ITMI970151A1

ITMI970151A1 - QUICK SWITCHING SMARTFET TRANSISTOR

Info

Publication number: ITMI970151A1
Application number: IT97MI000151A
Authority: IT
Inventors: Bruno C Nadd
Original assignee: Int Rectifier Corp
Priority date: 1996-01-29
Filing date: 1997-01-28
Publication date: 1998-07-28
Also published as: TW333701B; KR970060210A; KR100285785B1; IT1290203B1; SG55272A1

Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

di una domanda di Brevetto d'invenzione dal titolo: of an invention patent application entitled:

"TRANSISTORE SMARTFET A COMMUTAZIONE RAPIDA" "QUICK SWITCHING SMARTFET TRANSISTOR"

CAMPO DELL’INVENZIONE FIELD OF THE INVENTION

Quest'invenzione si riferisce ai circuiti integrati di potenza, e più in particolare si riferisce ad un MOSFET di potenza molto rapido con un circuito di esclusione termica integrato che opera ad elevata velocità. This invention relates to power integrated circuits, and more particularly it relates to a very fast power MOSFET with an integrated thermal cut-off circuit operating at high speed.

FONDAMENTI DELL'INVENZIONE FOUNDATIONS OF THE INVENTION

Sono ben noti i dispositivi di potenza a gate MOS come i transistori IGBT e i transistori MOSFET di potenza aventi circuiti di monitoraggio della corrente e della temperatura integrati per disinserire il dispositivo di potenza in certe condizioni di guasto. L'alimentazione di potenza per tali dispositivi integrati di potenza è derivata dall'impulso del segnale di ingresso. Quando la velocità del dispositivo viene aumentata, l'alimentazione elettrica o l'impulso di tensione Vcc dura, per esempio, per solo 100 nanosecondi per un ' applicazione a 25 kHz. Tuttavia il circuito di monitoraggio della temperatura per esempio, richiede circa 5 nanosecondi per completare il suo calcolo. Dato che l ' alimentazione a Vcc è disponibile solo per 100 nanosecondi, il circuito di rilevamento della temperatura perderà la sua alimentazione di potenza e funzionerà male se il sistema è azionato a circa 25 kHz o frequenza superiore. MOS gate power devices such as IGBT transistors and power MOSFET transistors having integrated current and temperature monitoring circuits for disconnecting the power device under certain fault conditions are well known. The power supply for such integrated power devices is derived from the pulse of the input signal. When the speed of the device is increased, the power supply or voltage pulse Vcc lasts, for example, for only 100 nanoseconds for a 25 kHz application. However, the temperature monitoring circuit, for example, takes about 5 nanoseconds to complete its calculation. Since the VDC power supply is only available for 100 nanoseconds, the temperature sensing circuit will lose its power supply and malfunction if the system is operated at approximately 25 kHz or higher.

BREVE DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

In accordo con l'invenzione, il circuito di monitoraggio della temperatura di un dispositivo a gate MOS integrato di potenza, per esempio il circuito di monitoraggio della temperatura del dispositivo IR6012 fabbricato dalla International Rectifier Corporation di E1 Segundo, California, viene modificato per mantenere o memorizzare l'ultimo calcolo della temperatura quando scompare la tensione Vcc. Pertanto il segnale di sovratemperatura viene memorizzato in un piccolo capacitore per garantire che il segnale di sovratemperatura non verrà perduto fra due impulsi ad una frequenza siperiore a circa 16 kHz (un periodo di circa 60 microsecondi) . Un capacitore di accumulo delle cariche è anche aggiunto per memorizzare la tensione di ingresso Vcc dopo che l'impulso è terminato. Per esempio, un capacitore di 100 picofarad è integrato nel microcircuito di silicio e richiede solo una superficie di circa 0,15 mm<2>. In accordance with the invention, the temperature monitoring circuit of a power integrated MOS gate device, for example the temperature monitoring circuit of the IR6012 device manufactured by the International Rectifier Corporation of E1 Segundo, California, is modified to maintain or memorize the last temperature calculation when the Vcc voltage disappears. Therefore the over-temperature signal is stored in a small capacitor to ensure that the over-temperature signal will not be lost between two pulses at a frequency above about 16 kHz (a period of about 60 microseconds). A charge storage capacitor is also added to store the input voltage Vcc after the pulse has ended. For example, a 100 picofarad capacitor is integrated into the silicon microcircuit and only requires a surface area of about 0.15 mm <2>.

Il capacitore usato per memorizzare il segnale di sovratemperatura può essere di circa 30 picofarad. Il capacitore di 100 picofarad è sufficientemente grande per fornire l'elettricità al circuito di sovratemperatura ed è anche abbastanza grande da caricare il capacitore di 30 picofarad. The capacitor used to store the overtemperature signal can be around 30 picofarads. The 100 picofarad capacitor is large enough to supply electricity to the overtemperature circuit and is also large enough to charge the 30 picofarad capacitor.

I valori indicati sopra possono essere variati come desiderato ma il capacitore caricato dalla tensione Vcc è preferibilmente più grande del capacitore che memorizza il segnale di sovratemperatura e deve essere abbastanza grande da "rigenerare" il segnale di sovratemperatura per ogni ciclo di tensione Vcc. The values indicated above can be varied as desired but the capacitor charged by the voltage Vcc is preferably larger than the capacitor which stores the overtemperature signal and must be large enough to "regenerate" the overtemperature signal for each cycle of voltage Vcc.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

La figura unica illustra: The single figure illustrates:

- La Figura 1 illustra uno schema circuitale a blocchi e delle parti della presente invenzione. Figure 1 illustrates a block circuit diagram and parts of the present invention.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

La Figura 1 illustra il nuovo circuito dell'invenzione quando utilizzato in un MOSFET di potenza avente i circuiti integrati con il microcircuito di potenza per fornire una protezione da sovratemperatura e da sovr acorrente . Il circuito della tecnica precedente viene descritto in maggiori dettagli nella domanda USA copendente con domanda N. 08/298.383, depositata il 30 agosto 1994, intitolata "POWER MOSFET WITH OVERCURRENT AND OVER-TEMPERATURE PROTECTION AND CONTROL CIRCUIT DECOUPLED FROM BODY DIODE" , Figure 1 illustrates the novel circuit of the invention when used in a power MOSFET having the circuits integrated with the power microcircuit to provide over-temperature and over-current protection. The prior art circuit is described in more detail in copending US Application No. 08 / 298.383, filed August 30, 1994, entitled "POWER MOSFET WITH OVERCURRENT AND OVER-TEMPERATURE PROTECTION AND CONTROL CIRCUIT DECOUPLED FROM BODY DIODE",

l’oggetto della quale è incorporato qui come riferimento. the object of which is incorporated herein as a reference.

Pertanto nel circuito integrato di potenza precedente viene previsto un MOSFET di potenza 10 formato convenzionalmente in un microcircuito di silicio. Potrebbero essere usati altri dispositivi di potenza a gate MOS. Il MOSFET di potenza 10 comprende una base di silicio avente un elettrodo di drain 11, un elettrodo di suorce 12, un elettrodo di gate 12a ed un elettrodo di rilevamento di corrente convenzionale 14. La base di silicio può essere incorporata in una carcassa avente piedini di collegamento che si estendono da essa. Il piedino di ingresso 13 del dispositivo è collegato ad una source di livello logico che, per esempio, oscilla fra 0 e 5 volt alla frequenza desiderata di funzionamento del MOSFET di potenza 10. Il piedino di ingresso 13 è collegato alla gate 12a tramite un circuito di commutazione on/off 20. Il circuito 20 è disinserito per disinserire il MOSFET 10 in presenza di condizioni predeterminate, come una sovracorrente , quando misurata dal circuito di monitoraggio della sovracorrente 22, o una sovratemperatura, quando misurata dal circuito di monitoraggio della temperatura 23. Il circuiti di monitoraggio sono preferibilmente integrati nella/o stessa/o base di silicio o microcircuito che contiene le giunzioni del MOSFET 10. Therefore, a power MOSFET 10 conventionally formed in a silicon microcircuit is provided in the preceding power integrated circuit. Other MOS gate power devices could be used. The power MOSFET 10 comprises a silicon base having a drain electrode 11, a suorce electrode 12, a gate electrode 12a and a conventional current sensing electrode 14. The silicon base can be incorporated into a housing having pins connecting links extending from it. The input pin 13 of the device is connected to a logic level source which, for example, oscillates between 0 and 5 volts at the desired operating frequency of the power MOSFET 10. The input pin 13 is connected to the gate 12a through a circuit on / off switching 20. The circuit 20 is disconnected to turn off the MOSFET 10 under predetermined conditions, such as an overcurrent, when measured by the overcurrent monitoring circuit 22, or an overtemperature, when measured by the temperature monitoring circuit 23 The monitoring circuits are preferably integrated into / or the same / or silicon base or microcircuit that contains the junctions of the MOSFET 10.

Il circuito di sovracorrente 22 riceve un ingresso di misura della corrente dal terminale di rilevamento della corrente 14 e fornisce un'uscita al circuito logico 21 che apre il circuito di commutazione 20 se viene monitorato un difetto di corrente. The overcurrent circuit 22 receives a current measurement input from the current sense terminal 14 and provides an output to the logic circuit 21 which opens the switching circuit 20 if a current fault is monitored.

Il circuito di sovratemperatura 23 è alimentato dagli impulsi di tensione Vcc che possono essere derivati dal piedino di ingresso 13. Un circuito adatto fornisce un'uscita di sovratemperatura che, nella tecnica precedente, fu collegata ad un ingresso nel circuito logico 21 di modo che il circuito di commutazione possa essere disinserito in presenza della condizione di sovratemperatura predeterminata . The overtemperature circuit 23 is supplied by the voltage pulses Vcc which can be derived from the input pin 13. A suitable circuit provides an overtemperature output which, in the prior art, was connected to an input in the logic circuit 21 so that the switching circuit can be disconnected in the presence of the predetermined overtemperature condition.

Il circuito della tecnica precedente fu anche fornito con un diodo Zener 30 e il diodo 31 fu collegato fra gli elettrodi di gate e di drain del MOSFET 10 ed un diodo 32 collegato come illustrato. In accordo con l'invenzione il circuito di esclusione termica della tecnica precedente 23 viene modificato aggiungendo un MOSFET 50, il diodo 51, il capacitore 52 e il resistore 53. L'ingresso di Vcc, derivato dal piedino di ingresso 13 e che alimenta il circuito di sovratemperatura, presenta il diodo 60 e il capacitore 61. I due diodi 51 e 60 sono preferibilmente diodi di polisilicio integrati sullo stesso microcircuito di silicio quando contiene le giunzioni del MOSFET di potenza 10. The prior art circuit was also provided with a Zener diode 30 and the diode 31 was connected between the gate and drain electrodes of the MOSFET 10 and a diode 32 connected as illustrated. In accordance with the invention, the prior art thermal cut-off circuit 23 is modified by adding a MOSFET 50, the diode 51, the capacitor 52 and the resistor 53. The input of Vcc, derived from the input pin 13 and which powers the overtemperature circuit, has the diode 60 and the capacitor 61. The two diodes 51 and 60 are preferably polysilicon diodes integrated on the same silicon microcircuit when it contains the junctions of the power MOSFET 10.

Il "tempo di stabilizzazione" per il circuito di sovratemperatura 23 è di circa 0,5 mìcrosecondi . Tuttavia il segnale di uscita di sovratemperatura può essere perduto fra due impulsi elettrici di funzionamento (Vcc) a frequenze superiori a circa 16 kHz. The "stabilization time" for the overtemperature circuit 23 is about 0.5 microseconds. However, the overtemperature output signal can be lost between two electrical operating pulses (Vcc) at frequencies above approximately 16 kHz.

L'aggiunta del diodo 51, del capacitore 52 e del resistore 53 assicura che il calcolo della sovratemperatura non è perduto a causa di una costante di tempo del circuito R-C sufficientemente lunga. Pertanto se il capacitore 52 è di 30 picofarad (0,05 mm<2 >sulla superficie del microcircuito) e il resistore 53 è di 10 megaohm, la costante di tempo sarà di circa 300 microsecondi. The addition of the diode 51, the capacitor 52 and the resistor 53 ensures that the overtemperature calculation is not lost due to a sufficiently long R-C circuit time constant. Therefore if the capacitor 52 is 30 picofarads (0.05 mm <2> on the surface of the microcircuit) and the resistor 53 is 10 megohms, the time constant will be about 300 microseconds.

Possono essere usate altre costanti di tempo. Other time constants can be used.

Si osserverà che il circuito funzionerà ora correttamente solo se VIM o Vcc è presente per almeno un microsecondo in ciascun ciclo. Per proteggere il dispositivo per cicli di bassa potenza, il capacitore del filtro 61 e il diodo 60 vengono aggiunti al circuito di ingresso Vcc nel controllore della sovratemperatura 23. Il capacitore 61 è preferibilmente di 100 picofarad per essere in grado di alimentare il circuito di sovratemperatura 23 per diversi microsecondi e per caricare il capacitore 52 di 30 picofarad. Pertanto in una configurazione di circuito nella quale la tensione Vcc è solo un impulso di 100 nanosecondi a, per esempio, 20 kHz, la tensione Vcc filtrata non è abbastanza lunga per rigerare il segnale di sovratemperatura ad ogni ciclo. It will be observed that the circuit will now function correctly only if VIM or Vcc is present for at least one microsecond in each cycle. To protect the device for low power cycles, the filter capacitor 61 and diode 60 are added to the Vcc input circuit in the overtemperature controller 23. The capacitor 61 is preferably 100 picofarads to be able to supply the overtemperature circuit. 23 for several microseconds and to load the capacitor 52 by 30 picofarads. Therefore in a circuit configuration where the Vcc voltage is only a 100 nanosecond pulse at, say, 20 kHz, the filtered Vcc voltage is not long enough to regenerate the overtemperature signal at each cycle.

Sebbene la presente invenzione sia stata descritta con riferimento alla sua forma di realizzazione particolare, sarà chiaro alle persone esperte della tecnica che molte altre varianti e modifiche ed altri usi possono essere realizzati. Pertanto è preferito che la presente invenzione sia limitata non dalla specifica rivelazione illustrata qui, ma solo dalle rivendicazioni allegate. While the present invention has been described with reference to its particular embodiment, it will be clear to those skilled in the art that many other variations and modifications and other uses may be made. Therefore it is preferred that the present invention be limited not by the specific disclosure illustrated herein, but only by the appended claims.

Claims

CLAIMS 1. A MOS gate power integrated circuit device comprising: a MOS gate power device having output electrodes and an input gate electrode; an input signal circuit for providing a high frequency signal to said gate electrode for turning on and off said high frequency power device; an overtemperature monitoring circuit for monitoring the temperature of said power device and for producing an output signal usable for disconnecting said input signal circuit from said input gate electrode when the monitored temperature exceeds a predetermined value; said overtemperature monitoring circuit having a terminal means which is connectable to a voltage source Vcc for supplying said overtemperature monitoring circuit; said voltage source Vcc being derived from said input signal circuit; and at least a first capacitor circuit means coupled to said temperature monitoring circuit for storing the output signal of said temperature monitoring circuit among the pulses of the voltage Vcc to avoid the loss of said output signal between said voltage pulses Vcc.

2. The device of claim 1, which further includes a second capacitor circuit means coupled to the terminal means which can be connected to said voltage source Vcc to ensure that the overtemperature monitoring circuit will be powered for a time longer than its stabilization time.

3. The device of claim 1 wherein said high frequency signal in said input signal circuit has a frequency greater than about 16 kHz.

4. The device of claim 2 wherein said high frequency signal in said input signal circuit has a frequency greater than about 16 kHz.

5. The device of claim 1, wherein said MOS gate device is a power MOSFET.

6. The device of claim 1, wherein at least said first capacitor circuit means includes diode means and control MOSFET means connected in series with a first capacitor and in series with said terminal means for said voltage input Vcc.

7. The device of claim 2, wherein said second capacitor circuit means includes a diode means and a second capacitor connected in series with said terminal means for said input voltage Vcc.

8. The device of claim 6 wherein said second capacitor circuit means includes said diode means and a second capacitor connected in series with said terminal means for said input voltage Vcc.

9. The device of claim 3 wherein said first capacitor circuit means includes diode means and control MOSFET means connected in series with said first capacitor and in series with said terminal means for said voltage. input Vcc.

10. The device of claim 4 wherein said second capacitor circuit means includes diode means and second capacitor connected in series with said terminal means for said input voltage Vcc.

11. The device of claim 4, wherein said. second capacitor means includes said diode means and a second capacitor connected in series with said terminal means for said input voltage Vcc.

12. The device of claim 9 wherein said first capacitor has a value of about 30 picofarads.

13. The device of claim 10 wherein said second capacitor has a value of about 100 picofarads.

14. The device of claim 11 wherein said first capacitor has a value of about 30 picofarads and said second capacitor has a value of about 100 picofarads.