DE10250154B4 - Switch unit for a switching power supply - Google Patents

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Abstract

Schaltereinheit für ein Schaltnetzteil, mit:
– einem Primärstrom-/-spannungseingangsbereich (PE), welcher zum Empfang eines Primärstroms und/oder einer Primärspannung ausgebildet ist,
– einem Primärstrom-/-spannungsausgangsbereich (PA), welcher zur Ausgabe des Primärstroms und/oder der Primärspannung ausgebildet ist, und
– einem ersten oder Hauptschalter (SW1) und einem zweiten, Teillast- oder Bereitschaftsschalter (SW2), welche zueinander parallel geschaltet und zur gesteuerten oder steuerbaren getakteten Übertragung des Primärstroms und/oder der Primärspannung vom Primärstrom-/-spannungseingangsbereich (PE) zum Primärstrom-/-spannungsausgangsbereich (PA) ausgebildet sind,
– wobei der erste oder Hauptschalter (SW1) als IGBT ausgebildet ist,
– wobei der zweite, Teillast- oder Bereitschaftsschalter (SW2) als MOSFET ausgebildet ist,
– wobei der erste oder Hauptschalter (SW1) und der zweite, Teillast- oder Bereitschaftsschalter (SW2) in einem gemeinsamen Modul monolithisch integriert ausgebildet sind,
– wobei der erste oder Hauptschalter (SW1) und der zweite, Teillast- oder Bereitschaftsschalter (SW2) als Feldstoppbauteil ausgebildet sind,
– wobei der erste oder Hauptschalter (SW1) und...Switch unit for a switching power supply, with:
A primary current / voltage input region (PE), which is designed to receive a primary current and / or a primary voltage,
A primary current / voltage output region (PA), which is designed to output the primary current and / or the primary voltage, and
A first or main switch (SW1) and a second, part-load or standby switch (SW2) which are connected in parallel to one another and for controlled or controllable clocked transmission of the primary current and / or the primary voltage from the primary current / voltage input region (PE) to the primary current / voltage output range (PA) are formed,
Wherein the first or main switch (SW1) is designed as an IGBT,
Wherein the second, part-load or standby switch (SW2) is designed as a MOSFET,
- Wherein the first or main switch (SW1) and the second, partial load or ready switch (SW2) are monolithically integrated in a common module,
- Wherein the first or main switch (SW1) and the second, partial load or ready switch (SW2) are designed as field stop component,
- where the first or main switch (SW1) and ...

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltereinheit für ein Schaltnetzteil.The The invention relates to a switch unit for a switched-mode power supply.

Bei vielen elektronischen Geräten ist neben einer Hauptstromversorgung eine Hilfsstromversorgung oder eine Hilfsstromversorgungseinrichtung notwendig „ um bei bestimmten Betriebsarten der elektronischen Geräten, bei welchen die Hauptstromversorgung, zum Beispiel aus Stromsparerfordernissen, abgeschaltet wird, um in Betrieb verbleibende Komponenten mit elektrischer Energie zu versorgen.at many electronic devices is in addition to a main power supply an auxiliary power supply or an auxiliary power supply necessary "to certain modes the electronic devices, where the main power supply, for example due to power saving requirements, is switched off to remain in operation with electrical components Provide energy.

Häufig werden derartige Hauptstromversorgungen und Hilfsstromversorgungen in einer gemeinsamen Stromversorgungseinrichtung realisiert, welche als Schaltnetzteile ausgebildet sind. Dabei muss ein derartiges Schaltnetzteil sowohl einen normalen Betriebsmodus zur Versorgung sämtlicher Komponenten als auch einen Teilleistungsmodus, insbesondere einen Bereitschaftsmodus oder Stand-By-Modus zur Versorgung ausschließlich bestimmter Anteile einer zu versorgenden Einheit realisieren.Become frequent Such main power supplies and auxiliary power supplies in one realized common power supply device, which as switching power supplies are formed. In this case, such a switching power supply both a normal operating mode to supply all components as well a partial power mode, in particular a standby mode or stand-by mode for supplying only certain portions of a to realize the unit to be supplied.

Schaltnetzteile weisen eine Schaltereinheit auf, welche getaktet angesteuert wird, um einen Transformationsvorgang zu realisieren. Die Schaltereinheit muss also in der Lage sein, sämtliche Leistungsanforderungen sowohl des Teilleistungsmodus, insbesondere des Bereitschaftsmodus oder Stand-By-Modus als auch des eigentlichen normalen Betriebsmodus zu erfüllen. Dies führt aber in nachteilhafter Weise dazu, dass aufgrund dieser Randbedingungen und Stabilitätsanforderungen im Teilleistungsmodus, insbesondere im Bereitschaftsmodus oder Stand-By-Modus bekannte Schaltereinheiten bisher eine im Vergleich zur aufzubringenden Schaltleistung hohe Verlustleistung besitzen.Switching Power Supplies have a switch unit which is actuated in a clocked manner, to realize a transformation process. The switch unit So must be able to do all Performance requirements of both the partial power mode, in particular standby mode or stand-by mode as well as the actual one normal operating mode. this leads to but disadvantageously, that due to these constraints and stability requirements in partial power mode, especially in standby mode or stand-by mode Known switch units so far compared to the applied switching capacity have high power dissipation.

Die Druckschrift JP 5-90 933 A betrifft eine Schalteranordnung mit einer Parallelschaltung eines IGBT mit einem MOSFET, wobei die Problematik, Schaltverluste zu vermeiden oder zu reduzieren, angesprochen und dadurch gelöst wird, dass die Sättigungsspannung eines Teillastschalters im Sinne eines MOSFET niedriger ausgebildet ist, als die eines als Hauptlastschalter dienenden IGBT, und zwar für den Fall geringer Ströme. Für den Fall, dass hohe Ströme bereitgestellt werden müssen, werden diese vom IGBT geliefert, und zwar mit einer Sättigungsspannung, die geringer ist als die des MOSFET.The JP 5-90 933 A relates to a switch assembly having a Parallel connection of an IGBT with a MOSFET, whereby the problem, To avoid or reduce switching losses, addressed and solved by it will that saturation voltage a partial load switch in the sense of a MOSFET designed lower than that of an IGBT serving as a main load switch, namely for the Case of low currents. For the Case, that high currents need to be provided are supplied by the IGBT, with a saturation voltage, which is lower than that of the MOSFET.

Die Druckschrift DE 101 14 788 C1 betrifft ein Halbleiterbauelement in Form eines MOS-Schalters, bei welchem ein vertikal ausgebildeter IGBT mit einem lateral ausgebildeten MOSFET mit ladungskompensierter Driftzone integriert ist. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass der vertikal ausgebildete IGBT bei einem MOSFET mit n-dotierter Driftstrecke eine n+-dotierte Feldstoppschicht sowie eine p-dotierte schwache Injektorschicht aufweist.The publication DE 101 14 788 C1 relates to a semiconductor device in the form of a MOS switch, in which a vertically formed IGBT is integrated with a laterally formed MOSFET with charge-compensated drift zone. In this case, provision is made in particular for the vertically formed IGBT to have an n + -doped field stop layer and a p-doped weak injector layer in the case of a n-doped drift path MOSFET.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltereinheit für ein Schaltnetzteil zu schaffen, welche auf besonders einfache Art und Weise die Funktionalität eines Schaltnetzteils unter weitestgehender Vermeidung von Schaltverlusten im Teilleistungsmodus, insbesondere im Bereitschaftsmodus ermöglicht.Of the Invention is based on the object, a switch unit for a switching power supply to create, which in a particularly simple way the functionality of a Switching power supply with the greatest possible avoidance of switching losses in partial power mode, especially in standby mode.

Die Aufgabe wird durch eine Schaltereinheit für ein Schaltnetzteil erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schaltereinheit sind jeweils Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.The The object is achieved by a switch unit for a switching power supply according to the invention with the characterizing features of claim 1 solved. Advantageous developments the switch unit according to the invention are each subject of the dependent Dependent claims.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Schaltereinheit für ein Schaltnetzteil mit einem Primärstrom-/-spannungseingangsbereich, welcher zum Empfang eines Primärstroms und/oder einer Primärspannung ausgebildet ist, einem Primärstrom-/-spannungsausgangsbereich, welcher zur Ausgabe des Primärstroms und/oder der Primärspannung ausgebildet ist, und einem ersten oder Hauptschalter und einem zweiten, Teillast- oder Bereitschaftsschalter, welche zueinander parallel geschaltet und zur gesteuerten oder steuerbaren getakteten Übertragung des Primärstroms und/oder der Primärspannung vom Primärstrom-/-spannungseingangsbereich zum Primärstrom-/-spannungsausgangsbereich ausgebildet sind, wobei der erste oder Hauptschalter als IGBT ausgebildet ist, wobei der zweite, Teillast- oder Bereitschaftsschalter als MOSFET ausgebildet ist, wobei der erste oder Hauptschalter und der zweite, Teillast- oder Bereitschaftsschalter in einem gemeinsamen Modul monolithisch integriert ausgebildet sind, wobei der erste oder Hauptschalter und der zweite, Teillast- oder Bereitschaftsschalter als Feldstoppbauteil ausgebildet sind, wobei der erste oder Hauptschalter und der zweite, Teillast- oder Bereitschaftsschalter als vertikale Bauteile ausgebildet sind und wobei der Kollektoranschluss oder -ausgang des IGBT des ersten oder Hauptschalters unterhalb der Gatebereiche des IGBT des ersten oder Hauptschalters und des MOSFET des zweiten, Teillast- oder Bereitschaftsschalters lateral bis in den Bereich des MOSFET des zweiten, Teillast- oder Bereitschaftsschalters ausgebildet ist.The present invention provides a switch unit for a switched-mode power supply having a primary current / voltage input region, which is designed to receive a primary current and / or a primary voltage, a primary current / voltage output region, which is designed to output the primary current and / or the primary voltage, and a first or main switch and a second, part-load or standby switch connected in parallel with one another and configured for controlled or controllable clocked transmission of the primary current and / or the primary voltage from the primary current / voltage input region to the primary current / voltage output region or main switch is designed as an IGBT, wherein the second, part-load or standby switch is designed as a MOSFET, wherein the first or main switch and the second, part-load or standby switch are monolithically integrated in a common module, wherein the first or main switch and the second, part-load or standby switch are designed as a field stop component, wherein the first or main switch and the second, part-load or standby switch are designed as vertical components and wherein the collector terminal or output of the IGBT of the first or main switch below the gate areas of the IGBT of the first or main switch and the MOSFET of the second, partial load or standby switch is formed laterally into the region of the MOSFET of the second, partial load or standby switch.

Es ist somit grundlegend, bei einer Schaltereinheit für ein Schaltnetzteil einen ersten oder Hauptschalter und einen zweiten oder Teillast- oder Bereitschaftsschalter vorzusehen, welche zueinander parallel geschaltet sind, um einen Primärstrom und/oder eine Primärspannung von einem entsprechenden Eingangsbereich zu einem entsprechenden Ausgangsbereich zu übertragen, wobei die beiden Schalter in einem gemeinsamen Modul monolithisch integriert ausgebildet sind. Durch das Vorsehen der beiden parallel zueinander geschalteten Schalter ergibt sich somit auf einfache Weise die Möglichkeit, die beiden Schalter voneinander unabhängig derart auszulegen, dass sowohl ein sicherer normaler Betriebsmodus als auch ein besonders verlustfreier Teilleistungsmodus, insbesondere Bereitschaftsmodus oder Stand-By-Modus bei einem Schaltnetzteil realisierbar sind. Darüber hinaus ergibt sich durch die gemeinsame monolithische Integration innerhalb eines gemeinsamen Modul eine besonders kompakte Bauweise der Schaltereinheit und auch eine besonders einfache Handhabbarkeit und flexible Verwendbarkeit der Schaltereinheit.It is thus fundamental in a switch unit for a switching power supply a first or main switch and a second or part-load or to provide standby switches which are parallel to each other are switched to a primary current and / or a primary voltage from an appropriate entrance area to a corresponding entrance area Transmit output range, the two switches being monolithic in a common module are formed integrated. By providing the two in parallel to each other switched switch thus results in a simple Way the possibility the two switches independently interpreted such that both a safe normal mode of operation and a special one lossless partial power mode, in particular standby mode or stand-by mode in a switching power supply can be realized. About that It also results from the common monolithic integration within a common module a particularly compact design the switch unit and also a particularly easy handling and flexible usability of the switch unit.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der zweite oder Teillast- oder Bereitschaftsschalter eine geringe Leistungsaufnahme, Stromtragfähigkeit, Verlustleistung und/oder parasitäre Kapazität aufweist, insbesondere geringer als die des ersten oder Hauptschalters. Dadurch stellt sich auf besonders einfache Art und Weise bei dem für den Teilleistungsmodus, insbesondere den Bereitschaftsmodus oder Stand-By-Modus vorgesehenen zweiten oder Teillast- oder Bereitschaftsschalter eine geringe Verlustleistung ein.Especially It is advantageous if the second or partial load or ready switch a low power consumption, current carrying capacity, power dissipation and / or parasitic capacity has, in particular lower than that of the first or main switch. This raises in a particularly simple manner in the for the Partial power mode, especially the standby mode or stand-by mode provided second or partial load or standby switch a low power loss.

Bei einer anderen Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Schaltereinheit ist es vorgesehen, dass der erste oder Hauptschalter und der zweite oder Teillast- oder Bereitschaftsschalter jeweils einen Steuereingang aufweisen, welcher über getrennte Steueranschlüsse ansteuerbar sind. Dadurch kann je nach Betriebsmoduswahl entweder der erste oder Hauptschalter oder alternativ der zweite oder Teillast- oder Bereitschaftsschalter für die Übertragung des Primärstroms und/oder der Primärspannung ausgewählt werden.at another embodiment of the switch unit according to the invention it is envisaged that the first or main switch and the second or part-load or standby each a control input which has over separate control connections are controllable. As a result, depending on the operating mode selection either the first or main switch or alternatively the second or part-load or standby switch for the transfer of the primary current and / or the primary voltage selected become.

Alternativ dazu kann es vorteilhaft sein, wenn die beiden Steuereingänge des ersten oder Hauptschalters und des zweiten oder Teillast- oder Bereitschaftsschalters über einen gemeinsamen Steueranschluss ansteuerbar sind. Hierbei kann zum Beispiel über die Wahl der Ansteuerpegel die Auswahl des ersten oder des zweiten Schalters realisiert werden, wenn die entsprechenden Schaltspannungen der beiden Schalter unterschiedlich ausgebildet sind.alternative For this purpose, it may be advantageous if the two control inputs of the first or main switch and the second or part-load or standby switch via a common control terminal are controlled. Here, for example, over the Selection of the drive level the selection of the first or the second switch be realized when the corresponding switching voltages of Both switches are designed differently.

Entsprechend ist es gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltereinheit vorgesehen, dass ein gemeinsamer Steueranschluss, insbesondere für die Steuereingänge, vorgesehen ist und dass der erste oder Hauptschalter eine Schaltspannung, Einsatzspannung oder Schwellenspannung aufweist, welche größer ist als die Schaltspannung, Einsatzspannung oder Schwellenspannung des zweiten oder Teillast- oder Bereitschaftsschalters. Auf diese Weise lässt sich die Wahl der Schalter in den verschiedenen Betriebsmodi über die Pegelwahl realisieren.Corresponding is it according to one particularly preferred embodiment the switch unit according to the invention provided that a common control connection, in particular for the control inputs, provided is and that the first or main switch a switching voltage, threshold voltage or threshold voltage which is greater than the switching voltage, Threshold voltage or threshold voltage of the second or part-load or standby switch. In this way you can choose the switch in the various operating modes via the level selection realize.

Es lassen sich die für den normalen Betriebsmodus bzw. für den Teilleistungsmodus, insbesondere den Stand-By- oder Bereitschaftsmodus günstigen elektrischen Parameter der jeweils tätig werdenden Schalter auf besonders einfache Art und Weise geeignet wählen. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass der MOSFET des zweiten oder Bereitschaftsschalters eine Bodydiode aufweist, welche als Freilaufdiode dienen kann oder geschaltet ist.It let's go for the normal operating mode or for the partial power mode, in particular the Stand-by or standby mode favorable electrical parameters each active expectant switch in a particularly simple manner choose. It is provided in particular that the MOSFET of the second or standby switch has a body diode, which as Serve freewheeling diode or is connected.

Die Freilaufdiode sorgt dafür, dass insbesondere am Ausgang oder Kollektorausgang des IGBT nicht auf das zur Masse oder den Emitterausgang des IGBT liegende negative Potenzial driftet. Ohne Verwendung einer Diode kann dies z. B. durch Oszillation in der Schaltung erfolgen. Dafür sind IGBTs im Allgemeinen nicht ausgelegt. Darüber hinaus kann ein lateraler Feldeffekttransistor aufsteuern, wenn die Gateanschlüsse des IGBT und/oder des MOSFET um mehr als die Einsatzspannung bezüglich des Kollektoranschlusses des IGBT bzw. des Drainanschlusses des MOSFET nach unten driftet.The Freewheeling diode ensures that in particular at the output or collector output of the IGBT not on the negative to the ground or emitter output of the IGBT Potential is drifting. Without using a diode, this can be done, for. B. by Oscillation in the circuit done. That's what IGBTs are all about not designed. About that In addition, a lateral field effect transistor can turn on when the gate connections of the IGBT and / or the MOSFET by more than the threshold voltage with respect to the Collector terminal of the IGBT or the drain terminal of the MOSFET drifts down.

Ein vertikaler MOSFET beinhaltet prinzipiell immer eine Freilaufdiode, und zwar durch den parasitären Bipolartransistor. Beim IGBT wird von der Rückseite durch die p-Implantation eine weitere Diode angefügt, welche zur oben genannten Diode antiparallel ausgebildet ist. Das bedeutet, dass das Gesamtsystem sperrt. Bei einer reinen IGBT-Lösung müsste also eine zusätzliche Kleinsignaldiode ausgebildet werden. Dies ist im Rahmen dieser Erfindung bei Verwendung eines MOSFET nicht nötig.One vertical MOSFET always includes a freewheeling diode in principle, through the parasitic bipolar transistor. When IGBT is from the back added by the p-implantation another diode, which is formed antiparallel to the above diode. That means, that the whole system locks. In a pure IGBT solution would have so an additional Small signal diode can be formed. This is within the scope of this invention not necessary when using a MOSFET.

Bei einer anderen alternativen Fortbildung der erfindungsgemäßen Schaltereinheit ist es vorgesehen, dass der erste oder Hauptschalter und der zweite oder Teillast- oder Bereitschaftsschalter mit dem Primärstrom-/-spannungseingangsbereich verbundene Eingangsanschlüsse oder Eingänge – insbesondere Sourceanschlüsse oder -eingänge oder Emitteranschlüsse oder -eingänge – aufweisen, welche miteinander verbunden oder als gemeinsame Anschlüsse ausgebildet sind oder welche als voneinander getrennte Anschlüsse ausgebildet sind.at another alternative development of the switch unit according to the invention it is envisaged that the first or main switch and the second or part load or standby switch with the primary current / voltage input area connected input terminals or inputs - in particular source terminals or entrances or emitter terminals or entrances - have, which are interconnected or formed as common connections or which are formed as separate connections are.

Alternativ oder zusätzlich ist es vorgesehen, dass der erste oder Hauptschalter und der zweite oder Teillast- oder Bereitschaftsschalter mit dem Primärstrom-/-spannungsausgangsanschlussbereich verbundene Ausgangsanschlüsse oder Ausgänge – insbesondere Drainanschlüsse oder -ausgänge oder Kollektoranschlüsse -ausgänge – aufweisen, welche miteinander verbunden oder als gemeinsame Anschlüsse ausgebildet sind oder welche als voneinander getrennte Anschlüsse ausgebildet sind.alternative or additionally it is envisaged that the first or main switch and the second or partial load or standby switch with the primary current / voltage output terminal area connected output terminals or outputs - in particular drains or exits or collector connections outputs - have, which are interconnected or formed as common connections or which are formed as separate connections are.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltereinheit ist es vorgesehen, dass der MOSFET des zweiten oder Teillast- oder Bereitschaftsschalters derart vom IGBT des ersten oder Hauptschalters räumlich getrennt und/oder elektrisch isoliert ausgebildet ist, dass dadurch der Einfluss des MOSFET des zweiten oder Teillast- oder Bereitschaftsschalters auf den IGBT des ersten oder Hauptschalters und insbesondere das Snap-Back-Verhalten reduziert sind, welches im Detail weiter unten beschrieben ist.at a further advantageous embodiment of the switch unit according to the invention it is envisaged that the MOSFET of the second or part-load or Standby switch so from the IGBT of the first or main switch spatial is formed separately and / or electrically insulated that thereby the influence of the MOSFET of the second or partial load or standby switch on the IGBT of the first or main switch and in particular the Snap-back behaviors are reduced, which is detailed below is described.

In vorteilhafter Weise ist es vorgesehen, dass zur räumlichen Trennung und/oder zur elektrischen Isolierung des MOSFET des zweiten oder Bereitschaftsschalters vom IGBT des ersten oder Hauptschalters mindestens eine elektrisch inaktive Gatepadfläche ausgebildet ist. Eine Gatepadfläche wird dabei als elektrisch inaktiv bezeichnet, wenn das darunter liegende Gebiet keine aktiven Transistorzellen aufweist oder bildet.In Advantageously, it is provided that the spatial Separation and / or electrical isolation of the MOSFET of the second or standby switch of the IGBT of the first or main switch at least one electrically inactive gate pad surface is formed. A gate pad surface becomes referred to as electrically inactive, if the underlying Area comprises or forms no active transistor cells.

Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltereinheit sind die Eingangsanschlüsse des ersten oder Hauptschalters und des zweiten oder Bereitschaftsschalters, insbesondere also die Sourceanschlüsse oder Emitteranschlüsse, mittels einer Durchkontaktierung oder mittels eines Vias geringer Ausdehnung miteinander elektrisch verbunden, insbesondere durch ein Metall und/oder insbesondere auf der Vorderseite eines Halbleitersubstrats, wobei insbesondere ein darunterliegendes Gebiet inaktiv ausgebildet ist.at a further embodiment the switch unit according to the invention are the input terminals the first or main switch and the second or standby switch, in particular therefore the source connections or emitter connections, by means of a via or by means of a vias of small extent electrically connected to each other, in particular by a metal and / or in particular on the front side of a semiconductor substrate, in particular, an underlying area is formed inactive.

Bevorzugt wird dabei, dass durch die Durchkontaktierung oder durch den Via ein ohmscher Widerstand derart definiert ist, dass im Betrieb, das heißt bei Stromfluss über die Schaltereinheit über diesen ohmschen Widerstand ein Spannungsabfall generiert ist, über welchen die Stromflüsse durch den ersten oder Hauptschalter und den zweiten oder Teillast- oder Bereitschaftsschalter ableitbar sind.Prefers is thereby, that through the via or through the Via an ohmic resistance is defined such that in operation, the is called at current flow over the switch unit over this ohmic resistance, a voltage drop is generated over which the electricity flows through the first or main switch and the second or part-load or standby switch are derivable.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltereinheit ist es vorgesehen, dass der erste oder Hauptschalter und der zweite oder Teillast- oder Bereitschaftsschalter unterschiedliche Schaltspannungen, Einsatzspannungen oder Schwellenspannungen aufweisen und dass diese unterschiedlichen Schaltspannungen, Einsatzspannungen oder Schwellenspannungen über Dotierstoffkonzentrationen der Kanalbereiche des IGBT des ersten oder Hauptschalters und des MOSFET des zweiten oder Bereitschaftsschalters definiert und eingestellt sind.at a particularly preferred embodiment the switch unit according to the invention it is envisaged that the first or main switch and the second or partial load or standby switch different switching voltages, Have threshold voltages or threshold voltages and that these different Switching voltages, threshold voltages or threshold voltages via dopant concentrations the channel areas of the IGBT of the first or main switch and the Defined and set MOSFET of the second or standby switch are.

Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass rückseitig auf einem niedrig dotierten Halbleitersubstrat des IGBT des ersten Hauptschalters eine hoch dotierte Halbleitermaterialschicht ausgebildet ist, durch welche ein durch das niedrig dotierte Halbleitersubstrat verlaufendes elektrisches Feld abblockbar oder abschirmbar ist.there It is especially provided that the back on a low doped semiconductor substrate of the IGBT of the first main switch a highly doped semiconductor material layer is formed by which is a passing through the low-doped semiconductor substrate electric field can be blocked or shielded.

Diese und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Bemerkungen näher erläutert, dabei werden die Begriffe "Teillast-" und "Stand-By-" synonym verwendet.These and other aspects of the present invention will become apparent from the following remarks closer explains The terms "partial load" and "standby" are used interchangeably.

Schaltnetzteile für Handys, Notebookadapter, PC, TV/VCR, Monitore usw. haben einen Stand-By-Betrieb. In diesem Modus sind alle unnötigen Verbraucher abgeschaltet. Nur Mikrokontraller oder eine Überwachungselektronik werden mit Spannung versorgt. Die Anforderungen in Bezug auf eine minimale Leistungsaufnahme im Teilleistungsmodus, insbesondere im Stand-By-Betrieb eines Schaltnetzteils sind in den letzten Jahren durch den Gesetzgeber sehr stark erhöht worden. Diese sind z.B.:

Figure 00080001
Switching power supplies for mobile phones, notebook adapters, PC, TV / VCR, monitors, etc. have a stand-by mode. In this mode all unnecessary consumers are switched off. Only microcontrollers or monitoring electronics are powered. The requirements in terms of a minimum power consumption in the partial power mode, in particular in the standby mode of a switching power supply have been greatly increased in recent years by the legislature. These are for example:
Figure 00080001

Bisher wird versucht, dieser Anforderung durch Abschalten von im Teilleistungsmodus, insbesondere im Stand-By nicht notwen digen Verbrauchern über eine Power Management Funktionalität des Ansteuer-ICs und/oder durch Frequenzreduktion auf 20 kHz zur Reduzierung der Schaltverluste im Hauptschalter und dem Ansteuer-IC Burst Mode gerechnet zu werden.So far an attempt is made to meet this requirement by switching off in partial power mode, especially in stand-by not necessary consumers about a Power management functionality of the drive IC and / or by frequency reduction to 20 kHz Reduction of switching losses in the main switch and the control IC Burst Mode to be expected.

Trotz dieser Maßnahmen zur Leistungsminimierung im Stand-By, entstehen im Hauptschalter aber immer noch hohe Schaltverluste, insbesondere bei Verwendung im Teilleistungsmodus, insbesondere im Stand-By-Modus. Diese lassen sich im Falle von MOSFETs als Leistungsschalter und einer "quasiresonanten" Ansteuerung, d.h. einem Einschalten im Spannungsnulldurchgang, weiter reduzieren. Aber eine Reduzierung darüber hinaus erfordert zusätzliche Maßnahmen.In spite of of these measures to minimize performance in stand-by, arise in the main switch but still high switching losses, especially when using in partial power mode, especially in stand-by mode. Leave these in the case of MOSFETs as a power switch and a "quasi-resonant" drive, i. switching on in voltage zero crossing, further reduce. But a reduction over it addition requires additional Activities.

In einer Ausführungsvariante der Erfindung wird dem Hauptschalter ein Stand-By-Schalter oder Teillastschalter parallel geschaltet. Der Hauptschalter wird im Normalbetrieb getaktet. Der Stand-By-Schalter kann in diesem Modus mitgetaktet werden oder ausgeschaltet bleiben. Der Strom fließt über den Hauptschalter mit geringen Durchlassverlusten.In an embodiment variant the invention, the main switch is a stand-by switch or partial load switch connected in parallel. The main switch is clocked in normal operation. The stand-by switch can be clocked in this mode or stay off. The current flows through the main switch with low Conduction losses.

Im Stand-By-Betrieb bleibt der Hauptschalter ausgeschaltet und nur der Stand-By-Schalter wird getaktet. Da dieser Schalter kleiner und z.B. als MOSFET ausgelegt ist, verursacht er mit seinen kleineren parasitären Kapazitäten weniger Schaltverluste als der Hauptschalter, der u.U. mit einem IGBT realisiert wird. Dadurch kann die Verlustleistung weiterhin reduziert werden.in the Stand-by mode, the main switch remains off and only the stand-by switch is clocked. Because this switch is smaller and e.g. designed as a MOSFET, it causes with its smaller parasitic capacities less switching losses than the main switch, the u.U. with a IGBT is realized. As a result, the power loss can continue be reduced.

Die Schalter weisen bei einer Ausführungsvariante separate Gateanschlüsse auf und können von einem Ansteuer-IC separat angesteuert werden. Dabei spielt die Auslegung der Schaltschwellen der Gatespannung keine Rolle.The Switch have in a variant separate gate connections on and can be controlled separately by a drive IC. It plays the Design of the switching thresholds of the gate voltage is irrelevant.

Bei einer anderen Ausführungsvariante sind die Gateanschlüsse der Schalter verbunden. In diesem Fall werden eine spezielle Ansteuerung und Auslegung der Einschaltschwellen der Gatespannung notwendig.at another embodiment are the gate connections the switch connected. In this case, a special control and interpretation of the turn-on thresholds of the gate voltage necessary.

Die Auslegung der Einschaltschwellen wird so realisiert, dass die Einschaltschwelle des Hauptschalters höher ist als die des Stand-By-Schalters.The Design of the switch-on thresholds is realized so that the switch-on threshold of the main switch higher is as the standby switch.

Im normalen Betriebsmodus ist die Gateansteuerspannung größer als die Schwellenspannung des Hauptschalters. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Hauptschalter eingeschaltet wird, wobei der mitgetaktete Stand-By-Schalter keinen merkbaren Einfluss hat.in the normal operating mode, the gate drive voltage is greater than the threshold voltage of the main switch. This will ensure that the main switch is turned on, the clocked Stand-by switch has no appreciable influence.

Im Stand-By-Betrieb wird die Gateansteuerspannung größer ausgelegt als die Schaltschwelle des Stand-By-Schalters und niedriger als die des Hauptschalters. Somit wird der Stand-By-Schalter getaktet, während der Hauptschalter ausgeschaltet bleibt.in the Stand-by operation, the gate drive voltage is designed to be larger as the switching threshold of the stand-by switch and lower than that of the main switch. Thus, the stand-by switch is clocked while the Main switch remains off.

Beide Ausführungen können mit Hilfe von zwei diskreten Bauelementen oder einer Multi-Chip Lösung (Modul), sowie auch eines monolithischen Bauelementes mit einer "snap-back"-Kennlinie realisiert werden.Both versions can with the help of two discrete components or a multi-chip Solution (module), as well as a monolithic component realized with a "snap-back" characteristic become.

Es kann auch beliebige Kombinationen von bipolaren und unipolaren Bauelementen vorgesehen sein:

  • – MOSFET und MOSFET,
  • – IGBT und MOSFET sowie
  • – IGBT und IGBT.
Any combinations of bipolar and unipolar components can also be provided:
  • MOSFET and MOSFET,
  • - IGBT and MOSFET as well
  • - IGBT and IGBT.

Bei der Kombination IGBT als Hauptschalter und MOSFET als Stand-By-Schalter kann die parasitäre Bodydiode vom MOSFET als Freilaufdiode genutzt werden, da der IGBT für negative Kollektor-Emitter-Spannungen, die durch parasitäre Schwingungen entstehen können, nicht spezifiziert ist.When combining IGBT as a main switch and MOSFET as a stand-by switch, the parasitic Bodydiode be used by the MOSFET as a freewheeling diode, since the IGBT for negative collector-emitter voltages, which may be caused by parasitic vibrations, is not specified.

Die Source- bzw. die Emitteranschlüsse können verbunden werden oder nicht. Falls nicht, besteht die Möglichkeit, unterschiedliche Strommesswiderstände für Normal- und Stand-By-Betrieb einzusetzen. Dadurch kann die Genauigkeit der Regelung während des Stand-By erhöht werden.The Source or the emitter terminals can be connected or not. If not, there is a possibility to use different current measuring resistors for normal and stand-by operation. This can increase the accuracy of the control during stand-by.

Eine erfinderische Idee liegt bei der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung in der parallelen Kombination von Hauptschalter und Stand-By-Schalter und beim Ansteuerverfahren in der Ansteuerung mit zwei unterschiedlichen Spannungspegeln.A inventive idea lies in the proposed circuit arrangement in the parallel combination of main switch and stand-by switch and in the control method in the control with two different Voltage levels.

Das hier erfindungsgemäß beschriebene Bauteil im Sinne einer Schaltereinheit für ein Schaltnetzteil soll eine kostengünstige Lösung zur Einhaltung der durch den Gesetzgeber geschaffenen Anforderungen im Hinblick auf die Verbrauchsleistung während eines Bereitschaftsmodus erfüllen:
Eine erfinderische Idee zur Problemlösung liegt im Ersatz des gewöhnlich verwendeten einzelnen Schalters oder Transistors durch einen Hauptschalter und einen Bereitschaftsschalter oder Stand-By-Schalter. Diese können prinzipiell auf getrennten Chips, weiterhin auch in getrennten Gehäusen angeordnet sein. Aus Kostengründen ist jedoch erfindungsgemäß eine monolithische Integration des Hauptschalters und des Bereitschaftsschalters vorgesehen, und zwar wegen geringerer Packagekosten und eines geringeren Platzbedarfs und Montageaufwands auf der Kundenplatine.The component described here according to the invention in the sense of a switch unit for a switched-mode power supply is intended to fulfill a cost-effective solution for compliance with the requirements established by the legislature with regard to the consumption power during a standby mode:
An inventive idea for problem solving is to replace the commonly used single switch or transistor with a main switch and a stand-by switch or stand-by switch. These can in principle be arranged on separate chips, and also in separate housings. For cost reasons, however, a monolithic integration of the main switch and the standby switch is provided according to the invention, namely because of lower package costs and a smaller space requirement and installation costs on the customer board.

Es wird für den Bereitschaftsschalter z.B. ein MOSFET eingesetzt, da die Schalteigenschaften gängiger IGBT's für den Einsatz im hart und schnell schaltenden SMPS-Betrieb eher von Nachteil sind. Weiterhin besitzt der MOS im Gegensatz zum IGBT eine in der Applikation benötigte (wenig beanspruchte) Rückwärtsdiode. Derzeit werden bei Infineon jedoch IGBT-Tech nologien entwickelt, die für SMPS-Anwendungen geeignet sind (Feldstopp-IGBT, HS-IGBT).It is for the standby switch e.g. a MOSFET used because the switching characteristics common IGBT's for use in the hard and fast switching SMPS operation are rather disadvantageous. Furthermore, in contrast to the IGBT, the MOS has one in the application needed (low loaded) reverse diode. However, Infineon is currently developing IGBT technologies, the for SMPS applications are suitable (field stop IGBT, HS-IGBT).

Bei der Realisierung des Ersatzes des einzelnen Schalters durch einen Hauptschalter und einen Bereitschaftsschalter sind prinzipiell sämtliche Kombinationen aus MOSFET und IGBT denkbar. Vorteilhaft aus Applikationssicht ist jedoch die Wahl eines IGBT als Hauptschalter und eines MOSFET als Bereitschaftsschalter, und zwar aus folgenden Gründen:

  • – Der Hauptschalter soll wegen der Bauteilkapazitäten, insbesondere auch im Stand-By-Fall, eine möglichst kleine Fläche besitzen, um geringe Schaltverluste zu erreichen. Hier ist der IGBT im Vergleich zum MOSFET im Vorteil, weil seine Cross-Kapazität geringer ist.
  • – Der Bereitschaftsschalter soll möglichst kleine Verluste aufweisen. Hierbei ist die Diodenschwelle des IGBT nachteilig. Weiterhin besitzt der MOSFET die geforderte Freilauf-Diode.
  • – Gate-Anschluss: Je nach Ansteuerverfahren werden entweder getrennte Gateanschlüsse für den Hauptschalter und den Bereitschaftsschalter oder ein gemeinsamer Gateanschluss mit verschiedenen Einsatzspannungen für den Hauptschalter und den Bereitschaftsschalter gefordert. Beides kann technologisch realisiert werden.
  • – Source/Emitteranschluss: Kann für beide Schalter getrennt oder gemeinsam benötigt werden, und zwar getrennt für Strom-Sense. Dies erfordert aber einen zusätzlichen Bonddraht oder Package-Pin. Beides kann technologisch realisiert werden.
  • – Drain/Kollektoranschluss: Es ist ein gemeinsamer Anschluss oder ein getrennter möglich.
When realizing the replacement of the individual switch by a main switch and a standby switch, all combinations of MOSFET and IGBT are conceivable in principle. From the application point of view, however, the choice of an IGBT as a main switch and a MOSFET as a standby switch is advantageous for the following reasons:
  • - The main switch should because of the component capacities, especially in the stand-by case, have the smallest possible area to achieve low switching losses. Here, the IGBT compared to the MOSFET has the advantage because its cross-capacitance is lower.
  • - The standby switch should have the smallest possible losses. Here, the diode threshold of the IGBT is disadvantageous. Furthermore, the MOSFET has the required free-wheeling diode.
  • - Gate connection: Depending on the control method, either separate main switch and standby gate connections or a common gate connection with different threshold voltages for the main switch and the standby switch are required. Both can be realized technologically.
  • - Source / emitter connection: Can be used separately or together for both switches, separately for current sense. But this requires an additional bond wire or package pin. Both can be realized technologically.
  • - Drain / collector connection: a common connection or a separate one is possible.

Das erfindungsgemäße Bauteil hat gegebenenfalls die folgenden Eigenschaften:

  • – Um die Auswirkung des MOS-Transistors auf den IGBT, z.B. das Snap-Back-Verhalten, zu minimieren, sollen beide räumlich möglichst getrennt ausgebildet oder vorgesehen sein, z.B. durch elektrisch inaktive Gatepadflächen.
  • – Sollen Emitter/Source miteinander elektrisch verbunden sein, kann dieses z.B. durch einen kleinen Vorderseiten-Metallvia geschehen, wobei das darunter liegende Gebiet inaktiv sein kann, um eine Wechselwirkung zu vermeiden.
  • – Der Metallvia kann so angelegt sein, dass bei Stromfluss ein kleiner, aber messbarer Widerstand zwischen Emitter und Source abfällt, der Rückschlüsse auf einen unterschiedlichen Stromfluss durch den Hauptschalter und den Bereitschaftsschalter zulässt.
  • – Das Gatepad für den Hauptschalter und den Bereitschaftsschalter kann getrennt oder verbunden ausgebildet sein. Bei verbundenem Gate kann durch geeignete Maßnahmen, z.B. verschiedene Kanaldosen zwei aus Applikationssicht benötigte verschiedene Einsatzspannungen erreicht werden. Die Justagegenauigkeit beider Implantationen zueinander ist wegen der räumlichen Trennung von SW1 und SW2 weitgehend unerheblich. Dieser kann ohne teure zusätzliche Fototechnik durch Auflegen einer Hartmaske in einem geeigneten Implanter durch folgende Prozessfolge erfolgen: Nach standardmäßiger Hartmaske in einem geeigneten Implanter durch Auflagen einer Hartmaske, Justagegenauigkeit mit 300 μm unkritisch, Implantation der Delta-Dosis, Hartmaske abnehmen, weiter mit Standardprozess.
  • – Der IGBT kann als "Feldstopp-Bauteil" ausgebildet sein. Hierbei ist rückseitig auf einem im Vergleich zum NPT-IGBT oder MOS vergleichsweise niedrig dotierten Substrat eine hochdotierte Schicht zum Abblocken des durch das Substrat durchgreifenden Felds ausgebildet. Diese Auslegung ist optimal für SMPS-Betrieb, bei dem hohe Schaltfrequenzen, z. B. 80 kHz, und hartes Schalten gefordert sind. Es werden hier durch den verkürzten Tailstrom die Verluste beim Ausschalten vermindert.
  • – Im MOS-Bereich ist der RS-Emitter des IGBT unterbrochen, was technisch durch eine Implantation nach einer Rückseiten-Fototechnik realisierbar ist. Um das Snap-Back-Verhalten zu minimieren, wird der IGBT-Kollektor unter den Gatepads bis zum MOS durchgezogen.
The component according to the invention optionally has the following properties:
  • In order to minimize the effect of the MOS transistor on the IGBT, for example the snap-back behavior, both should be designed or provided as separate as possible, for example by electrically inactive gate pad surfaces.
  • - If the emitter / source are to be electrically connected to each other, this can be done, for example, by a small front-side metal, whereby the underlying area can be inactive, in order to avoid an interaction.
  • - The Metallvia can be designed so that when current flows a small, but measurable resistance between emitter and source drops, which allows conclusions about a different current flow through the main switch and the standby switch.
  • The gate pad for the main switch and the standby switch can be formed separately or connected. When the gate is connected, two different threshold voltages required from the application point of view can be achieved by means of suitable measures, for example different channel boxes. The alignment accuracy of both implants to each other is largely irrelevant because of the spatial separation of SW1 and SW2. This can be done without expensive additional photo technique by placing a hard mask in a suitable Implanter by following the following process sequence: After standard hard mask in a suitable Implanter by applying a hard mask, alignment accuracy with 300 microns uncritical, implantation of the delta dose, remove hard mask, continue with standard process.
  • - The IGBT can be designed as a "field stop component". In this case, a highly doped layer for blocking the field passing through the substrate is formed on the back side of a substrate which is comparatively low in comparison to the NPT-IGBT or MOS. This design is optimal for SMPS operation where high switching frequencies, e.g. B. 80 kHz, and hard switching are required. It will be reduced by the shortened tail current, the losses when switching off.
  • - In the MOS region, the RS emitter of the IGBT is interrupted, which is technically feasible by implantation after a backside photo technique. To minimize the snap-back behavior, the IGBT collector under the gatepads is pulled through to the MOS.

Ein MOS-Transistor beeinflusst einen IGBT in folgender Weise: Um den IGBT zu zünden, muss an einem Punkt X des IGBT zur Rückseite hin die Diodenschwellspannung des PN-Obergangs (für SI: ca. 0,7 V) anliegen. Ein MOS benötigt diese Zündspannung nicht. Sind MOS und IGBT auf einem Chip angeordnet, so wird wegen der Querleitfähigkeit im Substrat der rückseitige PN-Übergang des IGBT durch den ohmsch angeschlossenen MOS-Bereich teilweise kurzgeschlossen. Insbesondere bei Feldstoppbauteilen kann durch die im Vergleich zum hochohmigen Substrat hohe Querleitfähigkeit des Feldstopps dieses sich stark negativ auswirken, da der Horizontalwiderstand Rh deutlich kleiner ist als der Vertikalwiderstand Rv und damit Uv deutlich größer ist als Uh = Us. Erst wenn Uv sehr hoch gestiegen ist, zündet der IGBT und die Kennlinie des IGBT-Kollektorstroms als Funktion der Kollektorspannung springt bei gleichem Strom auf eine viel kleinere Spannung, da im IGBT jetzt ein Ladungsträgerplasma entstanden ist. Dieses Zurückspringen in die IGBT-Kennlinien aufgrund der Wechselwirkung mit dem MOSFET wird Snap-Back genannt.One MOS transistor affects an IGBT in the following way: To the To ignite IGBT, At a point X of the IGBT towards the rear, the diode threshold voltage must be of the PN junction (for SI: approx. 0.7 V). A MOS needs this ignition voltage Not. If MOS and IGBT are arranged on a chip, then because of the transverse conductivity in the substrate the back PN junction the IGBT partially short-circuited by the ohmic connected MOS area. Especially In field stop components can by the compared to the high-impedance Substrate high transverse conductivity of the field stop this will have a strong negative impact, since the horizontal resistance Rh is significantly smaller than the vertical resistance Rv and thus Uv is significantly larger as Uh = Us. Only when Uv has risen very high, ignites the IGBT and the characteristic of the IGBT collector current as a function of the collector voltage jumps at the same current a much smaller voltage, because in the IGBT now a charge carrier plasma originated. This jumping back in the IGBT characteristics due to the interaction with the MOSFET is called snapback.

Dieses Verhalten ist bei einem Feldstopp-IGBT ausgeprägter als bei einem NPT-IGBT. Rh kann durch eine räumliche Trennung von IGBT und Diode durch eine elektrisch inaktive Zone (Gatepad) mit durchgezogenem IGBT-Emitter erhöht werden, wodurch das Snap-Back-Verhalten auf. ein für die Anwendung vertretbares Maß reduziert wird.This Behavior is more pronounced with a field stop IGBT than with an NPT IGBT. Rh can by a spatial Separation of IGBT and diode by an electrically inactive zone (Gate pad) can be increased with solid IGBT emitter, reducing the snap-back behavior on. one for the application reduces acceptable levels becomes.

Erfinderische Ideen sind die geometrische Anordnung für eine monolithische Integration von IGBT und MOS mit vorrangiger Optimierung des IGBT für SMPS-Anwendungen mit Stand-By-Schaltung, insbesondere bei Anwendung eines Feldstopps und die Prozessidee für monolithisch integriertem IGBT und MOS mit gemeinsamem Gate mit zwei Einsatzspannungen.innovative Ideas are the geometric arrangement for a monolithic integration of IGBT and MOS with priority optimization of the IGBT for SMPS applications with stand-by circuit, especially when using a field stop and the process idea for monolithic integrated IGBT and MOS with common gate with two threshold voltages.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen näher erläutert.following the invention with reference to preferred embodiments with reference closer to schematic drawings explained.

1, 2 zeigen in schematischer Form eine Schaltungsanordnung für zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schaltereinheit für ein Schaltnetzteil. 1 . 2 show in schematic form a circuit arrangement for two embodiments of the switch unit according to the invention for a switching power supply.

3A, 3B zeigen in Draufsicht bzw. in geschnittener Seitenansicht eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltereinheit. 3A . 3B show in plan view and in a sectional side view of a further embodiment of the switch unit according to the invention.

4 zeigt in Draufsicht eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltereinheit. 4 shows in plan view another embodiment of the switch unit according to the invention.

Nachfolgend werden gleiche oder gleich wirkende Komponenten und Strukturen durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet, und es wird nicht in jedem Fall ihres Auftretens eine detaillierte Beschreibung wiederholt.following the same or equivalent components and structures are used the same reference numerals, and it will not in any case a detailed description of their occurrence.

Bei den Ausführungsformen der 1 und 2 weist die jeweilige Schaltereinheit S einen Primärstrom-/-spannungseingangsbereich PE und einen Primärstrom-/-spannungsausgangsbereich PA mit entsprechenden Anschlüssen auf. Zwischen dem Primärstrom-/-spannungseingangsbereich PE und dem Strom-/-spannungsausgangsbereich PA sind ein erster oder Hauptschalter SW1 in Form eines IGBTs und ein zweiter oder Teillast- oder Bereitschaftsschalter SW2 in Form eines MOSFET vorgesehen. Dabei ist der Emitteranschluss E1 oder Sourceanschluss S1 des IGBTs SW1 zusammen mit dem Sourceanschluss S2 des MOSFETs SW2 mit dem Strom-/-spannungseingangsbereich PE verbunden. Gleichzeitig ist der Kollektoranschluss C1 bzw. Drainanschluss D1 des IGBTs SW1 und der Drainanschluss D2 des MOSFET S2 mit dem Primärstrom-/-spannungsausgangsbereich PA verbunden. Der IGBT SW1 weist einen Steueranschluss oder ein Gate G1 auf. Der MOSFET SW2 weist einen Steueranschluss G2 in Form eines Gates G2 auf.In the embodiments of the 1 and 2 For example, the respective switch unit S has a primary current / voltage input region PE and a primary current / voltage output region PA with corresponding connections. Between the primary current / voltage input region PE and the current / voltage output region PA, a first or main switch SW1 in the form of an IGBT and a second or part-load or standby switch SW2 in the form of a MOSFET are provided. In this case, the emitter terminal E1 or source terminal S1 of the IGBT SW1 is connected to the current / voltage input area PE together with the source terminal S2 of the MOSFET SW2. At the same time, the collector terminal C1 and drain terminal D1 of the IGBT SW1 and the drain terminal D2 of the MOSFET S2 are connected to the primary current / voltage output area PA. The IGBT SW1 has a control terminal or a gate G1. The MOSFET SW2 has a control terminal G2 in the form of a gate G2.

Bei der Ausführungsform der 1 besitzen der erste oder Hauptschalter SW1 in Form des IGBT SW1 und der zweite oder Teillast- oder Bereitschaftsschalter SW2 in Form des MOSFETs SW2 getrennt Steueranschlussbereiche SA1 und SA2, welche mit den Steuereingängen G1 und G2 verbunden sind.In the embodiment of the 1 The first or main switch SW1 in the form of the IGBT SW1 and the second or part-load or standby switch SW2 in the form of the MOSFET SW2 have separate control terminal regions SA1 and SA2 connected to the control inputs G1 and G2.

Im Gegensatz dazu zeigt die Ausführungsform der 2, dass ein gemeinsamer Steueranschluss SA als gemeinsamer Steueranschluss SA für beide Steuereingänge G1, G2 für den ersten oder Hauptschalter SW1 und den zweiten oder Teillast- oder Bereitschaftsschalter SW2 vorgesehen sind.In contrast, the embodiment of the 2 in that a common control connection SA is provided as a common control connection SA for both control inputs G1, G2 for the first or main switch SW1 and the second or partial load or standby switch SW2.

3A und 3B zeigen in geschnittener Seitenansicht bzw. in Draufsicht die materielle Ausgestaltung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltereinheit in monolithischer Integration. 3A and 3B show in sectional side view and in plan view, the material embodiment of an embodiment of the switch unit according to the invention in monolithic integration.

Grundelement ist ein niedrig dotiertes Halbleitersubstrat 20 mit einem ohmschen Widerstand, welcher größer ist als 40 Ω·cm. Das Halbleitersubstrat 20 besitzt eine Oberfläche 20a und eine Unterfläche 20b. Auf der Oberfläche 20a werden der Emitter E1 oder die Source S1 in einem ersten Bereich 23 der Oberfläche 20a ausgebildet. Andererseits wird in einem zweiten Bereich 24 der Oberfläche 20a die Source S2 des zweiten oder Teillast- oder Bereitschaftsschalters SW2, nämlich das entsprechende MOSFET ausgebildet. Zwischen dem Emitter E1 und des ersten oder Hauptschalter SW1 und der Source S2 des zweiten oder Bereitschaftsschalters SW2 sind die Bereiche 25 und 26 für die entsprechenden Gates G1 für den IGBT des ersten oder Hauptschalters SW1 und für den MOSFET des zweiten oder Teillast- oder Bereitschaftsschalters SW2 ausgebildet. In der in 1 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltereinheit stehen die beiden Gatestrukturen G1 und G2 bzw. die entsprechenden Oberflächenbereiche 25 und 26 der Oberfläche 20a und die Sourcebereiche S1 und S2 für den IGBT und den MOSFET des Hauptschalters SW1 bzw. des Bereitschaftsschalters SW2 nicht miteinander in elektrischem Kontakt. Weiterhin ist im Oberflächenbereich 20a des Halbleitersubstrats 20 eine Abschlusskante 27 ausgebildet. Auf der Unterseite oder Unterfläche 20b des Halbleitersubstrats 20 ist neben der Feldstoppschicht 21 zuunterst ein gemeinsamer Unterflächenbereich 22 vorgesehen, welcher den Kollektor K1 des IGBT des ersten oder Hauptschalters SW1 und gleichzeitig die Drain D2 des MOSFET des zweiten oder Bereitschaftsschalters SW2 bildet. Dieser Unterflächenbereich 22 deckt rückseitig sowohl den Emitterbereich E1 oder Sourcebereich S1 des IGBT des Hauptschalters SW1 als auch die Gatebereiche G1 und G2 ab und reicht gegebenenfalls bis in den Sourcebereich S2 des MOSFET des Bereitschaftsschalters SW2 hinein.The basic element is a low-doped semiconductor substrate 20 with an ohmic resistance which is greater than 40 Ω · cm. The semiconductor substrate 20 has a surface 20a and a lower surface 20b , On the surface 20a become the emitter E1 or the source S1 in a first area 23 the surface 20a educated. On the other hand, in a second area 24 the surface 20a the source S2 of the second or part-load or standby switch SW2, namely the corresponding MOSFET is formed. Between the emitter E1 and the first or main switch SW1 and the source S2 of the second or standby switch SW2 are the regions 25 and 26 for the respective gates G1 for the IGBT of the first or main switch SW1 and for the MOSFET of the second or part-load or standby switch SW2. In the in 1 Shown embodiment of the switch unit according to the invention are the two gate structures G1 and G2 and the corresponding surface areas 25 and 26 the surface 20a and the source regions S1 and S2 for the IGBT and the MOSFET of the main switch SW1 and the standby switch SW2 are not in electrical contact with each other. Furthermore, in the surface area 20a of the semiconductor substrate 20 a final edge 27 educated. On the bottom or bottom surface 20b of the semiconductor substrate 20 is next to the field stop layer 21 at the bottom a common surface area 22 is provided, which forms the collector K1 of the IGBT of the first or main switch SW1 and at the same time the drain D2 of the MOSFET of the second or standby switch SW2. This sub-surface area 22 At the rear covers both the emitter region E1 or source region S1 of the IGBT of the main switch SW1 and the gate regions G1 and G2 and optionally extends into the source region S2 of the MOSFET of the standby switch SW2.

Eine gegebenenfalls notwendig werdende Metallisierung zur Kontaktierung des Kollektoranschlusses K1 und des Drainanschlusses D2 ist in 3A nicht dargestellt.An optionally required metallization for contacting the collector terminal K1 and the drain terminal D2 is in 3A not shown.

Bei der Ausführungsform der 4 finden sich vergleichbare Verhältnisse wie bei der Ansicht der 3B. Jedoch sind hier die Bereiche 23 und 24 für den Emitter E1 oder die Source S1 des IGBT des Hauptschalters SW1 bzw. für die Source S2 des MOSFET für den Bereitschaftsschalters oder Teillastschalters SW2 durch eine Durchkontaktierung 30 oder einen Via 30 miteinander leitend verbunden.In the embodiment of the 4 Comparable conditions are found as in the view of 3B , However, here are the areas 23 and 24 for the emitter E1 or the source S1 of the IGBT of the main switch SW1 and for the source S2 of the MOSFET for the standby switch or part-load switch SW2 through a via 30 or a via 30 connected to each other conductively.

11
Schaltereinheitswitch unit
2020
HalbleitersubstratSemiconductor substrate
20a20a
Oberfläche, OberflächenbereichSurface, surface area
20b20b
Unterfläche, UnterflächenbereichLower surface, lower surface area
2121
FeldstoppschichtField stop layer
2222
Unterflächenbereich für Kollektor/Drain Hauptschalter, IGBTUnder area for collector / drain Main switch, IGBT
2323
Oberflächenbereich für Emitter/Source Hauptschalter, IGBTsurface area for emitter / source Main switch, IGBT
2424
Oberflächenbereich für Source Bereitschaftsschalter, MOSFETsurface area for Source Standby switch, MOSFET
2525
Oberflächenbereich für Gate Hauptschalter, IGBTsurface area for gate Main switch, IGBT
2626
Oberflächenbereich für Gate Bereitschaftsschalter, MOSFETsurface area for gate Standby switch, MOSFET
2727
Abschlusskanteterminal edge
3030
Durchkontaktierung, Viavia, Via
B2B2
Bodybereich, Bodyanschluss Bereitschaftsschalter, MOSFETBody area Body connection standby switch, MOSFET
D1D1
Drainanschluss, Drain Hauptschalter, IGBTDrain, Drain main switch, IGBT
D2D2
Drainanschluss, Drain Bereitschaftsschalter, MOSFETDrain, Drain ready switch, MOSFET
E1E1
Emitteranschluss Hauptschalter, IGBTemitter terminal Main switch, IGBT
G1G1
Steuereingang, Gate Hauptschalter IGBTControl input Gate main switch IGBT
G2G2
Steuereingang, Gate Bereitschaftsschalter MOSFETControl input Gate ready switch MOSFET
K1K1
Kollektoranschluss, Kollektor Hauptschalter, IGBTCollector terminal Collector main switch, IGBT
PAPA
Primärstrom-/-spannungsausgangsbereichPrimary current - / - voltage output range
PEPE
Primärstrom-/-spannungseingangsbereichPrimary current - / - voltage input range
SS
Schaltereinheitswitch unit
S1S1
Sourceanschluss, Source Hauptschalter, IGBTSource terminal Source main switch, IGBT
S2S2
Sourceanschluss, Source Bereitschaftsschalter, MOSFETSource terminal Source ready switch, MOSFET
SA1SA1
Steueranschluss Hauptschalter, IGBTcontrol connection Main switch, IGBT
SA2SA2
Steueranschluss Bereitschaftsschalter, MOSFETcontrol connection Standby switch, MOSFET
SLSL
gemeinsame Steuerleitungcommon control line
SL1SL1
Steuerleitung Hauptschalter, IGBTcontrol line Main switch, IGBT
SL2SL2
Steuerleitung Bereitschaftsschalter, MOSFETcontrol line Standby switch, MOSFET
SW1SW1
erster oder Hauptschalter, IGBTfirst or main switch, IGBT
SW2SW2
zweiter oder Teillastschalter oder Bereitschaftsschalter, MOSFETsecond or partial load switch or standby switch, MOSFET

Claims (13)

Schaltereinheit für ein Schaltnetzteil, mit: – einem Primärstrom-/-spannungseingangsbereich (PE), welcher zum Empfang eines Primärstroms und/oder einer Primärspannung ausgebildet ist, – einem Primärstrom-/-spannungsausgangsbereich (PA), welcher zur Ausgabe des Primärstroms und/oder der Primärspannung ausgebildet ist, und – einem ersten oder Hauptschalter (SW1) und einem zweiten, Teillast- oder Bereitschaftsschalter (SW2), welche zueinander parallel geschaltet und zur gesteuerten oder steuerbaren getakteten Übertragung des Primärstroms und/oder der Primärspannung vom Primärstrom-/-spannungseingangsbereich (PE) zum Primärstrom-/-spannungsausgangsbereich (PA) ausgebildet sind, – wobei der erste oder Hauptschalter (SW1) als IGBT ausgebildet ist, – wobei der zweite, Teillast- oder Bereitschaftsschalter (SW2) als MOSFET ausgebildet ist, – wobei der erste oder Hauptschalter (SW1) und der zweite, Teillast- oder Bereitschaftsschalter (SW2) in einem gemeinsamen Modul monolithisch integriert ausgebildet sind, – wobei der erste oder Hauptschalter (SW1) und der zweite, Teillast- oder Bereitschaftsschalter (SW2) als Feldstoppbauteil ausgebildet sind, – wobei der erste oder Hauptschalter (SW1) und der zweite, Teillast- oder Bereitschaftsschalter (SW2) als vertikale Bauteile ausgebildet sind und – wobei der Kollektoranschluss oder -ausgang (K1) des IGBT des ersten oder Hauptschalters (SW1) unterhalb der Gatebereiche des IGBT des ersten oder Hauptschalters (SW1) und des MOSFET des zweiten, Teillast- oder Bereitschaftsschalters (SW2) lateral bis in den Bereich des MOSFET des zweiten, Teillast- oder Bereitschaftsschalters (SW2) ausgebildet ist.Switch unit for a switching power supply, with: - one Primary current - / - voltage input range (PE), which for receiving a primary current and / or a primary voltage is trained, - one Primary current - / - voltage output range (PA), which is used to output the primary current and / or the primary voltage is trained, and - one first or main switch (SW1) and a second, partial load or Standby switch (SW2), which are connected in parallel and for controlled or controllable clocked transmission of the primary current and / or the primary voltage from the primary current / voltage input area (PE) to the primary current / voltage output range (PA) are formed, - in which the first or main switch (SW1) is designed as an IGBT, - in which the second, part-load or standby switch (SW2) as a MOSFET is trained, - in which the first or main switch (SW1) and the second, part load or Standby switch (SW2) in a common module monolithic are integrated, - where the first or main switch (SW1) and the second, part-load or standby switch (SW2) are designed as field stop component, - where the first or main switch (SW1) and the second, part-load or standby switch (SW2) are designed as vertical components and - in which the collector terminal or output (K1) of the IGBT of the first or Main switch (SW1) below the gate areas of the IGBT of the first or main switch (SW1) and the MOSFET of the second, part load or Standby switch (SW2) lateral to the area of the MOSFET of the second, part-load or standby switch (SW2) is. Schaltereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass der zweite, Teillast- oder Bereitschaftsschalter (SW2) eine geringe Leistungsaufnahme, Stromtragfähigkeit und/oder Verlustleistung besitzt, und zwar geringer als die des ersten oder Hauptschalters (SW1), und – dass der zweite, Teillast- oder Bereitschaftsschalter (SW2) eine geringe parasitäre Kapazität aufweist, und zwar geringer als die in dem ersten oder Hauptschalter (SW1).Switch unit according to Claim 1, characterized - that the second, part-load or standby (SW2) switch low Power consumption, current carrying capacity and / or power loss, and less than that of first or main switch (SW1), and - that the second, part-load or stand-by switch (SW2) has a low parasitic capacitance, less than that in the first or main switch (SW1). Schaltereinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste oder Hauptschalter (SW1) und der zweite, Teillast- oder Bereitschaftsschalter (SW2) jeweils einen Steuereingang (G1, G2) aufweisen, welche über getrennte Steueranschlüsse (SA1, SA2) oder über einen gemeinsamen Steueranschluss (SA) ansteuerbar sind.Switch unit according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the first or main switch (SW1) and the second, part-load or standby (SW2) each one Control input (G1, G2), which via separate control terminals (SA1, SA2) or over a common control terminal (SA) can be controlled. Schaltereinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, – dass ein gemeinsamer Steueranschluss (SA) vorgesehen ist und – dass der erste oder Hauptschalter (SW1) eine Einsatzspannung, Schaltspannung oder Schwellenspannung aufweist, welche größer ist als die Schaltspannung oder Schwellenspannung des zweiten, Teillast- oder Bereitschaftsschalters (SW2).Switch unit according to Claim 3, characterized - the existence common control connection (SA) is provided and - that the first or main switch (SW1) one threshold voltage, switching voltage or threshold voltage which is greater than the switching voltage or threshold voltage of the second, partial load or standby switch (SW2). Schaltereinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der MOSFET des zweiten, Teillast- oder Bereitschaftsschalters (SW2) eine Bodydiode (Z2) aufweist, welche als Freilaufdiode dient.Switch unit according to one of the preceding claims, characterized in that the MOSFET of the second, part-load or standby switch (SW2) has a body diode (Z2), which serves as a freewheeling diode. Schaltereinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste oder Hauptschalter (SW1) und der zweite, Teillast- oder Bereitschaftsschalter (SW2) mit dem Primärstrom-/-spannungseingangsbereich (PE) verbundene Eingangsanschlüsse oder Eingänge (E1; S2), nämlich einen Emitteranschluss oder -eingang (E1) bzw. einen Sourceanschluss oder -eingang (S2), aufweisen, welche miteinander verbunden oder als gemeinsame Anschlüsse ausgebildet sind oder welche voneinander getrennt ausgebildet sind.Switch unit according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the first or main switch (SW1) and the second, partial load or standby (SW2) switch with the primary current / voltage input range (PE) connected input terminals or inputs (E1, S2), namely one Emitter connection or input (E1) or a source connection or input (S2), which interconnected or as common connections are formed or which are formed separately from each other. Schaltereinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste oder Hauptschalter (SW1) und der zweite, Teillast- oder Bereitschaftsschalter (SW2) mit dem Primärstrom-/-spannungsausgangsbereich (PA) verbundene Ausgangsanschlüsse oder Ausgänge (K1; D2), nämlich den Kollektoranschluss oder -ausgang (K1) bzw. einen Drainanschluss oder -ausgang (D2), aufweisen, welche miteinander verbunden oder als gemeinsame Anschlüsse ausgebildet sind oder welche voneinander getrennt ausgebildet sind.Switch unit according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the first or main switch (SW1) and the second, part-load or standby (SW2) switch with the primary current / voltage output range (PA) connected output terminals or outputs (K1; D2), namely the Collector connection or output (K1) or a drain connection or output (D2), which are interconnected or as common connections are formed or which are formed separately from each other. Schaltereinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass der MOSFET des zweiten, Teillast- oder Bereitschaftsschalters (SW2) derart vom IGBT des ersten oder Hauptschalters (SW1) räumlich getrennt und/oder elektrisch isoliert ist, – dass dadurch der Einfluss des MOSFET des zweiten, Teillast- oder Bereitschaftsschalters (SW2) auf den IGBT des ersten oder Hauptschalters (SW1) und das Snap-Back-Verhalten reduziert sind.Switch unit according to one of the preceding claims, characterized in - that the MOSFET of the second, part-load or standby switch (SW2) thus spatially separated from the IGBT of the first or main switch (SW1) and / or is electrically isolated, - that by the influence the MOSFET of the second, part load or Standby switch (SW2) on the IGBT of the first or main switch (SW1) and the snap-back behavior is reduced. Schaltereinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur räumlichen Trennung und/oder zur elektrischen Isolierung des MOSFET des zweiten, Teillast- oder Bereitschaftsschalters (SW2) vom IGBT des ersten oder Hauptschalters (SW1) mindestens eine elektrisch inaktive Gatepadfläche (25, 26) vorgesehen ist.Switch unit according to claim 8, characterized in that for spatially separating and / or electrically isolating the MOSFET of the second, partial load or standby switch (SW2) from the IGBT of the first or main switch (SW1) at least one electrically inactive gate pad surface ( 25 . 26 ) is provided. Schaltereinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsanschlüsse oder Eingänge (E1; S2) des ersten oder Hauptschalters (SW1) und des zweiten, Teillast- oder Bereitschaftsschalters (SW2) mittels einer Durchkontaktierung (30) oder mittels eines Vias (30) geringer Ausdehnung miteinander elektrisch verbunden sind, und zwar aus Metall auf der Vorderseite (20a) eines Halbleitersubstratbereichs (20), wobei ein darunterliegendes Gebiet inaktiv ausgebildet ist.Switch unit according to one of the preceding claims, characterized in that the input terminals or inputs (E1; S2) of the first or main switch (SW1) and the second, partial load or standby switch (SW2) by means of a via ( 30 ) or by means of a vias ( 30 ) are electrically connected to each other, namely of metal on the front side ( 20a ) of a semiconductor substrate region ( 20 ), wherein an underlying area is formed inactive. Schaltereinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, – dass durch die Durchkontaktierung (30) oder durch den Via (30) ein ohmscher Widerstand derart definiert ist, – dass im Betrieb oder bei Stromfluss über die Schaltereinheit (S, 1) über diesen ohmschen Widerstand ein Spannungsabfall generierbar ist, über welchen die Stromflüsse durch den ersten oder Hauptschalter (SW1) und den zweiten, Teillast- oder Bereitschaftsschalter (SW2) ableitbar sind.Switch unit according to claim 10, characterized in that - through the plated-through hole ( 30 ) or through the Via ( 30 ) an ohmic resistance is defined in such a way that during operation or during current flow via the switch unit (S, 1) a voltage drop can be generated via this ohmic resistor, via which the current flows through the first or main switch (SW1) and the second, partial load or standby switch (SW2) are derivable. Schaltereinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass der erste oder Hauptschalter (SW1) und der zweite, Teillast- oder Bereitschaftsschalter (SW2) unterschiedliche Schaltspannungen, Einsatzspannungen oder Schwellenspannungen aufweisen und – dass die Schaltspannungen, Einsatzspannungen oder Schwellenspannungen über Dotierstoffkonzentrationen der Kanalbereiche des IGBT des ersten oder Hauptschalters (SW1) und des MOSFET des zweiten, Teillast- oder Bereitschaftsschalters (SW2) definiert und eingestellt sind.Switch unit according to one of the preceding claims, characterized in - that the first or main switch (SW1) and the second, part load or Standby switch (SW2) different switching voltages, threshold voltages or have threshold voltages and - that the switching voltages, Tension voltages or threshold voltages via dopant concentrations the channel areas of the IGBT of the first or main switch (SW1) and the MOSFET of the second, partial load or standby switch (SW2) are defined and set. Schaltereinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass rückseitig (20b) auf einem niedrig dotierten Halbleitersubstrat (20) des IGBT des ersten oder Hauptschalters (SW1) eine hochdotierte Halbleitermaterialschicht (21) ausgebildet ist, durch welche ein durch das niedrig dotierte Halbleitersubstrat (20) verlaufendes elektrisches Feld abblockbar oder abschirmbar ist.Switch unit according to one of the preceding claims, characterized in that the rear side ( 20b ) on a low-doped semiconductor substrate ( 20 ) of the IGBT of the first or main switch (SW1) a highly doped semiconductor material layer ( 21 ) is formed, through which a through the low-doped semiconductor substrate ( 20 ) extending electric field can be blocked or shielded.
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