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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Übertemperaturerkennung bei Transistoren, insbesondere Leistungstransistoren.
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Bei Leistungstransistoren handelt es sich um Transistoren, die große Strom- und Spannungsamplituden ermöglichen und damit zum direkten Betrieb von Verbrauchern mit größeren Leistungen geeignet sind. Leistungstransistoren werden beispielsweise verwendet in Endstufen und Schaltstufen für die Industrieelektronik und Automobiltechnik.
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Die Temperatur eines Leistungstransistors stellt dabei einen wesentlichen Faktor für dessen Funktionsfähigkeit dar. Eine beispielsweise durch eine höhere Umgebungstemperatur oder durch Fehlfunktion wie etwa Kurzschluss von Verbrauchern erzeugte Übertemperatur des Leistungstransistors kann zu dessen Beschädigung oder Zerstörung und darüber hinaus auch zur Beeinträchtigung oder sogar Zerstörung des Verbrauchers führen. Es ist daher wesentlich, eine etwaige Übertemperatur von Leistungstransistoren rechtzeitig und sicher zu erkennen, um geeignete Maßnahmen wie beispielsweise das Abschalten des Transistors oder des Verbrauchers vor Erreichen kritischer Temperaturwerte und damit vor der Schädigungsgrenze ergreifen zu können.
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Zur Ermittlung der Temperatur eines Halbleiterbauelements 100 ist es bekannt, einen Temperatursensor 101 auf dem Gehäuse des Halbleiterbauelements 100 oder auf dessen Halbleiterkörper/Chip anzubringen (siehe 1). Ein derartiges Vorgehen ist für so genannte TEMP-FET, die in Chip-on-Chip Technologie gefertigt werden, in Stengl/Tihanyi: ”Leistungs-MOS-FET-Praxis”, Pflaum Verlag, München, 1992, Seite 112 beschrieben. Nachteilig ist hierbei, dass der Sensor und das eigentliche Halbleiterbauelement zwei getrennte Bauelemente sind, womit durch den Sensor nur die Temperatur außen an dem Halbleiterbauelement erfasst wird, welche erheblich von der Temperatur im Inneren des Halbleiterbauelementes abweichen kann und darüber hinaus bei schnellen Temperaturänderungen im Inneren des Halbleiterbauelementes eine unerwünschte Trägheit besitzt. Gerade die Temperatur im Inneren des Halbleiterkörpers ist jedoch zur Ermittlung kritischer Betriebszustände relevant.
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Zur Ermittlung der internen Temperatur eines Halbleiterbauelements ist es bekannt, eine Diodenstruktur in demselben Halbleiterkörper, in den das Halbleiterbauelement integriert ist, vorzusehen, wobei die Diodenstruktur an eine Versorgungsspannung angeschlossen ist. In der Publikation
US 5 049 961 A wird z. B. vorgeschlagen, eine monolithisch in einen MOS-Transistor integrierte Diode mit konstantem Strom zu versorgen und die resultierende Flussspannung als Messwert für die Temperatur des Bauelements heranzuziehen. Ein ähnliches Konzept ist in der Publikation
US 5 918 982 A beschrieben. Auch die Publikation
DE 101 35 805 A1 zeigt ein Halbleiterbauelement mit integriertem Temperatursensor. Die Publikation
US 6 137 668 A zeigt ein Halbleiterbauelement mit Übertemperaturabschaltung.
2 zeigt ein Beispiel für einen n-Kanal-HS-Schalter (HS = High Side; LS = Low Side). Die Anordnung nach
2 umfasst eine in einen Halbleiterkörper integrierte Leistungstransistorstruktur
102 und eine mit dieser elektrisch verbundene Auswerteeinheit
103 zur Übertemperaturerkennung der Leistungstransistorsstruktur
102. Zusätzlich zur Leistungstransistorstruktur
102 ist eine in Sperrrichtung betriebene bipolare Diodenstruktur
104 in den Halbleiterkörper mitintegriert, die über einen zusätzlichen Body- bzw. Bulk-Anschluss
105 am Halbleiterkörper durch einen Referenzstrom
106 in Sperrrichtung der Diodenstruktur
104 aus einer in der separaten Auswerteeinheit
103 befindlichen Stromquelle
107 gespeist wird. Die Diodenstruktur
104 kann z. B. durch die bei einem MOSFET zwangsläufig vorhandene Bulk-Drain-Diode gebildet werden. Der übliche Kurzschluss zwischen Source und Bulk ist bei dieser und den folgenden Ausführungsformen nicht vorhanden.
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Die dementsprechend an der Diodenstruktur 104 abfallende, von der Temperatur der Diodenstruktur 104 und somit von der Temperatur des Halbleiterkörpers und somit wiederum von der Temperatur der Leistungstransistorstruktur 102 abhängige Messspannung 108 wird mit einer Vergleichsspannung 109 in der Auswerteeinheit 103 verglichen, um daraus ein eine Übertemperatur kennzeichnendes Signal 110 zu erzeugen. Dabei wird die an einen Eingang eines Komparators 111 anliegende Spannung 109 einer Spannungsquelle 112 mit der Spannung 108 am Body-Anschluss 105 der Diodenstruktur 104 verglichen. Überschreitet die Spannung am Body-Anschluss 105 der Diodenstruktur 104 den fest voreingestellten Wert der Referenzspannungsquelle 112, ändert sich der Signalzustand am Ausgang des Komparators 111 und erzeugt das eine Übertemperatur des Leistungstransistors kennzeichnende Signal 110. Auf diese Weise dient die Diodenstruktur 104 als Temperatursensor für die Temperatur der Leistungstransistorstruktur 102, wobei die Diodenstruktur 104 mit einem eingeprägten Strom in Sperrrichtung betrieben wird.
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Man macht sich hierbei zu Nutze, dass der durch eine Auswerteeinheit erfasste Sperrstrom der Diodenstruktur exponentiell von der Temperatur abhängig ist, so dass von dem Sperrstrom auf die Temperatur in dem Halbleiterkörper geschlossen werden kann. Übersteigt der Sperrstrom der Diodenstruktur 104 den durch die Stromquelle 107 vorgegebenen Strom 106, ändert sich die Spannung am Body-Anschluss 105 und der Spannungsabfall über der Diodenstruktur 104 sinkt. Infolge dieses Vorgangs wird durch den Komparator 111, wie beschrieben, das Übertemperatursignal 110 erzeugt. Allerdings weist dieser Sperrstrom bedingt durch die exponentiell verlaufende Kennlinie erst bei hohen Temperaturen einen nennenswerten, das heißt auswertbaren Betrag auf, so dass der Signalhub eines derartigen Diodenstruktur-Temperatursensors gering ist.
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Dieser Nachteil kann zwar durch eine flächenmäßig möglichst große Ausführung der Diodenstruktur teilweise ausgeglichen werden, dem steht jedoch die allgemeine Forderung nach einem möglichst hohen Grad an Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen entgegen. Außerdem weisen Diodenstrukturen stets eine Sperrschichtkapazität auf, in der Ladung gespeichert ist. Diese gespeicherte Ladung kann einen Strom verursachen, der unter Umständen größer ist als der zur Temperaturerfassung herangezogene Sperrstrom, was das Messergebnis unzulässig beeinflusst.
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Weiterhin kann in der Anordnung nach 2 die Leistungstransistorstruktur auch als p-Kanal-LS-Schalter ausgeführt sein. Die vorher genannten Nachteile hinsichtlich Temperaturbereich, Signalhub bestehen in diesem Falle ebenso.
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Weiterhin ist es zur Ermittlung der internen Temperatur eines Halbleiterbauelements bekannt, eine Diodenstruktur in demselben Halbleiterkörper, in den das Halbleiterbauelement integriert ist, vorzusehen, wobei die Diodenstruktur über einen eingeprägten Strom in deren Flussrichtung betrieben wird. Die Schaltungsanordnung nach 3 umfasst wiederum eine in einen Halbleiterkörper integrierte Leistungstransistorstruktur 102 und eine mit diesem elektrisch verbundene Auswerteeinheit 103 zur Übertemperaturerkennung der Leistungstransistorstruktur 102, die hier nur der Darstellung des Grundprinzips dient. Zusätzlich zur Leistungstransistorstruktur 102 ist wiederum eine bipolare Diodenstruktur 104 in den Halbleiterkörper mitintegriert, die über den zusätzlichen Body-Anschluss 105 am Halbleiterkörper durch den Referenzstrom 106 gegenüber 2 in Flussrichtung der Diodenstruktur 104 aus der in der separaten Auswerteeinheit 103 befindlichen Stromquelle 107 gespeist wird.
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Die dementsprechend an der Diodenstruktur 104 abfallende, von der Temperatur der Diodenstruktur 104 und somit von der Temperatur des Halbleiterkörpers und somit wiederum von der Temperatur der Leistungstransistorstruktur 102 abhängige Spannung 108 wird wiederum mit einer Vergleichsspannung 109 in der Auswerteeinheit 103 verglichen, um daraus analog zur Schaltungsanordnung in 2 ein eine Übertemperatur kennzeichnendes Signal 110 zu erzeugen. Neben der beispielhaften Ausführung der Leistungstransistorstruktur 102 als n-Kanal-HS-Schalter kann die Leistungstransistorstruktur 102 in 3 auch als p-Kanal-LS-Schalter ausgeführt sein.
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Nachteilig wirkt sich dabei aus, dass für eine solche Anordnung der Diodenstruktur 104 nach 3 im Falle eines n-Kanal-LS-Schalters der Drain-Anschluss der Leistungstransistorstruktur 102 nicht konstant mit dem entsprechenden Versorgungspotential beaufschlagt wird, sondern bedingt durch z. B. Schaltvorgänge der Leistungstransistorstruktur die an der Diodenstruktur 104 in Abhängigkeit von der Temperatur abfallende Spannung 108 hohen Spannungshüben unterworfen ist. Ebenfalls wirkt sich dabei nachteilig aus, dass für die Anordnung nach 3 im Falle eines p-Kanal-HS-Schalters der Drain-Anschluss der Leistungstransistorstruktur 102 nicht konstant mit dem Massepotential beaufschlagt wird, sondern bedingt durch z. B. Schaltvorgänge der Leistungstransistorstruktur die an der Diodenstruktur 104 in Abhängigkeit von der Temperatur abfallende Spannung 108 ebenfalls hohen Spannungshüben unterworfen ist. Weiterhin wirkt sich nachteilig aus, dass das durch das Mitintegrieren der Diodenstruktur 104 bewirkte Auftrennen des Bulk-Source-Kurzschlusses die Spannungsfestigkeit des Leistungstransistors nicht mehr gewährleistet. Dies kann bei einer hohen Spannung zwischen Drain und Source der Leistungstransistorstruktur 102 zu einem Spannungsdurchbruch führen, der bei einer kleineren Spannung stattfindet als durch die Spannungsklasse der Leistungstransistorstruktur definiert, die bei mit Source kurzgeschlossenem Bulk festgelegt ist. Die hohe Spannung zwischen Source und Drain bewirkt darüber hinaus eine hohe Spannung zwischen Kollektor und Emitter eines aus zwei einzelnen Diodenstrukturengebildeten NPN-Transistors.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung mit einem in den Halbleiterkörper des Leistungstransistors mitintegrierten Temperatursensor zur Verfügung zu stellen, bei welcher der Temperatursensor zuverlässig eine von der Temperatur im Inneren des Halbleiterkörpers abhängige Spannung bereitstellt und bei welcher die oben genannten Probleme nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine zusätzlich in einen Halbleiterkörper integrierte Diodenstruktur, die mit einem Strom in deren Flussrichtung aus einer Stromquelle gespeist wird, wobei die dementsprechend an dieser Diodenstruktur abfallende, von der Temperatur der Diodenstruktur und damit von der Temperatur der Transistorstruktur abhängige Spannung zur Übertemperaturerkennung durch eine Auswerteeinheit herangezogen wird, wobei der Schutz des Leistungstransistors und des mitintegrierten Temperatursensors vor unerwünschter Zerstörung durch zu hohe Spannung in der Drain-Source-Strecke oder das Verhindern eines bei ausgeschaltetem Leistungstransistor durch die Auswerteeinheit erzeugten Stromes am Drain des Leistungstransistors durch die Auswerteeinheit gewährleistet ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die vorteilhafte Wirkung der Erfindung ergibt sich aus der Verwendung einer in den Halbleiterkörper integrierten Diodenstruktur, die in Flussrichtung (nicht in Sperrrichtung) durch einen Strom (nicht durch eine Spannung) gespeist wird und damit beispielsweise gegenüber dem oben beschriebenen Stand der Technik einen hohen Signalhub ermöglicht sowie dadurch, dass ein in der Auswerteeinheit befindliches Schaltelement aktiv einen Kurzschluss zwischen dem Bulk des Halbleiterkörpers und der Source des Leistungstransistors herstellt, wenn dies auf Grund des Betriebszustandes des Leistungstransistors oder der Auswerteeinheit erforderlich ist, wodurch die Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung zur Übertemperaturerkennung in n-Kanal-LS-Schaltern und in p-Kanal-HS-Schaltern erst ermöglicht wird.
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Weitere Vorteile können sich auch daraus ergeben, wenn die (beispielsweise separate, insbesondere externe) Auswerteeinheit zur Erkennung der Übertemperatur und die Leistungstransistorstruktur thermisch voneinander entkoppelt werden, was die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Auswerteeinheit positiv beeinflusst, sowie daraus, dass der Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Leistungstransistorstruktur und die Auswerteeinheit berücksichtigt werden kann.
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Die Erfindung wird anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es zeigt
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1 die Chip-on-Chip-Technik zur Messung der Temperatur gemäß Stand der Technik
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2 die Messung des Leckstromes einer integrierten Diode in Sperrichtung am n-Kanal-HS-Schalter gemäß Stand der Technik
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3 die Messung der Diodenspannung einer flussgepolten Diode am Beispiel n-Kanal-HS-Schalter gemäß Stand der Technik
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4 das erfindungsgemäße Grundprinzip mit n-Kanal-LS-Schalter und parasitärer Diodenstruktur
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5 das erfindungsgemäße Grundprinzip mit p-Kanal-HS-Schalter und parasitärer Diodenstruktur
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6 das Schaltbild eines in einen Halbleiterköper integrierten Temperatursensors mit parasitärer Diodenstruktur und einer separaten, die Umgebungstemperatur berücksichtigenden Auswerteeinheit entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
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7 das Schaltbild eines in einen Halbleiterköper integrierten Temperatursensors mit parasitärer Diodenstruktur und einer separaten Auswerteeinheit mit Spannungs-Strom-Wandlern entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
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8 das Schaltbild eines in einen Halbleiterköper integrierten Temperatursensors mit parasitärer Diodenstruktur und einer separaten Auswerteeinheit mit Überwachung der Spannung am Drain-Anschluss der Leistungstransistorstruktur entsprechend einer dritten Ausführungsform der Erfindung und
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9 das Schaltbild eines in einen Halbleiterköper integrierten Temperatursensors mit parasitärer Diodenstruktur und einer separaten Auswerteeinheit mit externer Aktivierung der Messung entsprechend einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
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Das Schaltbild nach 4 zeigt das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Anordnung mit einem als n-Kanal-LS-Schalter ausgeführten Leistungstransistor 1 unter Einbeziehung einer bei Anwendung der MOS-Technologie immer vorhandenen parasitären Diodenstruktur 8, die in Sperrrichtung zwischen Bulk-Anschluss 15 und Drain-Anschluss 9 liegt. Die parasitäre Diodenstruktur 8 kann durch die bei MOS-Transistoren zwangsläufig vorhandene Bulk-Drain-Diode gebildet werden.
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Die Anordnung nach 4 berücksichtigt also gegenüber 3 zusätzlich die parasitäre Diodenstruktur 8, welche in MOS-Transistoren immer existiert, die aber in den vorhergehenden Abbildungen vernachlässigt wurde. Eine Leistungstransistorstruktur 7 ist dabei mit ihrem Drain-Anschluss 9 über einen externen Lastwiderstand 10 an ein positives Versorgungspotential 11 und mit ihrem Source-Anschluss 12 an Massepotential gelegt, wodurch ein in den Drain-Anschluss 9 der Leistungstransistorsstruktur 7 fließender Laststrom 13 in Abhängigkeit von einer hier nicht näher bezeichneten Spannung der Gate-Anschluss der Leistungstransistorstruktur 7 erzeugt werden kann. Weiterhin ist die mitintegrierte Diodenstruktur 2 (z. B. die Bulk-Source Diode, die im vorliegenden Fall nicht kurzgeschlossen sein darf) antiseriell zu der parasitären Diodenstruktur 8 (z. B. die Bulk-Drain Diode) geschaltet und die Diodenstrukturen 2 und 8 sind der Laststrecke der Leistungstransistorstruktur 7 parallel geschaltet. Eine Bulk-Source-Diodenstruktur 2 wird dabei in Flussrichtung mit einem eingeprägten Strom 14 betrieben, wodurch eine an der Diodenstruktur 2 abfallende Spannung 16 erzeugt wird.
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Diese Spannung 16 ist nicht gleich der Laststreckenspannung der Leistungstransistorstruktur 7 und wird zur Übertemperaturerkennung des Leistungstransistors herangezogen. Weiterhin wird die Spannung über der Laststrecke am Drain 9 mit einem voreingestellten Spannungswert 17 einer Referenzspannungsquelle 18 verglichen. Dieser Vergleich erfolgt im vorliegenden Fall über einen Komparator 19, dessen invertierender Eingang mit der fest voreingestellten Vergleichsspannung 17 beaufschlagt wird und dessen nicht-invertierender Eingang mit dem Drain-Anschluss 9 der Leistungstransistorstruktur 7 des Halbleiterkörpers 1 verbunden ist. Der Komparator 19 kann zweckmäßiger Weise ein Schaltverhalten mit Hysterese aufweisen.
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Überschreitet die am Drain-Anschluss 9 der Leistungstransistorstruktur 7 anliegende Spannung den Wert der Vergleichsspannung 17, ändert sich der Zustand des Signals am Ausgang des Komparators 19 und schließt über eine Transistorstruktur 49 die Diodenstruktur 2 kurz. Ein durch das Durchschalten der Transistorstruktur 49 bedingter Kurzschluss der Diodenstruktur 2 erfolgt ebenfalls, wenn dann ein Steuersignal „OFF” aktiviert wird, wobei dieses Steuersignal „OFF” und der Ausgang des Komparators 19 über ein dem Gate der Transistorstruktur 49 vorgeschaltetes ODER-Gatter 63 verknüpft sind.
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Vorteilhaft wirkt sich aus, dass die Bulk-Source-Diode (mitintegrierte Diodenstruktur 2) als Sensorelement für die Temperaturmessung eingesetzt werden kann, ohne die Spannungs- beziehungsweise Durchbruchsfestigkeit des Leistungstransistors zu verringern. Dies wird dadurch erreicht, dass der Bulk-Source-Kurzschluss des Leistungstransistors nur temporär aufgetrennt wird für einen durch die Referenzspannung 17 vorgegebenen zulässigen Bereich der Spannung am Drain des Leistungstransistors, der unterhalb der Gefährdungsgrenze für die weiter oben genannten Effekte liegt. Weiterhin wirkt sich vorteilhaft aus, dass kein durch den eingeprägten Strom 14 erzeugter Stromfluss am Source- und am Drain-Ausgang des Leistungstransistors stattfindet, wenn dieser ausgeschaltet ist (Signal „OFF” aktiv). Ebenfalls wirkt sich vorteilhaft aus, dass nun eine Temperaturmessung bei eingeschaltetem Leistungstransistor und damit geringer Laststreckenspannung zwischen Drain und Source des Leistungstransistors möglich ist (Spannung am Drain 9 kleiner Referenzspannung 17). Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit ergibt sich aus der Festlegung einer maximal zulässigen Spannung an der Laststrecke für die Temperaturmessung, deren Überwachung beispielsweise in Brückenschaltungen auch über die Messung der Betriebsspannung möglich ist.
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Das Schaltbild nach 5 zeigt das Grundprinzip einer Anordnung mit einem als p-Kanal-HS-Schalter ausgeführten Leistungstransistor unter Einbeziehung der bei Anwendung der MOS-Technologie immer vorhandenen parasitären Diodenstruktur 8, die in Sperrrichtung zwischen Drain-Anschluss 9 und Bulk-Anschluss 15 liegt (parasitäre Drain-Bulk Diode), und der Diodenstruktur 2 (Source-Bulk Diode). Die ebenfalls gezeigte Auswerteeinheit entspricht der aus 4 und ist lediglich geringfügiger an den geänderten Anwendungsfall angepasst.
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Die Anordnung nach 5 umfasst wiederum die parasitäre Diodenstruktur 8. Die Leistungstransistorstruktur 7 ist nun mit ihrem Drain-Anschluss 9 über einen externen Lastwiderstand 10 mit Masse verbunden und mit ihrem Source-Anschluss 12 an ein positives Versorgungspotential 11 gelegt, wodurch ein aus dem Drain-Anschluss 9 der Leistungstransistorsstruktur 7 fließender Laststrom 13 in Abhängigkeit von der Spannung am Gate-Anschluss erzeugt wird. Weiterhin ist die mitintegrierte Diodenstruktur 2 (Source-Bulk-Diode) antiseriell zu der parasitären Diodenstruktur 8 (Drain-Bulk-Diode) geschaltet und die Diodenstrukturen 2 und 8 sind der Laststrecke der Leistungstransistorstruktur 7 parallel geschaltet.
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Die Source-Bulk-Diodenstruktur 2 wird dabei in Flussrichtung mit dem eingeprägten Strom 14 betrieben, wodurch die an der Diodenstruktur 2 abfallende Spannung 16 erzeugt wird. Diese Spannung 16 wird zur Übertemperaturerkennung des Leistungstransistors herangezogen. Weiterhin wird die Spannung am Drain-Anschluss 9 des Leistungstransistors mit dem voreingestellten Spannungswert 17 der Referenzspannungsquelle 18 verglichen. Dieser Vergleich erfolgt im vorliegenden Fall über den Komparator 19, dessen positiver Eingang mit der fest voreingestellten Vergleichsspannung 17 beaufschlagt wird und dessen negativer Eingang mit dem Drain-Anschluss 9 der Leistungstransistorstruktur 7 verbunden ist. Der Komparator 19 kann zweckmäßiger Weise ein Schaltverhalten mit Hysterese aufweisen.
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Überschreitet die Spannung über der Laststrecke den Wert der Vergleichsspannung 17 ändert sich der Zustand des Signals am Ausgang des Komparators 19 und schließt über die Transistorstruktur 49 die Diodenstruktur 2 kurz. Ein durch das Durchschalten, der Transistorstruktur 49 bedingter Kurzschluss der Diodenstruktur 2 erfolgt ebenfalls, wenn das Steuersignal „OFF” aktiviert wird, wobei dieses Steuersignal „OFF” und der Ausgang des Komparators 19 über das dem Gate-Anschluss der Transistorstruktur 49 vorgeschaltetes NOR-Gatter 68 verknüpft sind. Daraus ergeben sich wiederum die gleichen vorteilhaften Wirkungen wie bei der Anordnung aus 4. Es kann ebenfalls wieder die Betriebsspannung z. B. in Brückenschaltungen überwacht werden, um eine mögliche Überschreitung der maximal zulässigen Laststreckenspannung bei gleichzeitig aufgetrenntem Bulk-Source-Kurzschluss zu verhindern.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nach 6 umfasst einen in einen Halbleiterkörper 1 integrierte Leistungstransistorstruktur 7 und eine mit diesem elektrisch verbundene, davon aber räumlich getrennte und thermisch entkoppelte Auswerteeinheit 3 zur Übertemperaturerkennung der Leistungstransistorsstruktur 7. Bei der Leistungstransistorstruktur 7, die im vorliegenden Fall ein n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor ist, jedoch in gleicher Weise auch ein Bipolartransistor, IGBT, Thyrystor etc. sein könnte, ist zusätzlich zur Leistungstransistorstruktur 7 eine bipolare Diodenstruktur 2 in den Halbleiterkörper 1 mitintegriert, die über einen zusätzlichen Body- bzw. Bulk-Anschluss 15 am Halbleiterkörper 1 durch einen Referenzstrom 14 in Flussrichtung der Diodenstruktur 2 aus einer in der separaten Auswerteeinheit 3 befindlichen Stromquelle 5 gespeist wird. Die dementsprechend an der Diodenstruktur 2 abfallende, von der Temperatur der Diodenstruktur 2 und somit von der Temperatur der Leistungstransistorstruktur 7 abhängige Spannung 16 wird mit einer Vergleichsspannung 22 in der Auswerteeinheit 3 verglichen, um daraus ein eine Übertemperatur kennzeichnendes Signal 20 zu erzeugen. Auf diese Weise dient die Diodenstruktur 2 (im dargestellten Fall die Bulk-Source Diode) als Temperatursensor für die Temperatur der Leistungstransistorstruktur 7, wobei die Diodenstruktur 2 mit einem eingeprägten Strom in Flussrichtung betrieben wird.
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Weiterhin umfasst 6 die parasitäre Bulk-Drain-Diodenstruktur 8, die bei Anwendung von MOS-Technologien immer vorhanden ist und zusammen mit der Diodenstruktur 2 einen bipolaren Transistor bildet. Ebenfalls enthalten ist eine Vorrichtung aus Komparator 65 und Referenzspannungsquelle 64 zur Überwachung der Laststreckenspannung am Drain 9.
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Die Schaltungsanordnung nach 6 enthält zudem eine Überwachungsschaltung mit einer Referenzspannungsquelle 64 zur Erzeugung einer Referenzspannung 67, einem Komparator 65 (ggf. mit Hysterese) und einem MOS-Feldeffekttransistor 66. Dabei ist der nichtinvertierende Eingang des Komparators 65 mit dem Drain-Anschluss 9 der Leistungstransistorstruktur 7 verbunden und am invertierenden Eingang des Komparators 65 liegt die Referenzspannung 67 an. Der Ausgang des Komparators 65 ist mit dem Gate des Transistors 66 verbunden. Der Drain-Anschluss des Transistors 66 ist mit dem Body-Anschluss 15 des Halbleiterkörpers 1 und der Stromquelle 5 verbunden, während der Source-Anschluss des Transistors 66 mit Masse verschaltet ist.
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Zweck der Überwachungsschaltung ist es, die Höhe der Spannung am Drain-Anschluss 9 der Leistungstransistorstruktur 7 zu überwachen und diese mit der fest voreingestellten Referenzspannung 67 zu vergleichen. Auf diese Weise wird eine zu hohe Spannung am Drain-Anschluss 9 der Leistungstransistorstruktur 7 erkannt, welche bei gleichzeitig aufgetrenntem Bulk-Source-Kurzschluss und damit verringerter Spannungsfestigkeit der Halbleiterstruktur 1 zu dessen Zerstörung führen kann. Dabei kann die Referenzspannung 67 sehr klein gewählt werden, um nur dann die Temperaturerkennung auszuführen, wenn die Laststrecke, repräsentiert durch den Widerstand 10, über die Leistungstransistorstruktur 7 angeschaltet ist. Die Referenzspannung 67 kann auch höhere Werte annehmen, solange ihr Wert unterhalb der zu einer Zerstörung führenden kritischen maximalen Laststreckenspannung liegt, welche durch die Auftrennung des Source-Bulk-Kurzschlusses verringert ist.
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Überschreitet nun die am Drain-Anschluss 9 anliegende Spannung gegenüber Masse den Wert der Referenzspannung 67, beispielsweise weil die Laststrecke nicht angeschaltet ist, wird das Gate des Transistors 66 über den Ausgang des Komparators 65 angesteuert und die Diodenstruktur 2 über den Transistor 66 kurzgeschlossen, wodurch der zur Übertemperaturerkennung verwendete Strom (weitgehend) nicht durch die Diodenstruktur 2, sondern (weitgehend) durch die Source-Drain-Strecke des Transistors 66 fließt. In diesem Fall kann das Signal 20 jedoch nicht als Maß für eine Übertemperaturerkennung herangezogen werden, da dann die an der kurzgeschlossenen Diodenstruktur 2 abfallende Spannung 16 unabhängig von der tatsächlichen Temperatur der Leistungstransistorstruktur 7 immer sehr gering ist und damit die Spannung 16 stets kleiner ist als die zum Vergleich und zur Erkennung einer Übertemperatur herangezogene Spannung 22.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsordnung wird der quantitativ reproduzierbare Effekt ausgenutzt, dass sich die bei eingeprägtem Strom an einer in Flussrichtung betriebenen Diodenstruktur einstellende Spannung von der Temperatur dieser Diodenstruktur abhängt und zwar dergestalt, dass sich auf Grund des mit der Temperatur ansteigenden Leitwerts der Diodenstruktur die bei konstantem, eingeprägtem Strom an der Diodenstruktur abfallende Spannung vermindert. Die Durchlassspannung einer Diodenstruktur ändert sich linear mit etwa –2 mV pro Grad Celsius (°C).
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Die zur Temperaturmessung verwendete Diodenstruktur 2 ist derart in den Halbleiterkörper 1 mitintegriert, so dass sie beim Betrieb im Wesentlichen die gleiche Erwärmung erfährt wie die Leistungstransistorstruktur 7 selbst und damit als Maß für die Betriebstemperatur der Leistungstransistorstruktur 7 und damit zur Übertemperaturerkennung der Leistungstransistorstruktur 7 herangezogen werden kann. Zum Zwecke der Einspeisung des Stroms 14 in die Diodenstruktur 2 und zur Messung der an dieser Diodenstruktur 2 abfallenden Spannung 16 ist (bei einer externen Auswerteschaltung wie im vorliegenden Fall) an dem Halbleiterkörper 1 der zusätzliche, extern zugängliche Body- bzw. Bulk-Anschluss 15 vorgesehen.
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Bei der Schaltungsanordnung nach 6 ist die Diodenstruktur 2 in Flussrichtung zwischen Body und Masse geschaltet. Eine weitere Diodenstruktur 8 liegt zwischen Body (und damit Body-Anschluss 15) und Drain-Anschluss 9 der Leistungstransistorstruktur 7, wobei es sich dabei um die parasitär immer vorhandene Bulk-Drain-Diodenstruktur handelt. Die Leistungstransistorstruktur 7 ist dabei mit ihrem Drain-Anschluss 9 über einen externen Lastwiderstand 10 an ein positives Versorgungspotential 11 und mit ihrem Source-Anschluss 12 an Massepotential gelegt, wodurch ein in den Drain-Anschluss 9 der Leistungstransistorsstruktur 7 fließender Laststrom 13 erzeugt werden kann.
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Wie bereits erläutert umfasst die Schaltungsanordnung nach 6 eine Stromquelle 5 zur Erzeugung des eingeprägten Stromes 14 für die Diodenstruktur 2 und darüber hinaus eine erste Ausführungsform einer Vergleichsschaltung 4 zum Vergleich der an der Diodenstruktur 2 abfallenden Spannung 16 mit einer fest voreingestellten Vergleichsspannung 22. Die Vergleichsschaltung 4 besteht im vorliegenden Fall aus einem Komparator 19, dessen positiver Eingang mit einer fest voreingestellten, von einer Schaltung 21 erzeugten Vergleichsspannung 22 beaufschlagt wird und dessen negativer Eingang mit der Klemme 15 des Halbleiterkörpers 1 verbunden ist und somit mit der an der Diodenstruktur 2 abfallenden Spannung 16 beaufschlagt wird. Der Komparator 19 kann zweckmäßiger Weise ein Schaltverhalten mit Hysterese aufweisen.
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Die Schaltung 21 ist dabei so ausgeführt, dass die durch sie erzeugte Vergleichsspannung 22 temperaturabhängig ist und zwar dergestalt, dass eine Erhöhung der Temperatur der Auswerteeinheit 3 und damit eine Erhöhung der Temperatur der Schaltung 21 zu einer Erhöhung der daraus erzeugten Vergleichsspannung 22 führt.
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Eine Erhöhung der Temperatur der Auswerteeinheit 3 tritt zum Beispiel auf, wenn sich die Umgebungstemperatur erhöht, bei der die Auswerteeinheit 3 und dementsprechend auch der Halbleiterkörper 1 betrieben werden. Dies ist etwa der Fall bei Anwendungen im Automobil, wo im Motorraum eingesetzte Halbleiterkörper und Schaltungen durch Abstrahlung von Motorwärme in Abhängigkeit von Betriebszustand und wetterbedingten Außentemperaturen unterschiedlich stark aufgeheizt werden. Auf diese Weise kann der Grenzwert der zu ermittelnden Übertemperatur automatisch den vorherrschenden Umgebungstemperaturen angepasst, zum Beispiel reduziert werden, um damit beispielsweise dem Umstand Rechnung zu tragen, dass ein für die Funktionsweise kritischer oder ein schädigender Wert der Übertemperatur bei hohen Umgebungstemperaturen niedriger liegt als bei niedrigen Umgebungstemperaturen.
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Voraussetzung für eine ausreichend genaue Berücksichtigung der Umgebungstemperatur ist, dass das Halbleiterkörper 1 und die Auswerteeinheit 3, zwar thermisch entkoppelt, aber räumlich so nahe zueinander platziert sind, dass sie von der gleichen Umgebungstemperatur beaufschlagt werden. Thermisch entkoppelt bedeutet dabei aber insbesondere auch, dass beide nicht so nahe sind, dass die Wärmeabgabe des Leistungstransistors die Umgebungstemperatur im Bereich der Auswerteschaltung beeinflusst. In Anwendungen, in denen diese Umgebungstemperatur beispielsweise von einer Wärme abstrahlenden Quelle, wie einem Kraftfahrzeugmotor erzeugt wird, ändert sich diese Umgebungstemperatur mit dem Abstand von der Quelle sehr schnell und eine räumlich stärker getrennte Anordnung des Halbleiterkörpers 1 und der Auswerteeinheit 3 würden den gewünschten Effekt nicht erzielen.
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Die Schaltung 21 zur Erzeugung der Vergleichsspannung 22 umfasst gemäß 6 einen MOS-Feldeffekttransistor 39, einen MOS-Feldeffekttransistor 40, einen Bipolartransistor 41 und einen Bipolartransistor 42 sowie einen Widerstand 23, einen Widerstand 43 und einen Widerstand 46. Der Transistor 39 ist ein p-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor und mit seinem Source-Anschluss mit einem positiven Versorgungspotential 47 und mit dem Source-Anschluss des Transistors 40 verbunden, der auch vom Typ p-Kanal ist. Der Drain-Anschluss des Transistors 39 ist verbunden dem Gate-Anschluss des Transistors 39 und mit dem Collector-Anschluss des Transistors 41, ebenso besteht eine Verbindung zwischen dem Gate-Anschluss des Transistors 39 und dem Gate-Anschluss des Transistors 40. Der Drain-Anschluss des Transistors 40 ist verbunden mit dem Collector-Anschluss des Transistors 42, welcher wiederum mit dem Basis-Anschluss des Transistors 42 und dem Basis-Anschluss des Transistors 41 verbunden ist. Weiterhin ist der Emitter-Anschluss des Transistors 42 mit dem Widerstand 46 verbunden und der Emitter-Anschluss des Transistors 41 über den Widerstand 43 mit dem Widerstand 46. Die beiden Widerstände 46 und 23 stellen einen Spannungsteiler dar, wobei die am Widerstand 23 abfallende Vergleichsspannung 22 auf den positiven Eingang des Komparators 19 angelegt ist.
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In der Schaltung 21 werden mit ansteigender, auf die Auswerteeinheit 3 und damit auf die in dieser Auswerteeinheit 3 enthaltenen Bauelemente einwirkender Umgebungstemperatur linear ansteigende Ströme durch einen ersten Widerstand 23, einen zweiten Widerstand 43 und einen dritten Widerstand 46 erzeugt. Dadurch wird am ersten Widerstand 23 ein linear mit der Temperatur ansteigender Spannungsabfall 22 erzeugt, der in der vorliegenden Ausführungsform als Vergleichsspannung 22 zum späteren Vergleich durch den Komparator 19 mit der über der Diodenstruktur 2 abfallenden, an den negativen Eingang des Komparators 19 angelegten Spannung 16 herangezogen wird.
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Auf diese Weise führt eine Erhöhung der auf die Auswerteeinheit 3 einwirkenden Umgebungstemperatur durch Erhöhung der Vergleichsspannung 22 zu einer Verringerung der Differenz zwischen der Spannung 16 an der Diodenstruktur 2 und der Vergleichsspannung 22, wodurch der Grenzwert zur Erkennung einer Übertemperatur einer Leistungstransistorstruktur 7 früher erreicht wird. Die zur Erreichung der Übertemperatur notwendige Erwärmung des Halbleiterkörpers 1 und damit der Leistungstransistorstruktur 7 ist für hohe Umgebungstemperaturen geringer. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen wird daher ein größerer Bereich der Erwärmung der Leistungstransistorstruktur 7 zugelassen (Temperaturhub), als dies bei hohen Umgebungstemperaturen der Fall ist.
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Den Schaltungsanordnungen nach 4 und 5 entsprechend werden wiederum die Spannung 16 an der Diodenstruktur 2 und eine Vergleichsspannung 22 durch den Komparator 19 verglichen. Die Vergleichsspannung 22 und der eingeprägte Strom 14 sind so gewählt, dass die bei zulässigen Betriebstemperaturen des Halbleiterkörpers 1 an der Diodenstruktur 2 abfallende Spannung 16 größer ist als die in der Auswerteeinheit 3 fest voreingestellte Vergleichsspannung 22. Unterschreitet die an der Diodenstruktur 2 abfallende Spannung 16 mit zunehmender Temperatur des Halbleiterkörpers 1 den Wert der Vergleichsspannung 22 und ist damit Spannung 16 kleiner als Vergleichsspannung 22, ändert sich der Zustand des Signals 20 am Ausgang des Komparators 19 und zeigt damit das Erreichen einer Übertemperatur der Leistungstransistorstruktur 7 an. Der Grenzwert der zu ermittelnden Übertemperatur wird in diesem Fall, wie oben ausgeführt, nicht fest voreingestellt, sondern ist von der auf die Schaltungsanordnung 21 einwirkenden Umgebungstemperatur abhängig.
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Die Schaltungsanordnung nach 7 enthält wiederum einen Halbleiterkörper 1 und eine externe, thermisch entkoppelte Auswerteeinheit 3. Der Aufbau der Leistungstransistorstruktur 7 und der Diodenstrukturen 2 und 8 ist identisch zu der in den 6 dargestellten. Im Gegensatz zu den vorher beschriebenen Ausführungsformen werden die zur Erkennung einer Übertemperatur herangezogenen Spannungen zum Zweck der Auswertung zunächst in korrespondierende Ströme gewandelt und zwar Spannung 16 in Strom 25 und Vergleichsspannung 28 in Strom 26.
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Dies wird erreicht durch einen Spannungs-Strom-Wandler 24 zur Umwandlung einer an der Diodenstruktur 2 abfallenden Spannung 16 in einen Strom 25 und einen Spannungs-Strom-Wandler 27 zur Umwandlung einer Vergleichsspannung 28 in einen Strom 26. Die Spannungs-Strom-Wandler 24 und 27 sind dabei in 7 zunächst als abstrakte Schaltungsblöcke wiedergegeben. Der durch den Spannungs-Strom-Wandler 24 erzeugte Strom 25 und der durch den Spannungs-Strom-Wandler 27 erzeugte Strom 26 werden an einem Knotenpunkt 29 subtrahiert und ggf. in eine Spannung gewandelt. Der daraus resultierende Strom bzw. die daraus resultierende Spannung wird wiederum unter Anwendung eines Komparators 19 (beispielsweise durch einen Vergleich gegenüber null) ausgewertet.
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Unterschreitet der durch Umwandlung der an der Diodenstruktur 2 gemessenen Spannung 16 erzeugte erste Strom 25 durch Temperaturerhöhung den Wert des durch Umwandlung der Vergleichsspannung 28 erzeugten zweiten Stroms 26, ändert sich der Zustand des Signals am Ausgang 20 des Komparators 19 und zeigt damit das Erreichen einer Übertemperatur der Leistungstransistorstruktur 7 an. Der Grenzwert der zu ermittelnden Übertemperatur kann durch geeignete Wahl der fest voreingestellten Vergleichsspannung 28 frei gewählt werden.
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Eine Weiterbildung der in 7 dargestellten Schaltungsanordnung mit Spannungs-Strom-Wandler 24 und Spannungs-Strom-Wandler 27 ist in 8 dargestellt. Der Spannungs-Strom-Wandler 24 enthält dabei einen Operationsverstärker 30, einen MOS-Feldeffekttransistor 31, einen MOS-Feldeffekttransistor 35 und einen Widerstand 32, an dem eine der an der Diodenstruktur 2 abfallenden Spannung 16 proportionale Spannung 33 abfällt. Beim Spannungs-Strom-Wandler 24 sind die Gate-Anschlüsse der beiden Transistoren 31 und 35 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 30 verbunden, wobei die Source-Anschlüsse der Transistoren 31 und 35 ebenfalls miteinander verbunden und an das positive Versorgungspotential 34 angeschlossen sind. Der Drain-Anschluss des Transistors 31 ist über den Widerstand 32 mit Masse verbunden. Die über dem Widerstand 32 abfallende Spannung 33 ist auf den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 30 rückgekoppelt, an dessen invertierenden Eingang die Spannung über der Diodenstruktur 2 anliegt. Der Operationsverstärker 30 regelt die Spannung 33 über dem Widerstand 32 so aus, dass diese gleich der Spannung über der Diodenstruktur 2 ist. Daher ist der Strom durch die Source-Drain-Strecke des Transistors 31 gleich dem Verhältnis von Spannung 33 zum Wert des Widerstandes 32. Demzufolge ist dann der den Ausgangsstrom bildende Strom durch die Source-Drain-Strecke des Transistors 35 proportional zum Strom durch die Source-Drain-Strecke des Transistors 31 und proportional zur Spannung über der Diodenstruktur 2, wobei der Ausgangsstrom damit bei ansteigender Temperatur des Halbleiterkörpers 1 kleiner wird.
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Der Drain-Anschluss des zweiten Transistors 35 ist verbunden mit einem Knoten 29, so dass in den Knoten 29 der Strom 25 vom als Stromquelle wirkenden Spannungs-Strom-Wandler 24 zufließt, wobei ein Strom 26 über den als Stromsenke wirkenden Spannungs-Strom-Wandler 27 wieder abfließt, so dass die Differenz beider Ströme durch den Komparator 19 ausgewertet werden kann (beispielsweise durch Vergleich mit fester Schwelle oder Null). Der Spannungs-Strom-Wandler 27 geht aus der in 6 erläuterten Schaltung 21 zur Erzeugung einer umgebungstemperaturabhängigen Referenzspannung hervor. Die Schaltung 21 enthält demnach wiederum Transistor 39, Transistor 40, Transistor 41 und Transistor 42, Widerstand 43 sowie Widerstand 45. Zusätzlich sind beim Ausführungsbeispiel nach 9 ein MOS-Feldeffekttransistor 36, ein MOS-Feldeffekttransistor 37 und ein MOS-Feldeffekttransistor 38 vorgesehen.
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Durch die Source-Drain-Strecke des Transistors 38, dessen Source- und Gate-Anschlüsse jeweils mit den Source- und Gate-Anschlüssen des Transistors 40 verbunden sind, fließt nach Art eines Stromspiegels ebenso wie durch die Source-Drain-Strecke des Transistors 40 ein Strom, der proportional ist zum Strom 48 durch die Source-Drain-Strecke des Transistors 39, so dass ein linear mit der Umgebungstemperatur der Auswerteeinheit 3 ansteigender Strom, der definiert ist durch das Verhältnis der an dem Widerstand 43 abfallenden Spannung 44 und aus dem Widerstandswert des Widerstands 43, bereitgestellt wird.
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Der vom Transistor 38 bereitgestellte Strom wird dann mittels eines (weiteren) Stromspiegels bestehend aus den Transistoren 36 und 37 gespiegelt derart, dass der vom Knoten 29 abfließende Strom 26 erzeugt wird. Durch zweifache Spiegelung des Stromes 48 im Spannungs-Strom-Wandler 27 entsteht also der Strom 26, der ebenfalls linear mit der Umgebungstemperatur der Auswerteeinheit 3 ansteigt.
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Von dem linear von der Spannung 16 an der Diodenstruktur 2 abhängenden, mit steigender Temperatur des Halbleiterkörpers 1 kleiner werdenden Strom 25 wird am Knoten 29 der mit der Umgebungstemperatur größer werdende Strom 26 subtrahiert. Der Knoten 29 ist mit dem Komparator 19 verbunden, so dass die durch Subtraktion der Ströme 25 und 26 am Komparator 19 entstehende Differenz ein Maß dafür ist, ob die Betriebstemperatur der im Halbleiterkörper 1 integrierten Leistungstransistorstruktur 7 zulässig ist oder nicht, wobei der diesbezügliche Grenzwert von der Umgebungstemperatur, repräsentiert durch den Strom 26, abhängig ist.
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Unterschreitet der Strom 25 den Strom 26 (zum Beispiel bei Nullpunktsvergleich: Strom 25 – Strom 26 < 0), ändert sich der Zustand des Signals 20 am Ausgang des Komparators 19 und zeigt damit das Erreichen einer Übertemperatur des Leistungstransistors 7 an. Die zur Erreichung der Übertemperatur notwendige Erwärmung der Leistungstransistorstruktur 7 fällt damit geringer aus bei höheren Umgebungstemperaturen von Halbleiterkörper 1 und Auswerteeinheit 3.
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Gleichzeitig wird bei niedrigen Umgebungstemperaturen von Halbleiterkörper 1 und Auswerteeinheit 3 ausführungsgemäß ein größerer Wärmebereich der Leistungstransistorstruktur 7 zugelassen (Temperaturhub), als dies bei höheren Umgebungstemperaturen der Fall ist. Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass sich durch Verwendung gleicher Materialien und ggf. gleiche Dimensionierungen bei den Widerständen 32 und 43 die absoluten Genauigkeitstoleranzen dieser Widerstände die Messgenauigkeit vermindernde Temperaturabhängigkeiten kompensieren und damit die absoluten Genauigkeiten deutlich erhöhen lassen.
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Die Schaltungsanordnung nach 8 enthält zudem eine Überwachungsschaltung 52 mit einer Referenzspannungsquelle zur Erzeugung einer Referenzspannung 50, einem Komparator 51 (ggf. mit Hysterese) und einem MOS-Feldeffekttransistor 49. Dabei ist der nichtinvertierende Eingang des Komparators 51 mit dem Drain-Anschluss 9 der Leistungstransistorstruktur 7 verbunden und am invertierenden Eingang des Komparators 51 liegt eine Referenzspannung 50 an. Der Ausgang des Komparators 51 ist mit dem Gate des Transistors 49 verbunden. Der Drain-Anschluss des Transistors 49 ist mit dem Body-Anschluss 15 des Halbleiterkörpers 1 und der Stromquelle 5 verbunden, während der Source-Anschluss des Transistors 49 mit Masse verschaltet ist.
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Zweck der Überwachungsschaltung 52 ist es, die Höhe der Spannung am Drain-Anschluss 9 der Leistungstransistorstruktur 7 zu überwachen und diese mit einer fest voreingestellten Referenzspannung 50 zu vergleichen. Auf diese Weise wird eine zu hohe Spannung am Drain-Anschluss 9 der Leistungstransistorstruktur 7 erkannt, welche bei gleichzeitig aufgetrenntem Bulk-Source-Kurzschluss und damit verringerter Spannungsfestigkeit der Halbleiterstruktur 1 zu dessen Zerstörung führen kann. Dabei kann die Referenzspannung 50 sehr klein gewählt werden, um nur dann die Temperaturerkennung auszuführen, wenn die Laststrecke, repräsentiert durch den Widerstand 10, über die Leistungstransistorstruktur 7 angeschaltet ist. Die Referenzspannung 50 kann auch höhere Werte annehmen, solange ihr Wert unterhalb der zu einer Zerstörung führenden kritischen maximalen Laststreckenspannung liegt, welche durch die Auftrennung des Source-Bulk-Kurzschlusses verringert ist.
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Überschreitet nun die am Drain-Anschluss 9 anliegende Spannung gegenüber Masse den Wert der Referenzspannung 50, beispielsweise weil die Laststrecke nicht angeschaltet ist, wird das Gate des Transistors 49 über den Ausgang des Komparators 51 angesteuert und die Diodenstruktur 2 über den Transistor 49 kurzgeschlossen, wodurch der zur Übertemperaturerkennung verwendete Strom (weitgehend) nicht durch die Diodenstruktur 2, sondern (weitgehend) durch die Source-Drain-Strecke des Transistors 49 fließt. Der Strom am Drain-Anschluss 9 ist bei ausgeschalteter Laststrecke ohnehin sehr gering. In diesem Fall kann das Signal 20 jedoch nicht als Maß für eine Übertemperaturerkennung herangezogen werden, da dann die an der kurzgeschlossenen Diodenstruktur 2 abfallende Spannung 16 unabhängig von der tatsächlichen Temperatur der Leistungstransistorstruktur 7 immer sehr gering ist und damit der Strom 25 stets kleiner ist als der zum Vergleich und zur Erkennung einer Übertemperatur herangezogene Strom 26. Für den Fall der Wiederherstellung des Source-Bulk-Kurzschlusses bei einer zu hohen Spannung am Drain 9 ist dann keine Überwachung der Temperatur mehr möglich. Dieser Zustand ergibt sich beispielsweise bei sehr hoher Last (Kurzschluss) oder einem normalen Abschaltvorgang. Da die Temperaturüberwachung ohnehin eingesetzt wird, um den Schalter bei überhöhter Temperatur abzuschalten und einen weiteren Leistungseintrag zu vermeiden, hat dieses Verhalten keine nachteilige Wirkung. Die im Normalfall bei der verwendeten Technologie durch den Bulk-Source-Kurzschluss vorliegende Spannungsfestigkeit des Leistungstransistors, die durch die Verwendung der mitintegrierten Diodenstruktur 2 im vorliegenden Fall nicht mehr gegeben ist, wird dabei durch das Kurzschließen der Diodenstruktur 2 über den Transistor 49 bei zu hohen Spannungswerten am Drain wiederhergestellt.
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Bei der Schaltungsanordnung nach 9 ist eine weitere Ausführungsform einer Schaltung zur Übertemperaturerkennung einer Leistungstransistorstruktur 7 mit einer gegenüber 8 erweiterten Überwachungsschaltung 52 und einer weiteren Ausführungsform des Spannungs-Strom-Wandlers 27 vorgesehen.
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Halbleiterkörper 1 und Spannungs-Strom-Wandler 24 entsprechen den in 8 dargestellten.
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Die Überwachungsschaltung 52 enthält einen Inverter 53, ein ODER-Gatter 54 und einen MOS-Feldeffekttransistor 49. An einer Klemme 55 der Auswerteeinheit 3 wird ein logisches Eingangssignal eingespeist, um die Auswerteschaltung 3 von extern aktivieren und deaktivieren zu können. Gegenüber der Ausführungsform gemäß 8 ist der Ausgang des Komparators 51 nicht direkt mit dem Gate-Anschluss des Transistors 49 verbunden, sondern zunächst mit einem ersten Eingang des ODER-Gatters 54. Die Klemme 55 ist verbunden mit dem Eingang des Inverters 53, dessen Ausgang seinerseits verbunden ist mit einem zweiten Eingang des ODER-Gatters 54, wobei der Ausgang des ODER-Gatters 54 gekoppelt ist mit dem Gate-Anschluss des Transistors 49.
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Der logische Pegel H (Leistungstransistorstruktur 7: ”EIN”) an der Klemme 55 der Auswerteeinheit 3 steht dabei für den Fall, bei dem die Temperaturerkennung und die Überwachung der Spannung am Drain-Anschluss 9 aktiviert sein soll, wobei dieser Pegel beispielsweise durch eine über die Leistungstransistorstruktur 7 angeschaltete Last erzeugt werden kann. Der logische Pegel H an der Klemme 55 wird durch den Inverter 53 in den logischen Pegel L gewandelt und an den zweiten Eingang der des ODER-Gatters 54 angelegt. Führt das Ausgangssignal des Komparators 51 den logischen Pegel L, das heißt die Spannung am Drain-Anschluss 9 der Leistungstransistorstruktur 7 liegt unterhalb der fest voreingestellten Referenzspannung 50, wird die Temperaturerkennung wie oben beschrieben ausgeführt.
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Führt das Ausgangssignal des Komparators 51 den logischen Pegel H, das heißt die Spannung am Drain-Anschluss 9 der Leistungstransistorstruktur 7 liegt über der fest voreingestellten Referenzspannung 50 und damit in einem Bereich, der die Zerstörung des Halbleiterkörpers 1 zur Folge haben könnte, wird die Diodenstruktur 2 wiederum über den Transistor 49, angesteuert vom Ausgangssignal dem ODER-Gatter 54, kurzgeschlossen. Ein solcher Fall ist beispielsweise der des Avalanche, bei dem ein bereits aktiver, aus den beiden Diodenstrukturen 2 und 8 gebildeter, bipolarer Transistor die Schwachstelle bildet. Die Temperatur wird daher nur bei durchgeschaltetem Zustand der Leistungstransistorstruktur 7 und/oder bei Unterschreitung der durch die Spannung 50 vorgegebenen maximal zulässigen Laststreckenspannung überwacht.
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Liegt der logische Pegel L (Leistungstransistorstruktur 7: „AUS”) an der Klemme 55 der Auswerteeinheit 3 an, wird die Temperaturerkennung deaktiviert. Dabei wird der logische Pegel L an der Klemme 55 über den Inverter 53 zunächst in den logischen Pegel H gewandelt und an den zweiten Eingang des ODER-Gatters 54 angelegt. Unabhängig vom Wert des am ersten Eingang des ODER-Gatters 54 anliegenden Pegels (vom Ausgang des Komparators 51) wird dadurch am Ausgang des ODER-Gatters 54 in jedem Fall ein Signal mit dem logischen Pegel H erzeugt und die Diodenstruktur 2 wiederum über den Transistor 49 kurzgeschlossen. Wie weiter oben ausgeführt, kann das Signal 20 in allen Fällen, in denen die Diodenstruktur 2 über den Transistor 49 kurzgeschlossen wird, nicht zur Übertemperaturerkennung herangezogen werden.
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Ebenfalls in 9 dargestellt ist eine weitere Ausführungsform des Spannungs-Strom-Wandlers 27 aus 7, der ein Versorgungspotential 47, einen Widerstand 56, einen Widerstand 61, einen Bipolartransistor 57, einen Bipolartransistor 58, einen Bipolartransistor 59 und einen Bipolartransistor 60 aufweist. Dabei ist der Transistor 57 mit seinem Kollektor-Anschluss über den Widerstand 56 mit dem Versorgungspotential 47 verbunden. Der Basis-Anschluss des Transistors 57 ist verbunden mit dem Basis-Anschluss des Transistors 58 und mit dem Kollektor-Anschluss des Transistors 57. Der Kollektor-Anschluss des Transistors 58 ist mit dem Knoten 29 verbunden, an dem der Strom 25 vom Spannungs-Strom-Wandler 24 und der Strom 26 in den Spannungs-Strom-Wandler 27 zum Zweck der Auswertung durch den Komparator 19 und damit zur Erzeugung des Signals 20 voneinander subtrahiert werden. Weiterhin verbunden sind der Emitter-Anschluss des Transistors 57 mit dem Kollektor-Anschluss des Transistors 59, der Emitter-Anschluss des Transistors 58 mit dem Kollektor-Anschluss des Transistors 60, der Emitter-Anschluss des Transistors 57 mit dem Basis-Anschluss des Transistors 60 und der Emitter-Anschluss des Transistors 58 mit dem Basis-Anschluss des Transistors 59. Der Emitter-Anschluss des Transistors 59 ist direkt, der Emitter-Anschluss des Transistors 60 über den Widerstand 61 an Masse gelegt. Wiederum ist der Grenzwert der Übertemperatur von der Umgebungstemperatur an der Auswerteeinheit 3 abhängig. Ebenso werden auch wieder durch geeignete Verwendung von Widerstandsbauteilen gleichen Materials für die Widerstände 32 und 61 in den Spannungs-Strom-Wandlern 24 und 27 die absoluten Genauigkeitstoleranzen dieser Widerstände und damit unterschiedliche, die Messgenauigkeit vermindernde Temperaturabhängigkeiten kompensiert und damit die absolute Genauigkeit der Übertemperaturerkennung deutlich erhöht.
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In den Ausführungsbeispielen nicht gezeigt sind Anlaufschaltungen, die unter Umständen beim Einschalten der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung notwendig sein können, die aber für den prinzipielle Funktion der Schaltungsanordnung keine Bedeutung haben und daher der Übersichtlichkeit halber weggelassen wurden. Der Fachmann kann aber ohne Weiteres bekannte Anlaufschaltungen für den jeweiligen Zweck einsetzen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Halbleiterkörper
- 2
- Diodenstruktur (z. B. Bulk-Source-Diode)
- 3
- Auswerteeinheit
- 4
- Vergleichsschaltung
- 5
- Stromquelle
- 7
- Leistungstransistorstruktur
- 8
- Diodenstruktur (z. B. Bulk-Drain-Diode)
- 9
- Drain-Anschluss
- 10
- Lastwiderstand
- 11
- Versorgungspotential
- 12
- Source-Anschluss
- 13
- Laststrom
- 14
- Referenzstrom
- 15
- Body-Anschluss
- 16
- Spannung
- 17
- Vergleichsspannung
- 18
- Referenzspannungsquelle
- 19
- Komparator
- 20
- Signal
- 21
- Schaltung
- 22
- Vergleichsspannung
- 23
- Widerstand
- 24
- Spannungs-Strom-Wandler
- 25
- Strom
- 26
- Strom
- 27
- Spannungs-Strom-Wandler
- 28
- Vergleichsspannung
- 29
- Knotenpunkt
- 30
- Operationsverstärker
- 31
- MOS-Feldeffekttransistor
- 32
- Widerstand
- 33
- Spannung
- 34
- Versorgungspotential
- 35
- MOS-Feldeffekttransistor
- 36
- MOS-Feldeffekttransistor
- 37
- MOS-Feldeffekttransistor
- 38
- MOS-Feldeffekttransistor
- 39
- MOS-Feldeffekttransistor
- 40
- MOS-Feldeffekttransistor
- 41
- Bipolartransistor
- 42
- Bipolartransistor
- 43
- Widerstand
- 44
- Spannung
- 46
- Widerstand
- 47
- Versorgungspotential
- 48
- Strom
- 49
- MOS-Feldeffekttransistor
- 50
- Referenzspannung
- 51
- Komparator
- 52
- Überwachungsschaltung
- 53
- Inverter
- 54
- ODER-Gatter
- 55
- Klemme
- 56
- Widerstand
- 57
- Bipolartransistor
- 58
- Bipolartransistor
- 59
- Bipolartransistor
- 60
- Bipolartransistor
- 61
- Widerstand
- 62
- Gate-Anschluss
- 63
- ODER-Gatter
- 64
- Referenzspannungsquelle
- 65
- Komparator
- 66
- MOS-Feldeffekttransistor
- 67
- Referenzspannung
- 68
- NOR-Gatter
- 100
- Halbleiterbauelement
- 101
- Temperatursensor
- 102
- Leistungstransistorstrukutr
- 103
- Auswerteeinheit
- 104
- Diodenstruktur
- 105
- Body-Anschluss
- 106
- Referenzstrom
- 107
- Stromquelle
- 108
- Messspannung
- 109
- Vergleichsspannung
- 110
- Übertemperatursignal
- 111
- Komparator
- 112
- Spannungsquelle
