DE2525632C3 - Überspannungsschutzschaltungsanordnung für eine Halbleiterschaltung, insbesondere für MOS-Transistorschaltung, aus Dioden und Widerständen - Google Patents

Description

Es ist bereits bekannt, Halbleiterschaltungen gegen Überspannungen durch vorgeschaltete Schutzschaltungen /u schützen (siehe /. B. DK-OS 18 09 438,22 36 865). Solche Schutzschaltungen sind mit Hilfe von Dioden aufgebaut. Sie eignen sich auch dafür, integrierte Schaltungen zu schützen. Auch Sperrschicht-Feldeffekt-Transistorschaltungen können auf diese Weise geschützt werden, wobei die Schutzschaltung mit Hilfe von Widerständen und Dioden aufgebaut ist (siehe DE-AS 20 S1 303).

Die Erfindung zeigt nun einen Weg, wie solche Schutzschaltungen in besonders vorteilhafter Weise ausgestaltet werden können. Durch die erfindungsgemüße Schutzschaltung wird nicht nur ein Schutz gegen Überspannungen und gegen Spannungsspitzen erzielt, sondern es wird darüber hinaus auch erreicht, daß für bestimmte Steuerspannungen ein gewisser Schwankungsbereich zulässig ist.

Bei einer bereits bekannten Überspannungsschutzanordnung für eine Halbleiterschaltung (siehe DE-PS 1 I 27 947) wird der Schutz gegen Überspannungen mit Hilfe eines Stabilisierungsstromkreises und mit Hilfe von Dioden zustande gebracht, die durch eine Hilfsspannung vorgeflutet sind. Der zugehörige Steuerkontakt ist an Masse angeschlossen, während an weitere Schaltungspunkte Spannungen unterschiedlicher Polarität gelegt sind. Die gleichzeitige Ausnutzung von Spannungen, die gegen Masse unterschiedliche Polarität haben, ist aber schiltungstechnisch unbequem. Die Erfindung löst die Aufgabe, diese Unbequemlichkeit zu vermeiden und außerdem dabei für bestimmte Steuerspannungen einen gewissen Spannungsbereich zuzulassen, so daß die Steuerung kaum behindert wird, wenn auf der Steuerleitung Spannungsabfälle auftreten oder Störspannungen eingekoppelt werden.

Bei der Erfindung wird demgemäß von einer Überspannungsschutzschaltungsanordnung für eine Halbleiterschaltung ausgegangen, durch welche die der betreffenden Steuerelektrode der Halbleiterschaltung zugeführte Steuerspannung über einen Stabilisierungsstromkreis begrenzt wird, der von wenigstens einer Hilfsspannung gespeist ist und die im Kreis der Steuerspannung wenigstens einen Widerstand und im übrigen von der Hilfsspannung vorgeflutete Dioden in solcher Anordnung enthält, daß ein der Steuerspannung überlagertes, unzulässig hohes Steuersignal von der Steuerelektrode abgehalten wird, wobei das Steuersignal über eine Steuerleitung herangeführt ist, über die die Halbleiterschaltung durch Schließen und Unterbrechen des Steuerstromkreises mittels eines an der Betriebsspannung liegenden Steuerkontaktes gesteuert wird. Die erfindungsgemäße Überspannungsschutzschaltungsanordnung ist insbesondere für eine Sperrschicht-Feldeffekt-Transistorschaltung geeignet. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß der Stabilisierungsstromkreis für die Steuerspannung von einer mittleren Betriebsspannung über eine Z-Diode in Durchlaßrichtung, über eine weitere Z-Diode in Sperrichtung und über einen Widerstand zur unteren Betriebsspannung führt, die gleiche Polarität wie die mittlere Betriebsspannung hat, daß die Steuerspannung am Verbindungspunkt zwischen den Dioden abgegriffen wird, von dem noch ein Widerstand zu einer oberen Betriebsspannung führt, daß die Steuerleitung an dem Verbindungspunkt zwischen der in Sperrichtung betriebenen Diode und dem zur unteren Betriebsspannung führenden Widerstand angeschlossen ist, und daß über den Steuerkontakt die obere Betriebsspannung zuführbar ist.

Durch diese Schaltungstechnik wird erreicht, daß auf der Steuerleitung auftretende Überspannungen sich nur

begrenzt auf die Steuerelektrode auswirken können, daß außerdem eine Vefälschung des durch Schließen des Steuerstromkreises durch den Steuerkontakt erzeugten Steuersignals weitgehend verhindert wird und daß der Aufwand für die Versorgung mit Betriebsspannungen klein gehalten wird. Die Arbeitsweise dieser Überspannungsschutzanordnung wird im einzelnen anhand der Beschreibung der verschiedenen Betriebsfälle erläutert.

Zweckmäßigerweise werden zum Schutz gegen Überspannungen noch Strombegrenzungswiderstände in die Schutzschaltung eingefügt. Ferner wird zweckmäßigerweise vorgesehen, daß die an der mittleren Betriebsspannung liegende Diode in Sperrichtung einen Spannungsabfall hat, dcv etwa gleich der Differenz zwischen der oberen Betriebsspannung und der mittleren Betriebsspannung ist.

Ein Beispiel für den Aufbau und den Betrieb der erfindungsgemäßen Schutzschaltung wird im folgenden anhand der Figur im einzelnen erläutert. Die betreffen de Steuerelektrode der zu schützenden Halbleiterschaltung ist dort das Gate G eines MOS-FET-Transistors. Zum Stabilisierungsstromkreis gehören dk Z-Diode D 2, Z-Diode DX und der Widerstand RX sowie der Widerstand Ri. An die Z-Diodc D2 ist die Spannung -UX und an den Widerstand RX ist die Spannung — Wl angelegt. Der Widerstand R 3 ist an Masse gelegt. Der Betrag der negativen Spannung — LJ 2 ist größer als der Betrag der negativen Spannung -UX. Die Steuerspannung für die Steuerelektrode G wird am Verbindungspunkt Bzwischen den Dioden D 2, D X und dem Widerstand /?3 abgegriffen. Es ist hier zwischen diesem Verbindungspunkt ßund die Steuerelektrode C noch der Strombegrenzungswiderstand R 4 eingefügt. Er dient zum Schutz gegen Überspannungen. Der Diode D X ist noch der Strombegrenzungswiderstand R 2 vorgeschaltet, der ebenfalls zum Schutz gegen Überspannungen dient. Diese Überspannungen können gegebenenfalls auf der Steuerleilung L auftreten, über die die Halbleiterschaltung durch Schließen und Unterbrechen des Steuerstromkreises mittels des einseitig an Masse liegenden Steuerkontaktes e gesteuert wird. Mit Überspannungen ist besonders zu rechnen, wenn es sich um eine verhältnismäßig lange Steuerleitung handelt, auf die Störspannungen eingekoppelt werde können. Zweckmäßigerweise hat die Z-Diode D2 in Sperrichtung einen Spannungsabfall, der etwa gleich der Differenz zwischen der oberen Betriebsspannung Masse und der mittleren Be'riebsspannung - UX ist. Hat z. B. die mittlere Betriebsspannung — UX die Größe - 12 V, die untere Betriebsspannung -U2 die Größe - 60V, so kann z. B. als Diode D 2 eine Z-Ditde mit einem Spannungsabfall von 15V in Sperrichtung verwendet werden. Als Diode D X kann eine gleiche Z-Diode verwendet werden. Es hat sich gezeigt, daß die Schutzschaltung gut arbeitet, wenn die zugehörigen Widerstände folgende Widerstandswerte haben: R 1 = 33 kOhm, K2=10kOhm,

R 3 = 56 kOhm, R 4 = 390 kOhm.

Wenn der Steuerstromkreis mit Hilfe des Steuerkontaktes e unterbrochen ist, so fließt ein Stabilisierungsstrom von -Ui über die Diode D2 in Durchlaßrichtung, über die Diode D X in Sperrichtung, den Strombegrenzungswiderstand R 2 und den Widerstand

R I zu - U2. Am Verbindungspunkt B liegt dann eine Spannung, die etwa der mittleren Betriebsspannung - UX entspricht. Diese Spannung bleibt auch erhalten, wenn auf die Sieuerl-itung L Spannungen eingekoppelt werden, die unterhalb der Betriebsspannung -UX liegen. Werden dort Spannungen eingekoppelt, die darüberliegen, so kann am Verbindungspunkt B maximal nur eine Spannung auftreten, die etwa gleich + 3V ist, also gleich der Differenz zwischen der mittleren Betriebsspannung -UX = -12 V und dem Spannungsabfall an der Diode D2 in Sperrichtung, der 15 V beträgt. Die angestrebte Spannungsbegrenzung ist also in diesem Betriebsfall erreicht.

Wenn der Steuerstromkreis mit Hilfe des Steuerkontaktes e geschlossen ist, so liegt normalerweise am Verbindungspunkt B Massepotential. Über den Widerstand R X fließt der Frittstrom für diesen Steuerkontakl. Auch am Verbindungspunkt B stellt sich unter Mitwirkung des Widerstandes R 3 Massepotential ein. Die Diode D 2 ist diesmal in Sperrichtung betrieben. Das Massepotential bleibt am PunKr B auch erhalten, wenn auf die Steuerleitung L negative Störspannungen bis zu etwa — 15 V eingekoppelt werden. Haben diese negativen. Störspannungen einen größeren Beirag, so hat dies zur Folge, daß die Diode D 2 in Durchlaßrichtung beansprucht wird. Dabei wird die am Verbindungspunkt B auftretende Spannung auf die Spannung -UX = - 12 V begrenzt. Wird auf die Steuerleitung L eine positive Störspannung eingekoppplt, so ergibt sich, daß ein Strom über den Widerstand R 2 fließt, wobei die Diode D X in Durchlaßrichtung betrieben wird und die Diode D 2 in Sperrichtung betrieben wird. Am Verbindungspunkt B kann dabei maximal nur eine Spannung von +3 V auftreten, wie es bereits erläutert wurde. Der Widerstand R 4 dient zur Begrenzung des Stromes, der bei Störspannungen gegebenenfalls von der Halbleiterschaltung aufgenommen wird. Der Widerstand R 2 dient auch zur Begrenzung des Stromes, wenn Störspannungen auftreten.

Vorstehend wurde gezeigt, daß der Verbindungspu"kt B bei geschlossenem Steuerstromkreis normalerweise Massepotential annimmt und dies auch beibehält, wenn negative Störspannungen bis zu -!5V auf die Steuerleitung eingekoppelt werden. Das durch die Schließung der Steuerkontakte e zugeTührte Steuersignal wird also durch solche eingekoppelte Störspannungen und durch dementsprechende Spannungsabfälle an der Steuerleitung L nicht verfälscht. Die erfindungsgemäße Schutzschaltung bewirkt also nicht nur eine Begrenzung der Spannungen, die der gesteuerten Halbleiterschaltung zugeführt werden, sondern verhindert auch vorteilhafterweise eine Verfälschung des Steuersignals durch betreffende eingekoppelte Störspannungen.

Zweckmäßigerweise wird der der Steue-elektrode G vorgeschaltete Strombegrenzungswiderstand R 4 durch den Kondensator C ergänzt, an dessen freien Anschluß die Spannung - UX gelegt ist. Es wird dann durch den Strombegrenzungswiderstand R 4 und durch den Kondensator C ein Verzögerungsglied gebildet, das entsprechend seiner Zeitkonstante auch Störimpulse abfängt, die durch Kontaktprellungen oder durch kurzzeitige Störspannungen hervorgerufen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Überspannungsschutzschaltungsanordnung für eine Halbleiterschaltung, insbesondere Sperrschicht-Feldeffeki-Transistorschaltung, durch welche die der betreffenden Steuerelektrode der Halbleiterschaltung zugeführte Steuerspannung über einen Stabilisierungsstromkreis begrenzt wird, der von wenigstens einer Hilfsspannung gespeist ist und die im Kreis der Steuerspannung wenigstens einen Widerstand und im übrigen von der Hilfsspannung vorgeflutete Dioden in solcher Anordnung enthält, daß ein der Steuerspannung überlagertes, unzulässig hohes Störsignal von der Steuerelektrode abgehalten wird, wobei das Steuersignal über eine Steuerleitung herangeführt ist, über die die Halbleiterschaltung durch Schließen und Unterbrechen des Steuerstromkreises mittels eines an der 3e· triebsspannüt.g liegenden Steuerkontaktes gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Stabilisierungsstromkreis für die Steuerspannung von einer mittleren Betriebsspannung (— UX) über eine Z-Diode (D2) in Durchlaßrichtung, über eine Z-Diode (D 1) in Sperrichtung und über einen Widerstand (R 1) zur unteren Betriebsspannung (— U2) führt, die dieselbe Polarität wie die mittlere Betriebsspannung hat, daß die Steuerspannung am Verbindungspunkt (B) zwischen den Dioden (D 2, D 1) abgegriffen wird, von dem noch ein Widerstand (R 3) zu einer oberen Betriebsspannung (Masse) führt, daß die Steuerleitung (L)an dem Verbindungspunkt fZy zwischen der in Spemchtung betriebenen Diode (D 1) und dem zur unieren Betriebsspannung (— U2) führenden Widerstand f««l) angeschlossen ist, und daß über den Steuerkoritakt (e) die obere Betriebsspannung (Masse) zuführbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Stabilisicrungsstrom in Sperrichtung beanspruchten Diode (D X) ein Strombegrenzungswiderstand (R 2) zum Schutz gegen Überspannungen auf der Steuerleitung (L) vorgeschaltet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Verbindungspunkt (B) der Dioden (D 1, D 2) und der Steuerelektrode (G) der Halbleiterschaltung ein Strombegrenzungswiderstand (R 4) zum Schutz gegen Überspannungen auf der Steuerleitung ^eingefügt ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der der Steuerelektrode (G) vorgeschaltete Strombegrenzungswiderstand (R 4) durch einen Kondensator (C) ergänzt ist, so daß ein Verzögerungsglied gebildet ist, das Störimpulse abfängt.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an der mittleren Betriebsspannung (— U1) liegende Diode (D 2) in Sperrichtung einen Spannungsabfall hat, der etwa gleich der Differenz zwischen der oberen Betriebsspannung (Masse) und der mittleren Betriebsspannung (- U I) ist.