[发明专利]导电率调制型MOS场效应管的过电流保护电路

说明书

本发明涉及对导电率调制型金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）的过电流保护电路。

导电率调制型MOSFET是一种具有MOS栅极输入的金属氧化物半导体场效应晶体管。它以双极性方式工作并具有如开关速度快及低导通（饱和）电压的一些优越性能。这使得它可能对大功率高频进行控制，从而完全有可能制造出各种体积小而成本低的各种装置。目前，使用常规的双极性的（双极型）晶体管或金属氧化物场效应晶体管，还不能实现对大功率高频进行控制。下面，把上面所述的导电率调制型金属氧化物场效应管简称为BIFET（双极型场效应管）

图1表示BIFET的一种基本的斩波电路，其中编号1表示BIFET。在图1中，BIFET1的导通和断开控制着从直流电源2向负载3输送的电能。而BIFET1的导通和断开是受产生栅极信号的电路50控制的，电路50具有栅极电源4，5和双极性晶体管6到9。栅极电源4是向BIFET1的栅极其供给正电压，栅极电源5是向BIFET1的栅极供给负电压，双极性的晶体管6到9则放大在控制信号输入端10接收到的控制信号。当产生栅极信号的电路50的控制信号输入端10接收到一个正信号时，晶体管6和7就导通，从栅极电源4通过输出端11向BIFET1的栅极提供一个正电压，因此使双极型场效应晶体管1导通。当控制信号输入端10接收到一个负信号时，晶体管8和9导通，从栅极电源5通过输出端11向BIFET1的栅极提供一负电压，因此使BIFET1截止。

图2是阐明BIFET的漏极电压V_D和漏极电流I_D两者之间特性的一例的曲线图。如图所示，当工作于较高的栅极电压V_G时BIFET的导通电压就变得较低，因此能够减少电能的损失。

在图1中，当负载3内发生短路事故时，BIFET1的漏极和源极之间的电压就上升到等于直流电源2的电压。结果在BIFET1内的电能损失就变得非常大，因此可能造成BIFET1的损坏。如果考虑到在负载3内这种事故的发生，BIFET1以较低的栅极电压工作，从图4可见，BIFET1的导通电压就变得较高，因此在导通状态下，BIFET内的电能损失就会变得较大。

为了解决上述提出的问题，就出现了一种如图3所示的过电流保护电路。在图3中，在BIFET1的漏极和源极之间串联了电阻12和13，源极和漏极之间电阻13两端的电压被检测。在BIFET1的源极和栅极之间串联电阻41和晶体管42，而晶体管42的基极通过一齐纳二极管43接到电阻13电压较高的一端。BIFET1的栅极通过电阻44连接到产生栅极信号电路50的输出端11。

在操作中，当负载3内发生短路事故引起过电流流过BIFET1时，BIFET的导通电压就上升。这种导通电压被电阻12和13所分压，而当电阻13两端的电压超过齐纳二极管43的齐纳电压值时，就有电流流入晶体管42的基极。这就使晶体管42导通以致栅极电源4的电压变成由电阻41和44所分压，从而使栅极电压降低。例如，假设栅极电源的电压是15V，电阻41和44都是50Ω，当在正常情况下操作时，BIFET1的栅电压是15V，然而，在负载3内发生短路事故以后，上述栅电压就降低到7.5V，因此流过BIFET1的电流就可以减小。另一方面，当BIFET1在负载3处在正常状态下导通时，在它的最初导通期间有几十个毫微秒的延迟时间。因此，从一个正栅极电压施加到BIFET1的栅极上一瞬间的几十毫微秒期间，直流电源2的电压就施加于BIFET1的漏极和源极之间，在此期间，电流流入晶体管42的基极，以致BIFET1的栅电压变成较低的值。然而随着时间进展，BIFET1的导通电压逐渐下降，最终达到只有几伏。在这瞬间电阻13两端的电压如果变得比齐纳二极管43的齐纳电压低的话，晶体管42变成截止，而BIFET1的栅电压上升到等于栅极电源4的电压，以致BIFET1能够在它的导通电压变成足够的低的情况下工作。

图4是表明由于过电流流过而损坏BIFET时的情况下，BIFET的漏极电流I_D（最大）和漏极-源极电压V_D之间关系的曲线图。在图4中，影线部分是BIFET的损坏区域。由这曲线图可看出，I_D（最大）与V_D成反比例，特别地，当BIFET应用在高压电路时，过电流要减得尽可能的低就变得很重要。为了达到这一点，有必要限制BIFET的栅电压或者低于阈电压Vth（使BIFET到达导通状态的最小栅电压）以便中止电流，或者，要低于大约Vth⁺3V以便有效地减少实质上流动的电流。