serie un resistore R2 e tutti sono in parallelo con un resistore Ri.
Questa porzione di circuito prevede inoltre una coppia di transistori T5 e T6 collegati a specchio di corrente e con il transistore T5 che ha un generatore di corrente I3 collegata al suo terminale di collettore.
I terminali di emettitore dei transistori T5 e T6 sono collegati al nodo di uscita comune Vout, mentre il terminale di collettore del transistore T5 è collegato al generatore di corrente I3.
Un diodo Zener ZI collega il quarto ramo circuitale al primo ramo circuitale. Un transistore T7 ha il suo terminale di base collegato ai terminali di collettore di transistori TI e T3, il suo collettore collegato al generatore di corrente I0 ed il suo emettitore collegato al nodo comune di uscita Vout..
Un condensatore C è collegato tra il terminale di collettore ed il terminale di base transistore T7.
Le correnti Ij, I2 e I3 sono correnti di controllo.
Con riferimento ora alla figura 4, il funzionamento del circuito secondo il presente trovato è come segue.
Si supponga di applicare una tensione Vin via via crescente, partendo dalla zona 1, indicata nella figura 3 dal numero di riferimento 10, passando alla zona 2, indicato dal numero di riferimento 20 e arrivando infine alla zona 3, indicata da 30, illustrate nella figura 4, con l'uscita del transistore di potenza 1 in sovraccarico (ossia con Vout al potenziale di massa ad esempio).
Per la zona indicata da 10:
data la tensione minima di bootstrap del circuito, le correnti di controllo Iy e I2 impostano rispettivamente le tensioni sui diodi Dy e ujT e si ha quindi:
scegliendo in modo opportuno i valori di Rs, Iy e I2 si può calibra al valore voluto la corrente di cortocircuito Isc, costante al variare della tensione di ingresso Vin,
L'equazione precedente è valida fino a che risulta che la corrente Iz sul diodo zener Zy è zero, ossia fino a che:
la scelta V^y, ossia la tensione rilevata ai capi del diodo zener Zy determina quindi l'ampiezza in termini di tensione di ingressa Vin della zona 10, scelta legata alla area di funzionamento sicuro del transistore di potenza 1 utilizzato ed in particolare alla sua tensione di primo breakdown.
Nella seconda equazione sopra citata, il termine Vg£say.yg indica la tensione di saturazione del transistore T6.
Per quanto riguarda la zona 2:
Zona (2) :
essendo I = ly Iz , sostituendo l 'equazione contrassegnata con asterisco nel la prima equazione sopra citata segue che al cresce del la tensio
ne Vin la corrente di cortocircuito Isc diminuisce.
Poiché gli strati resistivi normalmente usati nei circuiti integrati sono di silicio drogato, in temperatura la loro resistività è crescente per cui il solo primo termine al secondo membro dell'equazione (*) determinerebbe una corrente Iz decrescente in temperatura e quindi una corrente Isc crescente in temperatura. ;Quindi si avrebbe un fenomeno degenerativo sul transistore bipolare 1 fino all‘hot spot. ;Al contrario, la presenza del secondo termine nella equazione (*), legato alla presenza degli n diodi da d3 a Dn, permette di calibrare la corrente Iz in temperatura con l'andamento desiderato, ad esempio nullo o positivo. In questo modo si ha una corrente Isc con deriva in temperatura nulla o negativa e quindi un fenomeno di autoprotezione del transistore di potenza 1 e del regolatore utilizzante lo stesso transistore.
Per quanto riguarda infine la zona 30:
alla crescita della tensione di ingresso Vin si raggiungerà la condizione Iz = I3 per cui la corrente Iz rimane bloccata al valore I3 e con essa la corrente Isc sostituendo I = Ι^ Iz = I^ <+ >13 nella prima equazione sopra citata.
In tale intervallo di tensione di Vin la corrente I3 imposta il valore di Isc,al crescere di Vin il transistore T6 esce dalla saturazione ed il suo collettore insegue la tensione Vin tale che la tensione ai capi del quarto ramo circuitale rimanga costante.
La saturazione di T6 non crea problemi in quanto I3 è presa con uno specchio di corrente dato dai transistori Tg e Tg.
Il consumo dello stadio di protezione ideato può essere annullato da un comando di spegnimento, annullando semplicemente le correnti di controllo Ij, I2 e I3.
In particolare, la condizione I3 = 0 impedisce al ramo con il diodo zener di assorbire corrente. dall'alimentazione, causa tipica dei maggiori consumi in un regolatore di tensione con transistore di potenza provvisto di circuito di protezione contro la fuoriuscita dall'area di lavoro.
In generale, il principi di funzionamento del circuito secondo il trovato può essere espresso dalle seguenti fasi:
determinare un valore di corrente per i generatori di corrente di detto primo e terzo ramo circuitale, atti ad impostare sui transistori di detto primo e terzo ramo circuitale una tensione, i valori di dette correnti e del resistore di rilevamento essendo determinati in modo da mantenere costante la corrente di corto circuito di detto transistore di potenza al variare della tensione di alimentazione, quando detta tensione di alimentazione è bassa;
al crescere della tensione di alimentazione,diminuire la corrente di corto circuito mediante detto quarto ramo circuitale;
al crescere della temperatura, diminuire la.corrente di corto circuito per azione della pluralità di diodi ed il rapporto tra il primo ed il secondo resistore di detto quarto ramo circuitale;
con la tensione di alimentazione alta, impostare la corrente di corto circuito mediante detto terzo generatore di corrente.
Si è in pratica constatato come il circuito secondo il presente trovato consenta di realizzare uno sfruttamento ottimale dell'area di lavo del transistore di potenza, impedendo la fuoriuscita da tale area delpunto di funzionamento del transistore stesso.
Inoltre, il circuito secondo il trovato permette di annullare il consumo di corrente del regolatore impiegante il transistore di potenza con il relativo circuito di protezione, annullando semplicemente le correnti di controllo introdotte nel circuito di protezione.
In questo modo è possibile in particolare annullare il consumo del circuito con il ramo del diodo zener che è la causa principale di assorbimento di corrente dalla alimentazione.
Il circuito così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo; inoltre tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti.
In particolare, il circuito di protezione del transistore di potenza sopra descritto può essere utilizzato in un regolatore di tensione.
In pratica, i materiali impiegati, purché compatibili con l'uso specifico, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi secondo le esigenze e lo stato della tecnica.
Claims (10)
- RIVENDICAZIONI 1. Circuito di protezione di un transistore bipolare di potenza contro l'uscita del punto di lavoro del transistore dall'area di funzionamento utile, comprendente un generatore di corrente che pilota il terminale di base di un transistore di potenza il quale ha il terminale di collettore collegato alla tensione di alimentazione tramite un resistore di rilevamento,con l'uscita prelevata in corrispondenza del terminale di emettitore, caratterizzato dal fatto di comprendere: un primo ramo circuitale collegato tra il terminale di collettore di detto transistore di potenza e un nodo comune di uscita, comprendente un primo diodo ed un primo generatore di corrente, detto primo diodo essendo collegato al terminale di collettore del transistore di potenza, detto nodo di uscita comune essendo coincidente con l’uscita di detto transistore di potenza; un secondo ramo circuitale comprendente un secondo diodo ed un secondo generatore di corrente, detto secondo ramo circuitale essendo collegato tra la tensione di alimentazione e detto nodo comune di uscita; un terzo ramo circuitale collegato tra detta tensione di alimentazione e detto nodo comune di uscita, comprendente una prima coppia di transistori collegati con i terminali di emettitore in comune, ed una seconda coppia di transistori rispettivamente collegati in serie ai transistori di detta prima coppia di transistori ed aventi i terminali di emettitore in comune e i terminali di collettore rispettivamente collegati ai terminali di collettore dei transistori di detta prima coppia, i transistori di detta seconda coppia essendo collegati a specchio tra di loro; un quarto ramo circuitale comprendente una pluralità di diodi collegati fra loro in serie ed in serie ad un primo e ad un secondo resistore, detto quarto ramo circuitale essendo collegato ad uno specchio di corrente formato da una coppia di transistori aventi i rispettivi terminali di emettitore collegati a detto nodo comune di uscita, i terminali di base in comune ed i terminali di collettore rispettivamente collegati ad un nodo comune tra detto primo e secondo resistore e ad un terzo generatore di corrente; un diodo Zener collegato tra detto primo e detto quarto ramo circuitale; e un ulteriore transistore collegato tra il terminale di base di detto transistore di potenza e detto nodo comune di uscita e con il terminale di base collegato ai terminali di collettore di due transistori in serie di detto terzo ramo circuitale.
- 2. Circuito secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto terzo ramo circuitale è collegato a detta tensione di alimentazione tramite un resistore.
- 3. Circuito secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto diodo Zener ha il terminale di catodo collegato al primo ramo circuitale ed il terminale di anodo collegato al quarto ramo circuitale.
- 4. Circuito secondo la rivendicazione 1,caratterizzato dal fatto che i transistori di detto terzo ramo circuitale collegati fra loro a specchio hanno i terminali di base in comune, uno di detti transistori essendo collegato a diodo.
- 5. Circuito secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il numero di detta pluralità di diodi è scelto per la calibrazione della corrente di corto circuito di detto transistore di potenza.
- 6. Circuito secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che uno di detta coppia di transistori collegati a specchio in detto quarto ramo circuitale è collegato a diodo.
- 7. Circuito secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il terminale di collettore di detto ulteriore transistore è collegato ad un generatore di corrente a sua volta collegato a detta tensione di alimentazione.
- 8. Procedimento per impostare la corrente di corto circuito di un transistore bipolare di potenza, mediante un circuito di protezione come rivendicato nella rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi che consistono nel: determinare un valore di corrente per i generatori di corrente di detto primo e terzo ramo circuitale, atti ad impostare sui transistori di detto primo e terzo ramo circuitale una tensione, i valori di dette correnti e del resistore di rilevamento essendo determinati in modo da mantenere costante la corrente di corto circuito di detto transistore di potenza al variare della tensione di alimentazione, quando detta tensione di alimentazione è bassa; al crescere della tensione di alimentazione, diminuire la corrente di corto circuito mediante detto quarto ramo circuitale; al crescere della temperatura, diminuire la corrente di corto circuito per azione della pluralità di diodi ed il rapporto tra il primo ed il secondo resistore di detto quarto ramo circuitale; con la tensione di alimentazione alta, impostare la corrente di corto circuito mediante detto terzo generatore di corrente.
- 9. Procedimento secondo la rivendicazione 8,caratterizzato dal fatto che il consumo di detto circuito di protezione è annullato spegnendo detto primo, secondo e terzo generatore di corrente.
- 10. Procedimento e circuito secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzati dal fatto di comprendere una.o più delle caratteristiche descritte e/o illustrate.
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