DE19633920C1 - Leistungs-Halbleiterschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Leistungs-Halbleiterschalter mit einem Leistungs-MOSFET-Chip, der sourceseitig mit einer Last gekoppelt ist.

Intelligente Leistungs-Halbleiterschalter, insbesondere High­ side-Schalter, gelten inzwischen schon als Standard-Bauele­ mente in vielen Gebieten, wie z. B. der KFZ-Elektronik. Mit Hilfe einer Ladungspumpe wird bei einem derartigen Bauelement das Gate der Leistungs-MOSFET aufgeladen und eingeschaltet. Aus der EP 0 26 25 30 ist z. B. ein derartiger Leistungs-Halb­ leiterschalter bekannt. Dieses Dokument beschreibt einen Leistungs-MOSFET, der zusammen mit einer integrierten Steuer­ schaltung besonders platzsparend in einem Gehause unterge­ bracht ist. Dabei ist die Steuerschaltung in einem Halblei­ terkörper integriert, der elektrisch isoliert auf dem Halb­ leiterkörper des Leistungs-MOSFET befestigt ist.

Wie eingangs erwähnt, enthält eine derartige Ansteuerschal­ tung eine Ladungspumpe. Diese Ladungspumpe ist im allgemeinen jedoch sehr langsam. Für Anwendungen mit hoher Schaltge­ schwindigkeit reicht dieses Prinzip nicht aus. Für derartige Anwendungen, bei welchen eine hohe Schaltgeschwindigkeit notwendig ist, wird deshalb auf das sogenannte diskrete Bootstrap-Verfahren zurückgegriffen.

Dabei wird ein Kondensator, der zwischen Gate und Source des Leistungs-MOSFET geschaltet ist und über eine Diode mit der Versorgungsspannung aufgeladen wird, eingesetzt. Zwischen Gate und Kondensator liegt ein Schalter zur Ansteuerung des Leistungs-MOSFET. Der Kondensator wird im ausgeschalteten Zu­ stand des Schalters durch die Diode aufgeladen. Wenn der Schalter eingeschaltet wird, wird das Gate des Leistungs- MOSFET aufgeladen und eingeschaltet. Dadurch steigt das Aus­ gangspotential an. Der andere Pol des Kondensators steigt mit diesem Potential an und liefert ein höheres Potential an das Gate des Leistungs-MOSFET als die Batterie. Dies ist notwen­ dig, damit der Leistungs-MOSFET durchgeschaltet wird und die Verlustleistung des Leistungs-MOSFET minimiert wird. Bei ei­ nem Verfahren zur Herstellung eines Selbstisolierenden intel­ ligenten Leistungs-MOSFET ist die freie Verschaltbarkeit sehr begrenzt. So ist das Substrat zugleich das Drain des Leistungs-MOSFET und von allen PMOS-Transistoren. Kein PMOS- Transistor kann die Aufgabe des zuvor genannten Schalters übernehmen, da sonst die Source-Bulk-Diode leitend wird.

Aus der GB 2 291 743 A ist ein Leistungs-Halbleiter­ schalter mit einer Bootstrap-Schaltung bekannt, bei der im Ansteuerkreis ein extern beschaltbarer diskreter Bootstrap- Kondensator, ein Transistor, der mit seiner Laststrecke in der Gateansteuerzuleitung des Leistungs-MOSFET liegt, und eine Diode vorgesehen sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Leistungs-Halbleiterschalter anzugeben, der ein einfach her­ zustellen ist und eine hohe Schaltgeschwindigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind Kennzeichen der Un­ teransprüche.

Durch Verwenden der sogenannten Chip-On-Chip-Technologie kann der Schalttransistor und die Diode so auf dem Ansteuerchip integriert werden, daß der Knoten zwischen Diode und Schal­ ter/Kondensator durch das Substrat des Ansteuerchips gebildet wird.

In einer Weiterbildung kann vorteilhafterweise auf dem An­ steuerchip zusätzlich eine Ladungspumpe, welche durch eine zusätzliche Diode mit der Versorgungsspannungsquelle verbun­ den ist, mitintegriert werden.

Des weiteren können vorteilhafterweise zusätzliche Schutz­ schaltungen, wie Temperaturschutz, Überlastschutz auf dem An­ steuerchip mitintegriert werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Ansteuerchip thermisch mit dem Leistungs-Halbleiterchip verbunden ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Figuren näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung eines Leistungs-Halbleiterschalter und

Fig. 2 beispielhafte Ausführungsformen für den Schalter 7, und die Dioden 8 und 9 gemäß Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 besteht der Leistungs-Halbleiterschalter aus zwei Halbleiterchips A und B sowie den extern zu beschalten­ den Kondensator 5, die Last 3 und die Versorgungsspannungs­ quelle 1. Die Versorgungsspannungsquelle 1 ist mit dem Drain- Anschluß des Leistungs-Halbleiters 2 verbunden. Dessen Sour­ ceanschluß ist über eine Last 3 mit Masse verschaltet. Der Ansteuerchip A enthält eine erste Diode 8, deren Anode mit der Versorgungsspannungsquelle und deren Katode zum einen mit einem externen Anschluß für die Kapazität 5 und zum anderen mit dem Sourceanschluß eines weiteren MOSFET 7 verbunden ist. Des weiteren ist eine zweite Diode 9 vorgesehen, deren Anode mit der Versorgungsspannungsquelle und deren Katode mit einer integrierten Schaltung 4a, 4b, 4c verbunden ist. Die inte­ grierte Schaltung besteht z. B. aus einem Logik-Schaltungs­ teil 4a, einer Ladungspumpe 4b und einem Ausschaltteil 4c. Die Logikschaltung kann selbstverständlich noch zusätzliche Schutzschaltungen, wie z. B. Temperaturschutz und/oder Über­ lastschutz und dergleichen aufweisen. Eine Eingangsklemme 6 ist vorgesehen, an der ein Ansteuersignal anlegbar ist, wel­ ches mit der integrierten Schaltung verbunden ist. Die inte­ grierte Schaltung ist des weiteren mit Masse verschaltet und erzeugt ein Ausgangssignal, welches dem Gateanschluß des MOSFET 7 zugeführt wird. Der Drainanschluß des MOSFET 7 ist mit dem Gateanschluß des Leistungs-MOSFET 2 verbunden. Schließlich werden die Gate- und Sourceanschlüsse des Leistungs-MOSFET 2 mit der integrierten Schaltung verbunden.

Der nach der 2-Chip-Technologie aufgebaute Leistungs-Halblei­ terschalter arbeitet aus einer Kombination von Bootstrap- Prinzip und Ladungspumpe.

In Fig. 2 sind die wesentlichen Elemente, nämlich die Diode 8, MOSFET 7 und die Diode 9 in einer möglichen Realisierung auf dem Ansteuerchip dargestellt. Das Substrat 10 ist n⁺-do­ tiert und mit einem Anschluß Sub kontaktiert. Dieses Substrat 10 bildet den Knotenpunkt der Reihenschaltung aus Diode 8 und MOSFET 7, d. h. zwischen Katode der Diode 8 und Source des MOSFET 7. Dadurch kann ein PMOS-Transistor 7 gemäß Fig. 2 gebildet werden. Dieser wird durch zwei p⁺-dotierte Gebiete 13a und 13b gebildet, welche sich von der Oberfläche einer n^-- dotierten Epitaxieschicht 11, welche auf dem Substrat 10 aufgebracht ist, erstrecken. Über der Epitaxieschicht 11 und zwischen den beiden p⁺-Gebieten 13a und 13b ist das Gate 14 des PMOS-Transistors angeordnet. Das Source 13b ist über ein n⁺-Gebiet 12 mit der Epitaxieschicht und damit dem Substrat verbunden. Der durch das Gebiet 13a gebildete Drainbereich wird über nicht dargestellte Bonddrähte mit dem Gate des Leistungs-Halbleiters 2 verbunden. Der Gateanschluß wird mit der nicht dargestellten integrierten Schaltung, welche auf dem gleichen Chip realisiert wird, kontaktiert. Je größer dieser Transistor 7 ausgebildet wird, desto schneller kann das Gate des Transistors 2, 14 aufgeladen werden. Mit einem p­ dotierten Gebiet 15 kann auf einfache Weise die Diode 8 ge­ bildet werden, welche anodenseitig mit der Versorgungsspan­ nungsquelle verbindbar ist. An den Substratanschluß Sub wird extern der Bootstrap-Kondensator 5 angeschlossen. Die Reali­ sierung der Diode 9 ist auf der rechten Seite der Fig. 2 dargestellt. Diese Diode kann als MOS-Diode auf einfache leise durch ein in die Epitaxieschicht 11 eingebrachte p-do­ tierte Zone 16 ausgebildet werden, innerhalb der n⁺-dotierte Bereich 17 und 18 eingebracht sind. Der Bereich 17 wird dann mit dem p-Gebiet 16 kontaktiert und extern mit der Versor­ gungsspannungsquelle verbunden. Das zweite n⁺-dotierte Gebiet 18 wird mit der integrierten Schaltung verbunden.

Im Gleichspannungsbetrieb kann der Kondensator 5 in einer reinen Bootstrap-Schaltung entladen werden. Daher ist die Hinzufügung einer Ladungspumpe 4b, wie zuvor beschrieben, sinnvoll. Die Versorgung der Ladungspumpe und anderer inte­ grierter Schaltungsteile erfolgt über die MOS-Diode 9. Diese MOS-Diode 9 kann auch als pn-Diode realisiert werden. Wesent­ lich ist, daß das Potential der Katode, d. h. im Beispiel der Fig. 2 des Gebiets 18, tiefer sein muß als das des Substrats 10. Dadurch wird die Aktivierung der Source-Bulk-Diode der PMOS-Transistoren 7 in der mit der Diode 9 versorgten Schal­ tung vermieden.

Der Aufbau des erfindungsgemäßen Leistungs-Halbleiterschal­ ters erlaubt zum ersten Mal, daß intelligente Highside-Schal­ ter mit sehr hohen Frequenzen betrieben werden können. So ist ein Pulsweitenmodulations-Betrieb mit Überschallfrequenz mög­ lich. Ebenso wird ein Betrieb mit einem Tastverhältnis bis zu 100%, d. h. mit permanent durchgeschalteten Leistungs-Halb­ leitern, möglich.

Diese Schaltung kann mit einem einfachen selbstisolierenden Prozeß realisiert werden und natürlich auch mit einem Prozeß mit besserer Isolation wie Junctionisolation oder DJ.

Claims (8)

1. Leistungs-Halbleiterschalter mit einem einen Leitstungs- Halbleiter MOSFET aufweisenden Leistungs- Chip (B), der sourceseitig mit einer Last (3) gekoppelt ist, und einem Ansteuerchip (A) zur Erzeugung eines Ansteuersig­ nals für den Leistungs-Halbleiter-MOSFET (2), mit einem extern beschalt­ baren diskreten Kondensator (5), der einerseits mit dem Sour­ ceanschluß des Leistungs-Halbleiter-MOSFET (2) und anderer­ seits über die Laststrecke eines Transistors (7) mit dem Ga­ teanschluß des Leistungs-Halbleiter-MOSFET (2) verbunden ist, mit einer Diode (8), deren Anode mit dem Drain des Leistungs-Halbleiter-MOSFET (2) und deren Katode mit dem Kno­ tenpunkt der Reihenschaltung aus Transistor (7) und Kondensa­ tor (S) verbunden ist, wobei der Transistor (7) und die Diode (8) auf dem Ansteuerchip (A) integriert sind und der Knotenpunkt der Reihenschaltung von Transistor (7) und Diode (8) durch das Substrat des Ansteuerchips (A) gebildet wird.

2. Leistungs-Halbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der An­ steuerchip (A) eine integrierte Schaltung (4a, 4b, 4c) ent­ hält, die über eine weitere Diode (9) mit der Versorgungs­ spannungsquelle (1) verbunden ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die inte­ grierte Schaltung eine Ladungspumpe (4b) enthält.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die inte­ grierte Schaltung eine Temperaturschutzschaltung enthält.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der An­ steuerchip (A) und der Leistungs-MOSFET-Chip (B) thermisch gekoppelt sind.

6. Leistungs-Halbleiterschalter nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die inte­ grierte Schaltung eine Überlastschutzschaltung enthält.

7. Leistungs-Halbleiterschalter nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wei­ tere Diode (9) als MOS-Diode ausgebildet ist und die übrige IC-Schaltung (4a, 4b, 4c) versorgt.

8. Leistungs-Halbleiterschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Tran­ sistor (7) ein PMOS-Transistor ist.