DE10006526B4

DE10006526B4 - Temperaturgeschützte Halbleiterschaltungsanordnung

Info

Publication number: DE10006526B4
Application number: DE10006526A
Authority: DE
Inventors: Peter Sommer; Jenö Dr. Tihanyi
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-02-15
Filing date: 2000-02-15
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2020-02-16
Also published as: US6717788B2; DE10006526A1; US20010021093A1

Abstract

Temperaturgeschützte Halbleiterschaltungsanordnung die eine integrierte Schalteinheit (SE) mit folgenden Merkmalen aufweist:
– einen Halbleiterschalter (S),
– einen ersten integrierten Temperatursensor (T1) zur Ansteuerung des Halbleiterschalters bei Erreichen einer Übertemeratur,
– eine erste und eine zweite Anschlussklemme zum Anschließen einer Last (K1, K2),
– eine Steuerklemme (K3) zum Anlegen eines Ansteuersignals für den Halbleiterschalter, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Temperatursensor (T2), der wenigstens eine Ausgangsklemme (K4, K5) zur Bereitstellung eines temperaturabhängigen Temperatursignals (ST1) aufweist, temperaturleitend auf die integrierte Schalteinheit (SE) aufgebracht ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine temperaturgeschützte Halbleiterschaltungsanordnung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Integrierte Schalteinheiten mit einem Halbleiterschalter und einem integrierten Temperatursensor zum Ansteuern des Halbleiterschalters bei Übertemperatur sind beispielsweise integrierte Leistungshalbleiterschalter die von der Anmelderin unter den Bezeichnungen HITFET oder PROFET vertrieben werden. Derartige Schalteinheiten sind beispielsweise in L. Lorenz: "Neue Generation von Leistungshalbleiter-Bauelementen – Innovationsmotoren für die Energieelektronik in Automobil und Industrie" in: Der Elektroniker, Nr. 9, 1991, Seiten 6 bis 12, beschrieben.

Ein in demselben Chip wie der Halbleiterschalter monolithisch integrierter Temperatursensor erfasst bei diesen Schalteinheiten die Temperatur unmittelbar in dem Chip und ermöglicht so ein schnelles, annäherungsweise verzögerungsfreies Abschalten des Halbleiterschalters bei Erreichen einer hohen, die Schalteinheit auf Dauer schädigenden Temperatur. Bei den PROFET wird zudem ein Statussignal ausgegeben, das den Schaltzustand des Halbleiterschalters anzeigt.

Bei einigen der bekannten Schalteinheiten, beispielsweise den HITFET, wird bei temperaturbedingtem Abschalten des Halbleiterschalters kein entsprechendes Statussignal nach außen gegeben. Bei Verwendung mehrerer miteinander verschalteter derartiger Schalteinheiten in einer Anwendung, wie zum Beispiel einer Brückenschaltung zur Ansteuerung eines Motors, ist es jedoch sinnvoll, ein temperaturbedingtes Abschalten eines Halbleiterschalters in einer Schalteinheit rechtzeitig zu erkennen, um gegebenenfalls die weiteren Schalteinheiten geeignet ansteuern zu können noch bevor deren Temperaturgrenze für selbsttätiges Abschalten erreicht ist.

Das Vorsehen einer Möglichkeit zur Ausgabe eines Statussignals bei temperaturbedingtem Abschalten des Halbleiterschalters würde einen Neuentwurf der gesamten Schalteinheit erforderlich machen. Die Erfassung des Schaltzustandes von außen zur Erzeugung eines Statussignals wird derzeit mittels Spannungsdetektion an den Lastklemmen der Schalteinheit oder mittels eines in Reihe zu den Lastklemmen geschalteten Shunt durchgeführt.

Bei Leistungsschaltern der PROFET-Familie wird ein Statussignal erzeugt und nach außen gegeben, das ein automatisches Abschalten des Halbleiterschalters anzeigt. Eine Abschaltung kann bei diesen Leistungsschaltern sowohl auf eine Übertemperatur in dem Chip als auch auf einen Kurzschluss in der zu schaltenden Last zurückgehen, der mittels einer Auswertung der Spannung über dem Halbleiterschalter erkannt wird. Das Statussignal erlaubt keine Unterscheidung im Hinblick auf den aufgetretenen Fehler. Bei automatischem Abschalten des Halbleiterschalters bedingt durch den integrierten Temperatursensor schaltet der Halbleiterschalter zudem automatisch wieder ein, wenn das Bauteil abgekühlt ist, wobei das Statussignal ebenfalls seinen Zustand wechselt. Das Statussignal wechselt damit im Zyklus der Erwärmung und nachfolgenden Abkühlung der Schalteinheit seinen Zustand, was dessen Auswertung erschwert.

Die DE 198 32 558 A1 beschreibt eine temperaturgeschützte Halbleiterschaltungsanordnung mit einem Leistungsschalter und einem ersten Temperatursensor, der mit dem Leistungsschalter monolithisch integriert sein kann und der den Leistungsschalter bei Erreichen einer Übertemperatur über eine an einen Steueranschluss des Leistungsschalters angeschlossene Ansteuerschaltung ansteuert. Bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen besteht das Problem, dass der integrierte Temperatursensor trotz Überlastung des Leistungsschalters unter Umständen zu langsam anspricht, um den Leistungstransistor vor Zerstörung zu schützen. Deshalb ist bei dieser Schaltungsanordnung ein zweiter Temperatursensor vorgesehen, der die Umgebungstemperatur erfasst, um die Umgebungstemperatur zusätzlich zu der durch den ersten Temperatursensor ermittelten Temperatur bei der Ansteuerung des Leistungsschalters zu berücksichtigen.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine temperaturgeschützte Halbleiterschaltungsanordnung zur Verfügung zu stellen bei der bekannte Schalteinheiten mit einem integrierten Temperatursensor verwendbar sind und bei der eine Übertemperatur in der Schalteinheit von außen erkannt werden kann.

Diese Aufgabe wir durch eine Halbleiterschaltungsanordnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Danach weist die Halbleiterschaltungsanordnung eine Schalteinheit mit einem integrierten ersten Temperatursensor und einem zweiten Temperatursensor auf, wobei der zweite Temperatursensor temperaturleitend mit der Schalteinheit verbunden ist. Der zweite Temperatursensor ist dazu vorzugsweise mittels eines wärmeleitenden Klebers auf den Chip der Schalteinheit aufgeklebt.

Der erste monolithisch integrierte Temperatursensor, der die Temperatur unmittelbar in dem Halbleiterkörper der integrierten Schalteinheit erfasst, ermöglicht ein schnelles Abschalten des Halbleiterschalters bei Übertemperatur. Der zweite Temperatursensor erfasst die Temperatur an der Oberfläche des Halbleiterkörpers und dient zur Bereitstellung eines Temperatursignals, welches die Temperaturverhältnisse in der Schalteinheit wiedergibt. Wegen der Dauer der Wärmeausbreitung reagiert der zweite Temperatursensor nicht so schnell wie der integrierte erste Temperatursensor. Eine Zeitverzögerung zur Bereitstellung ist jedoch akzeptabel, da normalerweise bei Erzeugen eines Temperatursignals, das eine Übertemperatur anzeigt, der Halbleiterschalter bereits abgeschaltet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1: temperaturgeschützte Halbleiterschaltungsanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2: temperaturgeschützte Halbleiterschaltungsanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen temperaturgeschützten Halbleiterschaltungsanordnung. Die Schaltungsanordnung weist eine Schalteinheit SE auf, die erste und zweite Anschlussklemmen K1, K2 zum Anschalten einer Last R_L an eine zwischen einem Bezugspotential M und einem Versorgungspotential V+ anliegende Spannung aufweist. Die Schalteinheit SE weist ein Halbleiterschaltelement S, das vorzugsweise als Leistungs-MOSFET ausgebildet ist, auf, wobei Lastanschlussklemmen des Halbleiterschalters S zwischen der ersten und zweiten Klemme K1, K2 verschaltet sind. Zur Ansteuerung des Halbleiterschalters S ist in dem Ausführungsbeispiel eine Ansteuerschaltung AS vorgesehen, die eine Eingangsklemme K3 zur Zuführung eines Ansteuersignals und eine Ausgangsklemme AK zur Bereitstellung eines Steuersignals für den Halbleiterschalter S aufweist. Der Halbleiterschalter S und die Ansteuerschaltung AS sind monolithisch in einem Halbleiterkörper integriert.
Die Ansteuerschaltung AS weist einen ersten monolithisch integrierten Temperatursensor T1 zur Erfassung der Temperatur in dem Halbleiterkörper und zum Abschalten des Halbleiterschalters S bei Auftreten einer vorgebbaren Übertemperatur auf. Aufgrund der monolithischen Integration des ersten Temperatursensors T1 in dem Halbleiterkörper, in dem auch der Halbleiterschalter S ausgebildet ist, reagiert der erste Temperatursensor T1 sehr schnell auf eine zu hohe, die Schalteinheit SE auf Dauer schädigende Temperatur und schaltet den Halbleiterschalter S ab. Ein Statussignal, welches den Schaltzustand des Halbleiterschalters S erkennen lässt, wird von der Schalteinheit SE nach 1 nicht erzeugt. Die dargestellte Schalteinheit ist beispielsweise ein handelsüblicher HITFET, der von der Anmelderin vertrieben wird.
Erfindungsgemäß ist ein zweiter Temperatursensor T2 vorgesehen, der wärmeleitend mit der Schalteinheit SE, insbesondere mit dem Halbleiterkörper der Schalteinheit SE, in dem der erste Temperatursensor T1 und der Halbleiterschalter S monolithisch integriert sind, verbunden ist. Die strichpunktierte Linie in 1 stellt den Umfang des Halbleiterkörpers der Schalteinheit SE dar. Auf diesen ist der zweite Temperatur sensor T2 in dem Ausführungsbeispiel mittels eines wärmeleitenden Klebers KL aufgeklebt.
Der zweite Temperatursensor T2 weist Anschlussklemmen K4, K5 auf, an denen ein Temperatursignal ST1 abgreifbar ist, wobei das Statussignal vorzugsweise einen von zwei verschiedenen Werten annimmt, je nach dem, ob eine mittels des zweiten Temperatursensors T2 erfasste Temperatur oberhalb oder unterhalb einer vorgebbaren Temperaturschwelle liegt. Die mittels des Temperatursignals ST1 des zweiten Temperatursensors T2 gelieferte Temperaturinformation kann dazu verwendet werden, den Halbleiterschalter S über die Anschlussklemme K3 abzuschalten, um zu verhindern, dass der Halbleiterschalter S automatisch wieder einschaltet, wenn die Temperatur an dem ersten integrierten Temperatursensor T1 unter die Temperaturschwelle abgesunken ist.
Das Temperatursignal ST1 des zweiten Temperatursensors T2 kann jedoch auch dazu verwendet werden, weitere – in 1 nicht näher dargestellte – derartige Halbleiterschaltungsanordnungen abzuschalten, bzw. geeignet anzusteuern, die mit der Halbleiterschaltungsanordnung, an der eine Übertemperatur aufgetreten ist, verschaltet sind.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Halbleiterschalteranordnung. Bei dieser Ausführungsform weist die Schalteinheit SE eine weitere Anschlussklemme K6 auf, an der ein Statussignal ST2 abgreifbar ist, welches den Schaltzustand des Halbleiterschalters S repräsentiert. Neben dem ersten monolithisch integrierten Temperatursensor T1 weist die Ansteuerschaltung AS des Halbleiterschalters S in dem Ausführungsbeispiel einen Spannungssensor US auf, der die Spannung über der Laststrecke des Halbleiterschalters S auswertet, um den Halbleiterschalter S bei einem Kurzschluss in der Last R_L abzuschalten und vor Zerstörung zu schützen. Das an der Anschlussklemme K6 anliegende Statussignal ST2 lässt dabei nicht erkennen, ob die Anschaltung des Halbleiterschal ters S durch den Spannungssensor US oder den Temperatursensor T1 bedingt ist. Das durch den zweiten Temperatursensor T2 gelieferte Temperatursignal, welches nur von der Temperatur an dem Halbleiterkörper der Schalteinheit SE abhängig ist, ermöglicht eine Unterscheidung des Statussignals ST2 an der Anschlussklemme K6 bezüglich dieser beiden Fälle.
In 2 ist weiterhin eine externe Ansteuerschaltung EAS dargestellt, die an die Anschlussklemmen K4, K5 des zweiten Temperatursensors T2 und an die Anschlussklemmen K3, K6 der Schalteinheit SE angeschlossen ist. Die externe Ansteuerschaltung EAS dient zur Ansteuerung des Halbleiterschalters S über die Ansteuerschaltung AS unter Berücksichtigung des von der Schalteinheit SE gelieferten Statussignals ST2 an der Anschlussklemme K6 und des von dem zweiten Temperatursensors gelieferten Temperatursignals ST1 an den Anschlussklemmen K4, K5.
Die Schalteinheit nach 2 ist beispielsweise ein handelsüblicher PROFET, der von der Anmelderin vertrieben wird.

Claims

Temperaturgeschützte Halbleiterschaltungsanordnung die eine integrierte Schalteinheit (SE) mit folgenden Merkmalen aufweist: – einen Halbleiterschalter (S), – einen ersten integrierten Temperatursensor (T1) zur Ansteuerung des Halbleiterschalters bei Erreichen einer Übertemeratur, – eine erste und eine zweite Anschlussklemme zum Anschließen einer Last (K1, K2), – eine Steuerklemme (K3) zum Anlegen eines Ansteuersignals für den Halbleiterschalter, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Temperatursensor (T2), der wenigstens eine Ausgangsklemme (K4, K5) zur Bereitstellung eines temperaturabhängigen Temperatursignals (ST1) aufweist, temperaturleitend auf die integrierte Schalteinheit (SE) aufgebracht ist.
Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsklemme (K4, K5) des zweiten Temperatursensors (T2) an eine an die Steuerklemme (K3) der integrierten Schalteinheit (SE) angeschlossene Ansteuerschaltung (EAS) angeschlossen ist.
Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Temperatursensor (T2) dielektrisch isoliert und mittels eines Wärmeleitklebers (KL) auf die integrierte Schalteinheit (SE) aufgeklebt ist.