(57)【要約】パワー絶縁ゲート電界効果トランジスタはメインセル絶縁ゲートにより制御されるメインセル（２）とセンスセル絶縁ゲートで制御されるセンスセル（４）とを有する。少なくとも１つのサンプル状態とホールド状態を含む複数の状態で動作するサンプルホールド回路（１０、５０）が設けられ、該回路は少なくとも１つのサンプル状態にあってホールド状態にないときに、前記センスセル（４）を流れる電流を検出するよう構成される。サンプル状態は、帰還ループ内でメインセルおよびセンスセル（２，４）のゲートを駆動する駆動増幅器（２０）を制御するために及び／又はセンスセル（４）の電流を測定出力端子（５８）にミラー生成するために使用することができる。
2006523992.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メインセル絶縁ゲートにより制御されるメインセルとセンスセル絶縁ゲートで制御されるセンスセルとを有するパワー絶縁ゲート電界効果トランジスタと、
前記センスセルと直列に接続され、少なくとも１つのサンプル状態とホールド状態を含む複数の状態で動作するように構成されたサンプルホールド回路とを具え、
前記サンプルホールド回路が、前記少なくとも１つのサンプル状態にあって前記ホールド状態にないときに、前記センスセルを流れる電流を検出するよう構成されていることを特徴とするデバイス。
【請求項２】
前記サンプルホールド回路は、前記センスセルに接続された帰還サンプルホールド回路であって、前記サンプル状態において前記センスセルを流れる電流を検出するよう動作し、前記センスセルのゲートを前記センスセルに目標電流を流す電圧に駆動する出力を有し、且つ前記ホールド状態においてその出力電圧をホールドし、前記メインセルの絶縁ゲートを該出力電圧で駆動するよう動作することを特徴とする請求項１記載のデバイス。
【請求項３】
前記帰還サンプルホールド回路の出力は前記センスセルの絶縁ゲートに接続されるとともに前記メインセルの絶縁ゲートに第１のスイッチを経て接続されたゲート駆動ノードに接続され、前記第１のスイッチは前記サンプル状態において開いて前記メインセルの絶縁ゲートを前記ゲート駆動ノードから絶縁し、前記ホールド状態において閉じて前記メインセルの絶縁ゲートを前記ゲート駆動ノードから駆動することを特徴とする請求項２記載のデバイス。
【請求項４】
前記帰還サンプルホールド回路は、
前記ゲート駆動ノードを駆動するように接続されたサンプルホールド電圧増幅器と、
前記サンプルホールド電圧増幅器の入力に接続された入力加算ノードと、
前記入力加算ノードに基準電流を供給する電流源と、
前記入力加算ノードに接続された電流ミラー回路であって、前記サンプル状態において前記入力加算ノードからのミラー電流を流して前記センスセルを流れる電流をミラー生成する電流ミラー回路とを具え、
前記電流ミラー回路と前記サンプルホールド電圧増幅器とが、前記サンプル状態において前記ゲート駆動ノードを基準電流にマッチする目標電流が前記センスセルを流れる電圧に向け駆動しようとする帰還ループとして作用するように配置されていることを特徴とする請求項３記載のデバイス。
【請求項５】
前記メインセルが間に接続されたソースおよびドレイン出力端子と、
前記センスセルと前記ソースまたはドレイン出力端子の一つとの間に接続された第２のスイッチとを具え、
前記回路は、前記ホールド状態において前記第２のスイッチを閉じて、前記ホールド状態において前記センスセルを流れる電流のために前記電流ミラー回路を通らない電流路を与えるように構成されていることを特徴とする請求項４記載のデバイス。
【請求項６】
前記電流ミラー回路は、
前記センスセルのソースに接続されたミラー加算ノードと、
前記ミラー加算ノードに接続され、前記サンプル状態において前記センスセルを流れる電流をシンクする電流シンク電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）と、
前記ミラー加算ノードに接続された入力と、前記サンプル状態または各サンプル状態において閉じる第３のスイッチを経て前記電流シンクＦＥＴのゲートに接続された出力とを有する加算ノード増幅器と、
前記電流シンクＦＥＴと電流ミラーを構成する電流ミラーＦＥＴとを含み、前記加算ノード増幅器の出力が前記電流ミラーＦＥＴのゲートに接続され、前記電流ミラーＦＥＴを制御して前記電流シンクＦＥＴを流れる電流をミラー生成することを特徴とする請求項４または５記載のデバイス。
【請求項７】
前記電流シンクＦＥＴのゲートに接続され、前記ホールド状態において前記電流シンクＦＥＴをスイッチオフする第４のスイッチを更に具えることを特徴とする請求項６記載のデバイス。
【請求項８】
前記電流シンクＦＥＴに接続された測定ミラーＦＥＴを含む測定サンプルホールド回路を更に具え、
前記測定ミラーＦＥＴはミラー電流出力端子に接続され、
前記測定サンプルホールド回路は、前記第２のスイッチが開いている測定サンプル状態において前記電流シンクＦＥＴを流れる電流を前記測定ミラーＦＥＴにミラー生成すべく動作するように構成されていることを特徴とする請求項６または７記載のデバイス。
【請求項９】
前記電流源がパルス化され前記サンプル状態または各サンプル状態においてのみ動作し、
前記第３のスイッチが前記加算ノード増幅器と共通ノードとの間に設けられ、
前記ミラーＦＥＴと前記電流シンクＦＥＴのゲートが前記共通ノードに接続され、
当該デバイスは更に前記ホールド状態中に前記加算ノード増幅器をゼロにするオートゼロ回路を具えることを特徴とする請求項６または７記載のデバイス。
【請求項１０】
前記共通ノードに接続されたゲートを有する測定ミラーＦＥＴを更に具え、前記回路は、前記第２のスイッチが開いている測定サンプル状態を有し、該状態において前記センスセルを流れる電流を前記測定ミラーＦＥＴにミラー生成するよう構成されていることを特徴とする請求項９記載のデバイス。
【請求項１１】
前記電流ミラー回路に接続され、前記電流ミラー回路を流れる電流をシンクするチャージポンプ電流シンクを更に具えることを特徴とする請求項３−１０の何れかに記載のデバイス。
【請求項１２】
前記サンプルホールド回路は電流ミラー回路を含み、該電流ミラー回路は、
前記センスセルのソースに接続されたミラー加算ノードと、
前記ミラー加算ノードに接続され、前記サンプル状態において前記センスセルを流れる電流をシンクする電流シンク電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）と、
前記ミラー加算ノードに接続された入力と、前記サンプル状態または各サンプル状態において閉じる第３のスイッチを経て前記電流シンクＦＥＴのゲートに接続された出力とを有する加算ノードサンプルホールド増幅器と、
前記電流シンクＦＥＴと電流ミラーを構成する少なくとも１つの電流ミラーＦＥＴとを含み、サンプル状態において前記加算ノード増幅器の出力が前記電流ミラーＦＥＴのゲートに接続され、前記電流ミラーＦＥＴを制御して前記電流シンクＦＥＴを流れる電流をミラー生成することを特徴とする請求項１記載のデバイス。
【請求項１３】
前記少なくとも１つのミラーＦＥＴは測定出力端子に接続された測定ミラーＦＥＴを含み、前記少なくとも１つのサンプル状態は前記センスセルの電流を前記測定出力端子にミラー生成する測定サンプル状態を含むことを特徴とする請求項１２記載のデバイス。
【請求項１４】
前記少なくとも１つのミラーＦＥＴは、前記センスセルのゲートを駆動するように接続され且つ前記ホールド状態において前記メインセルのゲートを駆動するように第１のスイッチを経て接続された帰還サンプルホールド増幅器に接続された電流ミラーＦＥＴを含むことを特徴とする請求項１２または１３記載のデバイス。
【請求項１５】
前記帰還サンプルホールド増幅器の入力に接続された電圧駆動ノードに電流を供給する電流源を更に具え、前記電圧駆動ノードが前記電流ミラーＦＥＴを経て電流シンクに接続されていることを特徴とする請求項１４記載のデバイス。
【請求項１６】
前記スイッチを前記サンプル状態と前記ホールド状態の間で、１：５〜１：５０の範囲のサンプル状態対ホールド状態の時間比であるデューティサイクルでサイクル制御するように接続された制御回路を更に具えることを特徴とする請求項１−１５の何れかに記載のデバイス。
【請求項１７】
電界効果トランジスタを動作させる方法であって、
メインセル絶縁ゲートにより制御されるメインセルとセンスセル絶縁ゲートで制御されるセンスセルとを有するパワー絶縁ゲート電界効果トランジスタと、  前記センスセルに接続されたサンプルホールド回路とを用意するステップと、
前記サンプルホールド回路が電圧を出力して前記センスセルを駆動するが前記メインセルは駆動しないで、前記センスセル電流を検出する少なくとも１つのサンプル状態へ切り替えると、
前記センスセル電流が測定されないホールド状態へ切り替えるステップと、
前記サンプル状態と前記ホールド状態を循環させるステップとを具えることを特徴とする電界効果トランジスタ動作方法。
【請求項１８】
前記サンプルホールド回路は、前記センスセルに接続された帰還サンプルホールド回路であり、
帰還サンプル状態において、前記帰還サンプルホールド回路が電圧を出力し、前記センスセルを駆動するが前記メインセルは駆動せず、前記帰還サンプルホールド回路の出力電圧は前記センスセルに所定の目標電流を流す電圧に向け駆動し、
前記ホールド状態において前記帰還サンプルホールド回路の出力電圧を一定に保持し、前記メインセルの絶縁ゲートを駆動するのに使用することを特徴とする請求項１７記載の電界効果トランジスタ駆動方法。
【請求項１９】
測定サンプル状態において、前記サンプルホールド回路が前記センスセルを流れる電流に対応する電流を測定出力端子に出力することを特徴とする請求項１７又は１８記載の電界効果トランジスタ動作方法。
【請求項２０】
前記少なくとも１つのサンプル状態と前記ホールド状態の時間比は１：５〜１：２０の範囲内であることを特徴とする請求項１７−１９の何れかに記載の電界効果トランジスタ動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、保護機能付きパワーデバイス、特に電流測定回路または電流制限回路を具えた保護機能付きパワーデバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シリコンスイッチを具えた電流測定設備を含む集積デバイスの要求が増大している。これは特に自動車分野で明らかである。このようなスイッチは専用ハイサイドスイッチまたは専用ロウサイドスイッチとすることができる。
【０００３】
最近、ハイサイドデバイスとしてもロウサイドデバイスとしても機能し得るデバイスが市場に出回り始めた。これらのデバイスはハイサイドデバイスともロウサイドデバイスともコンパチブルにする必要がある。一般に、ロウサイドデバイスの方が厳しい要件が課される。その理由は、ロウサイドｎ型電界効果パワートランジスタは一般にドレインが基板内にあり、ソースが使用可能な最も負の電位に接続されるためである。
【０００４】
これらの回路では、慣例の仮想接地型電流センス増幅器を使用することができない。その理由は、これらの増幅器はより一層負のノードから電流を供給することで加算接続点の電位を制御可能にすることに依存しているためである。ロウサイド回路では、数ミリアンペア程度の電流を供給し得る負電源は一般に使用できない。
【０００５】
従って、別の電流測定回路が望ましい。このような回路は、電流が所定値を超えるときトランジスタをスイッチオフする電流トリップ（電流切断）回路、または、電流値を制御ループ内で使用してトランジスタを流れる電流を制限する電流制限回路に使用することができる。
【０００６】
電流制限回路では、安定性を維持することと、特に高速応答を維持するために同回路内で異常な負荷状態を適切に処理しながら発振を生じないこととの間でトレードオフをとるのが難しい。これにより慣例の仮想接地型増幅器を用いるロウサイドデバイスと集積化する問題が悪化する。
【０００７】
従って、電流制限回路及び／又は電流測定回路を含む改善されたパワーデバイスが必要とされている。
【発明の開示】
【０００８】
本発明は、メインセル絶縁ゲートにより制御されるメインセルとセンスセル絶縁ゲートで制御されるセンスセルとを有するパワー絶縁ゲート電界効果トランジスタと、前記センスセルと直列に接続され、少なくとも１つのサンプル状態とホールド状態を含む複数の状態で動作するように構成されたサンプルホールド回路とを具え、前記サンプルホールド回路が、前記少なくとも１つのサンプル状態にあって前記ホールド状態にないときに、前記センスセルを流れる電流を検出するよう構成されていることを特徴とするデバイスを提供する。
【０００９】
前記回路は、前記センスセルを流れる電流をサンプル状態でのみ測定し、電流シンクをサンプル状態でのみ必要とするセンスセル型のアーキテクチャを使用する。この電流をシンクし得る連続電源を設けることは一般に実用的でないが、本発明で必要とする、時間の若干部分、例えば５％から２０％の間シンクし得るシンクを設けることは実用的である。
【００１０】
前記サンプルホールド回路は、前記センスセルに接続された帰還サンプルホールド回路であって、サンプル状態において前記センスセルを流れる電流を検出するよう動作し、前記センスセルのゲートを前記センスセルに目標電流を流す電圧に向け駆動する出力を有し、且つホールド状態においてその出力電圧をホールドし、前記メインセルの絶縁ゲートを該出力電圧で駆動するよう動作すべく構成するのが好ましい。
【００１１】
特定の好適実施例では、前記帰還サンプルホールド回路の出力は前記センスセルの絶縁ゲートに接続されるとともに前記メインセルの絶縁ゲートに第１のスイッチを経て接続されたゲート駆動ノードに接続され、前記第１のスイッチがサンプル状態において開いて前記メインセルの絶縁ゲートを前記ゲート駆動ノードから絶縁し、ホールド状態において閉じて前記メインセルの絶縁ゲートを前記ゲート駆動ノードから駆動するようにする。
【００１２】
このように制御ループをメインセルから絶縁することによって、メインセルが制御ループを負荷の影響から大きな程度に保護する。帰還サンプルホールド回路を経る制御ループは小信号ループであり、急速に所要の状態に到達しうる。これは安定性を大きく増大する。
【００１３】
前記デバイスは、前記スイッチをサンプル状態とホールド状態の間で、１：５〜１：５０の範囲のサンプル状態対ホールド状態の時間比であるデューティサイクルでサイクル制御するように接続された制御回路を含むことができる。
【００１４】
前記サンプルホールド回路は、前記センスセルのソースに接続されたミラー加算ノードと、前記ミラー加算ノードに接続され、サンプル状態において前記センスセルを流れる電流をシンクする電流シンク電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）と、前記ミラー加算ノードに接続された入力と、サンプル状態または各サンプル状態において閉じる第３のスイッチを経て前記電流シンクＦＥＴのゲートに接続され、前記ミラー加算ノードが仮想接地となつように前記電流シンクＦＥＴを制御する出力とを有する加算ノードサンプルホールド増幅器と、前記電流シンクＦＥＴと電流ミラーを構成する少なくとも１つのミラーＦＥＴとを含み、前記加算ノード増幅器の出力が前記ミラーＦＥＴのゲートに接続され、前記ミラーＦＥＴを制御して前記電流シンクＦＥＴを流れる電流をミラー生成する構成とすることができる。
【００１５】
前記デバイスは、前記センスセルを流れる電流を表す信号を供給する測定出力端子も含むものとすることができる。
【００１６】
いくつかの実施例では、複数のミラーＦＥＴを接続し、前記サンプルホールド回路は対応する数のサンプル状態を用いて前記電流シンクＦＥＴを流れる電流を対応するサンプル状態でミラー生成する構成とすることができる。
【００１７】
前記少なくとも１つのミラーＦＥＴは、前記センスセルのゲートを駆動するように接続された帰還サンプルホールド増幅器に接続され且つホールド状態において前記メインセルのゲートを駆動するように第１のスイッチを経て接続された電流ミラーＦＥＴを含むものとすることができる。更に、前記帰還サンプルホールド増幅器の入力に接続された電圧駆動ノードに電流を供給する電流源を設け、前記電圧駆動ノードを前記電流ミラーＦＥＴを経て電流シンクに接続することができる。このような構成は上で詳細に説明したように電流制限回路を提供する。しかし、帰還制御ループを設けることはすべての場合に必要とされるわけではなく、例えばパワー半導体トランジスタが電流制限回路ではなく電流トリップ回路に接続される場合には必要ない点に注意されたい。
【００１８】
従って、メインおよびセンスセルのゲートを駆動する帰還ループ内の電流ミラーＦＥＴに加えてまたはその代わりに、前記少なくとも１つのミラーＦＥＴは測定出力端子に接続された測定ミラーＦＥＴを含み、少なくとも１つのサンプル状態は前記センスセルの電流を前記測定出力端子にミラー生成する測定サンプル状態を含むものとすることができる。このような構成は電流制限回路または電流トリップ回路に使用することができる。
【００１９】
前記測定ミラーＦＥＴは測定出力端子に接続することができる。この回路は、第５のスイッチが閉じ第２のスイッチが開いている測定サンプル状態において前記電流シンクＦＥＴを流れる電流を前記測定ミラーＦＥＴにミラー生成するように動作させることができる。
【００２０】
前記電流源はパルス化され前記サンプル状態または各サンプル状態においてのみ動作するものとすることができる。
【００２１】
前記回路は前記ミラーＦＥＴに接続され各ミラーＦＥＴを流れる電流をシンクするチャージポンプ電流シンクを含むことができる。本発明のサンプルホールド回路には適切な電流シンクを従来の回路内よりも著しく容易に配置することができる。その理由は、電流シンクはサンプル状態において電流をシンクするだけでよく、連続的にシンクする必要がないためである。従ってチャージポンプ技術を電流シンクのために使用することができる。共通の電流シンクを各ミラーＦＥＴを流れる電流と電流シンクＦＥＴを流れる電流をシンクするために使用することができる。
【００２２】
前記デバイスは、更に、前記ミラー加算ノードと前記パワー絶縁ゲート電界効果トランジスタのメインセルのソースまたはドレインの一つとの間に接続された第２のスイッチとを具え、前記第２のスイッチはサンプル状態において開き、ホールド状態において閉じて、ホールド状態において前記センスセルを流れる電流のために前記電流ミラー回路を通らない電流路を与えるように構成することができる。  
【００２３】
前記デバイスは、更に、前記電流シンクＦＥＴのゲートに接続されホールド状態において前記電流シンクＦＥＴをスイッチオフする第４のスイッチを含むことができる。
【００２４】
特定の好適実施例では、前記電源がパルス化されてサンプル状態でのみ動作し、前記第３のスイッチが前記加算ノード増幅器と共通ノードとの間に設けられ、各ミラーＦＥＴと前記電流シンクＦＥＴのゲートが前記共通ノードに接続された構成にする。
【００２５】
この構成は前記第２のスイッチが開くホールド状態中に前記加算ノード増幅器をゼロにするオートゼロ回路を設けることを可能にする。従来の構成の特定の問題は、増幅器の小さなゼロオフセットが十分な電流測定精度の達成を極めて困難にする点にある。本発明の好適な構成の回路では、第２のスイッチをホールド状態の全期間または一部期間中開いて加算ノード増幅器のオートゼロを許すことができる。
【００２６】
この回路は、測定ミラーＦＥＴに共通ノードに接続されたゲートが設けられている場合には、測定も可能である。この回路は第２のスイッチが閉じている測定サンプル状態において前記センスセルを流れる電流を前記測定ミラーＦＥＴにミラー生成するように動作する。
【００２７】
本発明の他の態様では、メインセル絶縁ゲートにより制御されるメインセルとセンスセル絶縁ゲートで制御されるセンスセルとを有するパワー絶縁ゲート電界効果トランジスタと；前記センスセルのソースに接続されたミラー加算ノードと；前記ミラー加算ノードに接続され、サンプル状態において前記センスセルを流れる電流をシンクする電流シンク電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）と；前記ミラー加算ノードに接続された入力と、前記電流シンクＦＥＴのゲートに接続された出力とを有し少なくとも１つのサンプル状態とホールド状態で動作し得る加算ノードサンプルホールド増幅器と、前記電流シンクＦＥＴと電流ミラーを構成する少なくとも１つの電流ミラーＦＥＴとを含み、サンプル状態において前記加算ノード増幅器の出力が前記電流ミラーＦＥＴのゲートに接続され、前記電流ミラーＦＥＴを制御して前記電流シンクＦＥＴを流れる電流をミラー生成するよう構成されたデバイスを提供する。
【００２８】
本発明の更に他の態様では、メインセル絶縁ゲートにより制御されるメインセルとセンスセル絶縁ゲートで制御されるセンスセルとを有するパワー絶縁ゲート電界効果トランジスタと；前記センスセルに接続された帰還サンプルホールド回路とを具え、前記帰還サンプルホールド回路は、サンプル状態において前記センスセルを流れる電流を検出するよう動作し、前記センスセルのゲートを前記センスセルに目標電流を流す電圧に向け駆動する出力を有し、且つホールド状態においてその出力電圧をホールドし、前記メインセルの絶縁ゲートを該出力電圧で駆動するよう動作すべく構成されているデバイスを提供する。
【００２９】
本発明の別の態様では、電界効果トランジスタを動作させる方法であって、
メインセル絶縁ゲートにより制御されるメインセルとセンスセル絶縁ゲートで制御されるセンスセルとを有するパワー絶縁ゲート電界効果トランジスタと、  前記センスセルに接続されたサンプルホールド回路とを用意するステップと、
前記サンプルホールド回路が電圧を出力して前記センスセルを駆動するが前記メインセルは駆動しないで、前記センスセル電流を検出する少なくとも１つのサンプル状態へ切り替えるステップと、
前記センスセル電流が測定されないホールド状態へ切り替えるステップと、
前記サンプル状態と前記ホールド状態を循環させるステップとを具えることを特徴とする電界効果トランジスタ動作方法を提供する。
【００３０】
前記サンプル状態と前記ホールド状態の時間の比は１：５〜１：２０の範囲内にするのが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、図面を参照して本発明の実施例につき説明するが、これらの実施例は単なる例示にすぎない。
【００３２】
図１は本発明の第１の実施例の機能ブロック図を示す。
パワーＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）は個別のメインセル２とセンスセル４とに分割され、各セルは共通ドレイン出力端子８に接続され、メインセル２は共通ソース出力端子６に接続されている。
【００３３】
センスセル４は帰還サンプルホールド回路１０を経て電流シンク１２、特定の実施例ではチャージポンプ電流シンク、に接続される。
【００３４】
帰還サンプルホールド回路１０は、ドライバ１８からのクロック信号を受信するクロック入力端子１４と、メインセル２およびセンスセル４のゲートを駆動するように接続された出力端子１６とを有する。
【００３５】
本システムは、後述するように、２つの状態、即ち帰還サンプル状態とホールド状態で動作するよう構成され、２つの状態の間で循環的に切り替えられる。サンプルホールド回路１０はサンプル状態では特定の電流を目標とする帰還回路として動作し、ホールド状態ではその出力電圧をホールドモードになったときのレベルに保持する。
【００３６】
通常動作は、メインセル２に予め設定された電流があるものとすれば、１つの完全な動作サイクルを考察することにより理解することができる。
【００３７】
帰還サンプル状態では、サンプルホールド回路１０はセンスセル４のゲートのみを制御し、メインセル２のゲートはメインセルゲートキャパシタンスにより維持されるほぼ一定の電位にとどまる。この構成では、サンプルホールド回路は、センスセル４を流れる電流をセンスセルが搬送すべき設計電流に相当する所定の目標電流にすることを達成する制御ループとして作用する。
【００３８】
動作サイクルの帰還サンプル状態の終了時に、センスセルに目標電流を設定するのに必要な電圧を回路スルーレートおよびセトリング時間により制限される精度で表す電圧がセンスセルのゲートに設定される。
【００３９】
ホールド状態では、この電圧がメインセル２のゲートに供給され、その結果として対応する電流がメインセル２を流れる。目標電流の値は、メインセルの対応する電流がデバイスの所要の電流制限値にほぼ等しくなるように選択される。
【００４０】
メインセルのゲートの電圧は単一のホールド状態中に最終値に到達する必要はない。この電圧は正しい方向にはっきり変化させなければならず、連続するホールドパルスがこの電圧を正しい値に向けることができる。このようにすると、ホールド状態の長さをメインセルゲートのセトリング時間より短くすることができる。
【００４１】
回路が帰還サンプル状態に戻るとき、回路は急速に安定して新しい電流制御状態を取る必要がある。第１近似まで、サンプリング精度は連続するサンプリングパルスに亘って増大し短い捕捉時間を補うこと明らかである。
【００４２】
メインセル２のゲートが帰還サンプル状態において接続されないということは、帰還ループは小信号帰還ループであり急速に安定し得ることを保証する。メインセル２のゲートは、その電圧をほぼ一定に維持する十分なキャパシタンスを有するので、帰還ループは例えば負荷変動のような変動から保護される。
【００４３】
セル２,４を流れ得る電流に対する制限は、出力端子６，8に接続された回路により決定することができる。この場合には、サンプルホールド回路は単にセル２,４を完全にオンにするだけであり、目標電流には達しない。この構成では、総合電流は電流制限より小さいため、これで完全に満足である。
【００４４】
図２はホールドの第２の実施例を詳細に示すものである。
サンプルホールド回路は第１の差動サンプルホールド電圧増幅器２０（便宜上第１の増幅器２０という）を含む。この第１の増幅器２０は、センスセル４のゲートに直接接続され且つメインセル２のゲートに第１のスイッチ２４を経て接続されたゲートドライブノード２２に接続されている。第１の増幅器２０の負入力端子は基準電圧２６に接続され、正入力端子は入力加算ノード２８に接続されている。基準電流源３０が電流を入力加算ノード２８に供給し、電流ミラー回路３２がセンスセル４のソースと入力加算ノード２８と電流シンク１２との間に接続されている。第２のスイッチ３４がセンスセル４のソースをメインセル２のソース、従ってソース端子６に接続する。
【００４５】
電流ミラー回路３２は第２の差動サンプルホールド電圧増幅器３６（便宜上第２の増幅器３６という）を含み、その負入力端子はソース端子６に、その正入力端子はセンスセル４のソースに接続されたミラー加算ノード３８に接続されている。ミラーシンクＦＥＴ４０は入力加算ノード２８を電流シンク１２に接続し、電流シンクＦＥＴ４２はミラー加算ノード３８を電流シンク１２に接続する。第２の増幅器３６の出力はミラーＦＥＴ４０のゲートを駆動するとともに第３のスイッチ４４を経て電流シンクＦＥＴ４２のゲートを駆動するように接続されている。第４のスイッチ４６がミラーサミングノードのゲートを電流シンクFET42のソースに接続する。
【００４６】
これらのスイッチは、本実施例では、適切に選択された仕様、特に適切なオン抵抗値を有するＣＭＯＳ型論理制御スイッチである。
【００４７】
増幅器２０，３６は帰還サンプル状態では演算増幅器として動作するが、ホールド状態では自己の利得を用いて自己の出力電圧をホールドモードになったときのレベルに維持するホールド機能を実行する。
【００４８】
通常動作は、メインセル２に予め設定された電流があるものすれば、１つの完全な動作サイクルを考察することにより理解することができる。システムは２つの基本動作状態、即ちホールド状態および帰還サンプル状態を有し、７/１または１５/１のデューティサイクルを有する数百ｋＨｚのサイクルレートで切り替わる。
【００４９】
ホールド状態では、第１、第２および第４のスイッチが閉じ、第３のスイッチが開放される。第１の増幅器２０がその出力をメインソース端子６に対して一定の電位に保持し、この一定の電位は前サンプル状態で決定される。第２の増幅器３６がその出力を負チャージポンプ、即ち電流シンク１２により与えられるチャージポンプ負レール電位に対して一定の電位に保持し、この電圧は前サンプル状態で決定される。
【００５０】
帰還サンプル状態では、第１、第２および第４のスイッチが開放され、第３のスイッチが閉じる。第１の増幅器２０はセンスセルの電流を基準電流源３０からの電流により規定されるレベルに制御しようとする電流調整ループのための利得を提供する。
【００５１】
このモードでは、第２の増幅器３６はミラー加算ノード３８を仮想接地加算接続点として設定するための利得を提供し、電流シンクＦＥＴ４２の電流はセンスセル４から出る電流に等しい。第３のスイッチ４４が閉成され且つ第４のスイッチ４６が開放されているため、回路はミラーシンクＦＥＴ４０を流れる電流を電流シンクＦＥＴ４２を流れる電流の一定比率の「複製」として「ミラー」生成する。
【００５２】
入力加算ノード２８もミラーＦＥＴ４０を流れる電流を電流源３０からの基準電流Ｉrefと比較する仮想接地として作用し、入力加算ノード２８の電位は平衡を達成しようとして上昇および下降する。サンプルモードでは第１の差動増幅器２０のオープンループ利得で増倍されたこの変化する電位がセンスセル４のゲート−ソース電圧、従ってセンスセルを流れる電流を修正し、回路構成により決まる比率でＩrefに相当するセンスセル４の目標電流を達成しようとする。
【００５３】
メインセル２はこの制御ループに直接関与しない点が重要である。従って、センスセル４は小信号電流制御ループ内で動作し、それらのドレイン端子が電圧源から駆動されて動作するためリアクタンス負荷を持たない。このようなリアクタンス負荷のないことは、さもなければ誘導性負荷とミラーキャパシタの複合作用の結果生じ得る二次ゲイン−フェーズ特性が最小になる。換言すれば、メインセル２がセンスセル4を制御ループへの反作用として負荷により発生される位相変化から保護している。
【００５４】
動作サイクルのサンプル状態の終了時にセンスセル４のゲートに電圧が設定され、ホールドモードで保持される。最初に、増幅器20，36がホールドモードにスイッチされ、それらの出力が保持される。
【００５５】
第１のスイッチ２４が閉じて第１の増幅器の出力電圧をメインセル２のゲートに供給し、その結果ＦＥＴを流れる所要の電流制限にほぼ等しい電流が生ずるとともにドレイン状態はほぼ不変のままとなる。第２のスイッチ３４が閉じて第２の増幅器の入力を短絡する。
【００５６】
回路がホールドモードに切り替えられると、制御ループ内の電圧レベルがロックされ、仮想接地が不作動になる。電流シンク１２内のチャージポンプで供給しなければならない電流シンクＦＥＴ４２を流れる電流は零に減少し、電流シンク１２は本質的に電流ミラーＦＥＴ４０を流れる電流を供給するだけとなる。センスセル電流は第２のスイッチ３４を経由する。メインセル２のゲートはセンスセル４のゲートと並列に接続され、両ゲートとも第１の増幅器２０の“ロック”された出力から付勢される。この期間中電流シンク１２の負荷は最小になり、１５：１程度のデューティサイクルを有する別のサンプルパルスをサポートするためにその蓄積キャパシタをゆっくりチャージバックすることが可能になる。
【００５７】
回路がサンプルモードにスイッチバックすると、殆どのノード電位は以前の値を保持しているので、回路は急速に安定し、新しい電流制御状態になる。第１近似まで、サンプリング精度は連続するサンプリングパルスに亘って増大し短い捕捉時間を補うこと明らかである。
【００５８】
電流測定機能を提供するために前実施例の回路の変形例を使用し、同一のサンプリングアプローチを用いて実現可能なチャージポンプソリュージョンを容易にすることができる。このようなソリュージョンは電流制限機能を持たなくてもよいし、別の方法で実現した電流制限を持ってもよい。
【００５９】
他の変形例は電流測定機能と電流制限機能との間で連続するサンプリングパルスを多重することにより両機能を実行するものとすることができる。この場合各機能における連続する帰還サンプル状態間の時間が２倍になる。
【００６０】
このようなデュアル機能システムを実現する本発明の第３の実施例の簡単な回路図を図３に示す。
【００６１】
測定サンプルホールド回路５０は電流測定出力端子５８と電流シンク１２との間に接続された測定ＦＥＴ５２を含む。測定ＦＥＴ５２のゲートは第５のスイッチ５４を経て電流シンクＦＥＴ４２のゲートに接続されている。第３のサンプルホールド作動増幅器５６は、第２の増幅器３６と同様に、測定ＦＥＴ５２のゲートに接続された出力と、ソース出力端子６に接続された入力およびミラー加算ノード３８に接続された入力とを有する。
【００６２】
この回路の動作は前実施例の回路の拡張として最もよく理解される。第３の実施例では、回路の電流制限機能部がそのホールド状態にある間に追加の測定サンプル状態を挿入する。第１の増幅器２０および第２の増幅器３６がホールド状態にある場合、第１のスイッチ２４は閉、第３のスイッチ４２は開、第２および第４のスイッチ３４，４６は開、第５のスイッチ５４は閉にすることができる。これにより第３の増幅器５６が同一の電流シンクＦＥＴ４２を用いて同一の加算接続点３８に電流を供給する別の仮想接地型回路を制御する構成になる。この回路によれば、測定ＦＥＴ５２が別の一定比率のミラーデバイスとして作用し、測定電流に比例する大きさの電流を流す。
【００６３】
測定サンプルホールド回路５０は、その各サンプリングパルスの終了時に、ホールドモードに入り、第２、第４および第５のスイッチ３４,４６および５４が電流制限機能におけるホールドサイクルの中間で前の状態に戻る。これにより、測定ＦＥＴが測定負荷電流の新しい値になると、測定ＦＥＴの測定電流が次のサンプルパルスまで維持される。
【００６４】
その結果として、全測定電流が１つの完全システムサイクルにつき２つのサンプルパルス（帰還サンプルパルスおよび測定サンプルパルス）の間に負レールチャージポンプにより供給されることが明らかであり、これはチャージポンプキャパシティ要件の増大を意味する。更に、第２および第３の両実施例では、基準電流Ｉrefを連続的に流している。この電流は負レール電流シンクチャージポンプ回路１２から供給する必要があり、第３の実施例では更に測定電流も電流シンク回路１２によりシンクする必要がある。
【００６５】
図３に示す実施例と同様の機能を有するがこれらの問題のいくつかを解消した第４の実施例を図４に示す。
【００６６】
この設計では、測定ＦＥＴ５２のゲートをミラーＦＥＴ４０および電流シンクＦＥＴ４２のゲートにも直接接続された共通ノード６１に直接接続する。従って、第５のスイッチ５４と第３の増幅器５６は省略されている。第６のスイッチ６２（前実施例の第３スイッチに相当）が第２の増幅器３６の出力と共通ノード６１との間に設けられる。逆並列接続ダイオード６０が第１の増幅器２０の差動入力間に設けられる。
【００６７】
電流源３０からの基準電流Ｉrefは、帰還サンプル状態中のみ流れるようにパルス化される。ミラーＦＥＴ４０は帰還サンプル状態中のみ導通し、第１の増幅器２０の正入力の大きな変化は逆並列接続クランプダイオード６０により抑制される。本例ではミラーＦＥＴ４０と測定ＦＥＴ５２が電流シンクＦＥＴ４２の電流を連続的にミラー生成する。本例では電流測定出力５８は３つの状態、即ち設定電流制限を表す第１状態、真の測定電流を表す第２状態および「オフ」の第３状態を有する。重要なパルス、即ち電流測定信号、は別のサンプル/ホールド機能で得る必要がある。
【００６８】
第６スイッチの挿入により、電流シンクＦＥＴ４２、ミラーＦＥＴ４０および測定ＦＥＴ５２の３つのミラートランジスタを流れる電流を、第２の増幅器３６のホールドメモリに前動作状態を保持したまま、ホールド状態中零に変調することができる。この新しい構成では、第２の増幅器３６を中心に構成された単一の仮想接地回路が連続するサンプルパルスで測定仮想接地機能および電流制限仮想接地機能を提供する。第１の増幅器２０、第１のスイッチ２４および第２のスイッチ３４は図３の回路と同一に機能する。
【００６９】
図４の回路は、僅かな追加の回路で７または１５サンプルパルス持続時間の長い「ホールド」状態を用いて第２の増幅器３６が自身のループ利得とオートゼロ回路６３でオートゼロになるように容易にできるために特に興味深い。このような技術は当該技術分野の設計技術者に公知である。増幅器のオートゼロの終了後、増幅器は次のサンプルパルスの前に「ホールド」状態を再捕捉するために時間をまだ必要とする。
【００７０】
この簡単な拡張は、低温動作する応用においてよく見られる極めて低い値のオン状態電圧降下を有する仮想接地回路から十分な正確さを達成する多数の問題を解決する。このエラーは、仮想接地機能を実現するために使用する増幅器の入力オフセットが（特に低電流レベルにおいて）オン状態電圧降下に比較して大きくなるために生ずる。オートゼロのために平衡電荷注入相殺技術を使用する場合には、実行入力オフセットをmＶレベルから１〜２桁低いレベルに減少させることができる。
【００７１】
他の２つの実施例を図５および図６に示す。図１−図４の実施例は電流制限されたパワーデバイスに関連し、障害状態における半導体パワーデバイスのピーク電力消費を制限する一つのアプローチである。他方、図５および図６は電流測定回路を具えたパワーデバイスに関連する。このようなパワーデバイスは電流トリップ（電流切断）アプローチに使用することができ、精密な電流測定を行い、電流が予め設定可能なまたはユーザ決定可能な所定の最大値を超える場合にデバイスをオフにラッチする。この場合には電力消費は、帰還制御ループを用いないで、切断前における許容最大電流の値をデバイスオン抵抗が許容電圧を含むように選択することにより抑制される。
【００７２】
従って、図５および図６は電流トリップ回路に使用される保護機能付きパワーデバイスの回路示す。これらの回路は、第１の差動サンプルホールド増幅器２０を駆動する帰還ループが省略されている点を除いて、図３および図４の回路に相当する。従って、第１および第３のスイッチ２４，４４は省略され、前者のスイッチは差動増幅器２０とメインセル２のゲートとの間の永久接続と置き換えられている。残りの第２、第４第５および第６のスイッチはこれらの実施例では第１および第３スイッチがなくても上記の説明と整合をとるためにこれらの語を用いて説明する。
【００７３】
これらの回路は、帰還サンプル状態が省略される点を除いて図３および図４の回路と同様に動作する。測定電流を測定出力端子５８にミラー生成する測定サンプル状態とホールド状態はそのままである。
【００７４】
図５の回路では、第４のスイッチ４６を開き、第５のスイッチ５４を閉して、ノード３８が仮想接地として作用する仮想接地回路を有する測定サンプル状態を設定し、サンプルホールド増幅器５６の出力の電圧が電流シンクＦＥＴ４２を駆動してセンスセルからの電流をシンクする。この電圧は測定ＦＥＴ５２のゲートも駆動して端子５８を経て同一の電流をシンクする。ホールド状態では、第５のスイッチ５４が開き、第２と第４のスイッチが閉じて測定電流を測定ＦＥＴ５２を経てシンクし続ける。
【００７５】
同様に、図６の回路では、測定サンプル状態では、第２のスイッチ３４および第４のスイッチ４６が開き、第６のスイッチ６２が閉じる。この場合、第２の差動増幅器３６がノード３８を仮想接地として動作して、測定ＦＥＴ５２がセンスセル電流に一致する電流を端子５８を経てシンクする状態が得られる。この電流は測定サンプル状態においてのみ流れる。通常のホールド状態では、第２のスイッチ３４および第４のスイッチ４６が閉じ、第６のスイッチ６２が開く。図４の回路と同様に、第２の差動増幅器３６はホールド状態においてオートゼロにすることができる。
【００７６】
図５および図６の回路は電流トリップ動作用に設計されているが、図１〜図４の回路、特に測定回路が一体化されている図３および図４の回路もこのモードで動作させることできる。
【００７７】
この開示から他の変形や変更が当業者に可能であることは明らかである。この変形や変更は、半導体デバイスの設計、製造および使用において公知の同等の特徴および他の特徴を、ここに記載された特徴の代わりにまたはこれに加えて含んでもよい。本発明の特許請求の範囲が特徴の特定の組合せとして表現されていたとしても、更に、ここに明示的にまたは暗示的に開示したいかなる新規な特徴または特徴のいかなる新規な組合せも、それがこの特許請求の範囲に記載された発明と同一であるか否かにかかわらず、本発明が解決する技術的課題と同じ課題の一部または全部を解決するか否かにかかわらず、この出願の開示の範囲に含まれるものと解されるべきである。本出願人は、ここに、この出願またはこの出願から継続された出願の手続きの継続中に、前記の特徴及び／又は前記の特徴の組合せについて新しい特許請求の範囲を提出することがあり得ることを明記する。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の第１の実施例の回路図を示す。
【図２】本発明の第２の実施例の回路図を示す。
【図３】本発明の第３の実施例の回路図を示す。
【図４】本発明の第４の実施例の回路図を示す。
【図５】本発明の第５の実施例の回路図を示す。
【図６】本発明の第６の実施例の回路図を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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