一种功率晶体管过热保护电路的制作方法
【专利摘要】一种功率晶体管过热保护电路，包含感测发射极。一个差分放大器从晶体管的基极和感测发射极驱动，并且有一个耦合到功率晶体管的输出端。当感测发射极的电势超过基极的电势，放大器的输出将会拉低基极电压，来限制功率晶体管的电流。对于一个硅晶体管，电路能限制感测发射极最高工作在约250℃。当没有热点，并且感测发射极一致受热，晶体管的热度将会被限制在约200℃。
【专利说明】一种功率晶体管过热保护电路【技术领域】
[0001]适用于使用多个单独的小型发射极有效地并行连接，通过独立的压载电阻来创建一个功率晶体管，也使用一个分立的与功率器件发射极相关的感测发射极来反应在功率晶体管上的热点。
【背景技术】
[0002]通过比较感测发射极和位于远距离的发射极之间的电位，进行热梯度检测，方法包括当梯度超过某个预定的阈值，关闭功率晶体管。通过连接一个差分放大器，它在感测发射极和远距离发射极之间有一个固定的偏移电势。差动放大器的输出耦合到功率晶体管的基极。因此，当电位差超过偏移，功率晶体管基极会被拉低，并且把它关掉。然而，这种方法需要一个不被功率发射极加热，或者至少是加热程度较轻的远程发射极，来产生一个梯度响应。
【发明内容】
[0003]本发明的一个目的是提供一种电路能够响应功率晶体管结构中的感测发射极上的电势，并且当功率晶体管的发射极-基极电位表示温度过高时，降低功率晶体管的导通电流。
[0004]本发明的进一个目的是使用一个差分放大器，它有耦合在基极和功率晶体管的感测发射极之间的输入端，还有个耦合在基极线路上的输出端，这样当感测发射极-基极的电势超过温度时，功率晶体管的导通电流能够减小。
[0005]本发明的技术解决方案是:
结型晶体管的发射极-基极电压是结点温度的精确指示。这些晶体管常用在电源IC中作为传感器提供热过载保护。然而，单一的传感器，这就通常位于其附近的一个比较大的功率晶体管，它不直接响应功率晶体管内部的温度峰值。这里描述的方法采用了分布式传感器弯曲排布在整个功率阵列，这不响应温度峰值。
[0006]实际中用电流偏置一个分布式感测发射极，导致在发射极-基极电势为零时，能均匀地加热到200 °C。更高的温度会引起发射极-基极电位的逆转，但可以防止加热温度超过200 °C，当感测电势逆转时通过控制电路，减少功率晶体管中的耗散，因为它将在更高的温度下逆转。如果只有一半的感测发射极是在峰值温度下，将有一个额外的20 °C上升到第220 °C下的零检测电势。当十分之一的传感器处在温度峰值，约在250°C附近，感测电位是零。因此峰值温度保持在一个合理的值，即使当能量阵列中出现严重的热点。这与传统方法对比，破坏性的温度可以在最差状况下出现。
[0007]—个分布式传感器它可以在一个几十微秒而不是位于阵列外的传感器的需要的几个毫秒的延迟下响应一个过温情况。因此，没有必要限制功耗电。电力限制必须基于预期最差状况还有元件公差因素。消除这种功率限制不仅增加了峰值功率，但也增加连续额定功率，可以保证。在同一时间，提供更好地控制温度峰值。总之，限制是由实际设备的温度决定的，而不是一个据假定工作条件的安全工作区域而限制的。
[0008]本发明的电路中，差分晶体管对的基极相互耦合，以保护功率晶体管的感测发射极。一个相对较小的电流从感测发射极拉出，来建立一个是它最热部分函数的感测发射极电势。差分对工作成为一个电流镜负载，来提供一个单端驱动，提供高增益放大器级，它包含在传统运算放大器方式的一个频率补偿电容。高的增益放大器反过来驱动耦合在功率晶体管发射极和基本驱动输入之间的控制级。只要差分对被感测发射极运行的临界温度以下的装置偏置，高增益放大器将低于其导通阈值，其输出将是高电平，以关闭控制级。在这种情况下，功率晶体管将正常运行。当感测发射极的温度超过临界温度时，差分对将驱动器的高增益放大器级，进入导通状态，打开控制级。这将减少功率晶体管偏置，所以没有进一步的温度上升将是可能的。由于整个放大器和控制电路在其操作是线性的，并具有相当的增益，临界温度阈值可以有效运行，以防止功率晶体管最热的热点过热。因此，限制是由实际设备的温度决定的，而不是一个据假定工作条件的安全工作区域而限制的。
[0009]对比专利文献:CN202798441U逆变器的温度保护电路201220402544.7。
[0010]【专利附图】
【附图说明】:
图1是本发明的电路的简化示意图。
[0011]图2是本发明的电路的示意图。
[0012]【具体实施方式】:
功率晶体管的简化示意，还有其感测发射极和热控制电路如图1所示。感测发射极10与功率晶体管12共用一个基极11。一个电流源偏置感测发射极在一个电流J1，使得在需要的极限温度处发射极-基极电势为零。运算放大器14作为控制器。当感测发射极10的电势低于基极11的电势，运放的输出为高电平，并且通过一个二极管15防止耦合到基极电路。如果感测发射极电势上升到基极电势，运放的输出电势将会降低，通过这个二极管吸收基极的驱动。在极限温度处让感测电势为零是很方便的事。一个非零值会需要在运放的输入电路处产生一个参考电压。如果保护功率晶体管是唯一的考虑因素，控制放大器的设计将会相对简单。但是，在许多应用中，功率晶体管的热限制进入平稳无振荡，可能会导致电气干扰或其它不希望的影响。在阵列外的传感器下，这一目标尚待实现。由于在实际的IC的环路补偿中传感器的热延迟超出时间常数。使用积分传感器，稳定循环是可能实现的，因为可以大大减少延迟。然而，达到所需的时间常数的小电容需要一个微安左右的内部偏置电流。微安级电路，必须正常工作温度大约是175 °C，需要新的设计方法。本发明的一个特征是使用倒置的NPN晶体管，如下面将描述的那样控制低电流节点。当晶体管的发射极作为集电极，导致了电流增益较低，但可以使用电路技术来弥补这一点。最重要的是，倒置的晶体管不具有正常的节点的寄生漏电流。在175°C下，这种寄生泄漏本身可以是在微安范围。
[0013]虽然图1中的电路正向偏置感测发射极并且检测其相对于晶体管基极的电势，但是应当理解的是，感测发射极可能是反向偏置，并感测它的漏出量。这是可行的，因为PN结的反向漏电流与温度是相关的。这种工作模式下，虽然有可能，但是没有这里所描述的优选版本好。
[0014]图2原理图中所示的输出晶体管和它的关断电路，可被视为一个复合晶体管结构。功率输出晶体管12的集电极提供到端子16。其主要的发射极17实际上是由多个单发射极组成的，每一个都包括一系列的镇流电阻。电阻器18是并联发射极电阻的有效值。因此，端子19表示输出晶体管的发射极。端子20代表复合三极管的基极。
[0015]晶体管21是连接成达林顿驱动器，在端子20处，其基极构成复合晶体管的基极。电阻22返回驱动器晶体管21的发射极到端子19。
[0016]晶体管23和24形成一个差分对，它有被电流源35设置的尾电流12。晶体管23的基极耦合到输出晶体管12的基极11，晶体管24的基极耦合到感测发射极10。因此，差分对会响应基极11和晶体管12的感测发射极之间的差分电压。
[0017]晶体管26和27耦合在一起形成一个电流镜配置。将会注意到，这两个晶体管运行在他们的反状态，这将在下面更详细地讨论。这意味着，所示的集电极将作为发射极，发射极将作为集电极。晶体管28返回晶体管27集电极(倒置的发射极)到它的基极，以迫使它作为一个二极管。晶体管28隔离电流镜的基极电流，防止到晶体管27的集电极。电流源29和30，提供相对较小的匹配的电流J3和J4到电流镜，来提供偏置电流。J3和J4相匹配，并且小于/2。
[0018]电阻器31和32作为耦合元件，这是常见的电流镜和差动连接的晶体管23和24。在正常工作中，当感测发射极10是低电平，电流源25中几乎所有的电流J2流入晶体管24。这将上拉晶体管27的发射极(倒置的集电极)的电位。此操作会导致晶体管26导通电流，并且显著大于晶体管27。晶体管26的集电极(倒置的发射极)，因此是低电平。晶体管26的导通会使得晶体管33的基极电势为低电平，以便使它和晶体管34截止。来自电流源35的电流J5因此会将晶体管36的基极电势拉高，从而将其关闭。来自电流源35的电流/5通过二极管连接的晶体管37和电阻38。后面这两个元件与J5，被选择来产生所需的晶体管36的基极电势。反晶体管39为晶体管33的发射极电流返回电流槽。电流槽确保当晶体管33关闭时，晶体管34紧紧关闭。对于上述情况下，功率晶体管12将正常工作，只要通过镇流电阻器18上的电势小于电阻器38上的电势。峰值输出电流被限制在一个值，通过电阻18两端的压降，不会融合芯片金属或焊线。
[0019]在功率晶体管10产生的一个热点，或者其工作温度普遍上升，在感测发射极10上的电势会随着基极电势上升。当差是零时，晶体管20和21将会一样导通。因此，晶体管26的发射极(倒置的集电极)处的电势上升，晶体管27的发射极(倒置的集电极)处的电势下降。如果晶体管26和27相匹配，电流源29和30相匹配，电阻器31和32相匹配，晶体管26的集电极(倒置的发射极)处的电势，将不足以使晶体管33和34导通。然而，温度的进一步增加将导致感测发射极10的电势超过晶体管12的基极11的电势。在这个区域，在接近关断状态下，差分放大器将在其最高的增益状态。与此随着温度增加，晶体管26中的电流将被降低，晶体管27的电流将增加。晶体管26导通的电流充分减少时，信号源29将上拉晶体管33的基极电势，并且于此提供电流。这将打开晶体管33、晶体管34，这样电流从电流源35将流过晶体管34。当晶体管34导通的电流接近电流源35，晶体管36的基极被拉低，从而将其打开。当这种情况发生时，驱动晶体管21的基极被拉低，从而控制晶体管12中的电流。
[0020]电容41连接在晶体管33和34达林顿对的输入和输出之间，以提供关断放大器频率补偿。这有助于电路保持稳定。
[0021]41所需的电容值取决于晶体管26和27的跨导，较低的工作电流有较低的跨导，并需要更小的电容。晶体管26和27的工作电流不能减小到如此之低，在有源集电极(倒置的发射极)的寄生漏电流在温度接近175°C时影响偏置电流。反向连接将漏电流放在晶体管23和24的集电极，它们工作在高电流下，这样微安级的漏电流可以忽略不计。完成这件事，晶体管26和27的有源集电极上的寄生漏电流通过精心的设计可以减少到亚微安水平。
[0022]例子:图2的电路以IC形式构成，使用传统的PN结隔离的单片硅元件。PNP晶体管是垂直双扩散结构，NPN晶体管是传统的横向结构。使用以下的元件值:
【权利要求】
1.一种功率晶体管过热保护电路，其特征是:在一个有基极、发射极和集电极还有一个独立分布的与多个独立的发射极温度密切相关的感测发射极的功率晶体管中，一个过热保护电路包括:一个用来偏置分立的感测发射极的电流装置，其中分立的感测发射极会在一个取决于它最热部分的电势下工作；一个用来在分立的感测发射极指示超过温度时，减小在所述功率晶体管的电流的装置。
2.根据权利要求1所述的一种功率晶体管过热保护电路，其特征是:其中用来检测的装置包括一个差分输入级，它的一个输入端耦合到感测发射极，另一个输入端耦合到功率晶体管的基极，还有一个输出端，耦合到减小在所述功率晶体管的电流的装置。
3.根据权利要求1所述的一种功率晶体管过热保护电路，其特征是:其中差分输入级的输出耦合到一个有差分输入、单端输出，并且工作在低电流下的电流镜负载。
4.根据权利要求1所述的一种功率晶体管过热保护电路，其特征是:其中电流镜负载由倒置的NPN晶体管组成，他们的在晶体管关闭温度附近的漏电流小于他们的工作电流。
5.根据权利要求1所述的一种功率晶体管过热保护电路，其特征是:其中电流镜负载的输出耦合到一个高增益反相放大级的输入端，来轮流驱动减小在所述功率晶体管的电流的装置。
6.根据权利要求1所述的一种功率晶体管过热保护电路，其特征是:其中电流镜负载依靠一个提供低电流的电流源工作，所述低电流维持在一个相对于差分输入级的尾电流较小的水平。
【文档编号】H02M1/32GK103532364SQ201310509560
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月25日 优先权日:2013年10月25日
【发明者】不公告发明人 申请人:苏州贝克微电子有限公司