JP2010067974A - 金属酸化物トランジスタの耐圧増大方法と回路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い阻止電圧を有する金属酸化物トランジスタの選択なしに、低い温度において金属酸化物トランジスタの耐圧を高める。
【解決手段】少なくとも１つの金属酸化物トランジスタを有する電子的回路装置の低温における耐圧を高めるべく、金属酸化物トランジスタのブレークダウン電圧に近い電圧の印加前に、金属酸化物トランジスタを適切な措置によって予め定めた温度に加熱する。本発明は、同様に、低温において低い耐圧を有する回路装置であって、回路装置が少なくとも１つの金属酸化物トランジスタを有し、金属酸化物トランジスタの阻止電圧に近い電圧が金属酸化物トランジスタに印加される前に、少なくとも１つの金属酸化物トランジスタが加熱される回路装置に関する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、請求項１に記載する如き金属酸化物トランジスタを有する電子回路装置の、温度に依存しない耐圧増大方法に関し、更に請求項５に記載する如き少なくとも１つの金属酸化物トランジスタおよび温度に依存しない高い耐圧を有する回路装置に関する。

図１は、従来技術に基づく金属酸化物トランジスタ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ・英語名を略してＭＯＳＦＥＴとも呼ぶ）のチップ温度に対する基準化されたブレークダウン電圧のダイアグラムを示す。金属酸化物トランジスタのブレークダウン電圧が金属酸化物トランジスタの温度の低下にともなって同様に著しく低下することが明白に分かる。これは、このような金属酸化物トランジスタを有する回路装置全体の耐圧が低い温度において同様に低くなるという問題を投げかける。この問題を回避すべく、従来は、高い阻止電圧を有する金属酸化物トランジスタが使用されていた。しかし、これは著しく高価であり、チャネル抵抗（ＲＤＳ_On）が高い等の欠点を有する。技術的に制約された電圧レベルを上回る周辺条件に基づき金属酸化物トランジスタを選択せねばならない場合に、問題が特に深刻に現われる。このようなレベルを上回る場合には、トランジスタにおいて異なった半導体チップが使用される。この半導体チップは異なった製造技術の故に明らかに高コストである。かかる場合に、高い阻止電圧を有する金属酸化物トランジスタに関しては、著しい高コストを覚悟すべきである。代案として回路装置のために狭い温度範囲を指定できる。しかし、これは用途によってはしばしば不可能である。

本発明の課題は、低温における金属酸化物トランジスタの耐圧を増大するための方法であって、回路装置が少なくとも１つの金属酸化物トランジスタを有し、高い阻止電圧を有する金属酸化物トランジスタの選択が不要である方法を提供することにある。

同様に本発明の課題は、回路装置が少なくとも１つの金属酸化物トランジスタを有し、金属酸化物トランジスタが高い阻止電圧を有することなしに低温度において高い耐圧を有する回路装置を提供することにある。

方法に関する課題は、本発明によれば、低温における電子的回路装置の耐圧を増大する方法であって、回路装置が少なくとも１つの金属酸化物トランジスタを有し、金属酸化物トランジスタのブレークダウン電圧の近くにある電圧の印加前に、金属酸化物トランジスタを適切な措置によって予め定められた温度に加熱する方法で解決される。

第１の変形例では、金属酸化物トランジスタの加熱が金属酸化物トランジスタを通る高い電流によって行なわれる。他の変形例では、金属酸化物トランジスタの加熱が金属酸化物トランジスタのスイッチング損失の増大によって実行される。第３の変形例では、金属酸化物トランジスタの加熱が金属酸化物トランジスタの短時間の線形動作によって実行される。これらの変形例は、金属酸化物トランジスタの高速の信頼できる加熱を保証する。

加熱は時間制御又は温度制御により行なわれる。時間制御される変形例では、金属酸化物トランジスタを予め定められた時間だけ加熱する。この変形例は低コストの実現という利点を提供する。温度制御される変形例は、回路装置又は金属酸化物トランジスタの温度を測定し、金属酸化物トランジスタを予め定められた温度（例えば２５℃）に加熱する。この変形例は金属酸化物トランジスタの良好な温度調節という利点を提供する。

加熱は、回路装置又は金属酸化物トランジスタの低い温度においてのみ実行することが好ましい。これは、回路装置又は金属酸化物トランジスタの高い温度において金属酸化物トランジスタの過熱を防止する。

回路装置に関する課題は、本発明によれば、低温において高い耐圧を有する回路装置であって、回路装置が少なくとも１つの金属酸化物トランジスタを有し、回路装置が金属酸化物トランジスタの阻止電圧の近くにある電圧を金属酸化物トランジスタに印加する前に金属酸化物トランジスタを加熱するための手段を有する回路装置によって解決される。

第１の変形例では、金属酸化物トランジスタの加熱が金属酸化物トランジスタを通る高い電流によって行なわれる。他の変形例では、金属酸化物トランジスタの加熱が金属酸化物トランジスタのスイッチング損失の増大によって実行される。第３の変形例では、金属酸化物トランジスタの加熱が金属酸化物トランジスタの短時間の線形動作によって実行される。これら変形例は、金属酸化物トランジスタの高速の信頼できる加熱を保証する。これら変形例は、用途およびに必要に応じて任意に組み合わせ可能である。

回路装置は、回路装置又は金属酸化物トランジスタが低温の際にのみ加熱されることが好ましい。これは、回路装置又は金属酸化物トランジスタが高温のとき、金属酸化物トランジスタの過熱を防止する。

加熱は時間制御又は温度制御により行なわれる。時間制御される変形例は、低コストの実現という利点を提供する。温度制御される変形例は、金属酸化物トランジスタの正確な温度調節という利点を提供する。この場合に、回路装置が金属酸化物トランジスタの温度を測定することが好ましい。金属酸化物トランジスタの温度は、金属酸化物トランジスタのチャネル抵抗を介して測定するのが特に有利である。これは温度測定を簡単に低コストで実現可能という利点を提供する。

回路装置が少なくとも１つのガス放電ランプを点灯すべくに設計されていて、しかも回路装置が金属酸化物トランジスタに印加するための中間回路電圧を発生し、ガス放電ランプの始動直前又はガス放電ランプの始動時に金属酸化物トランジスタを加熱するとよい。この場合には、始動直前に、回路装置が始動電圧を確立するランプ始動前の時間を金属酸化物トランジスタの加熱のために利用することを意味する。中間回路電圧が加熱段階で低くされていて、加熱段階が１秒と１２０秒との間の長さであるとよい。中間回路電圧の低下によって金属酸化物トランジスタが保護され、加熱段階の長さがトランジスタの効果的な加熱を保証する。中間回路電圧の低下は、調整可能な出力電圧を有するＤＣ−ＤＣコンバータによって実行するとよい。ＤＣ−ＤＣコンバータは、多くの場合に、他の理由からも使用されるため、中間回路電圧を調整可能とすべく、この既存のＤＣ−ＤＣコンバータを僅かな費用で出力電圧調整可能に構成すると有利である。

本発明による方法と本発明による回路装置の他の有利な発展形態および実施形態は、他の従属請求項および以下の説明から明らかにする。

図１は従来技術による金属酸化物トランジスタにおけるチップ温度に対する基準化ブレークダウン電圧の変化を示すダイアグラムである。

以下の実施例の説明および図面に基づいて、本発明の他の利点、特徴および詳細を明らかにする。

金属酸化物トランジスタを有する回路装置のインテリジェント制御により、高い阻止電圧を持たない金属酸化物トランジスタが使用可能である。本発明によれば、金属酸化物トランジスタの阻止電圧の範囲内にある電圧が金属酸化物トランジスタに印加される前に、金属酸化物トランジスタが、その印加電圧を確実に阻止することができる温度に加熱される。従って、金属酸化物トランジスタの阻止電圧の温度依存性が利用される。

有利な実施形態では、金属酸化物トランジスタが、ガス放電ランプ用の電子式点灯装置のインバータにおいて、スイッチングトランジスタとして使用される。インバータの前段には、しばしば、例えば力率補償を行なうことができるＤＣ−ＤＣコンバータが接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータは、例えばブーストコンバータ、セピックコンバータ又はフライバックコンバータとして構成できる。ＤＣ−ＤＣコンバータが調節された出力電圧を発生し、この出力電圧がインバータに入力される。この電圧は、しばしば中間回路電圧と呼ばれる。インバータは、クラスＥコンバータ、ハーフブリッジインバータ又はフルブリッジインバータとして構成できる。それに応じて、インバータは１個ないし４個の金属酸化物トランジスタを有する。このような点灯装置では、これらの金属酸化物トランジスタが連続的なランプ点灯中にしばしば阻止電圧の近くで動作させられる。従って、点灯されるべきガス放電ランプのランプ電圧は、金属酸化物トランジスタの阻止電圧の範囲内にある。電子式点灯装置が、回路装置又は金属酸化物トランジスタの相応に低い温度をもたらす例えば−４０℃の低い周囲温度における屋外用途にも、或いは冷凍倉庫内における用途にも適用可能とすべく、始動後に急速に上昇するガス放電ランプのランプ電圧を金属酸化物トランジスタが阻止することができるように、金属酸化物トランジスタを相応に予熱することが必要である。金属酸化物トランジスタが予熱される時間、従ってトランジスタに印加される電圧、例えば中間回路電圧が低下させられている時間は、１秒から１２０秒迄の間である。

金属酸化物トランジスタは種々の方法で加熱できる。多くの点灯装置は高圧放電ランプを共振点火により点灯し、このことは低圧放電ランプがそうであるのと似ている。共振段階の間、高い電流が金属酸化物トランジスタを通って流れる。この電流は、金属酸化物トランジスタを速やかにかつ確実に加熱する。加熱を最適化すべく、共振点火中の短い時間間隔の間、トランジスタへの熱供給を加速すべく金属酸化物トランジスタを線形領域で動作させるとよい。金属酸化物トランジスタが高い導通状態抵抗（Ｒ_DSOn）を有し、従ってその間共振が抑制されているこの短い時間間隔は、使用者にとって知覚不能である。

他の変形例では、高圧放電ランプの加熱段階の期間中に金属酸化物トランジスタを加熱する。高圧放電ランプは点火直後にかなり低いランプ電圧を持ち、このランプ電圧はランプの立ち上げ中に連続的に上昇する。この時間中に、過電圧によって破壊される危険なしに金属酸化物トランジスタを同様に更に加熱できる。加熱は、またもや加熱段階における高められたスイッチング損失によって行なわれる。高いスイッチング損失は、例えば金属酸化物トランジスタの容量性動作又はスイッチング周波数の増大によって発生させることができ、それによって単位時間当たりの損失が高まる。スイッチング周波数の増大は、それによって金属酸化物トランジスタによりスイッチングされる電圧をアーク消失の恐れなしに低下させ得るという利点をもたらす。金属酸化物トランジスタの零電圧スイッチング（ＺＶＳ）又は金属酸化物トランジスタの零電流スイッチング（ＺＣＳ）を実現した高効率コンバータの場合に、このスイッチングの振る舞いを次の目的のために一時的に停止することができる可能性が存在する。即ち、高いスイッチング損失を発生させ、金属酸化物トランジスタを急速に加熱する目的である。勿論、この場合にもトランジスタは、スイッチング損失を更に高めてトランジスタを更に加熱すべく、短時間だけ線形領域で動作するように制御されるとよい。

他の実施形態では２つの可能性が組み合わされ、高圧放電ランプの点火中に、かつ高電圧ランプの立ち上げ過程中にも、トランジスタが加熱される。

直流−直流コンバータを有する回路装置の場合には、この立ち上げ段階中に直流−直流コンバータの中間回路電圧を低下させるとよい。何故ならば、上述の如く、ランプ電圧が相応に低いからである。この結果、金属酸化物トランジスタがこれに印加される電圧を確実に阻止可能となる。

加熱段階の制御の可能性は、金属酸化物トランジスタ温度の測定にある。これは、金属酸化物トランジスタに取り付けられた温度センサ、又は金属酸化物トランジスタの回路抵抗によって行なわれる。回路抵抗は、温度補償された測定装置により測定されるとよく、それによって金属酸化物トランジスタのチップ温度が求められる。加熱段階は、トランジスタが予め定められた最低温度（例えば＋２５℃）に到達する迄の間、制御される。

簡単な可能性は、金属酸化物トランジスタの加熱段階が時間制御されて金属酸化物トランジスタに適用されることにある。この変形例は、実現性において簡単であるが、トランジスタが既に熱い回路の始動時に過剰に加熱されるという欠点をもたらす。

特定の用途および特定の動作状態（例えば冷凍倉庫内の高圧放電ランプの調光動作）においては、金属酸化物トランジスタの温度が予め定められた温度以下に低下することが起こり得る。その際には、金属酸化物トランジスタの確実な動作を保証すべく、通常動作時にも付加的に加熱段階を設けることができる。加熱段階は、上記に基づいて高圧放電ランプの点灯中において実現可能である。この関連において、金属酸化物トランジスタの線形動作および／又は金属酸化物トランジスタの零電圧スイッチング（ＺＶＳ）又は金属酸化物トランジスタの零電流スイッチング（ＺＣＳ）の一時的中断が、他の既述の方法よりも優先されるべきである。

Claims (13)

1. 電子的回路装置の低温における耐圧の増大方法であって、回路装置が少なくとも１つの金属酸化物トランジスタを有し、金属酸化物トランジスタが、ブレークダウン電圧の近くにある電圧の印加前に加熱されることを特徴とする方法。
2. 金属酸化物トランジスタの加熱が、金属酸化物トランジスタを通る高い電流および／又は金属酸化物トランジスタのスイッチング損失の増大および／又は金属酸化物トランジスタの短時間の線形動作によって行なわれることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 加熱が時間制御又は温度制御されて行なわれることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 金属酸化物トランジスタの加熱が回路装置の低い温度においてのみ実行されることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の方法。
5. 低い温度において高い耐圧を有する回路装置であって、回路装置が少なくとも１つの金属酸化物トランジスタを有し、回路装置が、金属酸化物トランジスタの阻止電圧の近くにある電圧を金属酸化物トランジスタに印加する前に少なくとも１つの金属酸化物トランジスタを加熱するための手段を有することを特徴とする回路装置。
6. 回路装置が、金属酸化物トランジスタを通る高い電流および／又は金属酸化物トランジスタのスイッチング損失の増大および／又は金属酸化物トランジスタの短時間の線形動作によって金属酸化物トランジスタを加熱するための手段を有することを特徴とする請求項５記載の回路装置。
7. 回路装置が、時間制御又は温度制御によって金属酸化物トランジスタを加熱する手段を有することを特徴とする請求項５乃至６の１つに記載の回路装置。
8. 回路装置が、回路装置又は金属酸化物トランジスタが低温のときにのみ金属酸化物トランジスタを加熱することを特徴とする請求項５乃至７の１つに記載の回路装置。
9. 回路装置が金属酸化物トランジスタの温度を測定することを特徴とする請求項８記載の回路装置。
10. 回路装置が金属酸化物トランジスタの温度をそれのチャネル抵抗を介して測定することを特徴とする請求項９記載の回路装置。
11. 少なくとも１つのガス放電ランプを点灯するための回路装置であって、該回路装置が、金属酸化物トランジスタに印加するための中間回路電圧を発生し、かつガス放電ランプの始動直前又はガス放電ランプの始動時に金属酸化物トランジスタを加熱することを特徴とする請求項５乃至１０の１つに記載の回路装置。
12. 回路装置が加熱段階中に中間回路電圧を低下させるための手段を有し、加熱段階が１秒と１２０秒との間の長さであることを特徴とする請求項１１記載の回路装置。
13. 回路装置が、中間回路電圧を低下させるために調整可能な出力電圧を有するＤＣ−ＤＣコンバータを有し、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が中間回路電圧であることを特徴とする請求項１１又は１２記載の回路装置。

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