CN1669118B - 保护半导体器件的方法及采用这种方法用于半导体器件的保护装置 - Google Patents

Abstract

一种用于半导体器件的保护装置，包括：DC电源；负载；配置于DC电源和负载间的半导体器件，将负载在驱动状态和停止状态之间切换；比较器，对半导体器件两端的电压降和预定参考电压进行比较；切断单元，当电压降大于预定参考电压时，切断DC电源和负载间的半导体器件的导通。电路元件的常数设置使得参考电压不大于临界电压。这个临界电压为半导体器件为容许温度的上限时的设置的导通电阻和由于焦耳热引起自加热导致沟道温度达到容许温度的上限的最小电流值的乘积。

Description

保护半导体器件的方法及采用这种方法用于半导体器件的保护装置

技术领域

本发明涉及了一种用于保护用作切换并且配置在负载和电源电路之间的半导体器件的保护装置及一种设置保护装置的电路常数的方法。

背景技术

例如，车辆上装配的各种负载，如头灯、尾灯等，它们采用电池提供的DC电压操作。这样的话，因为电路的故障、操作失效等原因，过载电流流到每一个负载上。当过载电流流过时，半导体开关及用于连接电源电路和负载的导线过热，以至于这可能会导致导线烧毁的麻烦。

为了避免这种麻烦的出现，已经实现了一种过载电流保护装置，它探测流过负载或半导体开关的电流，当电流变成过载电流时切断半导体开关。

但是，现有的电流保护装置仅仅探测过载电流，而不考虑半导体开关的温度。特别的，当半导体开关的温度很高且周围环境温度也很高时，即使电流不太大，半导体开关也会损坏。相反，当半导体开关温度很低时，即使电流很大，电路也被切断，尽管没必要担心损坏。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于半导体器件的保护装置及设置能够保护半导体器件的电路常数的方法，它不仅考虑了流过半导体器件的电流而且考虑了半导体器件的温度和周围环境的温度。

为了实现上述目的，根据本发明，提供了一种保护半导体器件的方法，包含如下步骤：

提供DC电源、负载和配置在DC电源和负载之间的半导体器件；

提供连接到半导体器件的电路元件；

切换半导体器件，以便将负载在驱动状态和停止状态之间改变；

当半导体器件两端的电压降超过预定参考电压时，切断DC电源和负载间的半导体器件的导通；及

设置电路元件的常数以便参考电压不大于临界电压，

其中，临界电压是半导体器件的沟道温度为容许温度的上限时的导通电阻和由于焦耳热引起自加热而导致沟道温度达到容许温度的上限的最小电流值的乘积。

优选的，当导通电阻对于半导体器件的规格存在变化时，采用导通电阻变化中的最小值。

根据本发明，还提供了一种用于半导体器件的保护装置，包括：

DC电源；

负载；

配置在DC电源和负载之间的半导体器件，其将负载在驱动状态和停止状态之间切换；

连接到半导体器件的电路元件；

比较器，将半导体器件两端的电压降和预定参考电压进行比较；及

切断部分，当电压降大于预定参考电压时，切断DC电源和负载间的半导体器件的导通，

其中，电路元件的常数的设置使得参考电压不大于临界电压；及

其中，临界电压为半导体器件的沟道温度为容许温度的上限时的导通电阻和由于焦耳热引起自加热而导致沟道温度达到容许温度的上限的最小电流值的乘积。

优选的，当导通电阻对于半导体器件的规格存在变化时，采用导通电阻变化中的最小值。

在上述结构和方法中，因为保护装置起作用，以致半导体器件在沟道温度达到容许温度上限(例如150℃)之前被切断，半导体器件可得到安全保护。另外，由于用于连接半导体器件的导线比半导体器件更耐热，因此通过热保护半导体器件，导线也可得到保护。

另外，本发明采用的***不仅探测半导体器件的沟道温度而且探测半导体器件的导通电阻。由此，与现有的电流探测***相比，本发明可以避免陷于热击穿的问题。而且，即便是电流值增加了，只要沟道温度未达到容许温度，就可保持半导体器件的导通状态，因而允许半导体器件的性能表现最大化。

附图说明

图1是显示了根据本发明的用于半导体器件的保护装置的主要部分的布局的电路图。

图2是显示了根据本发明实施例的用于半导体器件的保护装置的布局的电路图。

图3是关系特性图，显示了当沟道温度为容许温度上限时的导通电阻Ron_150℃、当工作环境温度处于上限TAmax时由于自加热导致沟道温度达到容许温度上限(150℃)的最小电流ID_{150℃ & TAmax}、临界温度、参考电压V4和点p4处的电压V5之间的关系。

具体实施方式

现在参考附图，对本发明的实施例进行说明。图1是说明根据本发明的用于半导体器件的保护装置的原理的示图。首先，参考图1，将对这个实施例的原理进行说明。

如图1中所示，这个电路包含：DC电源VB，诸如装配在例如车辆上的灯的负载RL，配置在DC电源和负载RL之间的FET(T1；半导体器件)。在DC电源VB和FET(T1)间、FET(T1)和负载RL间及负载RL和地电平间存在导线电阻和电感。这些电阻和电感分别用Rw和Lw表示，有代表性的是，它们位于DC电源VB和FET(T1)之间。导线和FET(T1)的连接点p1，即漏极(第一个主电极)经晶体管T4、电阻器R1和电阻器R2连接到地。

晶体管T4和电阻器R1的连接点p2经电阻器R3、晶体管T2和电阻器R5连接到地。电阻器R3和晶体管T2的连接点经电阻器R7连接到放大器AMP1的正极(+)端，而放大器AMP1的负极(-)端经电阻器R8连接到FET(T1)的源极。放大器AMP1的输出端通过电阻器R9连接到晶体管T2的栅极。

此外，FET(T1)的源极经电阻器R4和二极管D1连接到电阻器R1和R2的连接点p3上，而且连接点p3连接到比较器CMP1的负极(-)端。比较器CMP1的正极(+)端连接到晶体管T2和电阻器R5的连接点p4。

通过设置各种电路常数以便对于FET(T1)在规定阈值温度N℃(典型的N＝150)的导通电阻Ron_150℃，下面的方程(1)成立，可以控制FET(T1)的温度不超过150℃。

α×β×Ron_150℃＜RL                    (1)

这里，α表示分割比率(dividing ratio)，而β表示FET(T1)的漏极和源极间的电压降VDS的倍增因子，如后续所述。

将对方程(1)进行详细说明。在这个实施例中，运用FET(T1)的导通电阻Ron随着FET(T1)沟道温度的增大而单调地增大的事实。当FET(T1)的沟道温度达到150℃时预先获得导通电阻Ron_150℃。设置各种电路元件的常数以便在FET达到这个导通电阻前FET(T1)就被切断。

图1中所示的电路中，如果电压降(VDS：漏极-源极电压)超过预定参考电压，就判定存在失常(过载电流)，然后FET(T1)被切断，其中电压降为FET(T1)导通电阻Ron和漏电流ID的乘积。这样，将参考电压设置为与电源电压VB成比例的电平。

具体地，漏极-源极电压VDS与β相乘得到β×VDS，电源电压VB除以α得到参考电压VB/α。电压β×VDS与电压VB/α进行比较。如果β×VDS大于VB/α(β×VDS＞VB/α)，FET(T1)被切断。更具体地，当FET(T1)的漏极-源极电压超过预定参考电压，切断FET(T1)，以保护这个FET(T1)及其它电路元件。

现在，分割比率α为出现在p3点的电压V4，表示为V4＝VB/α。

倍增因子β可用R5/R3表示，因此β×VDS表示点p4处产生的电压V5。即放大器AMP1和晶体管T2控制流过电阻器R3的电流，以便FET(T1)的漏极-源极电压等于电阻器R3两端的电压。流过电阻器R5的电流与流过电阻器R3的电流相同。从而，点p4处的电压V5为(R5/R3)×VDS。

现在假设FET(T1)的工作环境温度的上限为TAmax，从FET(T1)沟道到周围环境温度的热阻为Rth_(ch-A)，而当工作环境温度为上限TAmax时由于自加热导致沟道温度达到150℃的漏电流为ID_150℃&TAmax，下面方程(2)和(3)成立：

{ID_150℃&TAmax}²×Ron_150℃×Rth_(ch-A)+TAmax＝150℃               (2)

ID_150℃&TAmax×Ron_150℃≥VB/α/β                                (3)

方程(2)定义了提供150℃的FET(T1)沟道温度的漏电流的最小值。TAmax由规格决定，通常为80-95℃。

方程(3)说明了ID_150℃&TAmax流过时切断FET(T1)的条件。方程(3)的左边表示为当沟道温度达到容许温度上限(150℃)的导通电阻和由于焦耳热引起自加热而导致沟道温度达到容许温度的上限的最小电流值的乘积(临界电压)。如果参考电压(VB/α/β)设置为与该乘积(临界电压)相等或小于它，在沟道温度超过容许温度的上限(150℃)前FET(T1)就会被切断。

可以理解，根据方程(3)，这个FET(T1)可用于所有满足如下方程(4)的负载。

ID×Ron_150℃＜VB/α/β                           (4)

现在假设负载电阻为RL，方程(4)转化为如下方程(5)。

α×β×Ron_150℃＜VB/ID＝RL                      (5)

即得到如上所述的方程(1)。

现在，根据方程(3)可知，当点p4处的电压V5变成等于或大于点p3处的电压V4时，FET(T1)受到控制以至切断。具体的，根据方程(3)得到(β×VDS≥VB/α)。左边的β×VDS为图1中所示的电压V5，而右边的VB/α为电压V4。从而，当V5≥V4时，FET(T1)被切断。换句活说，参考根据随后进行描述的图2中所示的电路，当比较器CMP1的输出变为H电平，FET(T1)被切断。

因此，可设置各个电路元件的常数(电阻)，以提供使方程(1)成立的α和β。相反，可采用具有使方程(1)成立的温度特性的FET(T1)。

我们将给出用于实现上述原理的具体电路的说明。假设在图1中所示的电路中，VB≈V1≈V2，且V4＝VB/α＝(I1+I2)R2，方程(6)和方程(7)成立。

I1×R4+0.7+(I1+I2)R2＝V1                (6)

这里“0.7”表示二极管D1的电压降。

I2×R1+(I1+I2)R2＝V1                    (7)

请注意，把晶体管T4的电压降看作零。

根据方程(6)和方程(7)，可得到如下方程(8)和方程(9)。

I1×(R4+R2)+I2×R2＝V1-0.7              (8)

I1×R2+I2(R1+R2)＝V1                     (9)

此外，根据方程(8)和方程(9)，可得到如下方程(10)和方程(11)。

I1＝{V1×R1-0.7×(R1+R2)}/(R1R2+R2R4+R4R1)        (10)

I2＝{V1×R4+R2×0.7}/(R1R2+R2R4+R4R1)             (11)

根据方程(10)和方程(11)，可得到如下方程(12)。

V4＝(I1+I2)R2

                                                  (12)

＝R2{V1(R1+R4)-0.7×R1}/(R1R2+R2R4+R4R1)

现在，假设R1＝R2＝10[KΩ]而R4＝2[KΩ]，得到如下方程(13)

$V4=(6/7)\×V1-0.5$ (13)

$\≅(6/7)\×V1$

如图1中所示，当负载和连接到负载上各个导线都处于正常状态，可得到如下方程(14)。

V5＝β×VDS＝β×ID×Ron＝β×V1/RL×Ron          (14)

如上所述，当V5＞V4时，比较器CMP1的输出变成“H”电平并且FET(T1)将被切断。当V5＜V4时，FET(T1)不会被切断。

当上述方程(1)成立时，Ron＜Ron_150℃。从而，如下方程(15)成立。

V5＝β×ID×Ron＜β×ID×Ron_150℃

                                                (15)

＜β×VB/α/β＝VB/α＝V4

即，如果选定FET(T1)以满足方程(1)、(3)和(4)，只要导线和负载正常，FET(T1)的温度不超过150℃，FET(T1)就不会被切断。

此外，如果电路处于过载电流状态，则V5＝V4。这时，假设漏电流为IDs而源极-地电阻器为Rs，可得到如下方程(16)。

V5＝β×IDs×Ron＝β×V2/Rs×Ron＝V4＝V2/α     (16)

从而，可得到关系：Rs＝αβRon和IDs＝V2/Rs。即，电阻Rs与电阻Ron成比例。此外，在Ron_150℃，Rs最大而IDs最小。

现在，因为根据方程(13)α＝7/6，而β＝R5/R3＝41(假设R5＝8.2[KΩ]且R3＝200[Ω])，可得到如下方程(17)。

Rs＝αβRon＝47.8×Ron                          (17)

从而，可选择FET(T1)以便由过载电流状态的最大电阻(正常状态的最小电阻)除以47.8所得到的值为Ron_150℃。

假设当漏电流流过FET(T1)时提供150℃的沟道温度的电流值为ID₁₅₀，ID₁₅₀≥ID_150℃&TAmax。从而，根据方程(3)可知，ID₁₅₀不可能出现在正常电流范围内，因此，它是在过载电流范围内的一个值。ID₁₅₀不是常数而会根据周围环境温度改变。电流值ID₁₅₀随着周围环境温度的升高而减小，且在周围环境温度的上限变成最小，即ID_150℃&TAmax

这时，因为β×ID₁₅₀×Ron_150℃＞V4，ID陷于过载电流状态。当它超过由周围环境温度决定的ID₁₅₀时，FET(T1)被切断。随着周围环境温度的下降，切断电流值ID₁₅₀和正常电流值间的差值增加。如果ID₁₅₀＞ID，甚至当ID处在过载电流状态时，沟道温度低于150℃。

即，因为电流值ID₁₅₀根据周围环境温度改变，FET(T1)可在沟道温度达到150℃前被切断。

图3示出了如下参数之间的关系：当沟道温度为容许温度的上限(现在为150℃)时的导通电阻Ron_150℃、当工作环境温度为上限TAmax时由于自加热而导致沟道温度达到容许温度的上限(150℃)的最小电流值ID_150℃&Tamax、临界电压、参考电压V4和连接点p4处产生的电压V5。

图3中，横坐标轴表示流过FET(T1)的漏电流ID，纵坐标轴表示V5和沟道温度。随着ID的增大，V5以导通电阻Ron定义的倾斜度增大。随着沟道温度的升高，Ron增大，因此V5电压相对于ID直线的倾斜度增大。

Ron与绝对温度T的3/2次幂成比例，且在150℃时Ron值是室温下的1.7倍。由于焦耳热引起自加热，沟道温度从工作环境温度TAmax开始上升，沟道温度达到150℃时最小漏电流为ID_150℃&TAmax。根据这个电流值，由Ron_150℃的倾斜度表示的V5直线上的点的电压为β×临界电压。

如果参考电压V4设置成略低于漏电流ID_150℃&TAmax处的β×临界电压，FET(T1)将在沟道温度达到150℃之前被切断。假设电压V5等于电压V4成立时的最小电流值为IDs，在这个IDs，沟道温度不能因自加热而达到150℃，因此V5等于V4成立时的沟道温度为150℃-δ，它略低于150℃。

在低于IDs的漏电流处，得不到V4。在电流的这个范围，FET(T1)不被切断。如果设置负载和FET(T1)的关系以便流过负载RL的正常电流(不包括冲流)不大于IDs，只要负载正常，FET不会被切断。如果超过正常范围的过载电流流过，只要它不大于IDs，FET(T1)不会被切断。

但是，这时，沟道温度没有达到150℃，因此FET(T1)不会被损坏。在不小于IDs的过载电流流过时，当Ron×ID超过V4时，FET(T1)将被切断。这样，沟道温度不会超过150℃-δ。随着差值(ID-IDs)的增大，在较低的沟道温度，FET(T1)将被切断。

FET(T1)的沟道温度在IDs的漏电流处最大。此时的沟道温度为150℃-δ。即，不仅正常范围的漏电流而且不正常状态的任何过载电流流过时，沟道温度不会超过150℃-δ。由此，FET(T1)不会被损坏，而是得到安全的保护。这里，参考值V4设成与β×临界电压相等的值，在ID_150℃&TAmax，沟道温度达到150℃，但不会进一步上升。考虑到导通电阻的变化，将参考电压V4设成不高于β×临界电压的值，这是理想的。

图2是显示了用于包含图1中所示的电路的半导体器件的保护装置的布局的电路图。用于半导体器件的保护装置100包含：用于切换FET(T1)的导通/断开的开关SW1，驱动电路1，定时器2和脉冲计数器3。保护电路100另外包含OR电路OR1-OR3，AND电路AND1-AND3及锁存器DF1-DF3。

开关SW1连接到OR电路OR2的一个输入端，而OR电路OR2的另一个输入端连接到锁存器DF1的输出端。

OR电路OR2的输出端连接到OR电路OR3的一个输入端，而OR电路OR3的另一个输入端连接到比较器CMP1的输出端。OR电路OR3的输出端连接到驱动电路1，也连接到定时器2上。驱动电路1的输出经电阻器R10连接到FET(T1)的栅极。比较器CMP1的输出端连接到脉冲计数器3上。

三个电阻器R61、R60和R6与电阻器R5并联配置。电阻器R61经晶体管T32连接到地。同样，电阻器R60经晶体管T31连接到地而电阻器R6经晶体管3连接到地。

晶体管T3的栅极连接到定时器2的输出端。晶体管T31的栅极连接到AND电路AND3的输出端。晶体管T32的栅极连接到AND电路AND2的输出端。

在放大器AMP1的输入侧，配置了二极管D2、D3和D4及电阻器R30。

我们将给出如图2中所示的用于半导体器件的保护装置100的操作说明。当开关SW1为断开时，锁存器DF1复位，因此连接到OR电路OR2上的锁存器DF1的输出端变成“L”电平。当开关SW1由操作者接通时，连接到OR电路OR2的输入端的导线的电势变成L电平，因此OR电路OR2的输出从H电平变成L电平。如果FET(T1)断开，比较器CMP1的输出为L电平，因此OR电路OR3的输出变成L电平。在L电平的信号加载到驱动电路1。

因此，驱动电路1给FET(T1)的栅极提供了驱动信号。然后，FET(T1)接通，因此电流从电源VB流到负载RL，从而驱动负载RL。当负载RL为一盏灯时，灯发亮。

OR电路OR3的输出信号提供给定时器2，因此定时器2被启动。定时器2包含持续20ms H电平的输出(+Q)和另一个持续200ms H电平的输出。20ms输出(+Q)接通晶体管T3、T31和T32，以致电阻器R6、R60和R61被并联连接到电阻器R5上。

因此，倍增因子β为β＝(R5|R6|R60|R61)/R3，变成小于标准值R5/R3。从而，与流过FET(T1)的漏电流ID有关的电压V5由于β的减小而降低，以致电压V5很难超过电压V4。这是用于克服当开关SW1接通时瞬态流过的冲流的一种措施。

当经过20ms时，20ms定时器输出(+Q)变成L电平，因此晶体管T3、T31和T32断开。因此，β的值变为标准值R5/R3。同时，锁存器DF2被触发，因此DF2的输出(-Q)从H电平变成L电平。

这时，如果V5＜V4，CMP1的输出保持L电平，因此晶体管T3、T31和T32保持断开。如果V5＞V4，CMP1输出变成H电平。因此，又启动定时器，以致20ms定时器输出(+Q)变成H电平。这时，晶体管T3和T31接通，但晶体管T32保持断开，因为锁存器DF2的输出(-Q)为L电平，以致AND2的输出为L电平。

β的值变成(R5|R6|R60)/R3，它大于初始值但小于标准值。当20ms定时器的第二次输出周期结束时，锁存器DF3被触发。从而，如果20ms定时器产生第三次输出以及下列等，那么只有T3接通而T31和T32保持断开。20ms定时器的输出次数由计数器3累加起来。如果超过八(8)次，就判定电路处在不正常状态。在这个判决下，锁存器DF1被触发，以致即使SW1接通，FET(T1)也被切断。

因此，当SW1接通时即使产生冲流，只要它为成指数衰减达到稳定值的正常冲流，就可避免电路因冲流流过而被中断的麻烦。

SW1接通不久后，电流值稳定之处，如果微小过载电流(如层间短路)流过，FET(T1)的两个主要电极间的电压VDS(漏极-源极电压)增大。

因为放大器AMP1控制晶体管T2，以致电阻器R3两端的电压等于FET(T1)的漏极-源极电压VDS，流过电阻器R3的电流增大。

从而，连接点p4的电压V5(＝β×VDS)增大，因此提供给比较器CMP1的正输入端的电压增大(这时，晶体管T32、T31和T3都断开)。

当电压V5超过参考电压V4时，比较器CMP1的输出信号从L电平转为H电平，因而脉冲计数器3递增。

同时，定时器2被触发，20ms定时器输出(+Q)变成H电平，以致类似于开始时克服冲流的措施，三个晶体管T32、T31和T3分别只导通20ms。这减小了倍增因子β，因此点p4处的电压V5降低，且变成低于电压V4(电压V5降低但不低于电压V4的情况将随后进行描述)。

当经过20ms时，晶体管T32、T31和T3变成断开，因此锁存器DF2被触发而倍增因子β变成标准值。因此，V5＞V4成立，因此定时器2被触发且20ms定时器开始第二次操作，因而输出(+Q)变成H电平。

从而，晶体管T31和T3接通而晶体管T32因为锁存器DF2的输出(-Q)为L电平保持断开。倍增因子β变成(R5|R6|R60)/R3。如果V5在这个β值保持大于V4，比较器CMP1的输出变成H电平。

因为20ms定时器输出(+Q)和CMP1输出都为H电平，而AND电路AND1输出从L电平变成H电平。从而，锁存器DF1通过OR电路OR1被触发，以致DF1输出变成H电平，因此FET被切断。另一方面，如果V5＜V4成立，CMP1输出保持L电平，因此FET(T1)保持20ms的导通。当20ms定时器的第二次输出结束时，锁存器DF3被触发，以致锁存器DF3的输出(-Q)从H电平变成L电平。晶体管T31、T3断开，以致β变成参考值。然后，V5＞V4成立，以致20ms定时器进行第三次启动。

在第三次，只有晶体管T3接通而晶体管T32和T31保持断开，以致β＝(R5|R6)/R3。这时，如果V5＞V4，AND1输出变成H电平，以致锁存器DF1被触发，因此FET(T1)被切断。如果V5＜V4，FET(T1)保持20ms的导通。当20ms定时器结束时，V5＞V4，因此20ms定时器进行第四次启动。

这种情况下，只有晶体管T3接通。但V5＜V4，因此FET(T1)保持20ms的导通。此后，重复20ms定时器操作直到第5次、第6次和第7次。计数器3累加定时器的操作次数。

当第八次定时器操作开始时，计数器3溢出，以致锁存器DF1被触发而FET(T1)被切断。到目前为止所作的说明应用于相继出现不正常状态(过载电流)的情况。但是，情况也可能是，这种不正常状态也许间歇出现。此外，由于故障，也会启动20ms定时器。

为了处理这些情况，如果20ms定时器持续200ms或更长时间不再启动，那么计数器3和锁存器DF2及DF3复位。包含在定时器2中的200ms定时器进行这个操作。通过到目前为止所说明的操作，到FET(T1)的切断所花的时间随着过载电流的增大而缩短。这个技术允许FET(T1)和与其连接的电路得到安全保护。

我们将给出以下情况的说明，即由于负载RL短路或连接FET(T1)和负载RL的导线接地而引起严重过载电流(完全短路)。这导线电感和导线电阻变成不可忽略，以致用于得到方程(6)的VB≈V1≈V2的关系不成立，且V4＝VB/α也不成立。从而，VB＞V1＞V2。假设γ＝VB/V2，则下面方程(18)成立。

V4＝V2/α＝VB/α/γ                             (18)

根据方程(18)，电压V4是正常状态下的1/γ倍。这相当于FET(T1)的切断电流变成1/γ，因此加快了FET(T1)的切断。

具体的，在完全短路状态，在点p4处的电压V5增大，但电压V4减小(变成1/γ)，以致促进了比较器CMP1的翻转，因而抑制了过载电流的峰值。

在完全短路时，即使20ms定时器输出(+Q)变成H电平，以致晶体管T32、T31和T3接通以减小电压V5，电压V5仍然高于电压V4，因此比较器CMP1的输出信号保持H电平。因此，AND电路AND1的输出信号变成H电平，而驱动电路1被锁存器DF1中断。

从而，当发生完全短路时，不进行脉冲计数器3的计数(如8次)，驱动电路1即刻被中断，以致FET(T1)被切断。

这样，在根据本发明的用于半导体器件的保护装置100中，在过载电流流过负载RL的情况，FET(T1)的沟道温度达到规定温度(在这个实施例中为150℃)之前，这个FET(T1)就被切断，因此加载到负载RL上的电压被阻断，因而避免FET(T1)被损坏。

特别的，利用FET导通电阻Ron随着沟道温度升高而单调地增大的特性，FET工作在不大于对应容许沟道温度的上限的导通电阻Ron的值。这个特征通过测量随着Ron增大而增大的FET(T1)的漏极-源极电压降且当电压降达到规定电平时中断电路的方式来实现。通过这种控制，FET(T1)的沟道温度在任何情况下都不会超过容许温度的的上限，以致半导体器件得到安全保护。

此外，中断电路的时间取决于过载电流的大小。如果出现的过载电流为正常电流(正常工作的电流)的2到4倍，它很少伴随沟道温度的上升，电流设计成经过例如160ms后被中断；如果过载电流为4到8倍，则在40ms后被中断；如果过载电流为8到16倍，则在20ms后中断(这个放大倍率由电阻器R61、R60、R6和R5的大小决定)。如果过载电流为16倍或更大(在完全短路情况)，电流在250μs后被中断。从而，根据过载电流的大小来中断电路。

此外，当出现完全短路时，引入参考电压的压缩效应(电压V4变成1/γ)，器件更早就被切断了，以致器件和导线可得到保护。

接着，我们将给出FET(T1)的导通电阻的变化的说明。具有相同规格和标准的FET(T1)在个别器件中提供了不同的导通电阻。

请注意，随着FET(T1)的导通电阻的增大，FET(T1)的漏极-源极电压达到参考值的漏电流ID成反比例减小，因此促进了FET(T1)的切断。

当FET(T1)的导通电阻Ron最小时，切断电流IDs和沟道生热ΔTch为最大。如果在150℃沟道温度时的导通电阻Ron_150℃发生变化，则上述方程(1)的特征可用导通电阻Ron变化的最小值来设定。

150℃的沟道温度引起的导通电阻Ron_150℃会由于老化损耗或偶然损耗而增大，而不会减小。换句话说，我们无法估计导通电阻的上限，但我们可明确估计导通电阻的下限。从而，切断电路的沟道生热ΔTch的最大值有明确上限，因而实现了稳定的保护性能。

我们将给出本发明与电流探测***中的现有保护装置之间比较的说明。电流探测***是这样一种***，其中在采用并联电阻的情况下，当探测到负载电流超过规定电流时，中断电路。

在电流探测***中，沟道生热ΔTch与导通电阻Ron成比例地增大。但是，沟道生热并没有因电流的改变而改变，因此没有探测到导通电阻Ron的增大。当导通电阻Ron增大时，沟道生热进一步增加，它引起热击穿。从而，在现有的电流探测***中，必须单独引入过量热中断功能。

换句话说，在根据本实施例的过载电流保护装置中，当导通电阻Ron增大时，中断电流值减小，因此可抑制由于导通电阻增大引起的沟道自加热，它不会导致热击穿。从而，和电流探测***不同，可不单独引入过量热中断功能。

此外，因为器件在沟道温度达到150℃之前就被切断，于是消除了引起器件损坏的原因。从而，可抑制器件的导通模式失效的出现，因而提高了可靠性。

在低温环境，导通电阻Ron很小，因此允许通过大电流(甚至当微小过载电流出现时，电路也可工作而不被切断)。在现有的过载电流探测***中，不能探测出导通电阻的减少，因此当探测到电流值增大时，不考虑周围环境温度，电路就被中断。从而，不容许通过大电流。根据这一点，本发明比现有过载电流探测***更优越。

产业应用

到此为止，参考附图所示的实施例，说明用于半导体器件的保护装置和设置电路常数的方法。但是，本发明不仅仅局限于这些装置和方法，各个元件都可用具有相同功能的任何可选元件代替。

例如，在本实施例中，FET(T1)配置在负载RL的正极(+)端和电源的正极(+)端之间，但在本发明中，不仅限于这种配置，FET(T1)可提供在负载RL的负极(-)端。

Claims (4)

1.一种保护半导体器件的方法，包括以下步骤：

提供DC电源、负载和配置在DC电源和负载之间的半导体器件；

提供驱动电路，该驱动电路切换半导体器件，使得负载在驱动状态和停止状态之间改变；

当半导体器件两端的电压降超过预定参考电压时，切断DC电源和负载之间的半导体器件的导通；

其中所述预定参考电压设置为小于临界电压；以及

其中临界电压为半导体器件的沟道温度为容许温度的上限时的半导体器件的导通电阻和由于焦耳热引起自加热导致沟道温度达到容许温度的上限的最小电流值的乘积。

2.如权利要求1所述的方法，其中，当半导体器件的导通电阻存在变化时，采用导通电阻的变化之中的最小值。

3.一种用于半导体器件的保护装置，包括：

DC电源；

负载；

半导体器件，配置在DC电源和负载之间，将负载在驱动状态和停止状态之间改变；

驱动电路，该驱动电路控制半导体器件为驱动状态或停止状态；

电路元件，连接到半导体器件；

比较器，将半导体器件两端的电压降和预定参考电压进行比较；及

切断部分，该切断部分包括所述驱动电路和比较器，当电压降大于预定参考电压时，该切断部分切断DC电源和负载间的半导体器件的导通，

其中，所述预定参考电压设置为小于临界电压；以及

其中，临界电压为半导体器件温度为容许温度的上限时的半导体器件的导通电阻和由于焦耳热引起自加热导致沟道温度达到容许温度的上限的最小电流值的乘积。

4.如权利要求3所述的保护装置，其中，当半导体器件的导通电阻存在变化时，采用导通电阻的变化之中的最小值。

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