TWI424539B - 調節溫度之方法以及用於其之電路 - Google Patents

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Description

調節溫度之方法以及用於其之電路
本發明一般係關於半導體組件，並且更特定言之，係關於半導體組件中的熱操縱。
高功率半導體組件通常包含用以保護該等組件免於熱故障的電路。例如，消散大量熱的一積體電壓調節器通常包含一熱停止電路，其在溫度達到臨界位準時停止或關閉積體電路。一旦基板冷卻下來，熱停止電路就會重新開啟電壓調節器。包含熱停止電路的缺點會降低半導體組件(例如離散半導體器件)之切換速度。
保護功率金氧半導體場效電晶體(MOSFET)免於熱故障的另一共同方法是藉由將複數個輸出器件並聯耦合在一起來減小透過該等電晶體所傳導的電流。例如，複數個絕緣閘極場效電晶體可配置成使其汲極端子彼此耦合並使其源極端子彼此耦合。在此組態中，由數個絕緣閘極場效電晶體共享輸出電流以便總的輸出電流為流經每個絕緣閘極場效電晶體之電流的總和。此方法的缺點在於其接通電阻(Rd s o n )中的差異可能會導致流經每個絕緣閘極場效電晶體之電流中的不平衡，從而使該等場效電晶體之一或多個過熱並遭受熱故障。積體電路製造商已包含測量在並聯連接之絕緣閘極場效電晶體中流動的電流之主動電路以克服此問題。一控制電路使用所測量的電流來調整個別絕緣閘極場效電晶體之閘極驅動器以維護每個絕緣閘極場效電晶體中實質上相同的電流。此方法的缺點包含需要用以監視流經每個絕緣閘極場效電晶體的電流之複雜電路及用以發送資料至控制電路的複雜互連。
因此，所需要的是用以在並聯連接之半導體器件的接通電阻並未接近得到匹配時提升電流共享的方法及半導體器件。將有利的是該方法及半導體器件成本效率高並且可靠。
本發明一般提供用以執行採用半導體基板製造之一積體電路中的熱操縱之方法及電路。依據一項具體實施例，該積體電路包括在並聯組態中連接的複數個功率場效電晶體(FET)。每個並聯連接之功率FET係連接至一線性熱限制電路。該積體電路亦稱為一功率FET網路。在由功率產生的熱足夠低以致半導體基板之溫度低於一預定數值或位準時，該線性熱限制電路在閒置模式中運轉。預定溫度數值或位準亦稱為預定義溫度、臨界溫度數值或位準或臨界數值或位準。在該等功率FET之一或多個產生足夠熱來將半導體基板之溫度提高到預定位準時，該線性熱限制電路會進入主動或調節模式並降低在該功率FET或產生過熱之各功率FET中流動的電流。配置該功率FET網路以便在該功率FET網路中流動的電流保持在實質上恆定位準。因此，降低該等功率FET之一或多個中的電流會增加在該複數個功率FET之其他功率FET中流動的電流。因為在該功率FET網路中流動的總電流係維持在實質上恆定的位準，所以由該功率FET消耗的功率係維持在實質上恆定位準。包含依據本發明之線性熱限制電路的優點在於可以並聯耦合功率FET而無需使用複雜且昂貴的電路。
依據另一具體實施例，本發明包含一多功能接腳，其使功率FET網路可在三運轉模式之一中運轉。在第一運轉模式中，該多功能接腳係耦合至較佳處於接地位準的運轉電位之一源極。在此運轉模式中，線性熱限制電路於半導體基板之溫度低於預定位準時在閒置模式中運轉，並且於溫度達到預定或臨界位準時控制功率FET中的電流以便維持恆定溫度。在一第二運轉模式中，使多功能接腳為浮動或斷開式，此使得功率FET網路在半導體基板之溫度達到預定位準時鎖入"關閉狀態"。在一第三運轉模式中，該多功能接腳係透過一電容器耦合至運轉電位之源極。在此模式中，於半導體基板之溫度達到預定或臨界位準時，功率FET網路在固定或預定時間延遲之後鎖入"關閉狀態"。此運轉模式之優點在於功率FET網路在溫度達到臨界位準之後繼續運轉一程式化或預定時間週期，從而使功率FET可在由過渡熱事件引起增加的溫度之情況下繼續正常運轉。
依據另一具體實施例，本發明包含一高速切換電路，其適用於具有大於約100千赫茲的切換頻率之應用。該高速度切換電路包括耦合至一功率FET之閘極的閘極驅動電路。在功率FET附近的半導體基板之溫度達到預定位準時，熱感測電路會降低至閘極驅動電路的電源供應電壓，此降低來自閘極驅動電路的輸出信號之振幅。換言之，降低至閘極驅動電路的供應電壓會降低驅動電路之輸出信號，即至功率FET的閘極驅動電壓，此降低流經功率FET的電流並減少由功率FET產生的熱。一旦功率FET附近的半導體材料之溫度得以減小至安全運轉位準，則熱感測電路將閘極驅動電路之電源供應電壓恢復至其標稱運轉位準，此增加至功率FET的閘極驅動信號。
圖1為包括複數個功率金氧半導體場效電晶體(MOSFET)121 至12n 、複數個線性熱限制電路141 至14n 、複數個閘極阻抗161 至16n 、與複數個O形環二極體171 至17n 的一功率FET網路10之方塊電路圖。如熟習技術人士所瞭解，阻抗一般係由字母"Z"表示。應注意MOSFET亦稱為絕緣閘極半導體器件、絕緣閘極場效電晶體、半導體器件或場效電晶體(FET)。術語場效電晶體(FET)亦可稱為一般場效電晶體，例如接合場效電晶體等。每個功率FET 121 至12n 具有一閘極端子、一汲極端子與一源極端子，並且每個線性熱限制電路141 至14n 具有一控制輸出端子。將功率FET耦合在並聯組態中，因此將每個功率FET之汲極端子連接在一起，即共同連接該等端子；並且將每個功率FET之源極連接在一起，即共同連接該等端子。共同連接的汲極端子係耦合用以透過負載阻抗18接收運轉電位VD D 之源極並且共同連接的源極端子係耦合用以接收運轉電位VS S 之源極。每個功率FET之閘極端子係連接至對應線性熱限制電路141 至14n 並用以透過對應閘極阻抗161 至16n 接收運轉電位VC C 之源極並且連接至對應O形環二極體171 至17n 之陽極。每個對應O形環二極體171 至17n 之陰極係連接在一起並用以接收閘極控制信號VG 。
經由範例，VD D 範圍是從約20伏特至約600伏特，將VS S 設定為接地電位，以及VC C 範圍是從約1伏特至約15伏特。
可以並聯耦合的功率FET之數量並非本發明之限制。然而較佳的是並聯耦合十或較少的功率FET。因此，圖1說明功率FET 121 至12n 使其汲極端子得以共同連接在一起並用以接收運轉電位VD D 之源極而且使其源極端子得以共同連接在一起並用以接收運轉電位VS S 之源極。應瞭解下標"n"已附加於參考數字12以指示可存在單一功率FET或並聯耦合的複數個功率FET。因此，功率FET 12n 係顯示為耦合至功率FET 122 ，而使用橢圓指示可存在耦合至功率FET 121 的零或多個功率FET 12。功率FET 121 至12n 之源極端子亦係耦合至其主體，即至形成功率FET 121 至12n 所採用的基板。
像功率FET 12n 一樣，下標"n"已附於線性熱限制電路、閘極阻抗與O形環二極體之參考數字以指示可以存在該等電晶體之一或多個。功率FET 121 之閘極端子係耦合至線性熱限制電路141 之輸出端子、O形環二極體171 之陽極，並用以透過閘極阻抗161 接收運轉電位VC C 之源極。同樣地，功率FET 122 至12n 之閘極端子係分別耦合至線性熱限制電路142 至14n 之輸出端子以及O形環二極體172 至17n 之陽極，並用以分別透過閘極阻抗162 至16n 接收運轉電位VC C 之源極。
在運轉中，線性熱限制電路142 至14n 分別監視鄰近於或包含功率FET 121 至12n 之基板材料中的溫度。若功率FET之一的溫度達到一預定數值或位準，則與該功率FET相關聯的線性熱限制電路會減小該功率FET之閘極電壓以降低流經該功率FET的電流。因為進入複數個功率FET 121 至12n 的電流實質上等於離開複數個功率FET 121 至12n 的電流，所以流經其閘極電壓尚未得到減小之功率FET的電流會增加以補償流經其閘極電壓已得到減小的一或多個功率FET之減小的電流。例如，若功率FET 121 附近的半導體基板之溫度超過該預定數值，則線性熱限制電路141 會降低功率FET 121 之閘極上的閘極電壓。此會減小功率FET 121 的電導並減小流經功率FET 121 的電流。換言之，會增加功率FET 121 之接通電阻。因為接通電阻增加，所以已流經功率FET 121 的電流係引向功率FET 122 至12n 。因此，流經功率FET 121的電流會減小，而與流經功率FET 122 至12n 的電流無關。減小的電流會增加功率FET 121 之接通電阻。此外，降低功率FET 121 之閘極上的閘極電壓會降低二極體171 之陽極上的電壓，此反向偏壓二極體171 並將功率FET 121 與功率FET 122 至12n 電隔離。二極體171 至17n 係稱為O形環二極體，因為其執行邏輯O形環功能。
一旦包含功率FET 121 的半導體基板之溫度下降到低於預定數值，則線性電流限制電路141 會提高功率FET 121 之閘極上的電壓，從而透過該電壓增加電流傳導。因此在運轉期間，由功率FET 121 消耗的功率會保持實質上恆定。
圖2說明依據本發明之一具體實施例的閘極阻抗16n 。圖2所示的為與主動器件21n 並聯耦合的一電阻器19n 。更特定言之，該主動器件為一場效電晶體21n ，其使一電流承載電極連接至電阻器19n 之一端子並且使另一電流承載電極連接至電阻器19n 之另一端子。場效電晶體21n 之控制電極係連接至熱限制電路14n 。較佳而言，電阻器19n 具有至少約1000歐姆的電阻。將閘極阻抗16n 配置為與一主動器件並聯的電阻器使閘極阻抗16n 可在二模式中運轉：正常運轉模式與熱保護運轉模式。在正常運轉模式中，電流限制電路14n 藉由將邏輯高閘極控制信號放在其閘極端子上於一主動模式中偏壓場效電晶體21n 。在互運轉模式中，場效電晶體21n 作為與高阻抗電阻器19n 並聯的低阻抗元件。因此，閘極阻抗16n 具有實質上等於場效電晶體21n 之阻抗數值的一阻抗數值。低阻抗路徑提供增加的帶寬並使功率FET 12n 可得到切換或關閉及開啟。在熱保護運轉模式中，電流限制電路14n 藉由將邏輯低閘極控制信號放在其閘極端子上於一非主動模式中偏壓場效電晶體21n 。在此運轉模式中，場效電晶體21n 具有實質上大於電阻器19n 之阻抗的一阻抗。因此，閘極阻抗16n 具有實質上等於電阻器體19n 之阻抗數值的一阻抗數值。高阻抗路徑使功率FET 12n 可得以關閉，從而防止其遭到熱損壞，即防止由功率FET 12n 產生的熱損壞形成功率FET 12n 所採用的半導體基板。應瞭解用於主動元件21n 的半導體器件之類型並非本發明之限制。例如，主動元件21n 可以為一雙極接合電晶體、一接合場效電晶體、一金屬絕緣體半導體器件或類似物。像功率FET 12n 、線性熱限制電路14n 、閘極阻抗16n 及O形環二極體17n 一樣，下標"n"已附於高阻抗電阻器及場效電晶體之參考數字以指示可以存在該等電晶體之一或多個。
依據另一具體實施例，閘極阻抗16n 為僅包含電阻器19n 之一二端子器件，即場效電晶體21n 並不存在。在此具體實施例中，電阻器19n 確保在熱峰出現時功率FET 12n 可關閉。在閘極阻抗161 至16n 為電阻器時，其通常係稱為上拉電阻器。
圖3說明耦合至線性熱限制電路14n 、部極阻抗16n 及O形環二極體17n 的功率FET 12n 之示意圖。依據本發明之一具體實施例，線性熱限制電路14n 包括耦合至熱放大器22的熱感測電路20，其中熱感測電路20及熱放大器22係形成於半導體基板或半導體晶片之一部分中。熱感測電路20包括具有閘極、汲極與源極端子的N通道電晶體24。閘極端子係透過電阻器26耦合至運轉電位VS S 之源極及透過電阻器28耦合至N通道電晶體24之汲極端子。汲極端子亦係透過電阻器30耦合至運轉電位VB I A S 之源極。經由範例，VB I A S 為範圍從約3伏特至約15伏特的電壓。該汲極端子與每個電阻器28及30之一端子形成一共同連接或節點32，該節點32亦稱為偏壓節點。該源極端子係耦合用以接收運轉電位VS S 之源極。電阻器26、28及30會配合以形成用於熱感測電路20的偏壓網路。熱感測電路20進一步包含一溫度感測二極體34，其具有連接至節點32的一陽極及耦合用以透過電阻器36接收運轉電位VS S 之源極的一陰極。雖然僅顯示一個溫度感測二極體34，但是應瞭解可存在串聯耦合在一起的複數個溫度感測二極體、並聯耦合的複數個溫度感測二極體或其組合。雖然溫度感測元件已說明為溫度感測二極體，但是應注意此並非本發明之限制。其他適當的溫度感測元件包含溫度可變電阻器，其使用FET臨界電壓、使用接通電阻或類似物。
熱感測器電路20亦包含一N通道FET 40，其具有一閘極端子、耦合用以透過電阻器42接收運轉電位VC C 之源極的一汲極端子、與耦合用以接收運轉電位VS S 之源極並耦合至形成N通道FET 40所採用的基板之一源極端子。溫度感測二極體34之陰極、電阻器36之一端子、與N通道FET 40之閘極端子的共同連接形成一節點38。該汲極端子與電阻器42之一端子的連接形成一輸出節點44，其係連接至熱放大器22之一輸入。N通道FET 40與電阻器36配合以作為具有耦合至一輸入的一參考電位之運算放大器，其中該參考電位為N通道FET 40之臨界電壓並且節點38用作另一輸入。換言之，N通道FET 40與電阻器36配合以形成溫度相依電壓。
熱放大器22包括一對N通道FET 46及48，其中每個N通道FET均具有閘極端子、汲極端子與源極端子。N通道FET 46之閘極端子係連接至熱感測電路20之輸出節點44並且N通道FET 46之源極端子係耦合用以接收運轉電位VS S 之源極以及耦合至包含N通道FET 46的基板。N通道FET 46之汲極端子係耦合用以透過串聯連接的電阻器50及52接收運轉電位VC C 之源極並且耦合至N通道FET 48之閘極端子。雖然電阻器50及52已顯示為一對串聯連接的電阻器，但是應瞭解此並非本發明之限制。例如，電阻器50及52可由單一電阻器所取代。N通道FET 46之汲極端子、N通道FET 48之閘極端子、與電阻器50之一端子的共同連接形成一節點54。N通道FET 48之一閘極係連接至節點54，一汲極係透過阻抗16n 耦合至運轉電位VC C 之源極，以及N通道FET 48之源極端子係耦合用以接收運轉電位VS S 之源極。一節點58係藉由N通道FET 48之汲極端子與阻抗16n 之一端子的連接所形成並且用作線性熱限制電路14n 之一輸出節點。應注意節點58亦為熱放大器22之輸出節點。
依據圖3之具體實施例，功率FET 12n 之閘極端子係連接至節點58並且功率FET 12n 之汲極端子係耦合用以透過負載阻抗18接收運轉電位VD D 之源極。功率FET 12n 之源極端子係耦合用以接收運轉電位VS S 之源極。此具體實施例係亦稱為低側組態。
依據另一具體實施例，功率FET 12n 之閘極端子係連接至節點58並且功率FET 12n 之源極端子係耦合用以透過負載阻抗18接收運轉電位VS S 之源極。功率FET 12n 之汲極端子係耦合用以接收運轉電位VD D 之源極。此具體實施例係亦稱為高側組態。
在運轉中，偏壓電壓VB I A S 與電阻器26、28及30配合以建立用於N通道FET 40及溫度感測二極體34的偏壓電流IB I A S 。在低於預定溫度(即標稱運轉溫度)的一溫度下，電流IB I A S 之一部分IB I A S 1 流經電阻器28及26，電流IB I A S 之一部分IB I A S 2 流經N通道FET 24，以及電流IB I A S 之一部分IB I A S 3 流經溫度感測二極體34。在標稱運轉溫度下，節點38上的電壓係足夠低以致N通道FET 40之閘極至源極電壓低於電晶體的臨界電壓，該電晶體40係在閒置模式中運轉。因此，N通道FET 40係處於非傳導狀態並且輸出節點44上的電壓係接近等於由運轉電位VC C 之源極遞送的電壓。此電壓係由放大器22所放大並且出現在輸出節點58中以偏壓N通道功率FET 12n 以便其係在前向運轉模式中，即係處於"開啟"狀態。
在包含N通道功率FET 12n 及溫度感測二極體34的半導體基板之溫度增加時，橫跨溫度感測二極體34的電壓降會減小。因為溫度感測二極體34及電阻器36支持設定在節點32中的偏壓電壓，所以橫跨電阻器36的電壓降會增加。較佳而言，配置溫度感測二極體34以便在半導體基板中的溫度達到一預定數值時，由溫度感測二極體34傳導的電流會增加到下列位準：N通道FET 40之閘極至源極電壓變得大於N通道FET 40之臨界電壓並且該電晶體會開啟，即N通道功率FET 40開始傳導電流。此舉會減小節點44上的電壓，該電壓係輸入至熱放大器22中。出現在節點44上的電壓係由熱放大器22所放大並出現在節點58上。出現在節點58上的放大電壓信號會降低出現在N通道功率FET 12n 之閘極上的閘極電壓，從而減小流經N通道功率FET 12n 的電流。在N通道FET 12n 中流動之減小的電流會降低由N通道功率FET 12n 消耗的功率之數量，此導致包含N通道功率FET 12n 及溫度感測二極體34的半導體基板之溫度方面的減小。一旦半導體基板之溫度下降到低於預定數值，則由溫度感測二極體34傳導的電流會減小以便N通道FET 40之閘極至源極電壓係小於其臨界電壓。因此，N通道FET 40返回至閒置模式運轉，此恢復出現在節點58上的電壓並增加流經N通道功率FET 12n 的電流之數量。
圖4為包括複數個功率FET 121 至12n 、複數個線性熱限制電路141 至14n 、與複數個閘極阻抗161 至16n 的功率FET網路80之方塊電路圖。功率FET網路80之組態係類似於參考圖1說明的功率FET網路10之組態。然而，在功率FET網路80中，閘極阻抗161 至16n 係耦合用以接收閘極電壓VG 而非運轉電位VC C 之源極，而且未包含O形環二極體171 至17n 。
圖5為包括複數個功率FET 121 至12n 、複數個線性熱限制電路1021 至102n 、複數個閘極阻抗161 至16n 、與複數個O形環二極體171 至17n 的一功率FET網路100之方塊電路圖。功率FET網路100之組態係類似於參考圖1說明的功率FET網路10之組態。然而，功率FET網路100之線性熱限制電路1021 至102n 分別包含一熱鎖存器與一外部多功能控制接腳1041 至104n ，此使得使用者可選擇功率FET網路100之運轉模式。依據本發明之一具體實施例，線性熱限制電路1021 至102n 包含耦合至外部多功能控制接腳104的該熱鎖存器(參考圖5所說明)。因為該等差異，所以分別由參考數字102及100識別參考圖4及5說明的線性熱限制電路及功率FET網路。
圖6說明耦合至線性熱限制電路102n 及閘極阻抗16n 的功率FET 12n 之示意圖。依據本發明之一具體實施例，線性熱限制電路102n 包括耦合至熱鎖存器106及熱放大器22的一熱感測電路20。像熱感測電路20一樣，熱鎖存器106係亦耦合至熱放大器22。已參考圖3說明熱感測電路20及熱放大器22。熱感測電路20之輸出節點44係連接至熱放大器22之一輸入，如參考圖3所說明。此外，輸出節點44係連接至熱鎖存器106之一輸入端子。熱鎖存器106包括透過齊納二極體112耦合至一N通道FET 110的一N通道FET 108。N通道FET 108之汲極端子係連接至輸出節點44，N通道FET 108之源極端子係耦合用以接收運轉電位VS S 之源極，以及N通道FET 108之閘極端子係連接至齊納二極體112之陽極。
N通道FET 110之汲極端子係耦合用以透過電阻器114接收運轉電位VC C 之源極。汲極端子係亦連接至齊納二極體112之陰極。N通道FET 110之汲極端子、齊納二極體112之陽極、與電阻器114之一端子的共同連接形成一節點116。多功能控制接腳104係連接至節點116。N通道FET 110之閘極端子係共同連接至電阻器118之一端子及N通道FET 120之汲極端子以形成一節點122。電阻器118之其他端子係耦合用以接收運轉電位VC C 之源極。N通道FET 120之源極端子係耦合用以接收運轉電位VS S 之源極而且N通道FET 120之閘極端子係共同連接至電阻器50及52以形成一節點124，該節點用作熱放大器22之另一輸入。
在運轉中，熱鎖存器106之多功能控制接腳104為允許在三運轉模式之一中使功率FET網路100運轉的一多功能接腳。基於方便之目的，功率FET網路100之運轉說明將一起參考圖5及6。在第一運轉模式中，多功能控制接腳104係使用(例如)短線路耦合至運轉電位VS S 之源極。在此模式中，鎖存器106停用並且功率FET網路100像功率FET網路10一樣運轉。在第二運轉模式中，使多功能控制接腳104為浮動或斷開式，熱鎖存器106將功率FET網路100鎖入關閉狀態，即關閉功率FET網路106。在第三運轉模式中，電容器126係耦合在多功能控制接腳104與運轉電位VS S 之源極之間。在此運轉模式中，於藉由電容器126及電阻器114之阻容(RC)時間常數設定的固定時間延遲之後熱鎖存器106將功率FET網路100鎖入關閉狀態。
在第一運轉模式中，多功能控制接腳104係耦合用以接收運轉電位VS S 之源極並且出現在節點116上的電位為VS S (例如接地電位)。在此組態中，節點44及122為高阻抗節點，因此功率FET網路100類似於功率FET網路10運轉。
在第二運轉模式中，使多功能控制接腳104之浮動式並且藉由溫度感測二極體34感測的溫度係小於預定數值，節點44係處於高電壓，而且N通道FET 46係處於"開啟"並且在傳導電流。因此，節點124係處於低電壓，N通道FET 120係處於"關閉"或非傳導狀態，節點122係處於高電壓位準，以及N通道FET 110係處於"開啟"並且在傳導電流。因為N通道FET 110係處於"開啟"，所以其汲極端子係處於低電壓位準並且N通道FET 108之汲極端子係處於高阻抗狀態。在此狀態中，功率FET網路100類似於功率FET網路10運轉。在藉由溫度感測二極體34感測的溫度達到預定數值時，N通道FET 46傳導較小的電流，此會增加節點124上的電壓並且開啟N通道FET 120，從而導致N通道FET 110關閉及N通道FET 108開啟。此會降低節點44上的電壓，因而降低N通道FET 46之閘極上的電壓，此會關閉切換功率FET 12n 。在藉由溫度感測二極體34感測的溫度下降到低於預定數值時重新開啟切換功率FET 12n ，從而關閉電晶體40並將一高電壓位準置於節點44上，該電壓位準係由熱放大器22所放大並開啟功率切換FET 12n 。
於在藉由溫度感測二極體34感測的溫度係小於預定數值時將電容器126耦合在多功能控制接腳104與運轉電位VS S 之源極之間的第三運轉模式中，在溫度係小於預定數值時功率FET網路採用如說明用於該第二運轉模式的類似方式運轉。在溫度達到預定數值時，該電路採用如說明用於第二運轉模式的類似方式運轉，下列情況除外：直到由電阻器114及電容器126之RC時間常數決定的延遲後才切換功率FET網路100。
圖7為包括耦合在一起之複數個功率FET子網路201i 的功率FET網路200之電路圖，其中"i"為等於1、2、3、...的一整數。因此，耦合在一起的功率FET子網路201i 之數量並非本發明之限制。更特定言之，圖7說明耦合至功率FET子網路2011 的功率FET子網路2012 及耦合至功率FET子網路2012 的功率FET子網路201i 。每個功率FET子網路201i 均包括一功率FET 202i 、一驅動電路204i 、一調節器FET 206i 、一線性熱感測電路208i 、與一電流限制電路221i 。較佳而言，功率FET 202i 為N通道FET並且調節器FET 206i 為P通道FET。因此，功率FET子網路2021 包括具有耦合至調節器FET 2061 之閘極端子的輸出端子之線性熱限制電路2081 。調節器FET 2061 具有耦合至其主體並耦合用以接收運轉電位VC C 之源極的一源極端子與連接至形成節點2161 的驅動電路2041 之上供應軌道端子2101 的一汲極端子。節點2161 係連接至旁通接腳或端子2141 。驅動電路2041 還具有耦合用以接收運轉電位VS S 之源極的下供應軌道端子2121 與耦合至脈衝寬度調變切換電源供應220的輸出端子之一輸入端子。驅動電路2041 之輸出端子係連接至功率FET 2021 之閘極端子。
依據一項具體實施例，功率FET 2021 為一感測FET，其具有耦合至其主體並用以接收運轉電位VS S 之源極的一源極端子與耦合至一電流限制電路2211 的一感測端子。功率FET 2021 之一汲極端子係耦合用以接收運轉電位VD D 之源極。功率FET 2021 之一主體二極體2201 具有耦合至功率FET 2021 之源極端子的一陽極與耦合至功率FET 2021 之汲極端子的一陰極。功率FET 2021 可以為具有電流感測電阻器或類似電阻器的FET。
功率FET子網路2012 包括具有耦合至調節器FET 2062 之閘極端子的輸出之線性熱限制電路2082 。調節器FET 2062 具有耦合至其主體並耦合用以接收運轉電位VC C 之源極的一源極端子與連接至驅動電路2042 之上供應軌道端子2102 及節點2162 上的旁通接腳2142 的一汲極端子。驅動電路2042 還具有耦合用以接收運轉電位VS S 之源極的一下供應軌道端子2122 與耦合至脈衝寬度調節切換電源供應220的輸出端子之一輸入端子。驅動電路2042 之輸出端子係連接至功率FET 2022 之閘極端子。
功率FET 2022 為一感測FET，其具有耦合至其主體並用以接收運轉電位VS S 之源極的一源極端子與耦合至一電流限制電路2212 的一感測端子。功率FET 2022 之一汲極端子係耦合用以接收運轉電位VD D 之源極。功率FET 2022 之一主體二極體2202 具有耦合至功率FET 2022 之源極端子的一陽極與耦合至功率FET 2022 之汲極端子的一陰極。功率FET 2022 之汲極端子係連接至功率FET 2021 之汲極端子並且功率FET 2022 之源極端子係連接至功率FET 2021 之源極端子。像功率FET 2021 一樣，功率FET 2022 可以為具有電流感測電阻器或類似電阻器的FET。
功率FET子網路201i 包括具有耦合至調節器FET 206i 之閘極端子的輸出之線性熱限制電路208i 。調節器FET 206i 具有耦合至其主體並耦合用以接收運轉電位VC C 之源極的一源極端子與連接至驅動電路204i 之上供應軌道端子210i 及節點216i 上之旁通接腳214i 的一汲極端子。驅動電路204i 還具有耦合用以接收運轉電位VS S 之源極的下供應軌道端子212i 與耦合至脈衝寬度調節切換電源供應220的輸出端子之一輸入端子。驅動電路204i 之輸出端子係連接至功率FET 202i 之閘極端子。
功率FET 202i 為一感測FET，其具有耦合至其主體並用以接收運轉電位VS S 之源極的一源極端子與耦合至一電流限制電路221i 的一感測端子。功率FET 202i 之一汲極端子係耦合用以接收運轉電位VD D 之源極。功率FET 202i 之一上體二極體220i 具有耦合至功率FET 2022 之源極端子的一陽極與耦合至功率FET 202i 之汲極端子的一陰極。功率FET 202i 之汲極端子係連接至功率FET 2022 之汲極端子並且功率FET 202i 之源極端子係連接至功率FET 2022 之源極端子。像功率FET 2021 及2022 一樣，功率FET 202i 可以為具有電流感測電阻器或類似電阻器的FET。
經由範例，VD D 範圍是從約20伏特至約600伏特，將VS S 設定為接地電位，以及VC C 範圍是從約1伏特至約15伏特。
在運轉中，線性熱限制電路2081 至208i 分別監視鄰近於或包含功率FET 2021 至202i 之基板材料中的溫度。在接近功率FET 2021 至202i 的半導體基板之溫度保持在一預定數值以下時，線性熱限制電路2081 至208i 分別施加完全閘極電壓於功率FET 2021 至202i 。因此，出現在節點2161 至216i 上的電壓係實質上等於VC C 並為個別驅動電路2041 至204i 提供完全運轉功率，即出現在上供應軌道端子2101 至210i 上的運轉功率係實質上等於電壓VC C 。驅動電路2041 至204i 之輸入係耦合用以接收來自(例如)切換電源供應220的脈衝寬度調變信號。依據一項具體實施例，出現在驅動電路2041 至204i 之輸入端子上的輸入信號為一正方形波，其具有範圍從約5伏特至約10伏特的振幅。輸入信號的類型及其他振幅與頻率並非本發明之限制。因為在上供應軌道端子2101 至210i 上接收的偏壓信號係實質上等於運轉電位VC C ，所以驅動電路2041 至204i 得到完全偏壓並且其輸出信號係實質上具有其完全振幅。
若功率FET之一或多個的溫度達到預定數值或位準，則與該功率FET相關聯的線性熱限制電路會減小該功率FET之閘極電壓，從而增加調節器FET之接通電阻。此舉會增加橫跨調節器FET的電壓降，此減小出現在與調節器FET相關聯之對應節點216i 上的電壓，此依次降低施加於上供應軌道端子210i 上的偏壓電壓。減小驅動電路204i 之偏壓電壓會減小出現在功率FET 202i 之閘極端子上的輸出信號之振幅，此降低流經功率FET 202i 的電流。例如，若鄰近於功率FET 2022 的半導體基板之溫度達到預定數值，則線性熱限制電路2082 會減小出現在功率FET 2022 之閘極端子上的電壓，此會增加功率FET 2022 之接通電阻並減小流經功率FET 2022 的電流。在較低電流位準下運轉會降由功率FET 2022 產生的溫度。增加的接通電阻會將電流從功率FET 2022 引導開並引向功率FETs 2021 及202i 。因此，流經功率FET 2022 的電流會減小，而與流經功率FETs 2021 至202i 的電流無關。
一旦包含功率FET 2022 的半導體基板之溫度下降到低於預定數值，則線性電流限制電路2082 會提高功率FET 2022 之閘極上的電壓，從而透過該電壓增加電流傳導。由功率FET 2022 消耗的功率保持實質上恆定。
現在應該瞭解已提供電路及方法用以執行積體電路中的熱操縱。不像藉由停止或關閉半導體組件來執行熱操縱的其他熱操縱解決辦法一樣，本發明藉由維持實質上恆定的溫度，同時半導體器件保持運轉來實現熱操縱。依據一方面，本發明允許並聯連接多個半導體器件而無需增加昂貴且複雜的電路及互連。此舉會降低製造積體電路的成本並改進其可靠性。本發明之另一優點在於其使積體電路可繼續運轉，同時熱操縱部分會減小形成半導體器件所採用的基板之溫度。此外，因為使用較少的並聯配置器件，所以無必降低電流。使用較少的並聯配置器件可降低成本並改進性能。依據另一方面，本發明包含一多功能控制接腳，其允許在三不同模式之一中使該器件運轉。此舉會增加積體電路的功能。
雖然本文已揭示某些較佳具體實施例與方法，但是熟習技術人士將從上述揭示案中明白可對此類具體實施例與方法進行變更與修改而不脫離本發明之精神與範疇。例如，功率N通道FET可以為感測FET或類似物。預計本發明僅限於所附申請專利範圍及規則與適用的法律之原理所要求的範圍。
10．．．功率FET網路
121 －12n ．．．功率金氧半導體場效電晶體
141 －14n ．．．線性熱限制電路
161 －16n ．．．閘極阻抗
171 －17n ．．．O形環二極體
18．．．負載阻抗
19n ．．．電阻器
20．．．熱感測電路
21n ．．．場效電晶體
22．．．熱放大器
24．．．N通道電晶體
26．．．電阻器
28．．．電阻器
30．．．電阻器
32．．．節點
34．．．溫度感測二極體
36．．．電阻器
38．．．節點
40．．．N通道FET
42．．．電阻器
44．．．輸出節點
46．．．N通道FET
48．．．N通道FET
50．．．電阻器
52．．．電阻器
54．．．節點
58．．．節點
80．．．功率FET網路
1021 －102n ．．．線性熱限制電路
1041 －104n ．．．外部多功能控制接腳
106．．．熱鎖存器
108．．．N通道FET
110．．．N通道FET
112．．．齊納二極體
114．．．電阻器
116．．．節點
118．．．電阻器
120．．．N通道FET
122．．．節點
124．．．節點
126．．．電容器
200．．．功率FET網路
2011 ．．．功率FET子網路
2012 ．．．功率FET子網路
201i ．．．功率FET子網路
2021 ．．．功率FET
2022 ．．．功率FET
202i ．．．功率FET
2041 ．．．驅動電路
2042 ．．．驅動電路
204i ．．．驅動電路
2061 ．．．節點
2062 ．．．調節器FET
206i ．．．調節器FET
2081 ．．．線性熱限制電路
2082 ．．．線性熱限制電路
208i ．．．線性熱感測電路
2101 ．．．上供應軌道端子
2102 ．．．上供應軌道端子
210i ．．．上供應軌道端子
2121 ．．．下供應軌道端子
2122 ．．．下供應軌道端子
2141 ．．．旁通接腳
2142 ．．．旁通接腳
214i ．．．旁通接腳
2161 ．．．節點
2162 ．．．節點
216i ．．．節點
220．．．脈衝寬度調變切換電源供應
2201 ．．．主體二極體
2202 ．．．主體二極體
2211 ．．．電流限制電路
2212 ．．．電流限制電路
221i ．．．電流限制電路
從閱讀結合附圖進行的上述詳細說明中可更好地瞭解本發明，其中相同的參考數字表示相同的元件且其中：圖1為依據本發明之一具體實施例的一功率FET網路之方塊電路圖；圖2為圖1之該功率FET網路的一部分之電路示意圖；圖3為依據本發明之另一具體實施例的一功率FET網路之電路示意圖；圖4為依據本發明之另一具體實施例的一功率FET網路之方塊圖；圖5為依據本發明之另一具體實施例的一功率FET網路之方塊電路圖；圖6為依據本發明之另一具體實施例的一功率FET網路之電路示意圖；以及圖7為依據本發明之另一具體實施例的一功率FET網路之電路示意圖。
10．．．功率FET網路
121 ．．．功率金氧半導體場效電晶體
122 ．．．功率金氧半導體場效電晶體
12n ．．．功率金氧半導體場效電晶體
141 ．．．線性熱限制電路
142 ．．．線性熱限制電路
14n ．．．線性熱限制電路
161 ．．．閘極阻抗
162 ．．．閘極阻抗
16n ．．．閘極阻抗
171 ．．．O形環二極體
172 ．．．O形環二極體
17n ．．．O形環二極體
18．．．負載阻抗

Claims (29)

  1. 一種用於調節一第一半導體器件中的溫度之方法，其包括：感測接近該第一半導體器件之一基板中的溫度；以及於在該第一半導體器件之該部分中感測的該溫度達到一預定數值時減小在該第一半導體器件中流動的一電流從一第一位準減小至一第二位準，其中減小在該第一半導體器件中流動的該電流會增加在一第二半導體器件中流動的一電流。
  2. 如請求項1之方法，其中該第一半導體器件為一功率電晶體。
  3. 如請求項1之方法，其中該等第一及第二半導體器件係耦合在一並聯組態中。
  4. 如請求項3之方法，其中減小在該第一半導體器件中流動的該電流包含減小該第一半導體器件之該電導。
  5. 如請求項1之方法，其中減小在該第一半導體器件中流動的該電流包含減小該第一半導體器件之一閘極電壓。
  6. 一種用於調節一第一半導體器件中的溫度之方法，其包括：感測接近該第一半導體器件之一基板中的溫度；以及於在該第一半導體器件之該部分中感測的該溫度達到一預定數值時減小在該第一半導體器件中流動的一電流從一第一位準減小至一第二位準，其中減小在該第一半導體器件中流動的該電流包含於複數個半導體器件中共 享該電流。
  7. 一種用於保護一半導體晶片免於熱感應損壞之方法，其包括：感測該半導體晶片之一部分中的一溫度；以及使用一外部接腳選擇用於該半導體晶片的一運轉模式，其中該運轉模式係選自包括將一第一半導體器件鎖入一關閉狀態、在一延遲之後將該第一半導體器件鎖入一關閉狀態、以及減小在該第一半導體器件中流動的一電流從第一位準減小至第二位準之運轉模式群組。
  8. 如請求項7之方法，其中減小在該半導體晶片中流動的該電流包括共享採用該半導體晶片形成的複數個半導體器件之間的該電流。
  9. 如請求項7之方法，其進一步包含提供並聯耦合的複數個半導體器件，並且其中減小在該半導體晶片中流動的該電流包含減小在該複數個半導體器件之至少一個中流動的該電流且與該複數個半導體器件之其他半導體器件無關。
  10. 如請求項7之方法，其進一步包含提供並聯耦合的複數個半導體器件，並且其中減小在該半導體晶片中流動的該電流包含維持來自該複數個半導體器件之一的一實質上恆定的功率消耗。
  11. 如請求項7之方法，其進一步包含提供並聯耦合的複數個半導體器件，其中在該複數個半導體器件之每個中流動的該電流係處於一第一位準，並且其中減小在該半導體 晶片中流動的該電流包含減小在該複數個半導體器件之該等半導體器件之一中流動至一第二位準的該電流，同時在一主動運轉模式中維持該一半導體器件，並且進一步包含在該溫度下降到低於一預定位準時增加在該一半導體器件中流動至實質上該第一位準的該電流。
  12. 一種積體電路，其包括：一熱限制電路，其具有一熱感測元件，該熱限制電路係配置成達到一溫度後即在實質上恆定之該溫度中運轉；以及一半導體器件，其係耦合至該熱限制電路，其中該熱感測元件係熱耦合至該半導體器件。
  13. 如請求項12之積體電路，其中該熱感測元件係耦合至一熱放大器。
  14. 如請求項13之積體電路，其中該熱感測元件包括：一偏壓網路，其具有一偏壓節點；一溫度感測二極體，其具有一陽極與一陰極，其中該陰極係耦合至該偏壓節點；以及用以提供該溫度相依電壓的構件，其具有一輸入及一輸出，該輸入係耦合至該溫度感測二極體之該陽極。
  15. 如請求項14之積體電路，其中用以提供該溫度相依電壓的該構件包括：一場效電晶體，其具有一閘極端子、一汲極端子、與一源極端子，該閘極端子用作該輸入，該汲極端子用作該輸出，以及該源極端子係耦合用以接收運轉電位之一 源極；以及一電阻器，其具有第一及第二端子，該第一端子係耦合至該場效電晶體之該閘極並且該第二端子係耦合用以接收運轉電位之一第一源極。
  16. 如請求項14之積體電路，其中該熱放大器包括：一第一絕緣閘極半導體器件，其具有一控制電極與第一及第二電流傳導電極，該控制電極係耦合至該熱補償網路之該輸出並且該第一電流傳導電極係耦合用以接收運轉電位之該第一源極；一第一電阻器，其具有第一及第二端子，該第一端子係耦合至該第一絕緣閘極半導體器件之該第二電流傳導電極；以及一第二絕緣閘極半導體器件，其具有一控制電極與第一及第二電流傳導電極，該第二絕緣閘極半導體器件之該控制電極係耦合至該第一電阻器之該第一端子及該第一絕緣閘極半導體器件之該第二電流傳導電極，該第二絕緣閘極半導體器件之該第一電流傳導電極用作該熱放大器之一輸出，並且該第二電流傳導電極係耦合用以接收運轉電位之該第一源極。
  17. 如請求項16之積體電路，其進一步包含具有用以耦合至該半導體器件外部的一元件之一外部接腳的一熱鎖存器。
  18. 如請求項17之積體電路，其中該熱鎖存器進一步包括：一第三絕緣閘極半導體器件，其具有一控制電極、耦 合至該熱感測電路之該輸出的一第一電流傳導電極、與耦合用以接收運轉電位之該第一源極的一第二電流傳導電極；一齊納二極體，其具有一陽極與一陰極，該陽極係耦合至該第三絕緣閘極半導體器件之該控制電極；一第四絕緣閘極半導體器件，其具有一控制電極、耦合至該齊納二極體之該陰極的一第一電流傳導電極、與耦合用以接收運轉電位之該第一源極的一第二電流傳導電極；以及一第五絕緣閘極半導體器件，其具有耦合至該第一電阻器之該第二端子的一控制電極、耦合用以接收運轉電位之該第一源極的一第一電流傳導電極、與耦合用以接收運轉電位之一第二源極的一第二電流傳導電極。
  19. 如請求項18之積體電路，其進一步包含具有第一及第二端子的一第二電阻器，該第二電阻器之該第一端子係耦合至該第一電阻器之該第二端子並且耦合至該第五絕緣閘極半導體器件之該控制電極，而且該第二端子係耦合用以接收運轉電位之該第二源極。
  20. 如請求項17之積體電路，其進一步包含耦合在該外部接腳與運轉電位之該第二源極之間的一電容器。
  21. 如請求項17之積體電路，其進一步包含耦合在該外部接腳與運轉電位之該第一源極之間的一導電材料。
  22. 一種積體電路，其包括：一熱感測電路，其具有一輸出； 一熱鎖存器，其具有一輸入、一輸出、與用以耦合至該積體電路外部的一電路元件之一多功能輸入接腳，並且其中該輸入係耦合至該熱感測電路之該輸出；一熱放大器，其具有耦合至該熱鎖存器之該輸出的一鎖存輸入，以及用以接收來自該熱感測電路的一線性信號之一輸入；以及一半導體器件，其係耦合至該熱放大器並熱耦合至該熱感測電路。
  23. 如請求項22之積體電路，其中該電路元件為一電容器與一短線路之一。
  24. 如請求項23之積體電路，其中該熱鎖存器包括：一第一絕緣閘極半導體器件，其具有一控制電極、耦合至該熱感測電路之該輸出的一第一電流傳導電極、與耦合用以接收運轉電位之一第一源極的一第二電流傳導電極；一齊納二極體，其具有一陽極與一陰極，該陽極係耦合至該第一絕緣閘極半導體器件之該控制電極；一第二絕緣閘極半導體器件，其具有一控制電極、耦合至該齊納二極體之該陰極的一第一電流傳導電極、與耦合用以接收運轉電位之該第一源極的一第二電流傳導電極；以及一第三絕緣閘極半導體器件，其具有耦合至耦合用以接收一線性信號的該輸入之一控制電極、耦合用以接收運轉電位之一第一源極的一第一電流傳導電極、與耦合 用以接收運轉電位之該第一源極的一第二電流傳導電極。
  25. 一種用於保護一積體電路免於熱感應損壞之方法，其包括：感測該積體電路之一部分中的一溫度；以及為回應所感測的該溫度，在選自包括將一半導體器件鎖入一關閉狀態、在一預定延遲之後將該半導體器件鎖入該關閉狀態、與採用在該積體電路之一部分中流動之一減小的電流使該積體電路運轉以將該積體電路之該部分的該溫度維持在實質上處於或低於一預定位準的該運轉模式群組之一運轉模式中使該積體電路運轉。
  26. 如請求項25之方法，其中將該半導體器件鎖入該關閉狀態包含使用一電阻電容(RC)時間常數來設定該預定延遲。
  27. 一種積體電路，其包括：一第一熱感測元件，其具有一輸出端子；一第一電晶體，其具有一控制電極與第一及第二電流承載電極，該控制電極係耦合至該熱感測元件之該輸出端子並且該第一電流承載電極係耦合用以接收運轉電位之一第一源極；一第一驅動電路，其具有一輸入端子、一輸出端子、一第一供應端子、與一第二供應端子，該第一供應端子係耦合至該第一電晶體之該第二電流承載電極並且該第二供應端子係耦合用以接收運轉電位之一第二源極 ；以及一第一電源裝置，其具有一控制電極、一第一電流承載電極、與一第二電流承載電極，該第一電源器件之該控制電極係耦合至該驅動電路之該輸出端子，該第一電流承載電極係耦合用以接收運轉電位之一第三源極，並且該第二電流承載電極係耦合用以接收運轉電位之該第二源極。
  28. 如請求項27之積體電路，其中該熱感測電路係配置成在一線性模式中運轉。
  29. 如請求項27之積體電路，其進一步包含：一第二熱感測元件，其具有一輸出端子；一第二電晶體，其具有一控制電極與第一及第二電流承載電極，該控制電極係耦合至該第二熱感測元件之該輸出端子並且該第一電流承載電極係耦合用以接收運轉電位之該第一源極；一第二驅動電路，其具有一輸入端子、一輸出端子、一第一供應端子、與一第二供應端子，該第一供應端子係耦合至該第一電晶體之該第二電流承載電極並且該第二供應端子係耦合用以接收運轉電位之一第二源極；以及一第二電源器件，其具有一控制電極、一第一電流承載電極、與一第二電流承載電極，該第二電源器件之該控制電極係耦合至該第二驅動電路之該輸出端子，該第一電流承載電極係耦合用以接收運轉電位之該第三源極 並耦合至該第一電源器件之該第一電流承載電極，而且該第二電流承載電極係耦合用以接收運轉電位之該第二源極並耦合至該第一電源器件之該第二電流承載電極。
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