TW201301706A - 高壓裝置及高壓電晶體的過電壓保護方法 - Google Patents

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Abstract

本發明公開了一種具有過電壓保護功能的高壓裝置及過電壓保護方法，該高壓裝置包括：高壓電晶體，具有汲極、閘極和源極；以及過電壓保護電路，耦接在高壓電晶體的汲極和源極之間，監測高壓電晶體兩端的電壓以判斷高壓電晶體是否過電壓，並在檢測到過電壓時提供第一電信號至高壓電晶體的閘極以導通高壓電晶體。

Description

高壓裝置及高壓電晶體的過電壓保護方法
本發明涉及高壓半導體裝置，尤其涉及具有過電壓保護功能的高壓裝置以及高壓電晶體的過電壓保護方法。
高壓電晶體作為開關裝置，被廣泛使用在工業電子和消費類電子領域內的電源中(例如AC/DC轉換器)。這些應用場合的輸入電壓通常非常高，例如500V~1000V。因此，高壓電晶體需要具有較高的擊穿電壓來承受如此高的輸入電壓。
大多數高壓電晶體被設計為垂直型裝置，其電流方向為流進半導體基板，即電流方向與半導體基板所在的平面垂直。這種結構可在給定的擊穿電壓下獲得較小的導通電阻以及良好的功率處理能力。然而，許多高壓電晶體仍被設計為橫向型裝置，即電流方向與半導體基板所在的平面平行，這是因為橫向型高壓電晶體通常可採用與低壓裝置相似的製作步驟來製作，從而允許將高壓和低壓裝置集成在一起以實現功率集成的目的。
傳統的橫向高壓電晶體的一個缺點是不能承受大的雪崩電流，例如，因局部擊穿引起的雪崩電流。該局部擊穿常常發生於電場最高的位置。這一缺點使得橫向高壓電晶體在過電壓情況下失缺乏自我保護的能力，因此需要一種包括高壓電晶體與集成的高壓保護電路的高壓裝置，以防 止高壓電晶體在過電壓時損壞。
針對現有技術中的一個或多個問題，本發明的一個目的是提供一種具有過電壓保護功能的高壓裝置以及高壓電晶體的過電壓保護方法。
為解決上述技術問題，在本發明的一個方面，提供一種高壓裝置，包括：高壓電晶體，具有汲極、閘極和源極；以及過電壓保護電路，耦接在高壓電晶體的汲極和源極之間，監測高壓電晶體兩端的電壓以判斷高壓電晶體是否過電壓，並在檢測到過電壓時提供第一電信號至高壓電晶體的閘極以導通高壓電晶體。
在本發明的另一個方面，提供一種高壓裝置，包括：高壓電晶體，具有第一端，第二端和控制端；以及用於監測高壓電晶體兩端的電壓以檢測是否發生過電壓的構件；用於根據高壓電晶體兩端電壓產生第一電信號至高壓電晶體控制端的構件，其中當過電壓發生時，第一電信號導通高壓電晶體，當沒有發生過電壓時，第一電信號關斷高壓電晶體。
本發明還提供一種高壓電晶體的過電壓保護方法，包括：監測高壓電晶體兩端的電壓以檢測是否發生過電壓；在發生過電壓時導通高壓電晶體；以及在未發生過電壓時關斷高壓電晶體。
根據本發明實施例的高壓裝置及用於高壓電晶體的過 電壓保護方法，當高壓電晶體處於過電壓狀態時控制高壓電晶體導通，保護高壓電晶體不被損壞。
下面參照附圖描述本發明的各實施例。為了更好地理解本發明，在下面的描述中給出了一些具體的細節，例如示例電路以及這些示例電路中元裝置的示例值。本領域的技術人員應理解，缺少一個或多個具體細節，或者增加其他的方法、元件或者材料等，本發明同樣可以實施。此外，為了清楚地闡述本發明，在本發明的描述中省去了一些公知的結構、材料或步驟的詳細描述以及示意圖。此外，本文所稱“耦接”的是指以電或者非電的形式直接或間接連接。
本發明公開了一種高壓裝置，該高壓裝置包括高壓電晶體和集成的過電壓保護電路，其中過電壓保護電路監測高壓電晶體兩端的電壓，以判斷是否發生過電壓。一旦監測到高壓電晶體發生過電壓，過電壓保護電路將導通高壓電晶體。過電壓發生時，高壓電晶體兩端被允許的電壓低於擊穿電壓。這種情況下，當高壓電晶體處於過電壓狀態時高壓電晶體被導通，這樣高壓電晶體是在導通狀態通過其通道來消耗過電壓產生的功率，而不是在關斷狀態通過雪崩電流來消耗功率。關斷狀態的雪崩電流趨於非均勻分佈，集中在高壓電晶體附近的一個很小的高電場區域內。與關斷狀態的雪崩電流相比，導通狀態的電流更均勻地分 佈於高壓電晶體的整個區域。由於電流分佈更均勻，因此在過電壓狀態時，與傳統的裝置相比，集成有過電壓保護電路的高壓裝置可以處理更大的電流以及更大的功率。這可以提高功率電晶體的未箝位電感性開關轉換(Unclamped Inductive Switching,UIS)能力，並使高壓電晶體獲得更高的靜電放電(Electro-Static discharge，ESD)等級。
在一個實施例中，高壓裝置包括具有汲極、源極和閘極的高壓電晶體。過電壓保護電路耦接在高壓電晶體的汲極和源極之間，監測高壓電晶體兩端的電壓以判斷高壓電晶體的過電壓情況。當檢測到過電壓時，過電壓保護電路為高壓電晶體的閘極提供第一電信號以導通高壓開關管。
在另一個實施例中，高壓裝置包括高壓電晶體和用於檢測高壓電晶體是否發生過電壓的構件。其中高壓電晶體具有第一端、第二端和控制端。該高壓裝置還包括用於產生反映高壓電晶體兩端電壓的第一電信號至高壓電晶體的控制端的構件。當發生過電壓時，第一電信號導通高壓電晶體；當沒有發生過電壓時，第一電信號關斷高壓電晶體。
在又一個實施例中，高壓電晶體的過電壓保護方法包括：監測高壓電晶體兩端的電壓以判斷高壓電晶體是否發生過電壓；當發生過電壓時，導通高壓電晶體；當沒有過電壓發生時，關斷高壓電晶體。
為了方便說明，本發明使用N通道橫向高壓電晶體 來說明高壓裝置的結構以及工作原理。本領域的技術人員應當理解，這些實施例並不是要限制本發明，P通道橫向高壓電晶體、N通道或P通道垂直高壓電晶體以及其他類型合適的高壓裝置同樣也適用於本發明。
圖1是根據本發明一實施例的包括高壓電晶體和集成的過電壓保護電路的高壓裝置100的方塊圖。高壓裝置100包括高壓電晶體101和過電壓保護電路103。在一個實施例中，高壓電晶體101具有汲極、源極和閘極。過電壓保護電路103監測高壓電晶體101兩端的電壓，即高壓電晶體101汲極和源極之間的電壓差，以判斷高壓電晶體101是否過電壓。過電壓保護電路103還將表示過電壓狀態的第一電信號提供至高壓電晶體101的閘極，以在過電壓發生時將高壓電晶體101導通。
在一個實施例中，過電壓保護電路103包括電壓檢測電路和過電壓判斷電路。過電壓檢測電路監測高壓電晶體101兩端的電壓，並產生表示高壓電晶體101兩端電壓的第二電信號。過電壓判斷電路接收第二電信號，並將第二電信號與目標臨限值相比較以產生第一電信號。當第二電信號高於過電壓臨限值時，第一電信號導通高壓電晶體；當第二電信號低於過電壓臨限值時，第一電信號關斷高壓電晶體。
在一個實施例中，過電壓臨限值包括第一過電壓臨限值和第二過電壓臨限值。當第二電信號高於第一過電壓臨限值時，第一電信號導通高壓電晶體；當第二電信號低於 第二過電壓臨限值時，第一電信號關斷高壓電晶體。
在圖1所示的實施例中，高壓電晶體101包括N通道高壓電晶體。高壓電晶體101具有汲極、源極和閘極，其中汲極耦接至輸入電源Vin，源極連接至地，閘極耦接至過電壓保護電路103。過電壓保護電路103監測高壓電晶體101的汲極電壓VD，產生表示過電壓情況發生的第一電信號VG並將其提供至高壓電晶體101的閘極。在一個實施例中，過電壓保護電路103監測汲極電壓VD並產生表示汲極電壓VD的第二電信號。過電壓保護電路103將第二電信號與目標臨限值VOV相比較，產生第一電信號VG。
在一個實施例中，過電壓臨限值VOV包括第一過電壓臨限值VOV1和第二過電壓臨限值VOV2。當過電壓保護電路103檢測到第二電信號大於第一過電壓臨限值VOV1時，第一電信號VG控制高壓電晶體101導通。然後，處於導通狀態的高壓電晶體101從輸入電源Vin放電，汲極電壓VD降低。當過電壓保護電路103檢測到汲極電壓VD下降到一定水準，使得第二電信號小於第二過電壓臨限值VOV2時，第一電信號VG控制高壓電晶體101關斷。
在一個實施例中，第一過電壓臨限值VOV1和第二過電壓臨限值VOV2相等，這樣無論汲極電壓升高還是下降，高壓電晶體101在同一汲極電壓被導通或者關斷。在另一個實施例中，第一過電壓臨限值VOV1高於第二過電壓臨限值VOV2以提供滯環。
根據本發明的各種實施例，過電壓保護電路103可包括能夠承受輸入電源Vin的高電壓，檢測高壓電晶體101兩端的電壓並根據檢測的電壓產生高壓電晶體101的閘極控制信號的合適電路。當高壓電晶體101兩端的電壓高於第一臨限值電壓時，控制信號控制高壓電晶體101導通；當高壓電晶體兩端的電壓低於第二臨限值電壓時，控制信號控制高壓電晶體101關斷。
圖2是根據本發明一實施例的包括高壓電晶體和集成的過電壓保護電路的高壓裝置的電路原理圖。在圖2所示的實施例中，過電壓保護電路103包括過電壓檢測電路202和過電壓判斷電路204。過電壓檢測電路202耦接於高壓電晶體101的汲極和源極之間。過電壓檢測電路202監測高壓電晶體101的汲極電壓VD，並產生反映汲極電壓VD的第二電信號V1。第二電信號V1被提供給過電壓判斷電路204。
在一個實施例中，過電壓檢測電路202包括電阻分壓器，該電阻分壓器包括串聯耦接在高壓電晶體101汲極和源極之間的第一電阻器R1和第二電阻器R2。第二電阻器R2兩端的電壓即為第二電信號V1。在一些實施例中，選擇阻值較大的第一電阻器R1和第二電阻器R2來限制正常工作(即非過電壓狀態)時自輸入電源Vin抽取的電流。在其他實施例中，高壓電晶體可被使用於過電壓檢測電路202中，例如，可採用常態導通的高壓電晶體來代替第一電阻器R1。在一個實施例中，常態導通高壓電晶體包 括接面場效電晶體(JFET)或者空乏型金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)。
如圖2所示，過電壓判斷電路204耦接在輸入電源Vin和地GND之間。過電壓判斷電路204接收第二電信號V1，並將第二電信號V1同一個或者多個臨限值電壓比較以輸出第一電信號VG至高壓電晶體101的閘極。在一個實施例中，過電壓判斷電路204包括常態導通的高壓電晶體206，過電壓判斷電路204由高壓電晶體101的汲極電壓VD來“自供電”，這樣不僅不需要另外的電源，而且當只有Vin供電(靜電釋放ESD)時，過電壓保護電路204仍可工作。
過電壓判斷電路204還包括經過常態導通高壓電晶體206由輸入電源Vin供電的主動電路。在圖2所示的實施例中，主動電路包括第一常態導通低壓電晶體208，常態關斷低壓電晶體210和第二常態導通低壓電晶體212。在一個實施例中，常態導通高壓電晶體206包括高壓接面場效電晶體(HVJFET)，第一常態導通低壓電晶體208包括低壓P通道金屬氧化物半導體場效電晶體(LVPMOS)，常態關斷低壓電晶體210包括低壓N通道金屬氧化物半導體場效電晶體(LVNMOS)，第二常態導通低壓電晶體212包括低壓N通道金屬氧化物半導體場效電晶體(LVNMOS)。
在圖2所示的實施例中，常態導通的高壓電晶體206的汲極耦接至輸入電源Vin或者高壓電晶體101的汲極， 閘極耦接至地，源極耦接至第一常態導通低壓電晶體208的源極以及第二常態導通低壓電晶體212的汲極以形成輸出節點204O。第一常態導通低壓電晶體208的閘極連接至地，汲極耦接至常態關斷低壓電晶體210的汲極和第二常態導通低壓電晶體212的閘極，這樣第一常態導通低壓電晶體208能夠為第二常態導通電晶體212的閘極提供基本連續的上拉電流(Pull-up current)。常態關斷低壓電晶體210的源極和第二常態導通低壓電晶體212的源極均連接至地GND。常態關斷低壓電晶體210的閘極耦接至電壓檢測電路202以接收第二電信號V1。輸出節點204O耦接至高壓電晶體101的閘極。
在一個實施例中，常態關斷低壓電晶體210具有導通臨限值電壓VTH。選擇電阻分壓器中第一電阻器R1與第二電阻器R2的比值，使得在高壓電晶體101的汲極電壓VD高於目標過電壓臨限值時，第二電信號V1基本上等於常態關斷低壓電晶體210的導通臨限值電壓VTH。在高壓裝置工作中，當第二電信號V1大於第一常態關斷低壓電晶體210的臨限值電壓VTH(即高壓電晶體101的汲極電壓VD大於目標過電壓臨限值)時，第一常態關斷低壓電晶體210被導通。這樣第二常態導通低壓電晶體212的閘極被拉低，第二常態導通低壓電晶體212被關斷。隨著第二常態導通低壓電晶體212被關斷，輸入電源Vin通過常態導通高壓電晶體206提供電流為高壓電晶體101的閘極充電，直至第一電信號VG導通高壓電晶體101。然後 處於導通狀態的高壓電晶體101促使來自輸入電源Vin的電流流向地，直到高壓電晶體101的汲極電壓VD下降至目標過電壓臨限值之下。
當高壓電晶體101的汲極電壓VD下降至目標過電壓臨限值之下時，過電壓檢測電路202的第二電信號V1小於常態關斷低壓電晶體210的導通臨限值電壓VTH，常態關斷低壓電晶體210關斷。因此，流過第一常態導通低壓電晶體208的電流為第二常態導通低壓電晶體212的閘極充電，再次導通第二常態導通低壓電晶體212。伴隨著第二常態導通低壓電晶體212的導通，高壓電晶體101的閘極被放電，第一電信號VG減小。當第一電信號VG足夠低時高壓電晶體101關斷。
圖2中的電路只給出單個過電壓臨限值VTH，然而，本發明的其他實施例可以包括另外的電路，以提供兩個不同的過電壓臨限值，即汲極電壓上升臨限值和汲極電壓下降臨限值，在這兩個臨限值間存在滯環。在其他的實施例中，本發明的實施例電路包括用以提供三個、四個和/或其他合適數量過電壓臨限值的電路。
在一個實施例中，為高壓電晶體101的閘極充電期間，閘極最大電壓通常受常態導通高壓電晶體206的夾斷電壓(即圖2中高壓JFET的夾斷電壓)限制。在一個實施例中，該最大電壓被箝位電路(例如耦接在輸出節點204O和地之間的齊納二極體，未畫出)箝位。在一個實施例中，高壓電晶體101包括位於該電晶體漂移區之上的 螺旋聚合場板，螺旋聚合場板包括電阻器，該電阻器用於形成電壓檢測電路202中的電阻分壓器。在其他實施例中，高壓電晶體101還可包括其他合適的結構。
根據本發明的一個實施例，高壓裝置包括具有第一端、第二端以及控制端的高壓電晶體、用於監測高壓電晶體兩端的電壓以判斷是否發生過電壓的構件以及用於根據高壓電晶體兩端的電壓產生至高壓電晶體控制端的第一電信號的構件。當發生過電壓時，第一電信號導通高壓電晶體；當沒有發生過電壓時，第一電信號關斷高壓電晶體。在一個實施例中，當高壓電晶體導通時，高壓電晶體的電流從第一端流到第二端；當高壓電晶體關斷時，高壓電晶體中沒有電流。
在一個實施例中，用於監測高壓電晶體電壓的構件包括分壓器，該分壓器用於產生表示高壓電晶體過電壓狀態的第二電信號；用於產生第一電信號的構件包括用於將第二電信號與過電壓臨限值相比較以產生第一電信號的構件。當第二電信號高於過電壓臨限值時，第一電信號導通高壓電晶體，當第二電信號低於過電壓臨限值時，第一電信號關斷高壓電晶體。在其他實施例中，用於監測高壓電晶體電壓的構件和用於產生第一電信號的構件可分別包括其他合適的電路和/或結構。
在一個實施例中，過電壓臨限值包括第一過電壓臨限值和第二過電壓臨限值。當第二電信號高於第一過電壓臨限值時，第一電信號導通高壓電晶體；當第二電信號低於 第二過電壓臨限值時，第一電信號關斷高壓電晶體。
在一個實施例中，產生第一電信號的構件進一步包括耦接至高壓電晶體第一端的常態導通高壓電晶體，其中常態導通高壓電晶體提供來自高壓電晶體第一端的電流以為產生第一電信號的構件供電。在一個實施例中，高壓電晶體包括N型或P型高壓電晶體。
圖3是根據本發明一實施例的表示高壓電晶體的過電壓保護方法的流程圖。該過電壓保護方法包括步驟301~303。
在步驟301，監測高壓電晶體兩端的電壓以判斷是否發生過電壓；在步驟302，當發生過電壓時導通高壓電晶體；在步驟303，當沒有發生過電壓時，關斷高壓電晶體。
在一個實施例中，步驟301進一步包括：檢測高壓電晶體兩端的電壓以提供表示高壓電晶體電壓的電信號；比較該電信號與第一過電壓臨限值，當電信號高於第一過電壓臨限值時表示發生過電壓；比較該電信號與第二過電壓臨限值，當電信號低於第二過電壓臨限值時表示沒有過電壓。
上述本發明的說明書和實施僅僅以示例性的方式對本發明進行了說明，這些實施例不是完全詳盡的，並不用於限定本發明的範圍。對於公開的實施例進行變化和修改都是可能的，其他可行的選擇性實施例和對實施例中元件的 等同變化可以被本技術領域的普通技術人員所瞭解。本發明所公開的實施例的其他變化和修改並不超出本發明的精神和保護範圍。
100‧‧‧高壓裝置
101‧‧‧高壓電晶體
103‧‧‧過電壓保護電路
202‧‧‧過電壓檢測電路
204‧‧‧過電壓判斷電路
206‧‧‧常態導通高壓電晶體
208‧‧‧常態關斷低壓電晶體
R1,R2‧‧‧電阻器
210‧‧‧常態關斷低壓電晶體
212‧‧‧常態導通低壓電晶體
結合以下附圖閱讀本發明實施例的詳細描述可以更好地理解本發明。應理解，附圖的特徵不是按比例繪製的，而是示意性的。
圖1是根據本發明一實施例的包括高壓電晶體和集成的過電壓保護電路的高壓裝置100的方塊圖；圖2是根據本發明一實施例的包括高壓電晶體和集成的過電壓保護電路的高壓裝置的電路原理圖；圖3是根據本發明一實施例的高壓電晶體的過電壓保護方法的流程圖。
100‧‧‧高壓裝置
101‧‧‧高壓電晶體
103‧‧‧過電壓保護電路

Claims (12)

  1. 一種高壓裝置，包括：高壓電晶體，具有汲極、閘極和源極；以及過電壓保護電路，耦接在高壓電晶體的汲極和源極之間，監測高壓電晶體兩端的電壓以判斷高壓電晶體是否過電壓，並在檢測到過電壓時提供第一電信號至高壓電晶體的閘極以導通高壓電晶體。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的高壓裝置，其中過電壓保護電路包括：電壓檢測電路，產生表示高壓電晶體兩端電壓的第二電信號；過電壓判斷電路，接收第二電信號，並將第二電信號和過電壓臨限值相比較以產生第一電信號，其中當第二電信號高於過電壓臨限值時，第一電信號導通高壓電晶體，當第二電信號低於過電壓臨限值時，第一電信號關斷高壓電晶體。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的高壓裝置，其中過電壓臨限值包括第一過電壓臨限值和第二過電壓臨限值；當第二電信號高於第一過電壓臨限值時，第一電信號導通高壓電晶體；以及當第二電信號低於第二過電壓臨限值時，第一電信號關斷高壓電晶體。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的高壓裝置，其中過 電壓判斷電路包括：第一常態導通高壓電晶體，耦接至高壓電晶體的汲極，自高壓電晶體的汲極為過電壓檢測電路提供供電電流。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的高壓裝置，其中過電壓判斷電路進一步包括第一常態導通低壓電晶體，常態關斷低壓電晶體和第二常態導通低壓電晶體，每個電晶體均具有源極、汲極和閘極，其中：第一常態導通高壓電晶體的汲極耦接至高壓電晶體的汲極，閘極耦接至地，源極耦接至第一常態導通低壓電晶體的源極和第二常態導通低壓電晶體的汲極以形成輸出節點；第一常態導通低壓電晶體的閘極耦接至地，汲極耦接至常態關斷低壓電晶體的汲極和第二常態導通低壓電晶體的閘極；常態關斷低壓電晶體的源極和第二常態導通低壓電晶體的源極均連接至地，常態關斷低壓電晶體的閘極耦接至電壓檢測電路以接收第二電信號；以及輸出節點耦接至高壓電晶體的閘極。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的高壓裝置，其中過電壓判斷電路進一步包括：箝位電路，耦接在輸出節點和地之間，限制高壓電晶體的閘極電壓。
  7. 一種高壓裝置，包括：高壓電晶體，具有第一端，第二端和控制端；以及 用於監測高壓電晶體兩端的電壓以檢測是否發生過電壓的構件；用於根據高壓電晶體兩端電壓產生第一電信號至高壓電晶體控制端的構件，其中當過電壓發生時，第一電信號導通高壓電晶體，當沒有發生過電壓時，第一電信號關斷高壓電晶體。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的高壓裝置，其中用於監測高壓電晶體兩端電壓的構件包括分壓器，該分壓器產生表示高壓電晶體兩端電壓的第二電信號；以及用於產生第一電信號的構件包括：用於將第二電信號和過電壓臨限值相比較以產生第一電信號的構件，其中當第二電信號大於過電壓臨限值時第一電信號導通高壓電晶體，當第二電信號小於過電壓臨限值時第一電信號關斷高壓電晶體。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的高壓裝置，其中過電壓臨限值包括第一過電壓臨限值和第二過電壓臨限值，當第二電信號大於第一過電壓臨限值時第一電信號導通高壓電晶體，當第二電信號小於第二過電壓臨限值時第一電信號關斷高壓電晶體。
  10. 一種高壓電晶體的過電壓保護方法，包括：監測高壓電晶體兩端的電壓以檢測是否發生過電壓；在發生過電壓時導通高壓電晶體；以及在未發生過電壓時關斷高壓電晶體。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的過電壓保護方法 ，其中監測高壓電晶體兩端電壓的步驟包括：檢測高壓電晶體兩端的電壓，產生表示高壓電晶體兩端電壓的電信號；將電信號與過電壓臨限值相比較，當電信號大於過電壓臨限值時，表示高壓電晶體過電壓，當電信號小於過電壓臨限值時，表示高壓電晶體沒有過電壓。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的過電壓保護方法，其中監測高壓電晶體兩端電壓的步驟包括：監測高壓電晶體兩端的電壓，產生表示高壓電晶體兩端電壓的電信號；將電信號與第一過電壓臨限值相比較，當電信號大於第一過電壓臨限值時，表示高壓電晶體過電壓；將電信號與第二過電壓臨限值相比較，當電信號小於第二過電壓臨限值時，視為高壓電晶體沒有過電壓。
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