晶体管装置的过电压保护的制作方法

本公开内容是在电子电路学领域中。更具体地，本公开内容涉及晶体管装置的过电压保护。

背景技术：

晶体管装置是用来放大或切换电信号或电功率的电子装置。晶体管装置包括被称为端子的三个电极，并且所述端子包括控制端子和在其之间限定载流通道的第一载流端子和第二载流端子。施加到一对端子的电压或电流控制通过另一对端子的电流；并且施加到控制端子的小的电流可控制或切换载流端子之间的非常大的电流。

当用作开关时，当电流流动通过载流端子之间的通道时，晶体管处于“打开”状态，并且当电流被防止流动通过通道时处于“关闭”状态。在打开状态与关闭状态之间的转换由通过控制端子施加的电流或电压控制。

晶体管装置的示例包括双极结型晶体管(bjt)和场效应晶体管(fet)。bjt具有被称为基极的控制端子和被称为集电极端子和发射极端子的载流端子。fet具有被称为栅极的控制端子和被称为源极端子和漏极端子的载流端子。fet可由各种半导体材料形成。最常见的是硅，但是fet也可由有机半导体(诸如碳化硅(sic)、砷化镓(gaa)、氮化镓(gan)和砷化铟镓(ingaas))形成。

通常，避免超过晶体管装置的最大额定电压以便避免这一类装置失效是重要的。为了避免这种情况，在非常低的电压下简单操作晶体管是已知的。然而，这意味着晶体管的性能不能被完全实现。

另一种解决方案是提供外部二极管以箝位载流端子之间的通道电压，但这一类外部二极管耗散能量并且因此减少总功率效率。

还已知的是使用外部电路，当固定的通道电压阈值被超过时，外部电路使用齐纳结构来使晶体管处于打开状态。但是使用这种外部部件是昂贵的。

技术实现要素：

根据本公开内容的第一方面提供电路，所述电路包括：晶体管，所述晶体管包括控制端子，第一载流端子和第二载流端子；以及过电压保护电路，所述过电压保护电路包括：电平位移器，所述电平位移器被布置来将处于所述第一载流端子与所述第二载流端子之间的通道电压的电平位移版本反馈给控制端子；其中电平位移器被配置成使得当通道电压的预定值被越过时，晶体管的切换阈值电压被越过。

任选地，电平位移器包括与晶体管一起作为同一集成电路的一部分被提供的部件。

任选地，电平位移器包括被布置来提供通道电压的分频电压版本的电阻部件和电流源；并且电平位移器根据电阻部件和电流源的额定值配置。

任选地，控制端子电压追踪通道电压的变化。

任选地，电平位移器与控制端子直接地耦合。

任选地，所述电路还包括被布置来向控制端子提供控制信号的控制器，并且其中电平位移器的输出端耦合到所述控制器。

任选地，所述电路还包括用于驱动控制端子的驱动器，并且其中电平位移器的输出端耦合到所述驱动器。

任选地，所述电路还包括选择器开关，所述选择器开关可操作来选择性地启用或禁用过电压保护电路。

任选地，通道电压的预定值是可调整的。

任选地，通道电压的预定值基于对电源电压存在的检测来调整。

任选地，通道电压的预定值基于系统输入电压的值来调整。

任选地，通道电压的预定值随系统输入电压的增加而增加。

任选地，晶体管是gan装置。

根据本公开内容的第二方面提供功率转换器电路，所述功率转换器电路包括：功率晶体管，所述功率晶体管包括控制端子，第一载流端子和第二载流端子；以及过电压保护电路，所述过电压保护电路包括：电平位移器，所述电平位移器被布置来将处于所述第一载流端子与所述第二载流端子之间的通道电压的电平位移版本反馈给控制端子；

其中电平位移器被配置来使得当通道电压的预定值被越过时，晶体管的切换阈值电压被越过。

根据本公开内容的第二方面的功率转换器电路可包括与根据本公开内容的第一方面的电路相关的上文描述的特征中的任一个。

根据本公开内容的第三方面提供保护晶体管以免过电压条件的方法，所述晶体管是包括如下各项的类型：控制端子、第一载流端子和第二载流端子；所述方法包括将处于所述第一载流端子与所述第二载流端子之间的电平位移的通道电压反馈给控制端子；以及一旦通道电压的预定值被越过就会接通晶体管。

附图说明

将在下文仅通过示例并且参照附图来描述本公开内容，在附图中：

图1示出现有技术反激转换器；

图2示出图1的反激转换器的操作的方面；

图3示出用于保护晶体管以免处于高电压条件的现有技术外部电路；

图4示出图1的反激转换器的操作的方面，其中功率晶体管是氮化镓晶体管装置；

图5示出提供根据本公开内容的实施方式的过电压保护电路的反激转换器；

图6和图7示出与图5的反激转换器500相关联的波形；

图8示出与反激转换器相关联的波形，在所述反激转换器中过电压保护电路被选择性地禁用；

图9示出根据本公开内容的过电压保护电路的实施方式；

图10和图11示出可与图9的电路一起使用的两个电流源示例；

图12示出对具有如图9的电路中所示的电流源和电阻器的箝位概念的模拟；

图13示出自适应阈值过电压保护电路的示例；

图14示出可在图13的自适应阈值过电压保护电路的操作下监测的参数的示例；并且

图15示出自适应阈值的实现方式示例。

具体实施方式

每个晶体管具有特定的最大额定电压，所述特定的最大额定电压是制造商保证正确操作的最大通道电压。通道电压是横跨由载流端子限定的通道的电压，所述通道电压在fet的示例中被表示为vds(漏极-源极电压)并且在bjt的示例中被表示为vce(集电极-发射极电压)。

必须进行每个电路设计考虑以便在晶体管的额定最大通道电压内操作。包括金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)的许多传统晶体管装置表现出雪崩耐量，这意味着当它们处于关闭状态时，它们在通道电压达到雪崩电压时将仍导电。晶体管的雪崩导电起作用来减少晶体管上由高的通道电压引起的应力并且因此使它们较不易受高通道电压条件的影响。

为了说明这一点，图1示出现有技术的反激转换器100。在此，具有主绕组104(lm)和次级绕组106(lsec)的变压器102(t1)将输入电压v_in转换成输出电压v_out。来自变压器102的输出由二极管108(d1)和电容器110(c1)整流以驱动负载112。

转换器100的降压-升压操作由功率开关114控制，所述功率开关114由控制器116(u1)和驱动器118(u2)操作以选择性地使主绕组104与输入电压v_in耦合和去耦合。控制器116还将从输出电压v_out接收反馈以用于调节输出电压或电流功率调节。图还示出防止瞬时电压的减振器120和与主绕组104相关联的漏电电感122。

功率晶体管114是表现出如上文提及的雪崩耐量的mosfet晶体管。“功率晶体管”或等同地“功率开关”就其基本功能原理而言类似于调节晶体管，但被构造来在相对高的通道电流和更高的电压下操作。

功率晶体管114(s1)在初始地被放置在关闭状态下时经受高的vds电压电平。这通常被称为反激电压并且通常由功率转换器100部件的寄生元件引起。

图2示出与图1的反激转换器100相关联的波形。第一曲线图200示出功率晶体管114(s1)的栅极电压201随时间的变化，并且第二曲线图202示出功率晶体管114(s1)的通道电压203随时间的变化。栅极电压201响应于来自栅极控制电路的信号而变化，所述栅极控制电路在这一类示例中包括控制器116和驱动器118。栅极控制电路116、118在时间段t1期间维持使晶体管114保持在“打开”状态下的“高电压信号”，在所述“打开”状态下电流被允许流动到载流端子之间的通道中。一旦阈值电压von被驱动信号越过，晶体管114就将从关闭状态转换成打开状态。逻辑高信号的值vh稍微大于阈值电压von，使得驱动信号中小的变化不会导致不可预测的行为。

如第二曲线图202所示，当晶体管114处于打开状态时，通道电压203为零，因为通道正在导电。当功率晶体管114(s1)放置在关闭状态下时，在时间204处，横跨晶体管的电压(vds)开始上升。

晶体管114具有额定最大通道电压vmax。如果vds电压超过vmax，那么雪崩击穿(被表示为vds达到雪崩阈值vaval)发生，并且然后晶体管装置114将开始导电(其减少了vds)并且因此所述装置实际上是自我保护的。尽管所述雪崩电压vaval低于、高于还是等于最大额定电压将取决于特定装置制造商如何指定它们的数据表或取决于晶体管特性参数的容差，但是雪崩电压vaval通常稍微高于晶体管114的特定绝对最大额定值v最大。

一旦雪崩电压vaval被超过并且当开关114仍处于关闭状态时，通道电压由于反激电路100的设计而变化。图还示出在越过阈值vaval的vds与开始下降之间存在短的延迟。这是由于反激转换器100的特定特性并且在本公开内容的其他实施方式中应理解这一类延迟可有效地为零。

外部电路可被提供来保护晶体管以免高的电压条件。示例在图3中示出，在此被示出为与图1的晶体管114(s1)合并。出于清晰起见，图1的部件中的剩余部分已经被省略。

外部电路包括齐纳二极管300(d1)和电阻器302(r1)，所述齐纳二极管300(d1)和电阻器302(r1)在齐纳阈值被超过时将晶体管114(s1)放置在打开状态。

如上文所提及，齐纳二极管300耗散能量，这意味着由外部电路给予的保护以耗费总电路的效率为代价。

晶体管(包括功率晶体管)长时间主要由硅或其衍生物形成。然而，氮化镓(gan)因为其优异的电子特性作为替代性材料最近已经受到注意。然而，当基于gan的高电子迁移率晶体管(hemt)实现更小形态因数设计和更高效率时，必须仔细注意保护装置以抵抗过电压浪涌。目前不存在那样做的解决方案。

此外，gan晶体管不具有雪崩耐量并且必须特别注意保护gan晶体管装置以免高的漏极电压，因为它们无法以上文参考图2所述的方式进行“自我保护”。这在图4中示出，如果我们假设将mosfet晶体管114用gan装置替代，那么图4示出与图1的反激转换器100相关联的波形。

以与上文图2类似的方式，第一曲线图400示出功率晶体管114(s1)的栅极电压201随时间的变化，并且第二曲线图402示出功率晶体管114(s1)的通道电压203随时间的变化。

再者，当功率晶体管114(s1)放置在关闭状态下时，在时间204处，横跨晶体管的电压(vds)开始上升。在某些操作条件下(例如，高的输入线路电压)，反激电压超过s1的最大额定vds电压vmax_gan，从而潜在地引起晶体管114(s1)的非最优操作或完全失效。

此外，在gan过程中，没有齐纳结构可用，因此图3的外部电路不能被提供。

还存在除gan之外的其他半导体材料，所述其他半导体材料可用于不具备雪崩耐量和/或对于其没有齐纳结构可用的晶体管。

本公开内容提供用于晶体管装置的过电压保护电路。“过电压”是给定电压超过希望阈值的条件，并且因此过电压保护电路提供防止这一类阈值被超过或最小化它被超过的时间以保护晶体管装置的部件。本公开内容对不具有雪崩耐量的晶体管(诸如gan装置)尤其有用，但事实上对任何种类的晶体管提供益处。

当检测到过电压条件时，根据本公开内容的过电压保护电路起作用来以导电的模式放置晶体管。它使用集成部件而不是依靠外部电路来完成。

保护可通过将通道电压的电平位移的版本作为输入贡献反馈给控制端子。电平位移意味着将通道电压的缩放版本呈现给控制端子。这是必须的，因为横跨晶体管的在其载流端子之间的通道的电压将通常比控制端子操作所处的电压高很多(比方说两个或更多个数量级)。

根据本公开内容的过电压电路还可当晶体管保持在关闭状态时，允许晶体管的控制端子电压追踪通道电压的形状。也就是说，控制端子电压将追踪通道电压的变化，意味着它将结合通道电压的上升和下降而上升和下降，当然尽管两个电压的相对量值将不同；并且控制端子电压还具有其他贡献。

本公开内容的说明性实施方式在图5中示出。在此，示出具有功率晶体管114(s1)的反激转换器500，所述功率晶体管114(s1)用过电压保护电路502(过电压检测)保护。图5的转换器的各种部件与图1的那些对应，因此相似的参考标号用来指代相似的部件并且它们的操作将不被再者描述，因为它对应于上文描述的操作。

过电压检测电路502监测晶体管114的通道电压。当检测到过电压条件时，晶体管114可放置在导电状态下，从而将通道电压减少至安全的操作条件内。

过电压检测电路502在图中被示出为向控制器116和驱动器118两者提供输出，但在实践中这些将被用作替代性选项。电路500可设置有两种连接并且使它们中的一个在任何时间处启用，或它可设置有连接中的任一个。

在一个示例中，过电压检测电路502向控制器116提供输出。如果检测到过电压条件，那么控制器116可将晶体管114放置在其导电状态中，即使反馈信号没有许可所述控制器116。

在另一个示例中，过电压检测电路502向驱动器118直接提供输出。在这种情况下，当检测到过电压条件时，驱动器118可将晶体管114放置在其导电状态中，因此超控控制器116的控制信号。驱动器118的实现方式可与通道电压成线性以便避免振荡影响。

当晶体管在额定操作条件内操作时，晶体管114如由控制电路116、118所确定放置在打开状态和关闭状态下。然而，当检测到过电压条件时，过电压保护电路502超控控制电路116、118并且将晶体管114放置在打开状态，从而减轻过电压条件。

图6和图7示出与图5的反激转换器500相关联的波形。以与上文图2和图4类似的方式，第一曲线图600、700示出功率晶体管114(s1)的栅极电压201随时间的变化，并且第二曲线图602、702示出功率晶体管114(s1)的通道电压203随时间的变化。

如图6和图7所示，当控制器116将晶体管114放置在关闭状态时，过电压保护电路502允许晶体管114的栅极电压追踪晶体管114的vds电压的形状。

过电压阈值vovp由过电压保护电路502限定。vovp小于晶体管的最大vds额定值vmax_gan。当通道电压(vds)达到限定阈值vovp时，过电压保护电路502被布置来提供栅极驱动电压，所述栅极驱动电压等于或高于“打开”阈值von。

图6示出晶体管114的vds电压从不会超过过电压阈值vovp，并且因此过电压保护电路502不会超控控制器116的控制信号的示例。然而，如图7所示，如果当晶体管114处于关闭状态时晶体管114的vds电压达到过电压阈值vovp，那么控制端子电压(栅极电压vg)在此时不能达到打开阈值电压von，并且因此晶体管114切换至导电状态，从而防止晶体管114的vds电压超过最大电压额定值vmax_gan。此时，过电压保护电路502有效地超控控制器116的控制信号。这一类行为在限定保护电平的阈值vovp由过电压保护电路502限定的情况下，有效地仿效如上文参考图1和图2所示的雪崩自保护机制的效果。

使晶体管114的栅极驱动电压追踪晶体管通道电压由于过电压保护电路的功率损失而对晶体管114的操作效率具有小的负面影响。例如，电阻器904(如图9所示)的功率损失近似vds²/r。r是高电阻的。为了改善这种情况，本公开内容可在任选的实施方式中提供由将要被选择性地禁用的过电压保护电路502提供的过电压保护功能。当过电压保护电路502可被确定晶体管通道电压超过最大额定值(在这一类示例中为vmax_gan)不存在危险或存在最小危险时它可被短路或禁用。例如，给定的功率转换器电路拓扑可具有不同操作模式并且可已知的是高的vds条件仅发生在某些模式中。因此，过电压保护电路可在其他模式是有源的时被禁用。仅在某些关键时期中(例如，在从打开状态进入关闭状态之后)接通过电压保护电路。

图8示出与本原理相关联的波形。以与前述图的曲线图类似的方式，第一曲线图800示出功率晶体管114(s1)的栅极电压201随时间的变化，并且第二曲线图802示出功率晶体管114(s1)的通道电压203随时间的变化。在此，确定晶体管通道电压超过最大额定值不存在危险或存在最小危险，并且因此过电压保护电路502被禁用并且栅极电压201并不追踪通道电压203的变化。

根据本公开内容的过电压保护电路900的实施方式在图9中示出，所述过电压保护电路900被布置来保护晶体管装置902(sp1)。如上文所提及，本公开内容提供通过将通道电压的电平位移的版本作为输入贡献反馈给控制端子来提供过电压保护。因此，根据本公开内容的过电压保护电路提供被布置来提供这一类性能的电平位移器。电平位移器可采用各种不同形式，但在优选的实施方式中包括与晶体管一起作为同一集成电路的一部分被提供的部件。

在图9中所示的示例性实施方式中，电平位移器包括由电阻部件904(r1)和电流源906(i1)形成的电压分频器，使得将源自晶体管902的通道电压(vds)的电压通过分频器输出端914反馈给控制端子，从而为控制端子电压(vg)提供贡献。由电流源906提供的电流i1的值和由电阻部件904提供的电阻r1的值限定有源的有效的齐纳电压。在具有高漏极电压的情况下，开关的栅极电压达到阈值并且开关将被启动。

电流源906可包括适于生成恒定电流以便改变施加到其的电压的任何部件。存在构造众所周知的电流源的许多不同方式。作为简单的示例，电流源可由fet构造，其中fet的栅极附接到fet的源极以形成恒定电流二极管。两个电流源示例在图10和图11中示出。这些被提供仅用于说明并且提供它们的输出端iout，如上文提及的i1电流。

在这一类示例性电路中，功率晶体管900由高侧开关908(s1)和低侧开关910(s2)驱动并且可以三态方式切换。高侧开关908和低侧开关910的驱动阻抗必须被选择来允许过电压保护电路900操作或使用检测保护电路900的阈值并且相应地驱动栅极电压的机制。

电路900可任选地设置有选择器开关912(q1)，所述选择器开关912(q1)可被选择性地关闭以便减少由电阻部件904和电流源906引起的功率损失。这一类开关912以如上文关于图8所示的相同方式提供机制来选择性地禁用过电压保护电路900。

图9进一步示出保护电路900不需要使用齐纳二极管。这在gan过程中实现时尤其有用，因为没有齐纳结构可用。

此外，电阻部件(诸如电阻器和电流源)的使用意味着过保护电路900可与晶体管902一起作为同一集成电路的一部分被提供。没有外部部件被需要。

电流源906还可在制造过程期间被容易地调整或修整，或可被提供为可编程电流源906以便动态调整。这与使用外部二极管或齐纳结构保护电路相比提供改进的灵活性。例如，电阻器904的过程或温度变化可通过调整电流i1来适应。

电阻器902以及过电压保护电路900以类似于齐纳二极管的方式有效地起作用。

图12示出对具有如图9所示的电流源906和电阻器904的箝位概念的模拟，从而绘制出v_in电压对时间的曲线。当输入高电压脉冲1200施加到晶体管的通道并且vds-i*r>von时(von是栅极-源极阈值电压)，晶体管114将开始导电并且将vds减少至箝位值，其中vgs＝vds-i*r(假设在mosfet上没有理想的电压源)。箝位机制的操作由表1202示出。在所述时间期间的电流可在晶体管的源极中测量并且因此系统知道关键条件。

避免使用外部部件和齐纳结构对如上文解释的gan装置特别实用。然而，本公开内容还对标准的mosfet装置具有实用性，因为它将限制通过切换装置的瞬变电压。

如上文所述，过电压阈值vovp由过电压保护电路502、900限定。当晶体管114、902的通道电压超过这一类过电压阈值时，控制端子电压达到晶体管114、902的打开阈值电压von。过电压阈值vovp的值取决于形成过电压保护电路502、900的部件的额定值，所述额定值在图9的电路的示例中是由电流源906提供的电流i1和电阻部件904的电阻r1。

根据本公开内容的方面，过电压阈值vovp可以是自适应的，也就是说，它可由电路的设计员或使用者编程或以其他方式改变，或适合于在过电压保护电路的不同操作阶段中具有不同的值。

图13示出可如何提供自适应阈值过电压保护电路的示例，所述自适应阈值过电压保护电路在此结合图5的晶体管114(s1)示出。出于清晰起见，图5的部件中的剩余部分已经被省略。在此，自适应阈值电路1300监测特定参数，并且设定由过电压保护电路502使用的过电压阈值vovp。

各种不同参数可由自适应阈值电路1300监测，以便对过电压阈值vovp进行调整。图14示出针对类似于图5的电路的反激电路的可被测量的参数中的一些的示例。在此，自适应阈值电路1300监测到控制器116(u1)的漏极电源电压vdd和功率转换器的输入电压v_in的存在。

如图15中所示，如果未检测到到控制器116(u1)的vdd电压，那么功率转换器不认为处于操作模式下，并且因此晶体管114的切换不被发起，从而导致产生过电压阈值vovp的第一预设定固定阈值。例如，这一类操作对在静电放电(esd)结构中使用的开关装置非常有用。如果检测到vdd电压的存在，并且功率转换器放置在操作模式下，那么功率转换器的输入电压被监测。晶体管114的过电压阈值vovp然后可基于输入电压改变。在这种情况下，晶体管114的保护被最优化同时确保适当操作功率转换器。

可在不背离本公开内容的范围的情况下对上文进行各种修改和改进。

具体地，应理解，本公开内容可应用到任何类型的晶体管，包括具有雪崩耐量并且提供齐纳结构(诸如硅mosfet装置)的那些以及不具有雪崩耐量和/或不提供齐纳结构(诸如gan装置)的那些。而且，反激转换器仅为了说明并且应理解，本公开内容的原理可申请对任何类型装置(包括但不限于大体全部其他功率转换器拓扑)中的晶体管进行保护。