JP2017208814A - 半導体トランジスタ装置のための集積型線形電流検出回路 - Google Patents

半導体トランジスタ装置のための集積型線形電流検出回路 Download PDF

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Abstract

【課題】サンプル・ホールドコンデンサを必要とせず、従来より正確な、半導体スイッチング装置の電流検出回路を提供する。
【解決手段】トランジスタ装置を通って流れる電流を検出するための集積回路は、基板と第1のMOSFET装置253と第2のMOSFET装置255とを含む電流スケーリング回路250とを含む。第1のMOSFET装置は、第1のノード215においてスイッチングされるFET222に結合されたドレインと基板に結合されたソースとを含む。第2のMOSFET装置は、基板に結合されたソースと第2のノード245に結合されたドレインとを含む。第1のMOSFET装置は、第2のMOSFET装置よりK倍大きなチャネル寸法をもつ。第1のMOSFET装置と第2のMOSFET装置との両方にかかる電圧を等化する回路230が含まれる。
【選択図】図2

Description

本出願は、概して、半導体スイッチング装置における電流検出技術に関し、特に、窒化ガリウム(GaN)ノーマリーオン高電子移動度電界効果トランジスタ(HEMFET:high electron mobility field−effect transistor)装置からの電流を検出することに関する。
半導体スイッチング装置における電流検出の既知の方法がある。例えば、単純な電流検出回路は、電流路に直列接続された検出抵抗器を使用し、検出抵抗器における電圧降下は、電流に線形に比例する。しかし、高効率を必要とする特定の種類の高性能電力変換装置の場合、検出抵抗器における電力損失とスイッチ電流に対するソース電圧の変化とが、この方法を許容できないものとする。
電流検出における他の一般的な方法は、RDS(on)と呼ばれる既知のスイッチのドレイン・ソース導通抵抗を使用することによる。電源回路におけるスイッチング装置(例えば、MOSFET)は、典型的には、入力電源から出力負荷に電流を伝達する。スイッチが電流を流すとき、それらは、直列検出抵抗器として使用され得る特徴的な直列抵抗をもつ。従って、電流は、スイッチにかかる電圧を検出することと、その特性インピーダンスを知ることにより推測され得、すなわち、I=VDS/RDS(on)である。スイッチが導通しており、従って、そこにかかる電圧が小さいとき、MOSFETは、その通常のオン状態領域にあり、線形抵抗器に似た動作をする。
電流検出のさらなる他の既知の一技術は、主スイッチの導電チャネル(ドリフト領域)の小さな区画を通して電流を検出することにより定義される、内蔵された検出FETを使用する。電力スイッチがオンチップである場合、MOSFETを通る電流を検出することにおける許容値は、(例えば、カレントミラー構成における)より小さな、整合した検出FETを使用することにより改善される。主電力FETと検出FETとの両方のゲート・ソース電圧とドレイン・ソース電圧とは、主ドレインを検出ドレインに、および主ソースを検出ソースに短絡させることにより等しくされる。ドレイン電流Iは、ゲート・ソース電圧VGSとドレイン・ソース電圧VDSとの関数であるので、対応する電流密度は等しい。このことは、検出FETがN分の1のチャネルであるが整合した装置である場合、その電流が線形に比例し、電力装置を通って流れる電流のN分の1であることを意味する(N≒1000から10,000)。
電流を検出する検出FET法は、一般的に、他の従来技術より正確であるが、依然、欠点をもつ。例えば、検出FET法の正確さは、検出FETと電力FETとの整合性能により制限され、これは、より大きな値Nを伴って低下する傾向がある。加えて、RDS(on)検出と同様に、検出FET法は、検出された電流をオフ期間中、電圧として保持するため、サンプル・ホールドコンデンサを必要とする。コンデンサを通して発生し得る過渡スパイクに起因して、ノイズが導入され得る。
以下の図を参照しながら、本発明の非限定的かつ非網羅的な実施形態が説明され、異なる図の中の同様な参照符号は、別段の指定がない限り、同様な部分を示す。
連続的で線形な検出された電流の応答を伴う例示的な電流検出回路の回路ブロック図である。 連続的で線形な検出された電流の応答を伴う例示的な電流検出回路の詳細な概略回路図である。 主スイッチ電流に対する検出された電流の線形関係を示す例示的なグラフである。
図面中の複数の図にわたり、対応する参照符号が、対応する構成要素を示す。当業者は、図中の要素が簡潔かつ明確であるように描かれていることと、必ずしも一定の縮尺で描かれていないこととを理解すると考えられる。例えば、図中のいくつかの要素の寸法は、本発明の様々な実施形態をより理解しやすくするため、他の要素より誇張される場合があり得る。さらに、市販に適した実施形態において有用または必要な、一般的だがよく理解される要素は、多くの場合、本発明に係るこれらの様々な実施形態の図が見づらくなるのを防ぐため、描かれない。
以下の説明では、説明される実施形態を十分に理解できるように、例えば、装置の種類、電圧、部品値、回路構成など、特定の詳細事項が記載される。しかし、当業者は、これらの特定の詳細事項が、説明される実施形態を実施するために必要でない場合があり得ることを理解すると考えられる。説明される実施形態を理解しにくくならないように、よく知られた回路構造および構成要素は詳細には説明されないか、または、ブロック図の形態で示されることがさらに理解される。
本明細書中での、「一実施形態(one embodiment)」、「一実施形態(an embodiment)」、「一例(one example)」または「例(an example)」についての言及は、実施形態または例との関連で説明される特定の特徴、構造または特性が本発明の少なくとも1つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書中の様々な場所で使用する「一実施形態において(in one embodiment)」、「一実施形態において(in an embodiment)」、「一例(one example)」または「例(an example)」という語句は、必ずしもすべてが同じ実施形態または例に関するわけではない。さらに、特定の特徴、構造または特性は、1つまたは複数の実施形態または例において、あらゆる適切な組み合わせ、および/または部分的組み合わせで組み合わされ得る。特定の特徴、構造または特性は、説明される機能を提供する集積回路、電子回路、結合論理回路、または他の適切な構成要素に含まれ得る。加えて、本明細書と共に提供される図が当業者への説明を目的としていることが理解される。
本出願の文脈において、トランジスタが「オフ状態」または「オフ」であるとき、トランジスタは実質的に電流を流さない。逆に、トランジスタが「オン状態」または「オン」であるとき、トランジスタは実質的に電流を流すことができる。例えば、一実施形態において、高電圧トランジスタは、Nチャネル金属−酸化物−半導体電界効果トランジスタ(NMOS:N−channel metal−oxide−semiconductor)を備え、第1の端子であるドレインと第2の端子であるソースとの間で高電圧がサポートされる。高電圧MOSFETは、集積型制御装置回路により駆動されて、負荷に提供されるエネルギーを調節する電力スイッチを備える。本開示の目的において、「グランド」または「グランド電位」は、基準電圧または基準電位を表し、この基準電圧または基準電位に対して、電子回路または集積回路(IC:Integrated circuit)のすべての他の電圧または電位が規定または測定される。
本開示は、電流検出を提供する何らかのスイッチング装置と共に集積され得る電流検出回路および動作の方法に関する。一実施形態において、窒化ガリウム高移動度トランジスタ(GaN HEMT)がスイッチング装置として使用される。一例において、GaN HEMTを通る電流の流れは、半導体基板に結合されたソースをもつカスコードMOSFETにより検出され、検出抵抗器の必要性をなくす。特定の実装例において、GaN HEMTスイッチング装置は、低電圧主MOSFET装置とカスコードされたノーマリーオン高電圧JFET装置としてモデル化される。一実施形態において、電流検出回路は、主MOSFETと同じ半導体基板上にモノリシックに製造される第2の検出MOSFETをもつ、電流スケーリングブロックを含む。主MOSFETに対して、検出MOSFETは、K:1の比で寸法を小さくされ、Kは、1より大きな整数である。
この構成が低側検出MOSFET上の浮遊ソースピンを必要とせず、その代わり、主MOSFETと検出MOSFETとの両方が、それらのソースを直接基板に接続することを、当業者は理解すると考えられる。浮遊低側MOSFETの必要性をなくすことは、検出抵抗器の必要性がないという別の利点を提供する。よく知られているように、検出抵抗器は、MOSFETとは異なる温度係数をもつ。さらに、オンチップで正確なポリシリコン抵抗器を実装することは、典型的には、大きな領域を必要とする。モノリシックの比率変更された(拡縮された)二重低側MOSFETを使用することの他の利点は、低側カスコードMOSFETにおける主MOSFETに対して、検出MOSFETのゲート・ソース電圧に差がない(無バイアスである)ことである。
一実施形態において電流検出回路は、電圧等化器と変調器ブロック/回路とをさらに含む。変調器回路は、第2の検出MOSFETを通って流れる電流を変調し、これは、主MOSFET装置と第2の検出MOSFETとの両方にかかるドレイン・ソース電圧を等化する。
一実施形態において主MOSFET装置と検出MOSFETとは、同じゲート駆動信号により、同一のドレイン電圧において制御されるので、前述のように、主MOSFET装置と検出MOSFETとの両方が、同一の電流密度で動作する。寸法比Kに起因して、主MOSFET装置と検出MOSFETとを通って流れる電流は、それぞれ、それらのチャネル寸法に比例する。一実装例において、検出MOSFETを通って流れる低減された(スケールダウンされた)電流は、所定の制限値未満に維持され、電流スケーリングを正確に維持する。
図1は、電流検出なしで、例えば、検出FETと、RDS(on)または電流検出のための外部検出抵抗器を使用することとのいずれも伴わずに、半導体スイッチング装置110と共に使用するための例示的な電流検出回路190の回路ブロック図である。示されるように、スイッチング電圧Vsw103とスイッチング電流Isw104とが、半導体スイッチング装置110に印加される。示される例において、制御/駆動信号105(例えば、パルス幅変調(PWM:pulse width modulated)信号)は、半導体スイッチング装置110の制御端子に印加される。
一実装例において、半導体スイッチング装置110は、接地された制御端子をもつノーマリーオン高電圧接合型電界効果トランジスタ(JFET:junction field−effect transistor)としてモデル化され得る広帯域GaN HEMTであり、JFETは、ゲート駆動信号を受信する低電圧主MOSFETトランジスタとカスコードされる(図2参照)。スイッチング電流104は、電流伝達比K:1(K=I/I;K≫1)の電流スケーリングブロック150を通って流れ得る。一例において、GaN HEMTとのカスコードにおける低電圧MOSFET部は、電流スケーリングブロック150の一部として含まれ得る。
電流スケーリングブロック150への入力電流信号154は、スイッチング電流104と実質的に同じである。出力スケールダウン電流信号156は、入力電流信号154に連続的におよび線形に追従する。入力電流信号154に対する出力電流信号156の線形性は、変調器140により確実なものとされる。動作時、変調器140は、電流スケーリングブロック150の出力電流信号156に等化信号138を注入し得る。内部IC電圧源Vsupply180は、電源電流165を提供し、電源電流165は、変調器140により変調された後、出力電流信号156を形成する。
ノードAに結合された第1の入力とノードBに結合された第2の入力とを含み、それにより、それぞれ、電圧Vと電圧Vとを受信する電圧等化器130が示される。動作時、電圧等化器ブロック130は、ノードBにおける電圧VがノードAにおける電圧Vに追従し、ノードAにおける電圧Vに実質的に等しくなるように、電流信号165を変調する変調器140に入力される等化信号138を生成する。電圧等化器ブロック130の第1の入力端子が(過渡または通常の)入力ノードVに現れるあらゆる発生し得る高電圧パルスまたはスパイクにさらされ得る用途の場合、任意選択的な高電圧遮断器回路120が(示されるように)付加されて、電圧等化器130の第1の入力端子に対して発生し得る損傷を防止し得る。
当業者は、電流スケーリング回路ブロック150を通して提供される電流スケーリング比には実用上の制限があることを理解すると考えられる。非常に大幅な電流低減(大きなK値)が所望される場合、1つまたは複数のカレントミラー段が出力段に付加され得る。例えば、図1に示す回路ブロック図は、電圧源180と変調器140との間の接続経路内に含まれる電流比M:1のカレントミラー160を示す。そのため、示される例において、検出電流(電流検出信号166)に対するスイッチ電流Isw(104)の全体比は、(K×M):1まで高められる。これは、検出MOSFET170を通って流れる検出電流166は、2つの因子Kと因子Mとの倍数であることを意味する。一実施形態において、M=1であるのに対し、他の実施形態において、Mは1より大きな整数であることに注意されたい。図1に示されるすべての信号は、グランド電位101を基準とすることにさらに注意されたい。
図2は、主スイッチ電流204に対する連続的で線形な検出された電流の応答を伴う例示的な電流検出回路の詳細な概略回路図である。図2に示される例において、スイッチング装置210は、低電圧MOSFET253(例えば、シリコンMOSFET)と(直列に)カスコードされた高電圧JFET206により示されるGaN HEMTを含む。JFET206の制御端子205は、グランド電位201に結合され、このことが、カスコードされた低電圧MOSFET253にかかる高スイッチング電圧をバッファし得るノーマリーオン装置としてJFET206が動作することを維持する。任意選択的な高電圧遮断器回路220は、一例において、その制御端子が接地されたノーマリーオンJFETスイッチQ1 222で構成され、ノードV215に結合されることが示される。高電圧遮断器回路220は、悪影響を防止して、電圧等化器230において発生する可能性の高い損傷から保護し得る。
低電圧MOSFET253は、それらの制御端子において同じゲート/駆動信号254を受信する2つのMOSFETスイッチ253と255とからなるモノリシック電流スケーリング回路ブロック250の一部である。モノリシックMOSFETスイッチ253と255との両方が、同じ特性パラメータをもつが、異なる寸法とされて電流比K:1を実現する。
MOSFETスイッチ253と255とのドレイン電圧、V215とV245とは、それぞれ、MOSFETスイッチ255を通って流れる電流256の変調を通して同一に留まるようにされる。変調器240は、電流256を変調する。MOSFETスイッチ253と255とにかかる電圧を同一に固定することは、MOSFETスイッチ253と255とのそれぞれのチャネルを通る電流密度が同一であることを意味する。その結果、MOSFETスイッチ253と255との各々を通る全電流は、それらのそれぞれのチャネル寸法(すなわち、MOSFETチャネルの幅/長さ)に比例する。示されるように、MOSFETスイッチ253と255とのそれぞれのチャネル寸法は、K:1の電流比を提供するように設計され、Kは1より大きな(典型的には、1より大きな桁数の)整数である。
図2の例では、回路ブロック230は、電圧等化器として機能する演算増幅器(OpAmp)である。OpAmp230は、MOSFETスイッチ253と255とから、それぞれ、正(+)入力端子234と負(−)入力端子236とにおいてドレイン電圧信号V215とV245とを受信する。一実施形態において、約20〜25Vより高い電圧がノードV215に現れる場合、任意選択的に、+OpAmp入力端子234とノードAとの間に高電圧遮断器回路220が接続され得る。図2に示されるように、高電圧遮断器回路220は、+OpAmp入力端子234に対して発生し得る損傷から保護するため、その制御端子が接地されたノーマリーオンJFETスイッチQ1 222により実装され得る。
OpAmp235から出力される等化信号238は、変調器240の入力において抵抗器242に結合されるように示される。抵抗器242の他端部は、MOSFET Q2 244の制御端子(ゲート)に接続される。この構成において、線形モードで動作するMOSFET Q2 244を通る電流の流れ、は、Q2 244の制御端子に印加される等化信号238を通して変調される。他の一実施形態において、MOSFET Q2 244は、バイポーラ接合トランジスタ(BJT:bipolar junction transistor)または他の種類の電界効果トランジスタにより置換され得る。示されるように、等化信号238は、MOSFET Q2 244の主端子を通した電圧降下を制御して、ノードBにおける電圧Vを、ノードAにおける電圧Vと同一にする。同じゲート駆動信号254を受信するモノリシックMOSFETトランジスタM1 253とM2 244とにかかるノードAの電圧VとノードBの電圧Vとの等化は、MOSFETトランジスタM1 253とM2 244とにおける電流密度が等しくなるようにする。これは、MOSFETトランジスタM1 253とM2 244とを通る電流の流れが、それぞれ、それらの選択/設計された寸法比に比例することをもたらす。一例において、MOSFET M2 244を通る電流の流れは、MOSFET M1 253を通って流れる電流に対して1/K倍にスケールダウンされる。
図2に示す例に続いて、スケールダウンされた電流265は、(MOSFET M2 244を通って流れる電流256と同じであり、電圧源Vsupply280に結合されたカレントミラー260を通って流れ得る。一例において、カレントミラー260は、ノードBに結合された第1の側部と、電流検出要素270に結合された第2の側部とを備える。示される例において、カレントミラーは、PMOSトランジスタ262とPMOSトランジスタ264とを備え、PMOSトランジスタ262とPMOSトランジスタ264とは、コモンゲートノードを共有し、カレントミラー比M:1を提供するように適切に寸法決めされ、Mは1以上の整数である。これは、PMOSトランジスタ264(カレントミラーの第2の側部)を通って流れる検出電流266が、PMOSトランジスタ262(カレントミラーの第1の側部)を通って流れる電流265に比べてM分の1に低減されることを意味する。電流検出要素または構成要素270は、検出電流266を検出/監視するために使用され得ることに注意されたい。検出要素/構成要素270は、制御装置における電流監視または保護ブロックを備え得る。全体として、スイッチ電流Isw204と検出電流266との間における全電流低減量は、K×Mに等しい。特定の高スイッチング電流用途において、スケールダウンされた検出電流をさらに低減するため、別のカスコードされたカレントミラー段が追加され得ることが理解される。
図3は、図1と図2とに示す例示的実施形態における、主スイッチ電流に対する検出された電流の線形関係を示す例示的なグラフである。当業者は、線350により示される線形電流関係が、固定値電流源を使用する従来技術の手法における過電流検出の点を表すスイッチ電流レベル335(破線330により示される)を越えて延びることを理解すると考えられる。スイッチング装置の電流閾値/制限を表すための固定値電流源に依存する従来の手法は、典型的には、電流IFIX335の下方または上方に線形応答を維持することが不可能である。
当業者は、開示される主題が様々なバージョンおよび変形例により実装され得ることを理解すると考えられる。スイッチング装置は、あらゆるディスクリート型または集積型のSi、SiC、GaNまたは他の種類の高電子移動度半導体スイッチからなり得る。
例示的な実施形態の上記の説明は、要約で説明している事項を含め、網羅的であることも、開示される形態または構造そのものへの限定であることも意図されない。本明細書で説明される主題の特定の実施形態と例とは、例示を目的とし、本発明のより広い趣旨および範囲から逸脱することなく様々な同等な変更が可能である。実際、特定の例示的な電流、電圧、抵抗、装置寸法などが説明のために提示されることと、本発明の教示に従った他の実施形態および実施例において他の値も使用し得ることとが理解される。

Claims (20)

  1. トランジスタ装置を通って流れる主電流を検出するための集積回路(IC)であって、
    基板と、
    第1のMOSFET装置と第2のMOSFET装置とを含む電流スケーリング回路であって、
    前記第1のMOSFET装置が、第1のノードにおいて前記トランジスタ装置に結合されたドレインと、前記基板に結合されたソースと、を含み、
    前記第2のMOSFET装置が、前記基板に結合されたソースと、第2のノードに結合されたドレインと、を含み、
    前記第1のMOSFET装置と前記第2のMOSFET装置との各々が、ゲート駆動信号を受信するように共通して結合されたゲートを含み、
    前記第1のMOSFET装置が、前記第2のMOSFET装置に比べてK倍大きなチャネル寸法をもち、Kが、1より大きな整数であり、それにより、動作時に前記第1のMOSFET装置と前記第2のMOSFET装置との間でK:1の電流比を生成する、
    前記電流スケーリング回路と、
    前記第1のMOSFET装置と前記第2のMOSFET装置との両方にかかる電圧を等化する、前記第1のノードと前記第2のノードとに結合された回路と、
    を備える、
    IC。
  2. 前記第2のノードに結合された第1の側部と、第2の側部と、を含むカレントミラーをさらに備え、
    二次電流が、前記第1の側部を通って流れ、
    検出電流が、前記カレントミラーの前記第2の側部を通って流れる、
    請求項1に記載のIC。
  3. 前記第1のMOSFET装置の前記ソースと前記第2のMOSFET装置の前記ソースとが、前記基板に直接接続される、
    請求項1に記載のIC。
  4. 前記回路が、前記第1のノードに結合された前記第1の入力と前記第2のノードに結合された第2の入力とを含む等化器回路を備え、
    前記等化器回路が、前記第1の入力と前記第2の入力とにかかる電圧差に応答して、等化器信号を出力する、
    請求項1に記載のIC。
  5. 前記回路が、前記等化器信号を受信することと、前記等化器信号に応答して、前記第2のMOSFET装置を通って流れる前記二次電流を変調して、前記第1のMOSFET装置と前記第2のMOSFET装置との両方にかかる電圧を等化することと、を行うように結合された変調器回路をさらに備える、
    請求項4に記載のIC。
  6. 前記カレントミラーの前記第1の側部が、電圧源と前記第2のノードとの間に結合された第1のPMOSトランジスタを含み、
    前記カレントミラーの前記第2の側部が、前記電圧源に結合された第2のPMOSトランジスタを含み、
    前記第1のPMOSトランジスタと前記第2のPMOSトランジスタとの各々が、前記第2のノードに共通して結合されたゲートを含む、
    請求項2に記載のIC。
  7. 前記第1のPMOSトランジスタが、前記第2のPMOSトランジスタに比べてM倍大きな寸法をもち、Mが、1以上の整数であり、それにより、動作時に前記第1のPMOSトランジスタと前記第2のPMOSトランジスタとの間でM:1の電流比を生成する、
    請求項6に記載のIC。
  8. 前記検出電流に対する主電流の全体比が、(K×M):1である、
    請求項7に記載のIC。
  9. 前記カレントミラーが、1つまたは複数の別のカスコードされたカレントミラー段をさらに備える、
    請求項2に記載のIC。
  10. 前記等化器回路が、演算増幅器を備える、
    請求項4に記載のIC。
  11. 前記変調器回路が、前記第2のノードに結合された第2のトランジスタ装置を備える、
    請求項5に記載のIC。
  12. 前記第2のトランジスタ装置が、線形モードで動作するMOSFETである、
    請求項11に記載のIC。
  13. 前記第2のトランジスタ装置が、線形モードで動作するバイポーラ接合トランジスタ(BJT)である、
    請求項11に記載のIC。
  14. 前記変調器回路が、MOSFETのゲートに接続された一端部と等化信号を受信するように結合された他端部とを含む抵抗器をさらに含む、
    請求項12に記載のIC。
  15. 前記トランジスタ装置が、窒化ガリウム(GaN)高電子移動度FET(HEMFET)を備える、
    請求項1に記載のIC。
  16. 前記検出電流を受信するように結合された電流検出構成要素をさらに備える、
    請求項1に記載のIC。
  17. 前記回路が、前記第1のノードと前記等化器回路の前記第1の入力との間に結合された高電圧遮断器回路をさらに備える、
    請求項4に記載のIC。
  18. 前記高電圧遮断器回路が、ノーマリーオン高電圧JFETを備える、
    請求項17に記載のIC。
  19. 前記第1のMOSFET装置と前記第2のMOSFET装置とが、実質的に同じ特性パラメータをもつモノリシック装置である、
    請求項17に記載のIC。
  20. Mが、1より大きな整数である、
    請求項7に記載のIC。
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