1. Circuito de protección contra impulsos de sobretensión, para aplicación en relación con el circuito de control de un dispositivo FET MOS (T1) de alimentación de una carga (R1),

caracterizado porque comprende un transistor (Q3) que se conecta al circuito de control del dispositivo FET MOS (T1), yendo en relación con la puerta de dicho transistor (Q3), a través de una resistencia (R7), un diodo zener (Z1), el cual va a su vez en serie con una resistencia (R6), a través de la cual se conecta con la línea de conexión de la carga (R1) que se alimenta por medio del dispositivo FET MOS (T1).2. Circuito de protección contra impulsos de sobretensión, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado porque el diodo zener (Z1) se relaciona con el emisor del transistor (Q3) a través de un condensador (C2) que permite regular el tiempo de conducción del dispositivo FET MOS (T1) en el estado de protección frente a los impulsos de sobretensión

Circuito de protección contra impulsos de sobretensión.

Sector de la técnica

La presente invención está relacionada con la protección de elementos eléctricos contra sobretensiones que pueden causar el deterioro de los mismos, proponiendo un circuito de protección contra impulsos de tensión para transistores de efecto de campo metal-óxido semiconductor de potencia, preferentemente para aplicaciones de automoción.

Estado de la técnica

En la actualidad es cada vez más frecuente el uso de dispositivos para interrumpir o conectar, bajo las órdenes de una circuitería de control, la energía eléctrica suministrada a una carga. Las aplicaciones en tal sentido son numerosas, como control de ventiladores, cerraduras, inyectores y todo tipo de actuadores en general, así como válvulas, elementos de iluminación, elementos calefactores, etc.

Los dispositivos de efecto de campo metal-óxido semiconductor (FET MOS), presentan notables ventajas frente a los relés o interruptores electromecánicos, pudiendo destacarse las características siguientes:

- La relación volumen/capacidad de corte de potencia, es muy baja.

- Gran facilidad para integración sin solución de continuidad como partes de circuiterías de control y mando, obteniendo unos montajes ligeros y compactos, lo cual es muy importante en el campo de la automoción.

- Elevada fiabilidad bajo condiciones especificadas de funcionamiento, ya que apenas sufren desgaste.

- Gran resistencia a las vibraciones.

- El costo es muy reducido en comparación de los dispositivos electromecánicos.

Dichos dispositivos presentan, sin embargo también, una serie de inconvenientes frente a los interruptores electromecánicos, entre los que se pueden destacar:

- Suelen presentar mayor caída de tensión que los interruptores electromecánicos y, por lo tanto, se calientan más al paso de la corriente eléctrica, necesitando estar provistos de medidas de refrigeración.

- El margen entre la corriente nominal y la máxima que provoca la destrucción del dispositivo, es más estrecho que en un interruptor electromecánico, debiendo tomarse medidas para evitar los cortocircuitos.

- Son muy sensibles a las sobretensiones, de manera que impulsos de muy corta duración (< 1 segundo) de tensiones que apenas superan el doble de la tensión nominal de trabajo entre los terminales de conmutación (fuente y drenador), pueden causar un daño irreversible al dispositivo.

- Presentan una relación inversamente proporcional entre la corriente máxima que el dispositivo puede soportar en estado de cierre o conducción y la tensión máxima que puede soportar en estado apertura o no conducción.

Todo esto cobra especial importancia en aplicaciones de automoción, ya que los sistemas alimentados a tensión nominal de 12 V, incluso en el manejo de potencias inferiores a 1 KW (por ejemplo 350 W), implica el manejo de corrientes nominales muy elevadas (de casi 30 Amperios), con transitorios de arranque de hasta 100 y más Amperios.

Esto obliga a seleccionar dispositivos FET MOS tales que su tensión máxima continua en estado abierto entre los terminales fuente y drenador, sea escasamente 3,33 veces la tensión nominal de red (12 V).

Por otro lado, en las instalaciones eléctricas de los automóviles, alimentadas a 12 V, se producen eventos de tipo impulsos de tensión, debido a la peculiaridad de las mismas y de los elementos, tanto consumidores como generadores, que en ellas intervienen.

Cabe citar además, que cuando a un conjunto formado por una carga y un dispositivo FET MOS que se encuentra en estado de corte, se le aplica un impulso de tensión de valor suficientemente alto para provocar que el dispositivo FET MOS entre en conducción por avalancha, es decir habiéndose superado la tensión de bloqueo inverso en la unión P-N que mantiene al circuito abierto, el parámetro que determina si el dispositivo sufrirá o no un daño irreversible es la energía que se disipa en la unión P-N. Esta energía depende en la práctica, no solo de la forma de onda, valor de pico y duración del impulso de tensión aplicado, sino también de otros parámetros, como las características de la carga eléctrica controlada por el dispositivo FET MOS, así como las características del propio dispositivo FET MOS.

En este contexto la mayor criticidad se presenta en relación con los impulsos 5a y 5b descritos en la norma ISO 7637-2 párrafo 5.6.5, conocidos como impulsos "load dump".

Generalmente a la mayoría de los sistemas de a bordo de los automóviles, distintos del propio generador o alternador, que es el que lleva una protección centralizada para limitar la tensión de pico en caso de un evento "load dump", solo se les exigen los pulsos 5b, precisamente debido a la existencia en el generador o alternador de dicha protección centralizada.

En general los impulsos 5b que así resultan, son perfectamente compatibles con la tensión máxima permisible entre los terminales drenador y fuente de los modelos de dispositivos FET MOS más habituales para controlar las cargas eléctricas más elevadas presentes en los automóviles actuales con sistemas de alimentación eléctrica a 12 V, no presentándose ningún problema cuando se ensayan los componentes y sistemas bajo estas condiciones.

En la práctica, sin embargo, ocurre que se presentan de forma esporádica, durante el funcionamiento de los vehículos, impulsos de igual o mayor magnitud que los impulsos 5a, los cuales causan, a veces, daños irreversibles por avalancha en los dispositivos FET MOS, al superar la disipación de energía los valores máximos que soportan dichos dispositivos.

Estos daños se producen porque al fundirse parcialmente la pastilla semiconductora, se crea un camino conductor permanente en la misma, quedando el dispositivo en estado permanente de conducción y alimentando la carga, sin que la circuitería de control pueda actuar sobre ella, dando lugar a una situación que se conoce como "funcionamiento no comandado".

Aparte de las consecuencias indeseables, incluso con riesgos para la seguridad, que puede acarrear el "funcionamiento no comandado" de cualquier dispositivo, existe otra peculiaridad en el fallo de un dispositivo FET MOS, que es que el camino conductor que se forma no es un cortocircuito franco, sino que tiene una resistencia óhmica del orden de algunos ohmios, que es muy superior a la que presentaría el dispositivo en estado de conducción normal, con lo cual en el dispositivo FET MOS se produce una disipación de potencia y por lo tanto un calentamiento, muy superiores a los que ocurren en un funcionamiento normal en condiciones de baja resistencia, resultando totalmente insuficientes los medios de refrigeración disponibles, por lo que se produce una peligrosa elevación de temperatura del dispositivo que puede conllevar riesgo de incendio.

Los fabricantes de dispositivos FET MOS son conscientes de esta debilidad de dichos dispositivos, por lo que en los últimos años han desarrollado lo que se denomina FET MOS inteligentes o SMART MOSFET, los cuales incorporan junto al dispositivo interruptor semiconductor simple y formando una unidad con el mismo, un segundo circuito integrado de monitorización y control, capaz de detectar condiciones anómalas, como sobrecorriente y sobretemperatura, desactivando el circuito principal para protegerlo, en caso de producirse situaciones que excedan las condiciones de funcionamiento seguro.

El recurso más usado para la protección contra las sobretensiones, es la monitorización de la tensión del terminal drenador y la puesta en conducción del dispositivo si la tensión entre dicho terminal drenador y el terminal fuente excede un valor prefijado, de forma que la energía del pulso sea disipada sobre todo en la carga exterior y no en una unión P-N forzada al estado de avalancha.

Ensayos realizados con los dispositivos SMART MOSFET comerciales ha demostrado, sin embargo, que en muchos casos estos dispositivos no tienen mejores prestaciones que los dispositivos FET MOS estándar no protegidos, siendo igualmente destruidos por los impulsos del rango 5a y superiores.

Objeto de la invención

De acuerdo con la invención se propone un circuito adicional que se dispone en relación con el circuito de control de un dispositivo FET MOS de alimentación de una carga, determinando este circuito complementario una protección...

1. Circuito de protección contra impulsos de sobretensión, para aplicación en relación con el circuito de control de un dispositivo FET MOS (T1) de alimentación de una carga (R1), caracterizado porque comprende un transistor (Q3) que se conecta al circuito de control del dispositivo FET MOS (T1), yendo en relación con la puerta de dicho transistor (Q3), a través de una resistencia (R7), un diodo zener (Z1), el cual va a su vez en serie con una resistencia (R6), a través de la cual se conecta con la línea de conexión de la carga (R1) que se alimenta por medio del dispositivo FET MOS (T1).

2. Circuito de protección contra impulsos de sobretensión, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado porque el diodo zener (Z1) se relaciona con el emisor del transistor (Q3) a través de un condensador (C2) que permite regular el tiempo de conducción del dispositivo FET MOS (T1) en el estado de protección frente a los impulsos de sobretensión.