專利名稱：受保護的功率器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種受保護的功率器件，特別涉及具有電流測量或電流限制電路的受保護功率器件。
對于包括具有硅開關(guān)的電流測量工具的集成裝置的需求與日俱增。這在汽車行業(yè)體現(xiàn)得更為明顯。這些開關(guān)可以是專用高端開關(guān)或?qū)Ｓ玫投碎_關(guān)。
最近，可以用作高端或低端器件的器件已經(jīng)進入市場。這些器件需要和高端或低端裝置兼容。一般而言，低端器件的要求更嚴格，因為低端n型場效應(yīng)功率晶體管的漏極一般位于襯底中，其源極接到可獲得的最負電勢。
這些電路中，不可能使用通用虛地型電流讀出放大器，因為它們依賴于通過從一個更負的節(jié)點供給電流來控制求和點的電勢。在低端電路中，能夠供給大約幾個毫安的電流的負電源一般是不可獲得的。
因此需要替代的電流測量電路。這種電路可以用在電流跳閘電路(current trip circuit)中，其中，當電流超過預(yù)定值時晶體管關(guān)斷，或用在電流限制電路中，其中，電流值用在控制環(huán)中以限制通過晶體管的電流。
電流限制電路中，在維持穩(wěn)定并避免振蕩和同時在同一電路中充分處理異常負載情況(特別是維持快速響應(yīng))之間很難折中。這加劇了使用虛地型放大器的低端設(shè)備的集成問題。
因此需要包括電流限制和/或測量電路的改進的功率器件。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種功率絕緣柵場效應(yīng)晶體管，其具有由主單元絕緣柵控制的主單元和由讀出單元絕緣柵控制的讀出單元；以及取樣保持電路，其與讀出單元串聯(lián)連接并設(shè)置成在包括至少一個取樣狀態(tài)和保持狀態(tài)的多個狀態(tài)中工作；其中，取樣保持電路用來在該至少一個取樣狀態(tài)而不是保持狀態(tài)讀出流經(jīng)讀出單元的電流。
所述電路使用讀出單元型結(jié)構(gòu)，其中，流經(jīng)讀出單元的電流僅在取樣狀態(tài)被測量，所以僅在取樣狀態(tài)需要電流吸收器。盡管一般提供能夠吸收該電流的連續(xù)電源是不切實際的，但是，提供在該時間的某段(例如，如本發(fā)明需要的，該時間的5％到20％)吸收該電流的吸收器是可行的。
優(yōu)選地，取樣保持電路是反饋取樣保持電路，其與讀出單元相連并且設(shè)置成在反饋取樣狀態(tài)工作以讀出流經(jīng)讀出單元的電流，并且具有一輸出，設(shè)置成將讀出單元柵極驅(qū)動向使得目標電流流經(jīng)讀出單元的電壓，并在保持狀態(tài)工作以保持其輸出電壓并用該輸出電壓驅(qū)動主單元絕緣柵。
在一個特定的優(yōu)選配置中，反饋取樣保持電路的輸出位于一柵驅(qū)動節(jié)點上，該節(jié)點通過第一開關(guān)與主單元柵電極相連，該第一開關(guān)在取樣狀態(tài)保持斷開以使得主單元絕緣柵與柵驅(qū)動節(jié)點隔離，并且在保持狀態(tài)閉合以從柵驅(qū)動節(jié)點驅(qū)動主單元絕緣柵。
通過以這種方法使得控制環(huán)與主單元隔離，主單元在很大程度上使控制環(huán)免受負載的影響。通過反饋取樣保持電路的控制環(huán)是小信號環(huán)，其能快速獲得所需的條件。這大大增加了穩(wěn)定性。
所述器件可以包括控制電路，該電路連接成控制以一定占空比控制該開關(guān)和多個開關(guān)在取樣和保持狀態(tài)之間的循環(huán)，該占空比中取樣狀態(tài)的時間和保持狀態(tài)的時間的比是1∶5-1∶50。
取樣保持電路可以包括與讀出單元源極相連的鏡像求和節(jié)點；電流吸收場效應(yīng)晶體管(FET)，其與求和節(jié)點相連以在取樣模式吸收流經(jīng)讀出單元的電流；求和節(jié)點取樣保持放大器，放大器輸入與鏡像求和節(jié)點相連，放大器輸出通過第三開關(guān)與電流吸收FET的柵極相連，第三開關(guān)在該取樣狀態(tài)或每個取樣狀態(tài)閉合以控制電流吸收器，使得該求和節(jié)點是虛地的；以及鏡像所述電流吸收FET的至少一個鏡像FET，求和節(jié)點放大器的輸出與該鏡像FET的柵極相連以控制該鏡像FET，使得在取樣狀態(tài)中將流經(jīng)電流吸收FET的電流鏡像到該鏡像FET中。
該器件還可以包括測量輸出端子以提供表示流經(jīng)讀出單元電流的信號。
一些實施例中，可以連接多個鏡像FET，并且取樣保持電路具有相應(yīng)的多個取樣狀態(tài)以在相應(yīng)的取樣狀態(tài)中鏡像流經(jīng)電流吸收FET的電流。
所述至少一個鏡像FET可以包括與反饋取樣保持放大器相連的電流鏡FET，該反饋取樣保持放大器在保持模式連接成驅(qū)動讀出單元的柵極并通過第一開關(guān)驅(qū)動主單元的柵極。還進一步提供電流源，為與反饋取樣保持放大器的輸入相連的電壓驅(qū)動節(jié)點供給電流，該電壓驅(qū)動節(jié)點通過電流鏡FET連接到電流吸收器。這樣的配置提供電流限制的配置，如前面詳細描述的。然而，注意反饋控制環(huán)的提供并不是每種情況都需要的，例如，在功率半導(dǎo)體晶體管連接在電流跳閘裝置而不是電流限制裝置中的情況下就不需要。
這樣，和驅(qū)動主單元和讀出單元的柵極的反饋環(huán)中的電流鏡FET一樣或替代該FET，該至少一個鏡像FET可以包括與測量輸出端子相連的測量鏡像FET，并且所述至少一個取樣狀態(tài)包括測量取樣狀態(tài)，其中讀出單元上的電流被鏡像到測量輸出端子上。這種配置可以用在電流限制或電流跳閘電路中。
測量鏡像FET可以與測量輸出端子相連。該電路可以在測量取樣狀態(tài)工作，其中第五開關(guān)閉合，第二開關(guān)斷開以將流經(jīng)電流汲入FET的電流鏡像到測量鏡像FET上。
電流源可以是脈沖的，從而僅在該取樣狀態(tài)或多個取樣狀態(tài)工作。
該電路可以包括與該鏡像FET或多個鏡像FET相連的電荷泵浦電流吸收器，以吸收流經(jīng)該鏡像FET或每個鏡像FET的電流。和現(xiàn)有配置相比，適當?shù)奈掌鞲子诎仓迷诒景l(fā)明的取樣保持電路中，因為電流吸收器僅需要在該取樣狀態(tài)或者每個取樣狀態(tài)中吸收電流，而不是連續(xù)吸收電流。電荷泵浦技術(shù)因此可以用于電流吸收器。實際上，可以使用公共電流吸收器來吸收流經(jīng)該鏡像FET或每個鏡像FET和電流吸收FET的電流。
該器件進一步包括連接在輸入求和節(jié)點和該功率絕緣柵場效應(yīng)晶體管的主單元的源極或漏極之一之間的第二開關(guān)，該第二開關(guān)在取樣狀態(tài)斷開并且在保持狀態(tài)閉合，以在保持模式提供電流流經(jīng)讀出單元而不流經(jīng)電流鏡的電流通路。
該器件可以進一步包括與電流吸收FET的柵極相連的第四開關(guān)以在保持模式關(guān)斷該電流吸收FET。
在特定優(yōu)選配置中，電流源是脈沖的，從而僅在該取樣狀態(tài)或多個取樣狀態(tài)工作；在求和節(jié)點放大器和公共節(jié)點之間提供第三開關(guān)；該鏡像FET或每個鏡像FET和電流吸收FET的柵極連接到該公共節(jié)點。
這允許提供自動歸零電路以在保持狀態(tài)使求和節(jié)點放大器歸零，該狀態(tài)中第二開關(guān)是斷開的?，F(xiàn)有技術(shù)配置的一個特定問題是放大器的小的零點漂移使得很難在電流測量中獲得足夠的精度。在具有優(yōu)選配置的電路中，第二開關(guān)可以在保持狀態(tài)中的某段時間或整個保持狀態(tài)期間斷開以使得求和節(jié)點放大器能夠自動歸零。
如果測量鏡像FET配備有與公共節(jié)點相連的柵極，則所述電路還允許進行測量。所述電路可以在測量取樣狀態(tài)工作，其中，第二開關(guān)閉合，流經(jīng)讀出單元的電流被鏡像到測量鏡像FET上。
另一方面，本發(fā)明涉及一種裝置，包括功率絕緣柵場效應(yīng)晶體管，其具有由主單元絕緣柵控制的主單元和由讀出單元絕緣柵控制的讀出單元；與讀出單元源極相連的鏡像求和節(jié)點；電流吸收場效應(yīng)晶體管(FET)，與鏡像求和節(jié)點相連以在取樣狀態(tài)吸收流經(jīng)讀出單元的電流；可在至少一個取樣狀態(tài)和保持狀態(tài)工作的取樣保持求和節(jié)點放大器，該取樣保持求和節(jié)點放大器具有與鏡像求和節(jié)點相連的放大器輸入和與電流吸收FET的柵極相連的放大器輸出；以及鏡像電流吸收FET的至少一個鏡像FET，求和節(jié)點放大器的輸出與該鏡像FET的柵極相連以控制該鏡像FET，使其在取樣狀態(tài)鏡像流經(jīng)電流吸收FET的電流。
另一個方面，本發(fā)明涉及一種裝置，包括功率絕緣柵場效應(yīng)晶體管，其具有由主單元絕緣柵控制的主單元和由讀出單元絕緣柵控制的讀出單元；與讀出單元相連的反饋取樣保持電路，其設(shè)置成在取樣狀態(tài)工作以讀出流經(jīng)讀出單元的電流，并且具有輸出，該輸出設(shè)置成將讀出單元柵極驅(qū)動向使得目標電流流經(jīng)讀出單元的電壓，并設(shè)置成在保持狀態(tài)工作以保持其輸出電壓和用該輸出電壓驅(qū)動主單元絕緣柵。
另一個方面，本發(fā)明涉及操作場效應(yīng)晶體管的方法，包括提供一種功率場效應(yīng)晶體管，其具有由主單元絕緣柵控制的主單元和由讀出單元絕緣柵控制的讀出單元，以及連接到所述讀出單元的取樣保持電路；切換到至少一個取樣狀態(tài)，其中，取樣保持電路輸出一電壓以驅(qū)動讀出單元而不是主單元，并讀出所述讀出單元電流；切換到保持狀態(tài)，其中，讀出單元電流不被測量；和在取樣和保持狀態(tài)之間循環(huán)。
取樣狀態(tài)的時間和保持狀態(tài)的時間的比可以優(yōu)選地為1∶5-1∶20。
本發(fā)明的實施例將參照附圖僅通過實例的方式描述，附圖中

圖1示出了本發(fā)明的第一實施例的電路圖；圖2示出了本發(fā)明的第二實施例的電路圖；圖3示出了本發(fā)明的第三實施例的電路圖；圖4示出了本發(fā)明的第四實施例的電路圖；圖5示出了本發(fā)明的第五實施例的電路圖；圖6示出了本發(fā)明的第六實施例的電路圖。
圖1示出了本發(fā)明的第一實施例的功能示意圖。
功率MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)被分成獨立的主單元2和讀出單元4，每個都與公共漏極輸出端子8相連，主單元2與公共源極輸出端子6相連。
讀出單元4通過反饋取樣保持電路10與電流吸收器12相連，該特定實施例中，其為電荷泵浦電流吸收器。
反饋取樣保持電路10具有用于從驅(qū)動器18接收時鐘信號的時鐘輸入14，以及用以驅(qū)動主單元和讀出單元2、4的柵極的輸出16。
該系統(tǒng)配置成在兩個狀態(tài)工作，反饋取樣狀態(tài)和保持狀態(tài)(如下所述)，并在它們之間循環(huán)切換。在取樣狀態(tài)，取樣保持電路10用作以特定電流為目標的反饋電路，在保持狀態(tài)，它保持其輸出電壓處于當其被置于保持模式時所處的電平。
通過考慮一個完整的操作循環(huán)可以理解正常操作，假定在主單元2中已經(jīng)存在預(yù)先確立的電流。
在反饋取樣狀態(tài)，取樣保持電路10僅控制讀出單元4的柵極，主單元2的柵極通過主單元柵極電容保持近似恒定電勢。該配置中，取樣保持電路用作控制環(huán)，其目標是使經(jīng)過讀出單元4的電流為預(yù)定目標電流，該預(yù)定目標電流與讀出單元應(yīng)當承載的設(shè)計電流相對應(yīng)。
在所述循環(huán)的反饋取樣狀態(tài)的結(jié)尾，在讀出單元的柵極上建立一電壓，該電壓代表(達到由電路轉(zhuǎn)換和建立穩(wěn)定時間所限制的精度)在讀出單元中建立目標電流所需的電壓。
在保持狀態(tài)，該電壓被施加到主單元2的柵極，并導(dǎo)致相應(yīng)的電流流經(jīng)主單元。選擇目標電流值，使得主單元中的相應(yīng)電流大約等于器件中所需的電流極限。
主單元柵極上的電壓不必在單個保持狀態(tài)期間到達最終值。該電壓僅必須沿正確的方向明顯移動，連續(xù)的保持脈沖將允許該電壓導(dǎo)向到正確的值。這樣，保持狀態(tài)的長度可以比主單元柵極的建立穩(wěn)定時間短。
當電路切換回反饋取樣狀態(tài)時，電路應(yīng)該快速穩(wěn)定并獲得新的電流控制條件?？梢钥闯龅谝唤葡?，取樣精度將累積連續(xù)取樣脈沖以補償短獲取時間。
主單元2的柵極在反饋取樣狀態(tài)沒有相連的事實確保了反饋環(huán)是能相應(yīng)地快速穩(wěn)定的小信號反饋環(huán)。主單元2的柵極具有足夠的電容使得它們的電壓基本維持恒定，這樣保護反饋環(huán)免受各種變化的影響，例如負載的變化。
存在對流經(jīng)單元2、4的電流的限制，該限制由與輸出端子6、8相連的電路決定。在這種情況，取樣保持電路將只確保單元2、4是完全導(dǎo)通的；目標電流是不可到達的。該配置中總電流將小于電流限制，所以它是完全安全的。
圖2更詳細地示出了本發(fā)明的第二實施例。
取樣保持電路包括第一差分取樣保持電壓放大器20，為方便起見，它被稱為第一放大器20，其被連接成驅(qū)動?xùn)艠O驅(qū)動節(jié)點22，該節(jié)點22與讀出單元4的柵極直接相連，并通過第一開關(guān)24與主單元2的柵極相連。第一放大器20的負輸入端與參考電壓源26相連，正輸入端與輸入求和節(jié)點28相連。參考電流源30供給電流到輸入求和節(jié)點28，電流鏡電路32連接于讀出單元4的源極、輸入求和節(jié)點28和電流吸收器12之間。第二開關(guān)34將讀出單元4的源極連接到主單元2的源極以及電源端子6。
電流鏡電路32包括第二差分取樣保持電壓放大器36，為方便起見稱為第二放大器36，其負輸入端與電源端子6相連，其正輸入端與連接到讀出單元4的源極的鏡像求和節(jié)點38相連。鏡像吸收FET 40連接輸入求和節(jié)點28和電流吸收器12，電流吸收FET 42將鏡像求和節(jié)點38連接到電流吸收器12。第二放大器36的輸出被連接成驅(qū)動鏡象FET 40的柵極，并通過第三開關(guān)44驅(qū)動電流吸收FET 42的柵極。第四開關(guān)46將鏡像求和節(jié)點的柵極連接到電流吸收FET 42的源極。
本實施例中的開關(guān)是具有合適選擇規(guī)格(特別是具有適合的開態(tài)電阻)的CMOS型邏輯控制開關(guān)。
放大器20、36在反饋取樣狀態(tài)用作運算放大器，但在保持狀態(tài)，它們利用它們自己的增益實現(xiàn)保持功能以將它們各自的輸出電壓維持在放大器被置于保持模式時所處的電平。
通過考慮一個完整的工作周期可以理解正常操作，假定在主單元2中已經(jīng)存在預(yù)先確立的電流。系統(tǒng)具有兩個基本的工作狀態(tài)，稱為保持和反饋取樣狀態(tài)，它將在幾百KHZ的循環(huán)速率、7/1或15/1的占空比下在這兩個狀態(tài)之間切換。
在保持狀態(tài)，第一、第二和第四開關(guān)閉合，第三開關(guān)斷開。相對于主電源端子6，第一放大器20保持它的輸出為恒定電勢，該恒定電勢由先前的取樣狀態(tài)決定。相對于由負電荷泵浦(即電流吸收器12)提供的電荷泵浦負干線，第二放大器36的輸出保持在恒定電勢，該電壓由先前的“取樣”狀態(tài)定義。
在反饋取樣狀態(tài)，第一、第二、第四開關(guān)斷開，第三開關(guān)閉合。第一放大器20工作以為電流調(diào)節(jié)環(huán)提供增益，該電流調(diào)節(jié)環(huán)設(shè)法將讀出單元中的電流控制到參考電流源30的電流所定義的水平。
該模式下第二放大器36提供增益以將鏡像求和節(jié)點38確立為虛地求和節(jié)點，電流吸收FET 42中的電流將等于讀出單元4中流出的電流。因為第三開關(guān)44閉合并且第四開關(guān)46斷開，電流將設(shè)法將流入鏡像吸收FET 40中的電流“鏡像”為流入電流吸收FET 42中電流的一個成比例的“拷貝”。
輸入求和節(jié)點28還用作虛地，其比較流入鏡像FET 40的電流與從電流源30流出的參考電流Iref，輸入求和節(jié)點28上的電勢將升高、降低以試圖獲得平衡。在取樣模式與第一差分放大器20的開環(huán)增益相乘的該變化的電勢改變了讀出單元4的柵源電壓及其中的電流以試圖在讀出單元4中獲得與Iref相對應(yīng)的目標電流，比例因子由電路配置決定。
有趣和很重要是，主單元2在該控制環(huán)中不直接起作用。這樣讀出單元4在小信號電流控制環(huán)中工作，它們的漏極端子從電壓源驅(qū)動，因而沒有電抗性負載。這種電抗性負載的缺少使得二階增益-相位特性最小化，否則其可能作為感性負載和Miller電容的組合效果發(fā)生。換句話說，作為對控制環(huán)的反應(yīng)，主單元2使讀出單元4免受由負載產(chǎn)生的相位改變。
在所述循環(huán)的取樣狀態(tài)的結(jié)尾，一電壓將在讀出單元4的柵極上確立并在保持模式中保持。首先放大器20、36將切換到保持模式，該模式中它們的輸出被保持。
第一開關(guān)24閉合以將第一放大器輸出電壓施加到主單元2的柵極，這產(chǎn)生了基本等于流經(jīng)FET的所需電流極限的電流，同時漏極條件基本保持不變。第二開關(guān)34閉合以短路第二放大器的輸入。
當電路切換到保持模式時，控制環(huán)中的電壓電平被鎖定，虛地失效。流經(jīng)電流吸收FET 42的電流(必須通過電流吸收器12的電荷泵浦提供)減小到零，使電流吸收器12僅供給流經(jīng)鏡像FET 40的電流。讀出單元電流路經(jīng)第二開關(guān)34。主單元2的柵極與讀出單元4的柵極并聯(lián)連接，它們都由第一放大器20的“鎖定”輸出供給。這段時間內(nèi)電流吸收器12的負載最小化，這允許它的存儲電容器緩慢充電以支持另一個占空比為15∶1的取樣脈沖。
當電路切換回取樣模式時，大多數(shù)節(jié)點電勢保持在它們原先的值，電路應(yīng)該快速穩(wěn)定，并獲得新的電流控制條件?？梢钥闯?，第一近似下，取樣精度將在連續(xù)取樣脈沖上累積以補償短的獲取時間。
使用相同取樣方法，先前電路的一個變型可以用來提供電流測量功能，以促成一個可行的電荷泵浦解決方案。這樣的解決方案可以沒有電流限制功能或以可替代的方式實施的電流限制。
另一個變型可以通過在電流測量和電流限制功能之間的多路傳送連續(xù)取樣脈沖，同時執(zhí)行這兩個功能。這使每個功能的連續(xù)反饋取樣狀態(tài)之間的時間翻倍。
執(zhí)行這樣雙重功能系統(tǒng)的本發(fā)明第三實施例的簡單示意圖在圖3中示出。
測量取樣保持電路50包括連接于電流測量輸出58和電流吸收器12之間的測量FET 52。測量FET 52的柵極通過第五開關(guān)54與電流吸收FET 42的柵極相連。第三取樣保持差分放大器56的輸出與測量FET52的柵極相連，輸入與電源輸出6以及鏡像求和節(jié)點38相連，和第二放大器36一樣。
該電路的工作最好理解為前面電路的延伸。第三實施例的電路中，擠入一個額外的測量取樣狀態(tài)，而電路的電流限制功能部分處于它的保持狀態(tài)。當?shù)谝环糯笃?0和第二放大器36處于保持狀態(tài)時，第一開關(guān)24閉合，第三開關(guān)42斷開，第二和第四開關(guān)34、46可以斷開，第五開關(guān)54閉合。這將第三放大器56配置成控制另一個虛地型電路，使用相同的電流吸收FET 42以供給電流到相同的求和節(jié)點38。該電路中，測量FET 52用作獨立的比例鏡像器件，其傳遞幅度與測量電流成比例的電流。
在其各個取樣脈沖的結(jié)尾，測量取樣保持電路50進入它的保持模式，第二開關(guān)34、第四開關(guān)46和第五開關(guān)54在電流限制功能中的保持循環(huán)中間返回其的原先狀態(tài)。這將在測量FET中維持測量電流直到它的下一個取樣脈沖，在該取樣脈沖它將接納任何新的測量負載電流值。
很明顯，這導(dǎo)致了對于每個完整的系統(tǒng)循環(huán)，全部測量電流由負干線電荷泵浦提供兩個取樣脈沖(反饋取樣脈沖和測量取樣脈沖)，而這將導(dǎo)致電荷泵浦容量要求的增加。另外，在第二和第三實施例中參考電流Iref是連續(xù)流過的。該電流必須從負干線電流吸收電荷泵浦電路12提供，在第三實施例中測量電流還需要被電流吸收電路12吸收。
圖4中闡述了第四實施例，其具有與圖3中實施例相似的功能，但是解決了上述問題中的一些。
設(shè)計中，測量FET 52的柵極直接與公共節(jié)點61相連，該節(jié)點還與鏡像FET 40以及電流吸收FET 42的柵極直接相連。這樣，第五開關(guān)54和第三放大器56被省略。在第二放大器36的輸出端和公共節(jié)點61之間提供第六開關(guān)62(對應(yīng)于前面描述的實施例的第三開關(guān))。在第一放大器20的差分輸入端提供背對背二極管60。
電流源30流出的參考電流Iref是脈沖的，它僅在反饋取樣狀態(tài)流出。鏡像FET 40僅在反饋取樣狀態(tài)導(dǎo)通，第一放大器20的+ve輸入的大的漂移被背對背箝位二極管60限制。鏡像FET 40和測量FET 52現(xiàn)在連續(xù)地鏡像電流吸收FET 42中的電流。電流測量輸出58現(xiàn)在具有三個狀態(tài)，一個代表設(shè)置電流極限，另一個代表真實測量電流，第三個代表“關(guān)斷”。感興趣的脈沖一一電流測量信號，必須被單獨的取樣/保持功能捕獲。
含有第六開關(guān)62使得允許電流吸收FET 42、鏡像FET 40和測量FET 52組成的鏡像組中的電流在保持狀態(tài)調(diào)整到零，同時在第二放大器36的保持存儲器中保留原先的操作狀態(tài)。在該新的配置中，圍繞第二放大器36配置的單虛地電路，在連續(xù)取樣脈沖上提供測量和電流極限虛地功能。第一放大器20和第一、第二開關(guān)24、34的功能與圖3中的配置相同。
圖4的配置特別有趣，因為，僅使用一點點附加電路，7或15取樣脈沖持續(xù)時間的長“保持”狀態(tài)就能很容易用來使第二放大器36使用其自己的環(huán)增益和自動歸零電路63自動歸零。這些技術(shù)對本技術(shù)領(lǐng)域設(shè)計者來說是熟知的。在放大器自動歸零完成后，在下一個取樣脈沖之前放大器應(yīng)當仍然有時間來重新獲取其“保持”狀態(tài)。
這種簡單的擴展解決了從具有很低開態(tài)電壓降(常在冷運行應(yīng)用中出現(xiàn))的虛地電路獲得足夠精度的很多問題。這種錯誤的出現(xiàn)是因為用于執(zhí)行虛地功能的放大器的輸入偏差與開態(tài)電壓降(特別是低電流水平時的電壓降)相比變得很顯著。將平衡的、電荷注入抵消技術(shù)用于自動歸零，有效輸入偏差可以從mV水平減小一個或兩個數(shù)量級。
兩個另外的實施例在圖5和圖6中公開。圖1到4的實施例涉及電流限制功率器件，這是在半導(dǎo)體功率器件在出錯狀態(tài)下的峰值耗散的一種方法。另一方面，圖5和6涉及具有電流測量電路的功率器件。這種功率器件能夠用在電流跳閘方法中，其中，可以進行精確的電流測量，并且無論何時如果電流超過預(yù)定最大值(可以是預(yù)設(shè)的或用戶確定的)，則將該器件閉鎖。在這種情況下，不是通過使用反饋控制環(huán)，而是通過選擇在其跳閘前允許的最大電流值，包含了耗散，使得器件開態(tài)電阻包含允許的電壓。
圖5和圖6相應(yīng)地示出了用于電流跳閘電路的受保護的功率器件中的電路。它們對應(yīng)于圖3和圖4的電路，只是省略了驅(qū)動第一差分取樣保持放大器20的反饋環(huán)。第一和第三開關(guān)24、44相應(yīng)地省略，前者被差分放大器20和主單元2柵極之間的永久連接代替。甚至在這些實施例中在缺少第一和第三開關(guān)的情況下，保留的第二、第四、第五和第六開關(guān)將使用與上述一致的術(shù)語描述。
該電路的工作與圖3和圖4中的電路相同，只是反饋取樣狀態(tài)被省略。這里保留了測量取樣狀態(tài)(其中，測量電流被鏡像到測量輸出端子58)和保持狀態(tài)。
圖5的電路中，第四開關(guān)46斷開，第五開關(guān)54閉合以建立具有虛地電路的測量取樣狀態(tài)，其中節(jié)點38用作虛地，取樣保持放大器56的輸出端上的電壓驅(qū)動電流吸收FET 42以吸收來自讀出單元的電流。這驅(qū)動測量FET 52的柵極上的電壓以吸收流經(jīng)端子58的相同電流。在保持狀態(tài)，第五開關(guān)54斷開，第二和第四開關(guān)閉合以繼續(xù)吸收流過測量FET 52的測量電流。
同樣地，在圖6的電路中，在測量取樣狀態(tài)第二開關(guān)34和第四開關(guān)46斷開，第六開關(guān)62閉合。第二差分放大器36在節(jié)點38虛地的條件下工作，以獲得這樣的條件測量FET 52吸收流經(jīng)端子58的與讀出單元電流匹配的電流。該電流僅在測量取樣狀態(tài)流過。在正常的保持狀態(tài)，第二開關(guān)34和第四開關(guān)46閉合，第六開關(guān)62斷開。和圖4的配置一樣，第二差分放大器36可以在保持狀態(tài)自動歸零。
盡管圖5和圖6的電路是為電流跳閘操作特別設(shè)計的，應(yīng)當理解的是，根據(jù)圖1到圖4的電路也可以在該模式下工作，特別是圖3和圖4中的具有集成測量線路的電路。
通過閱讀本公開內(nèi)容，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說其他變型和修改是顯而易見的。這些變型和修改可以包括在半導(dǎo)體器件的設(shè)計、制造和使用中已經(jīng)眾所周知的等價的和其他特性，這些特性可補充或替代這里描述的特性。盡管權(quán)利要求已經(jīng)在本發(fā)明中規(guī)定成特定的特征組合，但需要理解的是公開的范圍還包括這里明確地或不明確地或廣義地描述的任何新穎特征和任何新穎特征的組合，而不論它是否和本發(fā)明一樣減輕了一個或所有的相同技術(shù)問題。這里申請人提醒，在本申請和從此衍生的任意進一步申請的訴訟過程中，新的權(quán)利要求可以被規(guī)定成任何這樣的特征和/和這些特征的組合。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括功率絕緣柵場效應(yīng)晶體管，具有由主單元絕緣柵控制的主單元(2)和由讀出單元絕緣柵控制的讀出單元(4)；取樣保持電路(10，50)，與讀出單元(4)串聯(lián)連接并且設(shè)置成在多個狀態(tài)下工作，所述多個狀態(tài)包括至少一個取樣狀態(tài)和保持狀態(tài)；其中，取樣保持電路(10，50)設(shè)置成在至少一個取樣狀態(tài)而不是在保持狀態(tài)讀出流經(jīng)讀出單元(4)的電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中取樣保持電路(10)是與讀出單元(4)相連的反饋取樣保持電路，并且設(shè)置成在取樣狀態(tài)工作以讀出流經(jīng)讀出單元的電流，并具有輸出(22)，該輸出(22)設(shè)置成將讀出單元(4)的柵極向使得目標電流流過讀出單元(4)的電壓驅(qū)動，并在保持狀態(tài)工作以保持其輸出電壓，而且用此輸出電壓驅(qū)動主單元(2)的絕緣柵。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，反饋取樣保持電路的輸出(16)與柵極驅(qū)動節(jié)點(22)相連，該柵極驅(qū)動節(jié)點(22)與讀出單元(4)的絕緣柵相連，并通過第一開關(guān)(24)與主單元(2)的絕緣柵相連，第一開關(guān)(24)在取樣狀態(tài)保持斷開以使得主單元(2)的絕緣柵與柵極驅(qū)動節(jié)點(22)隔離，并且在保持狀態(tài)閉合以從柵極驅(qū)動節(jié)點(22)驅(qū)動主單元(2)的絕緣柵。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中，反饋取樣保持電路包括被連接成驅(qū)動?xùn)艠O驅(qū)動節(jié)點(22)的取樣保持電壓放大器(20)；與該電壓放大器(20)的輸入相連的輸入求和節(jié)點(28)；為輸入求和節(jié)點(28)提供參考電流的電流源(30)；和與輸入求和節(jié)點(28)相連的電流鏡電路(32)，該電流鏡電路(32)在取樣狀態(tài)中設(shè)置成從輸入求和節(jié)點(28)傳遞鏡像電流，所述節(jié)點(28)鏡像了流經(jīng)讀出單元(4)的電流；其中，電流鏡電路(32)和取樣保持電壓放大器(20)在取樣狀態(tài)用作反饋環(huán)，以試圖將柵極驅(qū)動節(jié)點(22)向使得目標電流與流經(jīng)讀出單元(4)的參考電流相匹配的電壓驅(qū)動。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，包括源極和漏極輸出端子(6，8)，主單元(2)連接在源極和漏極輸出端子(6，8)之間；和第二開關(guān)(34)，連接于讀出單元(4)與源極或漏極輸出端子(6，8)中的一個之間，該電路設(shè)置成在取樣模式斷開第二開關(guān)(34)，且在保持狀態(tài)閉合第二開關(guān)(34)，以在保持模式提供電流流經(jīng)讀出單元(4)而不流經(jīng)電流鏡電路(32)的電流通路。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的裝置，其中，電流鏡包括與讀出單元的源極相連的鏡像求和節(jié)點(38)；電流吸收場效應(yīng)晶體管(FET)(42)，與鏡像求和節(jié)點(38)相連以在取樣狀態(tài)吸收流經(jīng)讀出單元(4)的電流；求和節(jié)點放大器(36)，放大器輸入與鏡像求和節(jié)點(38)相連，放大器的輸出通過第三開關(guān)(44，62)與電流吸收FET(42)的柵極相連，第三開關(guān)(44，62)在該取樣狀態(tài)或每個取樣狀態(tài)閉合。鏡像電流吸收FET(42)的電流鏡FET(40)，求和節(jié)點放大器(36)的輸出與電流鏡FET(40)的柵極相連以控制電流鏡FET(40)來鏡像流經(jīng)電流吸收FET(42)的電流。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，進一步包括第四開關(guān)(46)，其與電流吸收FET(42)的柵極相連以在保持模式關(guān)斷電流吸收FET(42)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的裝置，進一步包括測量取樣保持電路(50)，其包括與電流吸收FET(42)相連的測量鏡像FET(52)，測量鏡像FET(52)與鏡像電流輸出端子(58)相連，測量取樣保持電路(50)設(shè)置成在測量取樣狀態(tài)工作，同時第二開關(guān)(34)斷開以將流經(jīng)電流吸收FET(42)的電流鏡像到測量鏡像FET(52)上。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的裝置，其中電流源是脈沖的，從而僅在該取樣狀態(tài)或每個取樣狀態(tài)工作；在求和節(jié)點放大器(36)和公共節(jié)點(61)之間提供第三開關(guān)(62)；和鏡像FET(40)和電流吸收FET(52)的柵極與公共節(jié)點(61)相連；所述裝置進一步包括自動歸零電路(63)，以在保持狀態(tài)期間使求和節(jié)點放大器(36)歸零。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，進一步包括測量鏡像FET(52)，其具有與公共節(jié)點(61)相連的柵極，其中，該電路設(shè)置成具有測量保持狀態(tài)，該狀態(tài)中第二開關(guān)(34)斷開，且流經(jīng)讀出單元的電流被鏡像到測量鏡像FET(52)上。
11.根據(jù)權(quán)利要求3到10的任何一個所述的裝置，進一步包括與電流鏡電路相連的電荷泵浦電流吸收器以吸收流經(jīng)該電流鏡的電流。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，取樣保持電路包括電流鏡電路，該電流鏡電路包括與讀出單元的源極相連的鏡像求和節(jié)點(38)；電流吸收場效應(yīng)晶體管(FET)(42)，與該求和節(jié)點相連以在該取樣模式或每個取樣模式吸收流經(jīng)讀出單元的電流；求和節(jié)點取樣保持放大器(36，56)，放大器的輸入與鏡像求和節(jié)點(38)相連，放大器的輸出通過第三開關(guān)(44、56、62)與電流吸收FET(42)的柵極相連，該第三開關(guān)(44、56、62)在至少一個取樣狀態(tài)閉合以控制該電流吸收器；和鏡像電流吸收FET的至少一個鏡像FET，求和節(jié)點放大器的輸出與該鏡像FET的柵極相連，以在一個取樣狀態(tài)控制該鏡像FET來將流經(jīng)電流吸收FET中的電流鏡像到該鏡像FET中。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中，所述至少一個鏡像FET包括與測量輸出端子(58)相連的測量鏡像FET(52)，并且所述至少一個取樣狀態(tài)包括測量取樣狀態(tài)，其中讀出單元上的電流被鏡像到測量輸出端子(58)上。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的裝置，其中，所述至少一個鏡像FET包括與反饋取樣保持放大器(20)相連的電流鏡FET(40)，該反饋取樣保持放大器(20)在保持模式中連接成驅(qū)動讀出單元(4)的柵極，并通過第一開關(guān)(24)連接成驅(qū)動主單元的柵極。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，進一步包括電流源(30)，為電壓驅(qū)動節(jié)點(28)供給電流，該電壓驅(qū)動節(jié)點(28)與反饋取樣保持放大器(20)的輸入相連，該電壓驅(qū)動節(jié)點(28)通過電流鏡FET(40)與電流吸收器(12)相連。
16.根據(jù)前面任何一個權(quán)利要求所述的裝置，進一步包括控制電路，其連接成以一定的占空比控制該開關(guān)或該多個開關(guān)在取樣和保持模式之間循環(huán)，其中，取樣模式的時間和保持模式的時間的比為1∶5到1∶50。
17.一種操作場效應(yīng)晶體管的方法，包括提供功率場效應(yīng)晶體管，其具有由主單元絕緣柵控制的主單元(2)和由讀出單元絕緣柵控制的讀出單元(4)，以及與讀出單元相連的取樣保持電路(10，50)。切換到至少一個取樣狀態(tài)，其中，取樣保持電路輸出一個電壓以驅(qū)動讀出單元而不是主單元，并讀出讀出單元電流；切換到保持狀態(tài)，其中，讀出單元電流不被測量；和在取樣和保持狀態(tài)之間循環(huán)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的操作場效應(yīng)晶體管的方法，其中，取樣保持電路是與讀出單元(4)相連的反饋取樣保持電路(10，50)；在反饋取樣狀態(tài)中，反饋取樣保持電路(10，50)輸出一個電壓以驅(qū)動讀出單元(4)而不是主單元(2)，該反饋取樣保持電路輸出電壓被驅(qū)動向使得預(yù)定目標電流流經(jīng)讀出單元(4)的電壓；和在保持狀態(tài)中，反饋取樣保持電路的輸出電壓保持恒定，并用此電壓來驅(qū)動主單元絕緣柵(2)。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的操作場效應(yīng)晶體管的方法，其中在測量取樣狀態(tài)中，取樣保持電路(50)在測量輸出端子(58)輸出電流，所述電流對應(yīng)于流經(jīng)讀出單元的電流。
20.根據(jù)權(quán)利要求17到19中任何一個所述的方法，其中，該至少一個取樣狀態(tài)的時間和保持狀態(tài)的時間的比為1∶5到1∶20。
全文摘要
一種功率絕緣柵場效應(yīng)晶體管，具有由主單元絕緣柵控制的主單元(2)和由讀出單元絕緣柵控制的讀出單元(4)。取樣保持電路(10，50)設(shè)置成在多個狀態(tài)工作以在至少一個取樣狀態(tài)而不是保持狀態(tài)讀出流經(jīng)讀出單元(4)的電流，其中所述多個狀態(tài)包括至少一個取樣狀態(tài)和保持狀態(tài)。取樣狀態(tài)可用在反饋環(huán)中以控制驅(qū)動放大器(20)，和/或用于將讀出單元(4)中的電流鏡像到測量輸出端子(58)上，該驅(qū)動放大器(20)驅(qū)動主單元和讀出單元(2，4)的柵極。
文檔編號H03K17/08GK1774865SQ200480010123
公開日2006年5月17日 申請日期2004年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月16日
發(fā)明者R·J·巴克 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司