用于过电流保护的耗尽型MOSFET的制作方法

用于过电流保护的耗尽型mosfet


背景技术：

1.过电流或过剩电流是指其中大于预期的电流流过电路情况。过电流本质上可以是恒定的或瞬变的。电压瞬变(即电能的短持续时间浪涌)是由先前储存的或由其他方式(诸如重感性负载或闪电)引起的能量的突然释放的结果。可重复瞬变通常是由电动机、发电机的操作或无功电路组件的切换引起的。随机瞬变可能由闪电和静电放电(electrostatic discharge，esd)引起。
2.组件小型化导致对电应力的增加的敏感性。例如，微处理器具有不能处理来自esd瞬变的高电流的结构和导电路径。这种组件在非常低的电压下操作，因此将较高的优先级给予控制电压扰动，以防止器件中断和潜在或灾难性故障。
3.就这些和其他考虑而言，目前的改进会是有用的。


技术实现要素：

4.提供本概述是为了以简化的形式介绍将在下面的详细描述中进一步描述的一些概念。本概述不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在帮助确定所要求保护的主题的范围。
5.公开了用于提供过电流保护的电路的示例性实施例。电路包括金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor，mosfet)和具有两个端子的电阻性器件，一个端子耦合到mosfet的源极，并且第二端子耦合到mosfet的栅极，其中mosfet和电阻性器件在过电流事件期间保护电路。在实施例中，电阻性器件是正温度系数(positive temperature coefficient，ptc)器件。在实施例中，mosfet是耗尽型mosfet。在实施例中，mosfet是n沟道耗尽型mosfet。在一个实施例中，电路还包括耦合在电阻性器件的第二端子和地之间的二极管，并且二极管在过电流事件期间箝位mosfet的漏极到源极电压。在实施例中，二极管是瞬变电压抑制(transient voltage suppression，tvs)二极管。在实施例中，mosfet热耦合到电阻性器件，并且响应于电路接收浪涌电流，mosfet加热电阻性器件。在实施例中，响应于电路接收浪涌电流，mosfet的漏极到源极电压v
ds
方面的接近瞬时的增加与mosfet的栅极到源极电压v
gs
方面的接近瞬时的降低是一致的。在实施例中，ptc压制浪涌电流，并且ptc的电阻方面的上升加速了mosfet的阻断能力。在实施例中，mosfet具有最大栅极到源极电压，并且ptc具有最大工作电压，并且最大工作电压不超过最大栅极到源极电压。
6.还公开了要被耦合到电路的器件的示例性实施例，该器件用于向电路提供过电流保护。器件包括耗尽型mosfet和耦合在mosfet的源极和mosfet的栅极之间的电阻性器件，其中通过该器件的电流引起在电阻性器件上的、等于mosfet的栅极到源极电压的电压，使得mosfet和电阻性器件在过电流事件期间保护电路。在实施例中，该器件还包括用于耦合到电路的电压源的第一端子和用于耦合到要被保护免受过电流事件影响的电路的一部分的第二端子。在实施例中，电阻性器件是ptc器件。在实施例中，该器件包括二极管，用于在过电流保护期间箝位mosfet的漏极到源极电压v
ds
。在实施例中，mosfet具有最大栅极到源
极电压，并且ptc器件具有最大工作电压，并且最大工作电压不超过最大栅极到源极电压。在实施例中，ptc的电阻上的电压等于mosfet的栅极到源极电压v
gs
。
7.还公开了用于提供过电流保护的另一电路的示例性实施例。该电路包括：mosfet；电阻性器件，该电阻性器件具有两个端子，第一端子连接到mosfet的源极，并且第二端子连接到mosfet的栅极；以及第二mosfet，该第二mosfet连接到电阻性器件，其中第二mosfet的栅极连接到第一端子，并且第二mosfet的源极连接到第二端子。在实施例中，电阻性器件是ptc器件。在实施例中，该电路还包括箝位二极管，用于压制第二mosfet上的漏极到源极电压v
ds
。在实施例中，电路还包括ac电压源。在实施例中，电路的每个mosfet包括内部二极管，使得mosfet中的任一个在其各自的内部二极管处于反向模式的情况下被导通。在实施例中，mosfet和第二mosfet是n沟道耗尽型mosfet。
附图说明
8.图1是示出根据示例性实施例的用于提供过电流保护的电路的图；
9.图2是示出根据示例性实施例的用于提供过电流保护的电路的图；
10.图3、图4和图5是根据示例性实施例的由在图1和图2的电路上执行的测试产生的波形；
11.图6是示出根据示例性实施例的用于提供过电流保护的电路的图；
12.图7是示出根据示例性实施例的用于提供过电流保护的电路的图；
13.图8示出了根据示例性实施例的由在图7的电路上执行的测试产生的两个表；
14.图9和图10是根据示例性实施例的由在图6和图7的电路上执行的测试产生的波形；
15.图11和图12是根据示例性实施例的由在图6和图7的电路上执行的测试产生的波形；
16.图13是示出根据示例性实施例的用于提供过电流保护的两端子器件的图；
17.图14是示出根据示例性实施例的用于提供过电流保护的双向mosfet电路布置的图；以及
18.图15是示出根据示例性实施例的由在图14的电路上执行的测试产生的波形的图。
具体实施方式
19.本文公开了用于提供过电流保护的几种电路。这些电路的特征在于连接到电阻性元件的耗尽型mosfet，该电路包括正温度系数(ptc)器件，以这样的方式配置，即，ptc器件上的电压与mosfet的栅极到源极电压相同。该电路还可以使用瞬变电压抑制(tvs)二极管来配置，用于在过电流事件期间箝位mosfet的漏极到源极电压。mosfet和ptc器件之间的热传递有助于过电流保护。包括耗尽型mosfet、ptc器件和tvs二极管的两端子器件可以向其他电路提供过电流保护。包括设置在ptc的两侧上的两个mosfet的双向电路也被设想用于ac电压过电流保护。在示例性实施例中，电路中包括ptc加上耗尽型mosfet的组合，以在电流箝位器然后停止时相互保护。
20.金属氧化物半导体场效应晶体管器件(被称为mosfet)是用于在电子器件中开关和放大电子信号的半导体器件。通过调节其栅极上的电压，设置在mosfet的源极和漏极之
间的沟道的宽度被改变。mosfet基于它们是利用n型衬底制造的p沟道器件、利用p型衬底制造的n沟道器件、竖直设置的半导体、侧向设置的半导体、耗尽模式和增强模式而以多种配置出现。
21.与通过在栅极上施加电压来导通的增强型mosfet相反，耗尽型mosfet被称为当栅极端子处于零伏(v
gs
＝0v)时的“常开”器件。除了在源极和漏极区域之间具有薄的栅极氧化物之外，使用离子注入在栅极氧化物层之下以及在源极和漏极区域之间形成导电沟道。衬底到沟道区域中的活性掺杂剂的浓度用于将mosfet的阈值电压(v
th
)调节到期望值。尽管有这个名字，许多现代mosfet可能利用多晶硅栅，而不是金属制造在绝缘栅氧化层上。
22.正温度系数(ptc)器件由具有响应于温度的初始电阻的材料制成。随着ptc器件的温度增加，其电阻也增加。在通过ptc元件的电流增加到预定极限以上时，ptc元件可能加热，从而导致ptc元件的电阻增加，并显著减少或阻止通过受保护器件的电流的流动。由此防止了另外地由流经电路的未缓解的故障电流导致的损坏。一旦故障电流消退，ptc将返回到其低电阻状态。因此，ptc器件有时被称为可复位保险丝。聚合物ptc器件是使用聚合物制成的特殊类器件。
23.当电压水平峰值在器件的箝位电压以上时，瞬变电压抑制器(tvs)和齐纳二极管两者用来吸收多余能量。虽然齐纳二极管被设计为使电压更加稳定，但是tvs二极管防止高压瞬变，诸如浪涌和esd事件。tvs二极管具有比齐纳二极管更快的响应时间，在纳秒水平，并且能够吸收更高的浪涌电流。在使用tvs二极管来保护电路的情况下，瞬变电压被压制到固定值，以防止高峰值电压损坏电路的下游组件。
24.利用这三个器件，即mosfet、ptc和二极管，设想了本文中描述的示例性实施例。
25.具有连接在mosfet的栅极和源极之间的电阻器的电路
26.图1是根据示例性实施例的用于提供过电流保护的电路100的代表性图。电路100包括电压源102、开关104、耗尽型mosfet 106、电阻108和要被保护的电路(表示为ckt 110)。当开关104闭合时，电流通过由离子注入产生的沟道从mosfet 104的漏极(d)流到源极(s)。因为它是耗尽型mosfet，所以不需要栅极电压来允许电流流过mosfet 106(v
gs
＝0v)。在一个实施例中，mosfet 106是n沟道耗尽型mosfet。在另一实施例中，mosfet 106是p沟道耗尽型mosfet。p沟道耗尽型mosfet类似于n沟道mosfet，除了偏压v
gs
具有与n沟道mosfet的偏压相反的方向，以便夹断流过沟道的电流。
27.耗尽型mosfet 106串联连接到电阻器108，其中电阻器的一侧(端子)连接到mosfet的源极(s)，并且电阻器的另一侧(端子)连接到mosfet的栅极(g)。因此，电阻器108上的电压等于mosfet 106的栅源电压(v
gs
)。ckt110串联连接在电阻器108和地之间。
28.图2是根据示例性实施例的用于提供过电流保护的电路200的代表性图。如同电路100一样，电路200包括电压源102、开关104、耗尽型mosfet 106和电阻器108。在电路200中，要被保护的电路(ckt 110)被tvs二极管210代替或补充。在一个实施例中，mosfet 206是n沟道耗尽型mosfet。
29.因为它是耗尽型器件，所以mosfet 106具有负阈值电压v
th
。对于耗尽型mosfet，当栅极端子处于0伏(v
gs
＝0伏)时，沟道完全导电，并且电流在漏极和源极之间强烈流动。在n沟道mosfet的栅极处的逐渐增加的负偏压将减少沟道中的传导，直到最终
‑
v
gs
(关断)达到器件的阈值电压v
th
，并且通过mosfet的传导停止。
30.在这两个时间段之间(当v
gs
＝0伏时和当v
gs
＝
‑
v
th
时)，mosfet 106的沟道上的电阻将增加。一旦浪涌电流累积增加，mosfet 106将很快进入饱和模式，从而导致mosfet内部的热耗散。
31.电路100和200两者被分析用于两种类型的过电流保护：1)瞬变过电流和2)恒定过电流。在示例性实施例中，执行瞬变过电流测试和恒定过电流测试，以确定耗尽型mosfet 106的栅极和源极之间的电阻器108的串联连接是否可以降低过电流水平，以在过电流条件期间释放耗尽型mosfet上的一些功率耗散。
32.为了测试瞬变过电流，对于整数x、y和z，输入电压102(v
in
)被指定为具有y/zμs浪涌的x伏。例如，闪电产生的过电压以1.2/50μs的电压波为特征，这意味着电压在1.2μs内达到其最大电压(x伏)，然后在50μs后衰减到最大电压的50％(0.5x伏)。在一个实施例中，对电路100和200进行瞬变过电流测试，其中x＝100、y＝1.2、z＝50、或具有1.2/50μs浪涌的100v。替代性地，为了测试恒定过电流，对于整数w，电路100和200被馈送w伏的输入电压v
in
。在一个实施例中，对电路100和200进行恒定过电流测试，其中w＝48、或者48v的输入电压v
in
。
33.对于浪涌电流条件，在示例性实施例中，开路电压被设置为100v，并且浪涌发生器内部的虚拟阻抗为2欧姆，从而导致峰值为100v/2＝50a的浪涌电流。在这个实施例中，浪涌电压有意地被保持在100v，以便避免使用另一tvs二极管来压制浪涌。进一步，该测试被设计为验证耗尽型mosfet的限流功能，而不是利用非常高的电压冲击电路。在本实施例中使用了制造的ixth16n10d2耗尽型mosfet(其中v
ds
＝100v，i
d(on)
＝16a，r
ds(on)
＝6.4毫欧姆)。
34.根据示例性实施例，在两个电路100和200上执行的经验测试的结果分别在图3、图4和图5的双波形中给出。在双波形中的每一个中，绘制了三个参数，mosfet的漏极到源极电压(v
ds
)、mosfet 106的栅极到源极电压(v
gs
)和由输入电压v
in
产生的浪涌电流i
s
。换句话说，测量由浪涌电流产生的mosfet106上的电压(v
ds
)、电阻器108(v
gs
)上的电压。进一步，为了测试瞬变过电流，电路100和200各自接收具有1.2/50μs浪涌的100v的输入电压v
in
。如在本文公开的所有波形图中，v
gs
和v
ds
是电压波形，而浪涌电流i
s
是电流波形。在本文呈现的每个波形中，主要划分以20μs的间隔给出。
35.在图3中，波形300示出了电路100(图1)上的所得到的浪涌瞬变i
s
，其中电阻器108具有1欧姆的电阻。首先看波形300，浪涌电流i
s
出现在触发点t(0μs)处。电压v
ds
立即(～1μs或更少)增加，然后在约80μs后衰减。电压v
gs
立即下降，然后迅速回升，约85μsec后回到其原始位置。在波形300中，浪涌电流i
s
持续约87μs。
36.图3的第二波形350示出了电路200(图2)上的所得到的浪涌瞬变i
s
，其中电阻器108具有1欧姆的电阻，并且tvs二极管210是由制造的30kpa30ca二极管。30kpa30ca tvs二极管具有55.2v的最大箝位电压。浪涌电流i
s
从触发点t(0μs)开始，也导致v
ds
增加和v
gs
下降，其中浪涌电流i
s
的持续时间为约72μs。这一次，漏极到源极电压v
ds
被tvs二极管210箝位。tvs二极管210的存在也影响浪涌电流i
s
。
37.继续图4，波形400示出了电路100中浪涌瞬变的结果，其中电阻器108具有0.5欧姆的电阻。和以前一样，漏极和源极之间的电压v
ds
立即增加，而栅极到源极电压v
gs
下降。浪涌电流i
s
从触发点t开始，并再次持续约80μs。波形450示出了电路200中浪涌瞬变的结果，其
中电阻器108具有0.5欧姆的电阻，并且使用了30kpa30ca tvs二极管210。再次，tvs二极管210压制电压v
ds
。然而，在这个tvs二极管210的存在的情况下，持续约85μs的浪涌电流i
s
的持续时间不降低。
38.在图5，波形500中，从电路100中移除电阻器108(r＝0欧姆)。由于电路100的电阻器连接在mosfet 106的源极和栅极之间，这意味着源极和栅极之间没有电势差。换句话说，v
gs
＝0。因此，在波形500中，在漏极到源极电压v
ds
(mosfet 106上的电压)像以前一样增加的同时，栅极到源极电压v
gs
没有变化。浪涌电流i
s
从触发点t开始、具有约82μs的持续时间。波形550示出了没有电阻器108和30kpa30ca tvs二极管210的电路200中的浪涌瞬变的结果。在此，浪涌电流i
s
的持续时间显著下降到约62μs、具有随后出现小的伪浪涌。
39.以上结果说明电路100和200接收瞬变过电流，诸如电流尖峰，其中输入电压v
in
为具有1.2/50μs浪涌的100v。可以对电路100和200类似地进行恒定过电流测试，其中输入电压v
in
为48v。图3、图4和图5的经验结果为构建提供过电流抑制的电路提供了指导。
40.具有连接在mosfet的栅极和源极之间的ptc的电路
41.图6和图7分别是根据示例性实施例的用于提供过电流保护的电路600和700的代表性图。电路600与电路100(图1)相同，除了电阻器108被正温度系数(ptc)器件608代替。类似地，电路700与电路200(图2)相同，除了电阻器108被ptc器件608代替。再次，ptc器件608的一侧(端子)连接到mosfet 606的源极，而ptc器件的另一侧(端子)连接到mosfet的栅极。在示例性实施例中，ptc器件608是聚合物ptc(pptc)器件。
42.与电路100和200一样，当浪涌电流被施加到电路600或700时，mosfet606将快速加热。类似地，ptc器件608被设计成随着其加热而增加其电阻。在电流流过ptc器件608时，ptc器件温度增加到预定限值(被称为其跳变点或跳变状态)之上。这导致ptc器件608的电阻急剧增加，这减少或阻止了通过ptc的电流的流动。
43.进一步，mosfet 606和ptc器件608彼此相邻的放置意味着，在接收浪涌电流时，mosfet将加热，这将比mosfet不存在的情况下更快地加热ptc器件。因此，在一些实施例中，存在从mosfet 606到ptc 608的热传递，从而加速两个器件对浪涌事件的响应。
44.随着ptc 608加热，它变得更具有电阻性。ptc 608具有两个参数，保持电流i
h
和跳变电流i
t
。只要流过ptc 608的电流不超过其保持电流，它就不会进入跳变状态(在该状态下，其电阻急剧上升)。然而，当流过ptc 608的电流超过其跳变电流值时，ptc 608的电阻将迅速上升以进一步阻断电流，直到达到稳定状态、具有非常小的电流流动以维持ptc的跳变状态。只有在故障电流被移除后，ptc才将复位到低电阻状态。
45.根据示例性实施例，图8包括用于说明在电路700(图7)上执行测试的结果的两个表800和850。在这个示例中，电路700包括连接在mosfet 706的源极和栅极之间的ptc器件708，以及tvs二极管710。两个表提供了两个条件的参数：1)ptc 708是由制造的rxef375ptc器件(条件1；以及2)从电路700中移除ptc 708(条件2)。这和利用0欧姆电阻器代替ptc708相同。换句话说，第二条件是简单地移除ptc 708并将mosfet 706的源极连到栅极。
46.在这个实施例中，mosfet 706是ixth16n10d2d
‑
mosfet，tvs二极管710是30kpa30atvs二极管，两者由制造。进一步，电路700接收具有1.2/50μs浪涌的130v的输入电压v
in
。查看ixth16n10d2mosfet的数据表，v
ds
和v
dg
两者的最大额定电压为
100v，并且电压v
gs
的最大额定电压为+/
‑
20v。因此，在130v具有峰值电压值的1.2/50μs的瞬变波形的情况下，mosfet吸收浪涌能量并允许一定的允通电压。需要tvs二极管来进一步压制浪涌能量。
47.表800绘制了对于ptc和非ptc条件两者的漏极到源极电压v
ds
、栅极到源极电压v
gs
、浪涌电流i
s
和tvs二极管710的最大箝位电压v
c
。表850绘制了对于ptc和非ptc两者的漏极到源极电压v
ds
、浪涌电流i
s
和mosfet功率。表800、850示出，对于浪涌测试，在采用与mosfet 706串联连接的ptc708，并且ptc连接在mosfet的源极和栅极之间的情况下，与在栅极直接接到mosfet的源极(条件2)的情况下相比，ptc压制浪涌电平并降低到mosfet的浪涌功率耗散(条件1)。因此，ptc有助于利用散热压制浪涌电平中的一些，并生成更负的栅极到源极电压(v
gs
＝
‑
0.5v)，以进一步阻断通过耗尽型mosfet的电流。
48.图8中的结果提供了关于当施加瞬变电压时的电路700的操作的数据。在示例性实施例中，图7的电路700也用于测试恒定过电流。表800和850说明了使得处于适当的位置的ptc 608代替零欧姆电阻有助于降低tvs二极管710的箝位电压水平v
c
。进一步，在v
ds
在ptc 608存在的情况下增加时，v
gs
和i
s
也被降低，所消耗的mosfet功率也降低。为了提供瞬变过电流保护或恒定过电流保护，这些是有希望的结果。
49.根据示例性实施例，在具有不同ptc器件的电路600和700上执行的附加经验测试的结果分别在图9和图10的双波形中给出。每个电路600和700接收具有1.2/50μs浪涌的130v的输入电压v
in
。波形900示出了在电路600中施加浪涌瞬变的结果，其中ptc 608是同样由制造的rxef375ptc器件。rxef375器件具有7.50a的跳变电流i
t
、0.03欧姆的最小电阻r
min
以及0.05欧姆的最大电阻r
max
。如前所述，漏极和源极之间的电压v
ds
立即增加，从而加热mosfet 606，而栅极到源极电压v
gs
下降。在这个示例中，浪涌电流持续约50μs。波形950示出了电路700中浪涌瞬变的结果，其中，ptc 708是rxef375ptc并且使用了30kpa30ca tvs二极管710。同样，浪涌电流的持续时间为约50μs，并且如预期那样，mosfet沟道的漏极到源极电压v
ds
被tvs二极管710压制。在rxef375ptc 708的帮助下，电流被箝位在约13.57a。浪涌波形的特征为峰值电压为130v的1.2/50μs波、处于130v/2欧姆＝65a的峰值电流(注意，2欧姆是1.2/50μs波形的浪涌发生器网络的虚拟阻抗)。在rxe375ptc 708的帮助下，电流被箝位在约13.75a。如前所述，在示例性实施例中，两个电路中的mosfet和相应的ptc之间的热效应有助于使电路对浪涌电流更加敏感。
50.继续图10，波形1000示出了在电路600中施加浪涌瞬变的结果，其中移除了ptc 608(r＝0欧姆)。漏极和源极之间的电压v
ds
立即增加，而栅极到源极电压v
gs
不变。浪涌电流i
s
持续约40μs。波形1050示出了电路700中浪涌瞬变的结果，其中，ptc 708被移除并且使用了30kpa30ca tvs二极管710。浪涌电流i
s
的持续时间保持在约40μs，并且mosfet沟道的漏极到源极电压v
ds
被压制。在mosfet 706的栅极到源极电压v
gs
被短路的情况下，电流被箝位在约26.36a，这大于ptc串联在栅极和源极之间的情况(图9)。因此，ptc将具有两种效果。第一种效果是响应于浪涌增加其电阻，以及第二种效果是将栅极到源极电压v
gs
增加到更负的水平，这增强了mosfet的电阻。这示出了在mosfet的栅极和源极之间使用ptc，而不是简单地连接栅极端子和源极端子的优点。再次，在电路600和700两者中观察到mosfet和ptc之间的热效应。以上电路可以利用其他输入电压、mosfet、ptc器件和tvs二极管进行测试。
51.根据示例性实施例，在电路600和700上执行的经验测试的结果分别在图11和图12
的双波形中给出。在双波形中的每一个中，特征是三个参数，即，mosfet 606的栅极到源极电压(v
gs
)、mosfet的漏极到源极电压(v
ds
)和由输入电压v
in
产生的浪涌电流i
s
。换句话说，测量由浪涌电流产生的mosfet606上的电压(v
ds
)、pct 608(v
gs
)上的电压。电路600和700两者接收具有1.2/50μs浪涌的100v的输入电压v
in
。
52.在图11中，波形1100示出了向电路600(图6)施加浪涌瞬变的结果，其中ptc 608是由制造的rxef030ptc器件。rxef030器件具有0.60a的跳变电流i
t
、0.88欧姆的最小电阻r
min
以及1.33欧姆的最大电阻r
max
。电路600在触发点t(0μs)经历浪涌电流i
s
。漏极和源极之间的电压v
ds
立即增加，然后在约60μs后衰减。同时，栅极到源极电压v
gs
也非常迅速地下降约20v。在波形1100中，浪涌电流i
s
持续约67μs，这比波形300、400和500小得多。
53.图11的第二波形1150示出了在电路700(图7)中施加浪涌瞬变的结果，其中ptc 708也是rxef030ptc器件，并且tvs二极管710是30kpa30ca二极管。在此，tvs二极管710将通过mosfet沟道的电压v
ds
箝位到40v以下。浪涌电流i
s
的持续时间略小于波形1100中，约为65μs。因此，除了箝位v
ds
之外，相对于波形1100中示出的内容，tvs二极管612还通过降低浪涌电流i
s
的持续时间而具有正面影响。
54.在波形1100和1150中，由v
ds
给出的mosfet 606上的电压在接收浪涌电流i
s
时迅速增加(尽管电压在波形1150中被tvs二极管708压制)。漏极和源极之间的电压方面的这种几乎瞬变的增加意味着mosfet 606正在加热。同时，由v
gs
给出的ptc 608上的电压正在下降。然而，到电流浪涌结束，ptc器件608正在加热，如波形所示。因此，mosfet 606对ptc 608具有热效应，这种加热使得电路600能够更快地响应于浪涌电流。
55.继续图12，波形1200示出了在电路600中施加浪涌瞬变的结果，其中ptc608是同样由制造的rxef065ptc器件。rxef065器件具有1.30a的跳变电流i
t
、0.31欧姆的最小电阻r
min
以及0.48欧姆的最大电阻r
max
。和以前一样，漏极和源极之间的电压v
ds
立即增加，而栅极到源极电压v
gs
下降。浪涌电流i
s
持续约65μs。波形1150示出了电路700中浪涌瞬变的结果，其中，ptc 708是rxef065ptc并且使用了30kpa30ca tvs二极管710。此时，浪涌电流i
s
的持续时间约为65μs，并且mosfet沟道的漏极到源极电压v
ds
被tvs二极管710压制。
56.如同电路600一样，波形1200和1250示出了在电路700中，由于电压vds方面几乎瞬变的增加，mosfet 706正在加热。在ptc 708最初没有加热的同时，在浪涌电流i
s
下降时v
gs
的增加示出了ptc 708由于其接近mosfet 706的热效应而被加热。在一些实施例中，这种热效应使得电路700对浪涌电流更具有响应性。
57.两端子器件应用
58.图13示出根据示例性实施例的用于提供过电流保护的电路1300的代表性图。电路1300的特征在于耗尽型mosfet 1304、正温度系数(ptc)器件1308和tvs二极管1312。与以上电路600和700中的ptc器件608和708一样，ptc器件1308在源极和栅极之间与mosfet 1304串联连接。因此，ptc器件上的电压与mosfet 1304的栅源电压v
gs
相同。在一个实施例中，mosfet1304是n沟道耗尽型mosfet。在示例性实施例中，ptc器件1308是聚合物ptc(pptc)器件。
59.因为它是耗尽型器件，所以mosfet 1304具有负阈值电压v
th
。对于耗尽型mosfet，当栅极端子处于0伏(v
gs
＝0伏)时，沟道完全导电，并且电流在漏极和源极之间强烈流动。在n沟道mosfet的栅极处的逐渐增加的负偏压将减少沟道中的传导，直到最终
‑
v
gs
(关断)达到
器件的阈值电压v
th
，并且通过mosfet的传导停止。
60.在这两个时间段之间(当v
gs
＝0伏时和当v
gs
＝
‑
v
th
时)，mosfet 1304的沟道上的电阻将增加。因此当浪涌电流被施加到电路1300时，mosfet 1304将快速加热。
61.类似地，ptc器件1308被设计成随着其加热而增加其电阻。在电流流过ptc器件1308时，ptc器件温度增加到预定限值(被称为其断点)之上。这导致ptc器件1308的电阻急剧增加，这减少或阻止了通过ptc的电流的流动。
62.进一步，mosfet 1304和ptc器件1308彼此相邻的放置意味着，在接收浪涌电流时，mosfet 1304将加热，这将比mosfet不存在的情况下更快地加热ptc器件1308。因此，在一些实施例中，存在从mosfet 1304到ptc 1308的热传递，从而加速两个器件对浪涌事件的响应。
63.随着ptc 1308加热，它变得更具有电阻性。在ptc 1308上产生电压，该电压最终将超过mosfet 1304的阈值电压v
th
，并导致mosfet截止。
64.因为栅极连到ptc 1308的一侧，所以不需要分离地向栅极施加电压。在示例性实施例中，电路1308被封装为双端子器件，以在其他电路中用作过电流保护。因此，器件1300的第一端子1314将连接到要保护的电路的电压源，而第二端子1316将连接到要保护的电路的一部分(例如，电路的下游组件)。在示例性实施例中，器件1300防止恒定过电流和瞬变过电流两者。
65.双向mosfet电路
66.图14是根据示例性实施例的电路1400的代表性图，该电路包括一对mosfet，该对mosfet提供双向保护、与设置在两个mosfet之间的ptc器件耦合。电路1400包括作为ac输入的电压输入1402、开关1404、第一耗尽型mosfet 1406、ptc器件1408、第二耗尽型mosfet 1412和ckt 1410。在一个实施例中，mosfet 1406和1412是以背靠背配置连接的n沟道耗尽型mosfet。在示例性实施例中，ptc器件1408是聚合物ptc(pptc)器件。
67.如前所述，ptc器件1408在第一端处连接到mosfet 1406的源极，并且在第二端处连接到相同mosfet的栅极。在引入第二mosfet的情况下，第一端连接到mosfet 1412的栅极，第二端连接到第二mosfet的源极。在电路1400接收ac电压输入的情况下，mosfet中的任一个配置有其内部二极管。当正周期ac电流流到电路1400时，第一mosfet 1406和ptc 1408一起充当限流器，而另一mosfet 1412以反向模式工作，使得只有mosfet 1412的体二极管传导电流。当ac电流的另一周期流动时这个操作相反，即，mosfet 1412和ptc 1408一起充当限流器，并且只有mosfet 1406中的二极管传导电流。因此，这个电路1400提供ac限流保护。在一个实施例中，利用双向二极管代替ckt 1410，用于压制mosfet 1412和mosfet 1406两者上的电压。在第二实施例中，二极管是双向tvs二极管，因此在两个方向上保护了浪涌电流。进一步，在一个实施例中，因为rms电压乘以√2是dc峰值电压，所以ac rms电压被限制为17v的最大值，以确保栅极到源极电压v
gs
在长期过电流ptc跳变期间不会超过25v(17v
×
1.414＝24v)。
68.根据示例性实施例，在电路1400上执行的经验测试的结果在图15的双波形中给出。电路1400接收具有1.2/50μs浪涌的90v的输入电压v
in
。ac rms电压被限制为17v的最大值，以确保v
gs
电压在长期过流ptc跳变期间不会超过25v。mosfet 1406和1412两者是由制造的ixth16n10d2(其中v
ds
＝100v、i
d(on)
＝16a、r
ds(on)
＝64毫欧姆、安装扭矩
处于to
‑
247)，并且ptc器件1408是rxef375，具有0.05欧姆的最大电阻r
max
。
69.在波形1500中，特征是三个参数，即，mosfet 1306的栅极到源极电压(v
gs
)、mosfet的漏极到源极电压(v
ds
)和由输入电压v
in
产生的浪涌电流i
s
。换句话说，测量由浪涌电流产生的mosfet 1406上的电压(v
ds
)、pct 1408(v
gs
)上的电压。在波形1450中，是mosfet 1412的栅极到源极电压(v
gs
)、mosfet的漏极到源极电压(v
ds
)和由输入电压v
in
产生的浪涌电流i
s
。换句话说，测量由浪涌电流产生的mosfet 1412上的电压(v
ds
)、pct 1408(v
gs
)上的电压。因此，ptc 1408上的电压是mosfet 1406和1412两者的栅极到源极电压。
70.波形1500和1550几乎相同。因此，它们之间几乎是对称的。这指示电路1400的背对背mosfet加ptc配置提供了ac电源保护。
71.上述实施例在某些情况下设想了耗尽型mosfet、ptc器件和tvs二极管的具体形式。然而，在上述电路中的一个或多个中可以使用其他器件来为各种不同的应用提供过电流保护。在一些实施例中，具有参数v
dsx
＝100v、i
d(on)
≥16a以及r
ds(on)
≤64毫欧姆的n沟道耗尽型mosfet ixtt16n10d2或ixth16n10d2用于mosfet。在一些实施例中，由制造的、具有参数v
dsx
＝500v、i
d(on)
≥800ma以及r
ds(on)
≤4.6欧姆的n沟道耗尽型mosfet ixty08n50d2、ixta08n50d2或ixtp08n50d2用于mosfet。在一些实施例中，具有参数v
dsx
＝500v、i
d(on)
≥16a和r
ds(on)
≤300毫欧姆的n沟道耗尽型mosfet ixth16n50d2或ixtt16n50d2用于mosfet。
72.进一步，在一些实施例中，由制造的72r系列的径向引线可复位ptc用于ptc器件。在一些实施例中，由制造的rxef系列的径向引线可复位pppt用于ptc器件。在一些实施例中，由制造的30kpa系列的轴向引线瞬变电压抑制二极管用于tvs二极管。在不脱离本公开的精神的情况下，可以设想使用其他器件，无论是由还是其他器件制造商制造的。
73.在示例性实施例(引入ptc器件)中，示出了与ptc器件连接的耗尽型mosfet一起工作，以限制瞬变条件和连续条件两者下的过电流。在一个实施例中，如上所述的电路中的mosfet和ptc的组合在低于30v下工作，因为这低于mosfet的最大栅极到源极电压v
gs
和最大ptc工作电压。在另一实施例中，为了防止对耗尽型mosfet的损坏，输入电压范围被限制在5至24v之间，这是功能工作电压水平。在另一实施例中，将散热器添加到耗尽型mosfet可以扩展mosfet的热性能，因为散热器的存在改善了整体热阻抗。
74.如本文所用，以单数形式叙述并以单词“一”或“一个”开头的元件或步骤应被理解为不排除多个元素或步骤，除非明确叙述了这种排除。另外，对本公开的“一个实施例”的引用不旨在被解释为排除也结合所述特征的附加实施例的存在。
75.虽然本公开参考了某些实施例，但是在不脱离如所附(多个)权利要求中定义的本公开的范畴和范围的情况下对所描述的实施例的许多修改、变更和改变是可能的。因此，本公开旨在不限于所描述的实施例，而是其具有由以下权利要求及其等同物的语言所定义的全部范围。