专利名称：高压器件及高压晶体管的过压保护方法
技术领域：
本发明涉及高压半导体器件，尤其涉及具有过压保护功能的高压器件以及高压晶体管的过压保护方法。
背景技术：
高压晶体管作为开关器件，被广泛使用在工业电子和消费类电子领域内的电源中(例如AC/DC变换器)。这些应用场合的输入电压通常非常高，例如500V 1000V。因此，高压晶体管需要具有较高的击穿电压来承受如此高的输入电压。大多数高压晶体管被设计为垂直型器件，其电流方向为流进半导体衬底， 即电流方向与半导体衬底所在的平面垂直。这种结构可在给定的击穿电压下获得较小的导通电阻以及良好的功率处理能力。然而，许多高压晶体管仍被设计为横向型器件，即电流方向与半导体衬底所在的平面平行，这是因为横向型高压晶体管通常可采用与低压器件相似的制作步骤来制作，从而允许将高压和低压器件集成在一起以实现功率集成的目的。传统的横向高压晶体管的一个缺点是不能承受大的雪崩电流，例如，因局部击穿引起的雪崩电流。该局部击穿常常发生于电场最高的位置。这一缺点使得横向高压晶体管在过压情况下失缺乏自我保护的能力，因此需要一种包括高压晶体管与集成的高压保护电路的高压器件，以防止高压晶体管在过压时损坏。
发明内容
针对现有技术中的一个或多个问题，本发明的一个目的是提供一种具有过压保护功能的高压器件以及高压晶体管的过压保护方法。为解决上述技术问题，在本发明的一个方面，提供一种高压器件，包括高压晶体管，具有漏极、栅极和源极；以及过压保护电路，耦接在高压晶体管的漏极和源极之间，监测高压晶体管两端的电压以判断高压晶体管是否过压，并在检测到过压时提供第一电信号至高压晶体管的栅极以导通高压晶体管。在本发明的另一个方面，提供一种高压器件，包括高压晶体管，具有第一端，第二端和控制端；以及用于监测高压晶体管两端的电压以检测是否发生过压的构件；用于根据高压晶体管两端电压产生第一电信号至高压晶体管控制端的构件，其中当过压发生时，第一电信号导通高压晶体管，当没有发生过压时，第一电信号关断高压晶体管。本发明还提供一种高压晶体管的过压保护方法，包括监测高压晶体管两端的电压以检测是否发生过压；在发生过压时导通高压晶体管；以及在未发生过压时关断高压晶体管。根据本发明实施例的高压器件及用于高压晶体管的过压保护方法，当高压晶体管处于过压状态时控制高压晶体管导通，保护高压晶体管不被损坏。
结合以下附图阅读本发明实施例的详细描述可以更好地理解本发明。应理解，附图的特征不是按比例绘制的，而是示意性的。图I是根据本发明一实施例的包括高压晶体管和集成的过压保护电路的高压器件100的框 图2是根据本发明一实施例的包括高压晶体管和集成的过压保护电路的高压器件的电路原理 图3是根据本发明一实施例的高压晶体管的过压保护方法的流程图。
具体实施方式
下面参照附图描述本发明的各实施例。为了更好地理解本发明，在下面的描述中给出了一些具体的细节，例如示例电路以及这些示例电路中元器件的示例值。本领域的技术人员应理解，缺少一个或多个具体细节，或者增加其他的方法、元件或者材料等，本发明同样可以实施。此外，为了清楚地阐述本发明，在本发明的描述中省去了一些公知的结构、材料或步骤的详细描述以及示意图。此外，本文所称“耦接”的是指以电或者非电的形式直接或间接连接。本发明公开了一种高压器件，该高压器件包括高压晶体管和集成的过压保护电路，其中过压保护电路监测高压晶体管两端的电压，以判断是否发生过压。一旦监测到高压晶体管发生过压，过压保护电路将导通高压晶体管。过压发生时，高压晶体管两端被允许的电压低于击穿电压。这种情况下，当高压晶体管处于过压状态时高压晶体管被导通，这样高压晶体管是在导通状态通过其沟道来消耗过压产生的功率，而不是在关断状态通过雪崩电流来消耗功率。关断状态的雪崩电流趋于非均匀分布，集中在高压晶体管附近的一个很小的高电场区域内。与关断状态的雪崩电流相比，导通状态的电流更均匀地分布于高压晶体管的整个区域。由于电流分布更均匀，因此在过压状态时，与传统的器件相比，集成有过压保护电路的高压器件可以处理更大的电流以及更大的功率。这可以提高功率晶体管的未箝位电感性开关转换(Unclamped Inductive Switching, UIS)能力，并使高压晶体管获得更高的静电放电(Electro-Static discharge, ESD)等级。在一个实施例中，高压器件包括具有漏极、源极和栅极的高压晶体管。过压保护电路耦接在高压晶体管的漏极和源极之间，监测高压晶体管两端的电压以判断高压晶体管的过压情况。当检测到过压时，过压保护电路为高压晶体管的栅极提供第一电信号以导通高压开关管。在另一个实施例中，高压器件包括高压晶体管和用于检测高压晶体管是否发生过压的构件。其中高压晶体管具有第一端、第二端和控制端。该高压器件还包括用于产生反映高压晶体管两端电压的第一电信号至高压晶体管的控制端的构件。当发生过压时，第一电信号导通高压晶体管；当没有发生过压时，第一电信号关断高压晶体管。在又一个实施例中，高压晶体管的过压保护方法包括监测高压晶体管两端的电压以判断高压晶体管是否发生过压；当发生过压时，导通高压晶体管；当没有过压发生时，关断闻压晶体管。为了方便说明，本发明使用N沟道横向高压晶体管来说明高压器件的结构以及工作原理。本领域的技术人员应当理解，这些实施例并不是要限制本发明，P沟道横向高压晶体管、N沟道或P沟道垂直高压晶体管以及其他类型合适的高压器件同样也适用于本发明。图I是根据本发明一实施例的包括高压晶体管和集成的过压保护电路的高压器件100的框图。高压器件100包括高压晶体管101和过压保护电路103。在一个实施例中，高压晶体管101具有漏极、源极和栅极。过压保护电路103监测高压晶体管101两端的电压，即高压晶体管101漏极和源极之间的电压差，以判断高压晶体管101是否过压。过压保护电路103还将表示过压状态的第一电信号提供至高压晶体管101的栅极，以在过压发生时将高压晶体管101导通。在一个实施例中，过压保护电路103包括电压检测电路和过压判断电路。过压检测电路监测高压晶体管101两端的电压，并产生表示高压晶体管101两端电压的第二电信号。过压判断电路接收第二电信号，并将第二电信号与目标阈值相比较以产生第一电信号。当第二电信号高于过压阈值时，第一电信号导通高压晶体管；当第二电信号低于过压阈值时，第一电信号关断高压晶体管。
在一个实施例中，过压阈值包括第一过压阈值和第二过压阈值。当第二电信号高于第一过压阈值时，第一电信号导通高压晶体管；当第二电信号低于第二过压阈值时，第一电f目号关断闻压晶体管。在图I所示的实施例中，高压晶体管101包括N沟道高压晶体管。高压晶体管101具有漏极、源极和栅极，其中漏极耦接至输入电源Vin，源极连接至地，栅极耦接至过压保护电路103。过压保护电路103监测高压晶体管101的漏极电压VD，产生表示过压情况发生的第一电信号VG并将其提供至高压晶体管101的栅极。在一个实施例中，过压保护电路103监测漏极电压VD并产生表示漏极电压VD的第二电信号。过压保护电路103将第二电信号与目标阈值Vqv相比较,产生第一电信号VG。在一个实施例中，过压阈值Vw包括第一过压阈值Vwi和第二过压阈值VW2。当过压保护电路103检测到第二电信号大于第一过压阈值Vwi时,第一电信号VG控制高压晶体管101导通。然后，处于导通状态的高压晶体管101从输入电源Vin放电，漏极电压VD降低。当过压保护电路103检测到漏极电压VD下降到一定水平，使得第二电信号小于第二过压阈值Vw2时，第一电信号VG控制高压晶体管101关断。在一个实施例中，第一过压阈值Vwi和第二过压阈值Vw2相等，这样无论漏极电压升高还是下降，高压晶体管101在同一漏极电压被导通或者关断。在另一个实施例中，第一过压阈值Vwi高于第二过压阈值Vw2以提供滞环。根据本发明的各种实施例，过压保护电路103可包括能够承受输入电源Vin的高电压，检测高压晶体管101两端的电压并根据检测的电压产生高压晶体管101的栅极控制信号的合适电路。当高压晶体管101两端的电压高于第一阈值电压时，控制信号控制高压晶体管101导通；当高压晶体管两端的电压低于第二阈值电压时，控制信号控制高压晶体管101关断。图2是根据本发明一实施例的包括高压晶体管和集成的过压保护电路的高压器件的电路原理图。在图2所示的实施例中，过压保护电路103包括过压检测电路202和过压判断电路204。过压检测电路202耦接于高压晶体管101的漏极和源极之间。过压检测电路202监测高压晶体管101的漏极电压VD，并产生反映漏极电压VD的第二电信号Vl。第二电信号Vl被提供给过压判断电路204。
在一个实施例中，过压检测电路202包括电阻分压器，该电阻分压器包括串联耦接在高压晶体管101漏极和源极之间的第一电阻器Rl和第二电阻器R2。第二电阻器R2两端的电压即为第二电信号VI。在一些实施例中，选择阻值较大的第一电阻器Rl和第二电阻器R2来限制正常工作(S卩非过压状态)时自输入电源Vin抽取的电流。在其它实施例中，高压晶体管可被使用于过压检测电路202中，例如，可采用常态导通的高压晶体管来代替第一电阻器R1。在一个实施例中，常态导通高压晶体管包括结型场效应晶体管(JFET)或者耗尽型金属半导体氧化物场效应晶体管(M0SFET)。如图2所示，过压判断电路204耦接在输入电源Vin和地GND之间。过压判断电路204接收第二电信号VI，并将第二电信号Vl同一个或者多个阈值电压比较以输出第一电信号VG至高压晶体管101的栅极。在一个实施例中，过压判断电路204包括常态导通的高压晶体管206，过压判断电路204由高压晶体管101的漏极电压VD来“自供电”，这样不仅不需要另外的电源，而且当只有Vin供电(静电释放ESD)时，过压保护电路204仍可工作。
过压判断电路204还包括经过常态导通高压晶体管206由输入电源Vin供电的有源电路。在图2所示的实施例中，有源电路包括第一常态导通低压晶体管208，常态关断低压晶体管210和第二常态导通低压晶体管212。在一个实施例中，常态导通高压晶体管206包括高压结型场效应晶体管(HVJFET)，第一常态导通低压晶体管208包括低压P沟道金属半导体氧化物场效应晶体管(LVPM0S)，常态关断低压晶体管210包括低压N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(LVNM0S)，第二常态导通低压晶体管212包括低压N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(LVNM0S)。在图2所示的实施例中，常态导通的高压晶体管206的漏极耦接至输入电源Vin或者高压晶体管101的漏极，栅极耦接至地，源极耦接至第一常态导通低压晶体管208的源极以及第二常态导通低压晶体管212的漏极以形成输出节点2040。第一常态导通低压晶体管208的栅极连接至地，漏极耦接至常态关断低压晶体管210的漏极和第二常态导通低压晶体管212的栅极，这样第一常态导通低压晶体管208能够为第二常态导通晶体管212的栅极提供基本连续的上拉电流(Pull-up current)。常态关断低压晶体管210的源极和第二常态导通低压晶体管212的源极均连接至地GND。常态关断低压晶体管210的栅极耦接至电压检测电路202以接收第二电信号VI。输出节点2040耦接至高压晶体管101的栅极。在一个实施例中，常态关断低压晶体管210具有导通阈值电压VTH。选择电阻分压器中第一电阻器Rl与第二电阻器R2的比值，使得在高压晶体管101的漏极电压VD高于目标过压阈值时，第二电信号Vl基本上等于常态关断低压晶体管210的导通阈值电压Vth。在高压器件工作中，当第二电信号Vl大于第一常态关断低压晶体管210的阈值电压Vth (即高压晶体管101的漏极电压VD大于目标过压阈值)时，第一常态关断低压晶体管210被导通。这样第二常态导通低压晶体管212的栅极被拉低，第二常态导通低压晶体管212被关断。随着第二常态导通低压晶体管212被关断，输入电源Vin通过常态导通高压晶体管206提供电流为高压晶体管101的栅极充电，直至第一电信号VG导通高压晶体管101。然后处于导通状态的高压晶体管101促使来自输入电源Vin的电流流向地，直到高压晶体管101的漏极电压VD下降至目标过压阈值之下。当高压晶体管101的漏极电压VD下降至目标过压阈值之下时，过压检测电路202的第二电信号Vl小于常态关断低压晶体管210的导通阈值电压Vth，常态关断低压晶体管210关断。因此，流过第一常态导通低压晶体管208的电流为第二常态导通低压晶体管212的栅极充电，再次导通第二常态常态导通低压晶体管212。伴随着第二常态导通低压晶体管212的导通，高压晶体管101的栅极被放电，第一电信号VG减小。当第一电信号VG足够低时闻压晶体管101关断。图2中的电路只给出单个过压阈值Vth，然而，本发明的其他实施例可以包括另外的电路，以提供两个不同的过压阈值，即漏极电压上升阈值和漏极电压下降阈值，在这两个阈值间存在滞环。在其他的实施例中，本发明的实施例电路包括用以提供三个、四个和/或其它合适数量过压阈值的电路。在一个实施例中，为高压晶体管101的栅极充电期间，栅极最大电压通常受常态导通高压晶体管206的夹断电压(即图2中高压JFET的夹断电压)限制。在一个实施例中，该最大电压被箝位电路(例如耦接在输出节点2040和地之间的齐纳二极管，未画出)箝位。在一个实施例中，高压晶体管101包括位于该晶体管漂移区之上的螺旋聚合场板，螺旋聚合场板包括电阻器，该电阻器用于形成电压检测电路202中的电阻分压器。在其它实施例 中，高压晶体管101还可包括其他合适的结构。根据本发明的一个实施例，高压器件包括具有第一端、第二端以及控制端的高压晶体管、用于监测高压晶体管两端的电压以判断是否发生过压的构件以及用于根据高压晶体管两端的电压产生至高压晶体管控制端的第一电信号的构件。当发生过压时，第一电信号导通高压晶体管；当没有发生过压时，第一电信号关断高压晶体管。在一个实施例中，当闻压晶体管导通时，闻压晶体管的电流从第一端流到第_.端;当闻压晶体管关断时，闻压晶体管中没有电流。在一个实施例中，用于监测高压晶体管电压的构件包括分压器，该分压器用于产生表示高压晶体管过压状态的第二电信号；用于产生第一电信号的构件包括用于将第二电信号与过压阈值相比较以产生第一电信号的构件。当第二电信号高于过压阈值时，第一电信号导通高压晶体管，当第二电信号低于过压阈值时，第一电信号关断高压晶体管。在其它实施例中，用于监测高压晶体管电压的构件和用于产生第一电信号的构件可分别包括其他合适的电路和/或结构。在一个实施例中，过压阈值包括第一过压阈值和第二过压阈值。当第二电信号高于第一过压阈值时，第一电信号导通高压晶体管；当第二电信号低于第二过压阈值时，第一电信号关断高压晶体管。在一个实施例中，产生第一电信号的构件进一步包括耦接至高压晶体管第一端的常态导通高压晶体管，其中常态导通高压晶体管提供来自高压晶体管第一端的电流以为产生第一电信号的构件供电。在一个实施例中，高压晶体管包括N型或P型高压晶体管。图3是根据本发明一实施例的表示高压晶体管的过压保护方法的流程图。该过压保护方法包括步骤301 303。在步骤301，监测高压晶体管两端的电压以判断是否发生过压；
在步骤302，当发生过压时导通高压晶体管；
在步骤303，当没有发生过压时，关断高压晶体管。在一个实施例中，步骤301进一步包括检测高压晶体管两端的电压以提供表示高压晶体管电压的电信号；比较该电信号与第一过压阈值，当电信号高于第一过压阈值时表不发生过压；比较该电信号与第二过压阈值，当电信号低于第二过压阈值时表不没有过压。 上述本发明的说明书和实施仅仅以示例性的方式对本发明进行了说明，这些实施 例不是完全详尽的，并不用于限定本发明的范围。对于公开的实施例进行变化和修改都是可能的，其他可行的选择性实施例和对实施例中元件的等同变化可以被本技术领域的普通技术人员所了解。本发明所公开的实施例的其他变化和修改并不超出本发明的精神和保护范围。
权利要求
1.一种高压器件，包括 高压晶体管，具有漏极、栅极和源极；以及 过压保护电路，耦接在高压晶体管的漏极和源极之间，监测高压晶体管两端的电压以判断高压晶体管是否过压，并在检测到过压时提供第一电信号至高压晶体管的栅极以导通闻压晶体管。
2.如权利要求I所述的高压器件，其中过压保护电路包括 电压检测电路，产生表示高压晶体管两端电压的第二电信号； 过压判断电路，接收第二电信号，并将第二电信号和过压阈值相比较以产生第一电信号，其中当第二电信号高于过压阈值时，第一电信号导通高压晶体管，当第二电信号低于过压阈值时，第一电信号关断高压晶体管。
3.如权利要求2所述的高压器件，其中 过压阈值包括第一过压阈值和第二过压阈值； 当第二电信号高于第一过压阈值时，第一电信号导通高压晶体管；以及 当第二电信号低于第二过压阈值时，第一电信号关断高压晶体管。
4.如权利要求2所述的高压器件，其中过压判断电路包括 第一常态导通高压晶体管，耦接至高压晶体管的漏极，自高压晶体管的漏极为过压检测电路提供供电电流。
5.如权利要求4所述的高压器件，其中过压判断电路进一步包括第一常态导通低压晶体管，常态关断低压晶体管和第二常态导通低压晶体管，每个晶体管均具有源极、漏极和栅极，其中 第一常态导通高压晶体管的漏极耦接至高压晶体管的漏极，栅极耦接至地，源极耦接至第一常态导通低压晶体管的源极和第二常态导通低压晶体管的漏极以形成输出节点；第一常态导通低压晶体管的栅极耦接至地，漏极耦接至常态关断低压晶体管的漏极和第二常态导通低压晶体管的栅极； 常态关断低压晶体管的源极和第二常态导通低压晶体管的源极均连接至地，常态关断低压晶体管的栅极耦接至电压检测电路以接收第二电信号；以及输出节点耦接至高压晶体管的栅极。
6.如权利要求5所述的高压器件，其中过压判断电路进一步包括 箝位电路，耦接在输出节点和地之间，限制高压晶体管的栅极电压。
7.一种高压器件，包括 高压晶体管，具有第一端，第二端和控制端；以及 用于监测高压晶体管两端的电压以检测是否发生过压的构件； 用于根据高压晶体管两端电压产生第一电信号至高压晶体管控制端的构件，其中当过压发生时，第一电信号导通高压晶体管，当没有发生过压时，第一电信号关断高压晶体管。
8.如权利要求7所述的高压器件，其中 用于监测高压晶体管两端电压的构件包括分压器，该分压器产生表示高压晶体管两端电压的第二电信号；以及 用于产生第一电信号的构件包括 用于将第二电信号和过压阈值相比较以产生第一电信号的构件，其中当第二电信号大于过压阈值时第一电信号导通高压晶体管，当第二电信号小于过压阈值时第一电信号关断闻压晶体管。
9.如权利要求8所述的高压器件，其中过压阈值包括第一过压阈值和第二过压阈值，当第二电信号大于第一过压阈值时第一电信号导通高压晶体管，当第二电信号小于第二过压阈值时第一电信号关断高压晶体管。
10.一种高压晶体管的过压保护方法，包括 监测高压晶体管两端的电压以检测是否发生过压； 在发生过压时导通高压晶体管；以及 在未发生过压时关断高压晶体管。
11.如权利要求10所述的过压保护方法，其中监测高压晶体管两端电压的步骤包括 检测高压晶体管两端的电压，产生表示高压晶体管两端电压的电信号； 将电信号与过压阈值相比较，当电信号大于过压阈值时，表示高压晶体管过压，当电信号小于过压阈值时，表示高压晶体管没有过压。
12.如权利要求10所述的过压保护方法，其中监测高压晶体管两端电压的步骤包括 监测高压晶体管两端的电压，产生表示高压晶体管两端电压的电信号； 将电信号与第一过压阈值相比较，当电信号大于第一过压阈值时，表示高压晶体管过压； 将电信号与第二过压阈值相比较，当电信号小于第二过压阈值时，视为高压晶体管没有过压。
全文摘要
本发明公开了一种具有过压保护功能的高压器件及过压保护方法，该高压器件包括高压晶体管，具有漏极、栅极和源极；以及过压保护电路，耦接在高压晶体管的漏极和源极之间，监测高压晶体管两端的电压以判断高压晶体管是否过压，并在检测到过压时提供第一电信号至高压晶体管的栅极以导通高压晶体管。
文档编号H03K17/08GK102751968SQ201210186409
公开日2012年10月24日 申请日期2012年6月7日 优先权日2011年6月16日
发明者唐纳德·迪斯尼 申请人:成都芯源系统有限公司