DE102010064258A1

DE102010064258A1 - Halbleiterbauelement mit Überstromschutz

Info

Publication number: DE102010064258A1
Application number: DE102010064258A
Authority: DE
Inventors: Alberto Zanardi; Erich Scheikl; Robert Illing; Herbert Hopfgartner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2009-12-30
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2011-07-07
Anticipated expiration: 2030-12-29
Also published as: US20110157756A1; DE102010064258B4; US8045310B2

Abstract

Es wird ein Halbleiterbauelement mit einer Funktion zur Überstrom-Detektion offenbart. Gemäß einem Beispiel der Erfindung weist das Bauelement auf: Einen Halbleiterchip umfassend einen Laststrompfad, der einen Laststrom als Reaktion auf ein den Laststromfluss aktivierendes Eingangssignal führt. Eine Stromsensoranordnung stellt ein Messsignal bereit, welches den Laststrom repräsentiert. Eine Auswerteschaltung ist dazu ausgebildet, das Messsignal mit einem ersten Schwellwert zu vergleichen und einen Überstrom zu signalisieren wenn das Messsignal den ersten Schwellwert überschreitet nachdem eine Verzögerungszeitspanne beginnend mit der Aktivierung des Laststromflusses abgelaufen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Halbleiterbauelemente und der Verfahren zum Betrieb solcher Bauelemente, insbesondere Leistungshalbleiterbauelemente mit Überstromschutz.
Halbleiterbauelemente, insbesondere Leistungshalbleiterbauelemente wie z. B. Leistungshalbleiterschalter umfassen häufig entweder eine Strombegrenzungsfunktionalität oder einen Überstromschutz (d. h. eine Überstromabschaltung), um eine thermische Zerstörung des Bauelements aufgrund von Überhitzung zu vermeiden. Im ersten Fall wird der Laststrom des Halbleiterbauelementes auf ein vordefiniertes Maximum begrenzt (z. B. 30 Ampere), wenn der Lastwiderstand im Laststrompfad zu klein ist, wohingegen im zweiten Fall das Halbleiterbauelement (z. B. der Leistungsschalter) abgeschaltet wird, wenn ein vordefinierter Laststromschwellwert (z. B. 60 Ampere) überschritten wird.
Die beiden erwähnten Prinzipien (Strombegrenzung oder Überstromabschaltung) bringen bestimmte Auswirkungen mit sich, und folglich hängt es von der jeweiligen Anwendung ab, welches der beiden Prinzipien zum Schutz des Bauelements besser geeignet ist. Wenn z. B. die Last eine Glühlampe ist, welche während einer kurzen Einschaltzeitspanne (”start-up period”) einen hohen Einschaltstrom verursacht, mag eine Strombegrenzung auf einen vordefinierten maximalen Stromwert passend sein. Im Falle eines Kurzschlusses kann dieser vordefinierte maximale Stromwert jedoch zu hoch sein, um eine Überhitzung des Bauelements tatsächlich zu vermeiden. Um dieses Problem zu lösen, umfassen manche Halbleiterbauelemente zusätzlich Temperatursensoren, um im Falle einer Übertemperatur geeignete Gegenmaßnahmen auszulösen. Solche Temperatursensoren bedingen ein komplexeres Design des Bauelements und folglich höhere Kosten. Wenn statt einer Strombegrenzung ein Überstromschutz (d. h. eine Abschaltung in Folge eines Überstroms) verwendet wird, dann müsste der Stromschwellwert derart niedrig sein, um zuverlässig eine Überhitzung des Bauelements zu verhindern, so dass als Folge der hohe Einschaltstrom (z. B. während einer Einschaltzeitperiode einer Glühlampe) ebenfalls die Überstromabschaltung auslösen würde.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Schutzschaltungen unabhängig davon, welches der oben diskutierten Prinzipien zum Schutz der Bauelemente verwendet wird, entweder für einen hohen Einschaltstrom (bei einem Elektromotor als Last spricht man auch von Anlaufstrom) oder für einen niedrigeren ”Nennstrom” ausgelegt werden müssen. Um mit beiden Fällen (Einschaltphase sowie normaler Betrieb) zu recht zu kommen, werden zusätzliche Temperatursensoren benötigt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, ein Halbleiterbauelement mit einem kostengünstigen Schutzmechanismus zu schaffen, welcher einen ausreichenden Schutz gegen Überhitzung und thermische Zerstörung sowohl währen einer Einschaltzeitspanne des Bauelements als auch während des normalen Betriebs desselben gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch das Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1 sowie das Verfahren zum Betrieb des Halbleiterbauelements gemäß Anspruch 11 gelöst. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Es wird ein Halbleiterbauelement mit einer Funktion zur Überstrom-Detektion offenbart. Gemäß einem Beispiel der Erfindung weist das Bauelement auf: Einen Halbleiterchip umfassend einen Laststrompfad, der einen Laststrom als Reaktion auf ein den Laststromfluss aktivierendes Eingangssignal führt. Eine Stromsensoranordnung stellt ein Messsignal bereit, welches den Laststrom repräsentiert. Eine Auswerteschaltung ist dazu ausgebildet, das Messsignal mit einem ersten Schwellwert zu vergleichen und einen Überstrom zu signalisieren wenn das Messsignal den ersten Schwellwert überschreitet, nachdem eine Verzögerungszeitspanne beginnend mit der Aktivierung des Laststromflusses abgelaufen ist.
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelements zur Gewährleistung einer Überstrom-Erkennung offenbart. Gemäß einem Beispiel der Erfindung umfasst das Verfahren das Aktivieren des Laststromflusses als Antwort auf ein Eingangssignal. Der Laststrom wird gemessen, um ein Messsignal bereitzustellen, welches den Laststrom repräsentiert. Das Messsignal wird mit einem ersten Schwellwert verglichen. Ein Überstrom wird signalisiert, wenn das Messsignal einen ersten Schwellwert überschreitet, nachdem eine Verzögerungszeitperiode beginnend mit der Aktivierung des Laststromflusses abgelaufen ist.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die folgenden Abbildungen näher erläutert. Die in den Abbildungen dargestellten Komponenten sind nicht notwendigerweise als Einschränkung zu verstehen, vielmehr wird Wert darauf gelegt, das Prinzip der Erfindung zu illustrieren. In den Abbildungen zeigt:
1 ein Beispiel der vorliegenden Erfindung anhand eines Schaltplans eines intelligenten Leistungsschalters umfassend einen neuartigen Schutz gegen Überstrom und thermische Zerstörung;
2 eine mögliche Implementierung des Beispiels aus 1 im Detail;
3 das Einschaltverhalten einer temperaturabhängigen Last wie z. B. einer Glühlampe anhand von Zeitdiagrammen; und
4 bis 6 zeigen anhand von Zeitdiagrammen das Betriebsverhalten der beispielhaften Schaltungen aus 1 und 2.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten oder Signale mit gleicher oder ähnlicher Bedeutung.
Ein Beispiel der vorliegenden Erfindung ist in 1 dargestellt. Gemäß 1 umfasst ein Halbleiterbauelement einen Halbleiterchip mit einem Laststrompfad (z. B. Strompfad zwischen den Schaltungsknoten D und S), welcher einen Laststrom i_D als Reaktion auf ein den Laststromfluss aktivierendes Eingangssignal S_IN leitet. Der Laststrompfad kann z. B. der Drain-Source-Pfad eines MOS-Transistors T₁ (wie im Fall des Beispiels aus 1) sein. Der Laststrompfad kann jedoch auch durch den Kollektor-Emitter-Pfad eines Bipolartransistors, durch den Anoden-Kathoden-Pfad eines Thyristors oder durch irgendeinen anderen Strompfad gebildet werden, der einen Laststrom führen kann, welcher, wenn er zu hoch wird, das Halbleiterbauelement thermisch zerstören könnte.
Das in 1 dargestellte Halbleiterbauelement umfasst des Weiteren eine Stromsensoranordnung 10, welche ein Messsignal S_iD zur Verfügung stellt, das wiederum den Laststrom i_D repräsentiert. Des Weiteren ist eine Auswerteschaltung 20 dazu ausgebildet, eine Überstrom- und somit eine Kurzschluss-Detektion zu gewährleisten. Entsprechend ist die Auswerteschaltung 20 dazu ausgebildet, das Messsignal S_iD mit einem Schwellenwert i_SWITCH-OFF zu vergleichen und einen Überstrom (bzw. einen Kurzschluss) durch das Bereitstellen eines entsprechenden Fehlersignals S_ERR zu signalisieren im Falle, dass das Messsignal S_iD den Schwellenwert i_SWITCH-OFF nach Ablauf einer Verzögerungszeitspanne T_D überschreitet (oder immer noch überschreitet), wobei die Verzögerungszeitspanne T_D mit der Aktivierung des Laststromflusses beginnt. Während der Verzögerungszeitspanne T_D wird ein Überstrom nicht signalisiert, auch wenn das Messsignal S_iD oberhalb des Schwellenwertes liegt, um hohe, transiente Einschaltströme nach der Aktivierung des Laststromflusses zuzulassen. Es sei angemerkt, dass die oben beschriebene Funktion der Auswerteschaltung auf unterschiedliche Weise implementiert werden kann, wobei eine beispielhafte Implementierung weiter unten im Bezug auf 3 diskutiert wird.
Gemäß einem Beispiel der Erfindung kann die Auswerteschaltung 20 dazu ausgebildet sein, eine Überstrom-Abschaltung des Laststromflusses auszulösen (z. B. durch das Fehlersignal S_ERR) für den Fall, dass das Messsignal S_iD den Schwellenwert i_SWITCH-OFF nach Ablauf der Verzögerungszeitspanne T_D überschreitet. In dem Beispiel aus 1 kann diese Überstrom-Abschaltung dadurch realisiert werden, dass eine Gate-Spannung V_G, welche die Leitfähigkeit des Laststrompfades des Halbleiterschalters T₁ steuert, auf einen Wert gesetzt wird, der geeignet ist, den Stromfluss durch den Halbleiterschalter T₁ zu blockieren.
Das in 1 dargestellte Halbleiterbauelement kann des Weiteren eine Steuerschaltung 30 umfassen, die dazu ausgebildet ist, die Leitfähigkeit des Laststrompfades des Halbleiterschalters T₁ dadurch zu steuern, dass z. B. eine geeignete Gatespannung V_G dem Halbleiterschalter T₁ zugeführt wird. Entsprechend wird der Laststromfluss aktiviert und deaktiviert nach Maßgabe des Eingangssignals S_IN. Des Weiteren kann die Steuerschaltung 30 dazu ausgebildet sein, den Laststrom i_D auf einen maximalen Strom i_LIMIT zu begrenzen. Dabei kann der Schwellenwert i_SWITCH-OFF kleiner sein als der maximale Strom i_LIMIT. Auf diese Weise wird während der Verzögerungszeitspanne T_D, welche (unmittelbar) auf die Aktivierung des Laststromes i_D folgt, der Laststrom auf einen hohen maximalen Stromwert (z. B. auf i_LIMIT = 60 A) begrenzt, wohingegen, nachdem die Verzögerungszeitspanne T_D abgelaufen ist, die Überstrom-Erkennungs- oder -Schutzfunktion, welche durch die Auswerteschaltung 20 bereitgestellt wird, aktiviert wird, wobei der Überstrom-Schwellwert i_SWITCH-OFF kleiner ist (z. B. i_SWITCH-OFF = 30 A) als der Maximalstrom i_LIMIT. Dies bedeutet, dass die Strombegrenzungsfähigkeit der Steuerschaltung 30 nicht (mehr) verwendet wird, nachdem die Verzögerungszeitspanne T_D abgelaufen ist (selbstverständlich vorausgesetzt, die Auswerteschaltung wurde in der Zwischenzeit nicht zurückgesetzt).
Um die Überstrom-Abschaltung zu gewährleisten, kann die Steuerschaltung 30 gemäß einem Beispiel der Erfindung dazu ausgebildet sein, das Eingangssignal S_IN als Reaktion auf ein Überstromsignal (z. B. Fehlersignal S_ERR) auszutasten, wobei das Überstromsignal durch die Auswerteschaltung 20 erzeugt wird, um den Laststromfluss zu deaktivieren. Diese Austast-Funktion kann z. B. mit Hilfe einer Gatter-Schaltung implementiert werden, wie im Folgenden unter Bezugnahme auf 2 diskutiert wird. Im Allgemeinen kann, abgesehen von der Austast-Funktion, jede gängige Gate-Treiberschaltung in der Steuerschaltung 30 zum Zwecke des Ansteuerns des Halbleiterschalters verwendet werden.
Eine Überstrom-Abschaltung ist typischerweise das Resultat eines Kurzschlusses des Laststrompfades des Halbleiterbauelements (z. B. des Halbleiterschalters T₁ im Beispiel aus 1). Um eine ”automatische” Reaktivierung des Laststromflusses nach einer Überstrom-Abschaltung zu verhindern, kann die Auswerteschaltung dazu ausgebildet sein, das Überstrom-Signal S_ERR aktiv (d. h. einen Überstrom anzeigend) zu halten, bis ein Reset-Signal S_RES signalisiert, das Überstrom-Signal zurückzusetzen. Das Reset-Signal S_RES kann beispielsweise durch eine externe Steuerschaltung bereitgestellt werden. Alternativ kann das Eingangssignal als Reset-Signal verwendet werden, sodass die Auswerteschaltung 20 bei jeder Aktivierung des Laststromflusses zurückgesetzt wird.
Es bestehen mehrere Optionen, auf eine Überstrom-Abschaltung zu reagieren. Erstens kann die Schaltung (z. B. die externe Steuerschaltung), welche das Reset-Signal bereitstellt, dazu ausgebildet sein, eine definierte Zeitspanne zu warten, bevor ein Reset-Signal zur Reaktivierung des Halbleiterbauelementes erzeugt wird. Zweitens kann die Schaltung, welche das Reset-Signal bereitstellt, dazu ausgebildet sein zu warten, bis eine gemessene Temperatur des Transistors (siehe DMOS T₁ in 1) um einen vorgegebenen Wert (z. B. 60 K) sinkt oder unter einen vorgegebenen Schwellenwert (z. B. 105°C) fällt, bevor ein Reset-Signal zur Reaktivierung des Halbleiterbauelements erzeugt wird. Des Weiteren kann das Reset-Signal durch andere Ereignisse getriggert werden so wie z. B. die Abschaltung aller Transistoren im Falle einer mehrkanaligen Anordnung, in der mehrere Leistungstransistoren parallel betrieben und angesteuert werden. Schließlich kann das Reset-Signal durch eine externe Steuerschaltung bereitgestellt werden, wie bereits oben erwähnt. Das Reset-Signal kann auf unterschiedliche Arten bereitgestellt werden wie z. B. durch einen Steuerbefehl, der über eine digitale (Bus-)Schnittstelle (z. B. SPI, LIN, CAN, μC-Bus, etc.) übertragen wird.
2 zeigt ein Beispiel einer Implementierung der Grundschaltung aus 1. Wie das Beispiel aus 1 umfasst das Halbleiterbauelement einen MOS-Transistor T₁ als Leistungshalbleiterschalter. Der Transistor T₁ schaltet einen Laststrom i_D ein und aus nach Maßgabe eines Steuersignals V_G, welches im vorliegenden Beispiel die Gatespannung ist. Der Transistor T₁ umfasst einen Drain-Source-Strompfad (d. h. den Laststrompfad D–S), welcher den Laststrom i_D führt, während der Transistor T₁ eingeschaltet ist. Der Drain-Source-Strompfad des Transistors T₁ ist zwischen einen Versorgungsspannungsknoten, welcher eine Versorgungsspannung V_DD bereitstellt, und einem Ausgangsspannungsknoten, welcher eine damit verbundene Last (z. B. eine Glühlampe oder einen Gleichstrommotor) mit dem Laststrom i_D versorgt, während der Transistor T₁ eingeschaltet ist, geschaltet. Die Spannung am Ausgangsschaltungsknoten in Bezug auf ein Referenzpotential (z. B. Massepotential GND, nicht dargestellt) wird mit V_OUT bezeichnet.
Des Weiteren ist eine Strommessanordnung 10 mit dem Laststrompfad gekoppelt, um ein Messsignal S_iD bereitzustellen, welches den Laststrom i_D repräsentiert. Es bestehen viele Möglichkeiten, den Laststrom i_D zu messen, wie z. B. die Verwendung eines Shunt-Widerstands (Strommesswiderstandes) oder alternativ die Verwendung eines sogenannten Sense-Transistors wie er z. B. in der Druckschrift US 4,553,084 beschrieben ist.
Das Strommesssignal S_iD wird einer Gateschaltung 31 (Gatetreiber), die in der Steuerschaltung 30 enthalten ist, sowie der Auswerteschaltung 20 zugeführt. Die Gateschaltung 31 erzeugt das Steuersignal V_G (d. h. die Gatespannung) zum Ein- bzw. Ausschalten des Transistors T₁ nach Maßgabe eines Eingangssignals S_IN. Um den Gatestrom i_D auf einen maximalen Stromwert i_LIMIT (siehe auch 3 und 4) zu begrenzen, empfängt der Gatetreiber 31 das Messsignal S_iD an einem zusätzlichen Eingang. Das Eingangssignal S_IN wird jedoch dem Gatetreiber 31 über das UND-Gatter 32 zugeführt, um ein Austasten (auch als ”Blanking” bezeichnet) des Eingangssignals S_IN zu ermöglichen für den Fall, dass die Auswerteschaltung 20 einen Kurzschluss signalisiert. Daher wird das Fehlersignal S_ERR welches von der Auswerteschaltung 20 erzeugt wird, dem UND-Gatter 32 als Eingangssignal zugeführt. Das Ausgangssignal S_IN' des UND-Gatters 32 folgt der Bool'schen Gleichung S_IN' = S_IN UND S_ERR, wobei S_ERR einen logischen Wert von ”0” annimmt, wenn ein Kurzschluss oder ein Überstrom detektiert wurde, und einen logischen Wert von ”1” annimmt, wenn der Laststrom den ”erlaubten” Bereich, welcher durch den Schwellwert i_SWITCH-OFF während des normalen Betriebs des Halbleiterbauelements (d. h. nach dem Abklingen der transienten Eingangsströme) definiert ist, nicht verlassen hat. Daher gilt während des normalen Betriebs S_IN' = S_IN solange der Laststrom 1D unterhalb des Schwellenwertes i_SWITCH-OFF liegt und das UND-Gatter 32 daher ”transparent” (weil S_ERR = 1) ist.
Die Kurzschluss- und Überstromdetektionsfunktion kann durch eine Auswerteschaltung 20 gemäß dem vorliegenden Beispiel implementiert werden. Diese empfängt das Strommesssignal S_iD und – wie zuvor erwähnt – signalisiert einen Fehler dadurch, dass das Fehlersignal S_ERR auf einen geeigneten Logik-Pegel (im beschriebenen Beispiel S_ERR = 0) gesetzt wird. Für diesen Zweck kann die Auswerteschaltung 20 einen Komparator beinhalten (mit oder ohne Hysterese), welcher das Messsignal S_iD empfängt und einen Logikpegel „1” an seinem Ausgang bereitstellt (d. h. einen High-Pegel im vorliegenden Beispiel) im Falle dass der Drain-Strom i_D den Schwellenwert i_SWITCH-OFF übersteigt. Um jedoch eine Überstrom-Abschaltung während der Einschaltphase T_D, während der hohe Eingangsströme auftreten, zu vermeiden, wird das Ausgangssignal des Komparators 22 durch das UND-Gatter 24 ausgetastet, welches zwischen den Ausgang des Komparators 22 und einem Set-Eingang eines RS-Flip-Flops 21 geschaltet ist. Solange das UND-Gatter 24 das Komparatorausgangssignal nicht austastet, setzt der Komparator 22 das Flip-Flop 21, wenn der Laststrom i_D den Schwellwert i_SWITCH-OFF übersteigt. Der invertierte Ausgang (NOT Q) des Flip-Flops 21 stellt im vorliegenden Beispiel das Fehlersignal S_ERR bereit (d. h. S_ERR = 0, sobald i_D den Schwellenwert i_SWITCH-OFF nach dem Zurücksetzen des Flip-Flops einmal überschritten hat.
Das Austasten des Ausgangs des Komparators 22 ist in dem vorliegenden Beispiel dadurch realisiert, dass eine monostabile Triggerschaltung 23 (auch als ”one shot” oder Monoflop bezeichnet) dazu verwendet wird, einen einzelnen Puls von definierter Länge bereitzustellen, nachdem die Schaltung getriggert wurde. Die Pulslänge entspricht der oben erwähnten Verzögerungszeitspanne T_D während der die Überstromerkennung durch das Austasten des Komparatorausgangssignals ”deaktiviert” ist. Die monostabile Triggerschaltung wird im Wesentlichen zur selben Zeit getriggert, zu der der Transistor T₁ eingeschaltet wird (bei dieser Betrachtung werden Verzögerungszeiten, d. h. ”propagation delays”, welche in Logikschaltungen immer auftreten, vernachlässigt). Der Ausgangspuls der monostabilen Triggerschaltung 23 wird einem invertierenden Eingang des UND-Gatters 24 zugeführt, um die oben beschriebene Funktion des Austastens des Komparatorausgangssignals zu gewährleisten.
Im Ergebnis wird das Flip-Flop 21 gesetzt, wenn der Laststrom den Schwellenwert i_SWITCH-OFF überschreitet, nachdem die Verzögerungszeitspanne T_D abgelaufen ist, wobei die Verzögerungszeitspanne T_D mit der Aktivierung (d. h. dem Einschalten) des Transistors T₁ beginnt. Die Verzögerungszeitspanne T_D kann, abhängig von der tatsächlichen Anwendung, von wenigen Millisekunden bis hin zu mehreren Sekunden (z. B. 300 ms bis 5000 ms) variieren.
Das Überstromsignal S_ERR bleibt gesetzt (im vorliegenden Beispiel auf den Wert S_ERR = 0) und signalisiert auf diese Weise solange einen Überstrom, bis das Flip-Flop 21 zurückgesetzt wird. Im Beispiel der 2 wird das Flip-Flop durch einen geeigneten Logikpegel eines Reset-Signals S_RES zurückgesetzt, welches z. B. durch eine externe Steuerung (nicht dargestellt) bereitgestellt werden kann, wobei die externe Steuerung das Signal S_RES – sozusagen als Reset-Befehl – für eine kurze definierte Zeitspanne auf den logischen Wert ”1” setzt. Jedoch kann auch das Eingangssignal S_IN dazu verwendet werden, ein geeignetes Reset-Signal abzuleiten. Im vorliegenden Beispiel könnte eine invertierte Version des Eingangssignals S_IN zum Zurücksetzen des Flip-Flops 21 verwendet werden, um das Flip-Flop 21 dann zurückzusetzen, wenn der Transistor T₁ ausgeschaltet wird. In diesem Fall würde die Auswerteschaltung 20 und somit die Überstrom-Detektion am Ende jedes Schaltzyklusses des Transistors T₁ zurückgesetzt.
Die 3 bis 6 illustrieren die Funktion der oben beschriebenen Beispiele der vorliegenden Erfindung unter Zuhilfenahme von Zeitdiagrammen, welche den Zeitverlauf des Laststroms über der Zeit im Falle einer Glühlampe (oder einer Menge von parallel geschalteten Lampen) als Last zeigt, welche durch den Halbleiterschalter T₁ ein- und ausgeschalten wird. In allen in der Folge diskutierten Beispielen ist der Nennstrom i_NOM durch die Last 20 A (entspricht einer elektrischen Leistung von 240 W an 12 V), wobei während der Zeitspanne von hohen Einschaltströmen nach dem Einschalten des Transistors T₁ die Stromspitze i_MAX 70 A beträgt für den Fall, dass keine Strombegrenzung angewendet wird. Wenn z. B. ein Gate-Treiber gemäß dem Beispiel aus 2 verwendet wird, wird der Laststrom auf einen Maximalwert i_LIMIT von 60 A begrenzt, wohingegen nach dem Verstreichen der Verzögerungszeitspanne T_D der Schwellenwert i_SWITCH-OFF für eine Überstromabschaltung 35 A beträgt. Man sollte beachten, dass die oben genannten Stromwerte als Beispiele anzusehen sind, welche beliebig gewählt wurden und die in unterschiedlichen Anwendungen stark variieren können.
3 zeigt den Verlauf der Gatespannung V_G (3a), die dem Transistor T₁ zugeführt wird, und den zugehörigen Drainstrom i_D (3b) ohne Anwendung einer Strombegrenzung. Angenommen die Gatespannung steigt von Null auf einen Pegel, der groß genug ist, um den Transistor zu einem Zeitpunkt t = 0 einzuschalten, dann beginnt der Laststrom i_D ebenfalls sofort nach dem Einschalten des Transistors zu steigen bis hin zu seinem Spitzenwert i_D = i_MAX. Da die hohen Eingangsströme abklingen (z. B. aufgrund eines durch die steigende Temperatur in der Glühlampe steigenden Lastwiderstandes), fällt der Laststrom i_D allmählich auf den Nennwert i_D = i_NOM bevor die Zeitspanne T_D abgelaufen ist. Da der Laststrom i_D nach der Zeit t = T_D unterhalb des Schwellenwerts i_SWITCH-OFF bleibt, wird kein Überstrom signalisiert.
4 zeigt die gleiche Situation wie in 3b dargestellt ist, jedoch mit einer zusätzlichen Strombegrenzung auf den maximalen Stromwert i_LIMIT, welcher unterhalb des Spitzenstromes i_MAX aus 3b liegt. Die Stromspitze wird auf einen Wert von i_LIMIT begrenzt und es dauert etwas länger, bis der Laststrom auf den Nennwert i_NOM gefallen ist. Der Laststrom i_D fällt jedoch unter den Schwellenwert i_SWITCH-OFF bevor die Verzögerungszeitspanne T_D abgelaufen ist und folglich wird in dem vorliegenden Beispiel ebenfalls kein Überstrom signalisiert.
Die 5 zeigt die gleiche Situation wie in 4 jedoch mit einem Kurzschluss in der Last, welcher während des normalen Betriebs (nach t = T_D) auftritt. Als Folge des Kurzschlusses steigt der Laststrom i_D schlagartig über den Schwellwert i_SWITCH-OFF und triggert folglich die Überstromabschaltung wie unter Bezugnahme auf die 1 und 2 erläutert wurde.
6 zeigt eine ähnliche Situation wie in 5. In diesem Beispiel tritt der Kurzschluss jedoch vor dem Einschalten des Transistors T₁ (d. h. zu einer Zeit t < 0) auf. Als Folge des Kurzschlusses steigt der Laststrom i_D nach dem Einschalten des Transistors T₁ rasch an und der Strom wird durch die Strombegrenzung auf einen Wert i_LIMIT begrenzt. Der Laststrom i_D bleibt auf seinem Maximalwert i_LIMIT, und nachdem die Verzögerungszeitspanne T_D abgelaufen ist, wird die Überstromabschaltung sofort ausgelöst, da der Maximalwert i_LIMIT der Strombegrenzungsfunktion oberhalb des Schwellwertes i_SWITCH-OFF der Überstrom-Detektion liegt.
Obwohl die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile detailliert beschrieben wurden, bleibt festzuhalten, dass verschiedenste Veränderungen, Ersetzungen und Modifikationen möglich sind, ohne vom Erfindungsgedanken und dem Schutzbereich der Patentansprüche abzuweichen. Für einen Fachmann ist es selbstverständlich klar, dass z. B. Spannungen oder deren Polaritäten sowie Logikpegel verändert bzw. invertiert werden können, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4553084 [0023]

Claims

Ein Halbleiterbauelement, das aufweist: einen Halbleiterchip umfassend einen Laststrompfad (D–S), welcher einem Laststrom (i_D) als Reaktion auf ein den Laststromfluss aktivierendes Eingangssignal (S_IN) führt; eine Stromsensoranordnung (10), welche ein Messsignal (S_iD) bereitstellt, das den Laststrom (i_D) repräsentiert; und eine Auswerteschaltung (20), die dazu ausgebildet ist, das Messsignal (S_iD) mit einem ersten Schwellenwert (i_SWITCH-OFF) zu vergleichen und einen Überstrom zu signalisieren, wenn das Messsignal (S_iD) den ersten Schwellenwert (i_SWITCH-OFF) überschreitet, nachdem eine Verzögerungszeitspanne (T_D) abgelaufen ist, die mit der Aktivierung des Laststromflusses beginnt.
Das Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1, wobei die Auswerteschaltung (20) dazu ausgebildet ist, eine Überstromabschaltung des Laststromflusses auszulösen, wenn das Messsignal (S_iD) den ersten Schwellenwert (i_SWITCH-OFF) nach Ablauf der Verzögerungszeitspanne (T_D) überschreitet.
Das Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1 oder 2 das weiter eine Steuerschaltung (30) aufweist, die dazu ausgebildet ist, den Laststromfluss nach Maßgabe des Eingangssignals (S_IN) zu aktivieren und zu deaktivieren und den Laststrom (i_D) auf einen maximalen Stromwert (i_LIMIT) zu begrenzen.
Das Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 3, wobei der erste Schwellenwert (i_SWITCH-OFF) kleiner ist als der maximale Stromwert (i_LIMIT).
Das Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei die Steuerschaltung (30) dazu ausgebildet ist, das Eingangssignal (S_IN) als Reaktion auf ein Überstromsignal (S_ERR), welches durch die Auswerteschaltung (20) erzeugt wird, um den Laststromfluss zu deaktivieren, auszutasten.
Das Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Auswerteschaltung (20) dazu ausgebildet ist, das Überstromsignal (S_ERR) aufrechtzuerhalten, bis ein Reset-Signal (S_RES) das Zurücksetzen des Überstromsignals (S_ERR) signalisiert.
Das Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 6, wobei das Reset-Signal (S_RES) durch eine externe Steuerung erzeugt wird.
Das Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei ein von dem Eingangssignal (S_IN), welches den Laststromfluss aktiviert, abhängiges Signal als Reset-Signal (S_RES) verwendet wird.
Das Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1, wobei die Auswerteschaltung (20) ein Flip-Flop (21) umfasst, das dazu ausgebildet ist, das Auftreten einer Überschreitung des ersten Schwellenwertes (i_SWITCH-OFF) durch das Messsignal (S_iD) zu speichern und einen Überstrom zu signalisieren, bis dass das Flip-Flop (21) als Reaktion auf ein entsprechendes Reset-Signal (S_RES) zurückgesetzt wird.
Das Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, das weiter einen Leistungshalbleiterschalter (T₁) aufweist, der den Laststrom (i_D) führt.
Ein Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelements, welches einen Halbleiterchip aufweist, welcher einen Laststrompfad zum Führen eines Laststroms (i_D) umfasst; das Verfahren weist auf: Aktivieren des Laststromflusses als Reaktion auf ein Eingangssignal (S_IN); Messen des Laststromes (i_D), um ein entsprechendes den Laststrom (i_D) repräsentierendes Messsignal (S_iD) bereitzustellen; Vergleichen des Messsignals (S_iD) mit einem ersten Schwellenwert (i_SWITCH-OFF); und Signalisieren eines Überstroms, wenn das Messsignal (S_iD) den ersten Schwellenwert (i_SWITCH-OFF) nach Ablauf einer Verzögerungszeitspanne (T_D), welche mit der Aktivierung des Laststromflusses beginnt, überschreitet.
Das Verfahren gemäß Anspruch 11, das weiter aufweist: Auslösen einer Überstromabschaltung des Laststromflusses, wenn das Messsignal (S_iD) den ersten Schwellenwert (i_SWITCH-OFF) nach Ablauf der Verzögerungszeitspanne (T_B) überschreitet.
Das Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, das weiter aufweist: Limitieren des Laststroms (i_D) auf einen maximalen Stromwert (i_LIMIT), wobei der erste Schwellenwert (i_SWITCH-OFF) kleiner ist als der maximale Stromwert (i_LIMIT).
Das Verfahren gemäß Anspruch 13, das weiter aufweist: Austasten des Eingangssignals (S_IN) als Reaktion auf ein Überstromsignal (S_ERR) und, als Folge dessen, Deaktivieren des Laststromflusses.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, das weiter aufweist: Empfangen eines Reset-Signals (S_RES); und Aufrechterhalten des Überstromsignals bis ein Reset-Befehl (S_RES = 1) in dem Reset-Signal (S_RES) identifiziert wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei das Eingangssignal (S_IN), welches den Laststromfluss aktiviert, oder eine invertierte Version desselben als Reset-Signal (S_RES) verwendet wird.