DE2401701C3 - Transistorleistungsschalter - Google Patents

Transistorleistungsschalter

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DE2401701C3 DE2401701A DE2401701A DE2401701C3 DE 2401701 C3 DE2401701 C3 DE 2401701C3 DE 2401701 A DE2401701 A DE 2401701A DE 2401701 A DE2401701 A DE 2401701A DE 2401701 C3 DE2401701 C3 DE 2401701C3
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Helmut Dipl.-Ing. 7410 Reutlingen Keller
Karl 7413 Gomaringen Nagel
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Description

»5
Die Erfindung betrifft einen zum Schalten einer Last dienenden, einen Treiben;<;.isistor und einen 1 >·■ "mgMransistor enthaltenden Trarr-i'-torlcistiiniisschalter. bei dem der kollektor des Trei1"' '·■·.:.'■;·iMors über einen ersten Widerstand mit dem einen Pol der Betriebsspannung und die F.mitter der beiden Transistoren gemeinsam mit dem anderen Pol der Betriebsspannung verbunden sind und hei dem die Basis des Lei-Uin>:sir,insistors mit dem Kollektor des Treibertransisior- verbunden ist.
Fs sjnd bereits '[ ransi^tnrleistunüsschalter dieser .Art bekanntgew. irden, bei denen die Basis des Lcistungstransisi,.r<. mü dem Roilektor lies Treihcrtransist(iri:al·. ani^Ji verbunden ist (DF-OS 22<)O3(>5. DL-AN 1 ~ 3S 32 2). Derartige Transistorleistungsschalter weisen im eingeschalteten Zustand und im ausgeschalteten Zustand voneinander abweichende Verlustleistungen aul. Werden solche TrapsMnrleisUinüsschalter nun mit iintersehiedlichem Tastverhiiltnis betrieben (wobei unter Tastverhältnis das Verhältnis von Linschallclauer /11 Perindeiidauer zu verstellen ist), wie /um Beispiel im Spannungsregler einer Lichtmaschine, so sehwankt die mittlere Verlustleistung entsprechend dem sich ändernden Tastverhältnis. Enthält die Schaltung, zu der tier Transjstc^leistungsschalter gehört, temperaturabhängige. Funktionen, so werden diese vom Tastverhältnis abhängig, cn sei denn, es gelingt, den Trunsistorleistunssschalter von der übrigen Schaltuna thermisch zu entkoppeln. Die thermische F.ntkopplung führt unter Umständen schon bei konventionellem Aufbau der Schaltungen mit diskreten Komponenten zu aufwendigen Konstruktionen, ist bei hybrid integriertem Aufbau noch schwieriger und bei monolithischer Integration der Gesamtschaltune nahezu unmöglich.
Der Erfindung lieet die Aufgabe zugrunde, einen Tr'inMMorici-üjn^sscha'ier der eingangs genannten An /■; entwickeln, in welchem die umgesetzte Veriustiei-itunc unter Berücksichtiaune der üblichen SireiiüP-' der P; PTvter <1ct Bauelemente mindestens in einer rpiii'en Näheruno unabhängig vom Tast-F.rfiiulimgsgeniiiß ist diese Aufgabe dadurch gelöst. d:il.i in die Veibindtmgsleitting zwischen der Basis iles l.eistungslransisiors und dem Kollektor lies Treibertransistors ein /weiter Widersland geschaltet ist. dall ferner die Summe der beiden Widerstände so gewählt ist. daß bei gesperrtem Treibertniiisistoi der auf die Basis ties Leislungstransistors fließende Strom diesen in allen vorkommenden Betriebs/usländen im Bereich der Sättigung hält, wobei der erste Widerstand so dimensioniert ist. daß bei eingeschaltetem Treibertransistor die Summe der in diesem Widerstund und im Kollektor-Emitter-kreis des Treihertransistors umgesetzten Verlustleistungen gleich beziehuimsweise ungefähr gleich ist der Summe der Verlustleistungen, die bei gesperrtem Treibertransistor in den beiden Widerständen und im Leistungstransistor auftreten.
Besteht die durch den Transistorleistungsschalter zu schaltende Last aus einem ohirschen Widerstand, so wird durch diese Maßnahme erreicht, daß die in dem Transistorlcistungssehalter umgesetzte Verlustleistung völlig bzw. unter Berücksichtigung der üblichen Streuung der Parameter der Bauelemente nahezu völlig unabhängig vom Tastverhältnis wird. Besteht die durch den Transistorleistungsschaltcr zu schaltende Last dagegen aus einer mittels einer Freilaufdiode geklammerten Induktivität, so läßt sich durch diese Maßnahme nur erreichen, daß d'c '" J.em Transistoi leistungsschalter umgesetzte Verlustleistung in einer nullten Näherung unabhängig vom Tastverhältnis wird, da in diesem Falle die Amplitude de? gctaktcten Stroms vom Tastvcrhaltn··. r-Hiängig ist. Aus dieser nullten Näherung läßt sich in Weiterbildung der Erfindung eine erste Näherung dadurch erreichen, daß die in der Freilaufdiouc umgesetzte Verlustleistung mit in die Energiebilanz einbez.ogen wird.
Enthält der Steuerkreis des Treibertransistors einen zum Treibertransistor komplementären Transistor, sr ist auch die im Steuerkreis des Treibertransistors umgesetzte Velustleistung mit in die Energiebilanz einzubeziehcn, derart, daß der Kollektorwiderstand de? Treibertransistors so dimensioniert wird, daß bei cineeschaltetem Treibertransistor die Summe der in diesem Widerstand und im Kollektor-Emitter-Kreis de? Treibertransistors umgesetzten Verlustleistung einschließlich der im Steuerkreis des Treibertransiston umgesetzten Verlustleistung gleich bzw. ungefähi gleich ist der Summe der Verlustleistungen, die he eesperrtem Treibertransistor in den beiden Widerständen und im Leistungstransistor auftritt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann dei Leistungstransistor als Darlingtontransistor ausgebildet sein, was insbesondere in Schaltungen, die füi hohe Betriebsspannungen ausgelegt sind, von Vorteil ist.
An Hand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 den Schaltplan eines zt.n Schalten einer Last dienenden Transistorleistungsschalters gemäß der Erfindung,
Fig. 2 einen Schnitt durch eine monolithisch integrierte Struktur einer Schaltuns; nach Fig. 1,
F i e. 3 eine Draufsicht auf die Anordnung nach F i g. 2.
F i g. 4 die Schaltung eines Leistungstransistors in einer MultbeHenanordrumti,
Fig. 5 einen Schnitt durch eine monolithisch integrierte Struktur einer Schaltung nach Fig. 1, in dei
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der zweite Widerstand durch die LcitschichtdifTusion gebildet ist,
F i g. 6 eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 5,
F i g. 7 einen Schnitt durch eine monolithisch integrierte Struktur einer Schaltung nach Fig. I, in der dererstc Widerstand durch die I .eitschiclitdilfusion und der z'v-ilc Widerstand durch die Basisdiflusion gebildet ist,
Fig. 8 eine Draufsicht auf die Anordnung nach F i g. 7,
Fig. (* eine Draufsicht auf eine monolithisch integrierte Struktur einer Schaltung nach Fig. I. in der der TreibrrtransiMor senkrecht /u dem in einer Multizellcnslruktur ausgeführten I eistimgsiraiisistor angeordnet ist,
Fig. 10 einen Treibertransistor in einer Kettenschaltung aus zwei Transistoren.
F" i n. Il rim· ;in\ zwei Transistoren bestellende, gegenüber Fig. 10 abgewandelte Kettenschaltung für einen Treiber!ransistor,
I- i g. 12 Linen auf einen I leader montierten Chip, der einen Transistorleistungsspeicher gemäß der Frfindung enthält,
Fig. 13 die mechanische Ausführung eines Spannungsreglers für eine Lichtmaschine mit einem Transistorlcistungssehaltcr ohne integrierte Frcilaufdiode als Anwendiingsbeispici.
Fig. 14 ein gleichartiges Anwendungsbeispiel wie das der F i g. I 3, jedoch mit monolithisch integrierter FreilcT-fdiode,
Fig. 15 die Struktur einer monolithisch integrierten Frcilaufdiode.
Fig. I zeigt einen Transistorlcistungsschalter zusammen mit der durch ihn zu schaltenden Last. Mit 1 ist der Treibertransistor, mit 2 der Lcistungstransistor bezeichnet. R1 ist der Kollcktorwidcrstand des Treibertransistors 1 und R., der Widerstand zwischen dem Kollektor des Treibertransistors 1 und der Basis des Leistungstransistors 2. Mit R, L ist die durch den Transistorlcistungsschalter zu schaltende Last bezeichnet, wobei R den Lastwiderstand und L, falls vorhanden, seine Induktivität bedeutet. Ferner ist Rt der Kollektorbahnwiderstand und H2 das innere KoI-Icktor-Emitier-Potcntial des Leislungstransistors 2 sowie D die Frcilaufdiode mit ihrem inneren Potential H3 und ihrem Bahnwiderstand Rr Mit /,, ist der Strom durch R1 und /?., bezeichnet, wenn der Treibertransistor 1 stromlos ist, mit Z12 der Strom durch R1, wenn der Treibertransistor 1 leitfähig ist; ferner ist Z2 der Kollektorstrom des Leistungstransistors 2 im ständig eingeschalteten Fall und Z:1 der Strom durch die Freilaufdiode; U1 ist die Betriebsspannung.
Bei einer vorwiegend induktiven Last übernimmt die Freilaufdiode D den Strom /.„ sobald der Leistungstransistor 2 ausgeschaltet wird. Bezeichnet man mit m das Tastverhältnis, also das Verhältnis von Einschaltdauer zu Periodendauer, so ist
Besteht die Last im Kollektorkreis des Leistungs-Iransistors2 aus einem rein ohmschen Widerstand, so tritt an die Stelle der Beziehung N, von Gleichung (3) die in Gleichung (4) wiedergegebene Beziehung
NR '(K2I2 I-R4I,*)- m.
Wird die Freilaufdiode nicht mit in die Betrachtung cinbczogen, so ist in Gleichung (3) i/, und R3 ίο -■-() zu setzen. Gleichung (3) geht damit über in Gleichung (3 a)
N1 - R4 /,,-' hi* I U212 Hi=. (3 a)
Die Parameter sind nun so zu wählen, daß die Summe aus der im Steuerkrcis umgesetzten und der im Lastkreis umgesetzten Verlustleistung möglichst konstant bleibt. L:s gilt somit die Beziehung (5) bzw. (5 a):
' W1. «const.
f ^k - const.
(5 a)
Die inneren Potentiale ii.„ i/., des Leistungstransistors 2 bzw. der Diode D können für diese Nähc-2j rungsbetrachtung ohne weiteres als vom Strom !<, unabhängig betrachtet werden.
Der Erfolg einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung im Vergleich zu einer üblichen Darlingtonschaltung sei an einem Beispiel erläutert. Für das bcschriebenc Modell seien folgende Werte angenommen:
U1 = 14V
L'., --- 0.2 V
Z2 = SA
Rt = 70 mil
Z11 = 0,2 A
D2
D3
h = V
(1)
Mit Gleichung (I) ergeben sich aus Fig. 1 die mittleren Verlustleistungen für den Steuerkreis N^1 und für den Lastkreis N1 zu (2) bzw. (3):
NL =
A - R3) ■
τ [(«., — U3) — R3 Λ,] · /„ m2 -f- H3 /., in.
Diode LZ3 0,8 V 0,8 V 0,7 V
Diode R1 0,1 0,07 0,07
Vergleiche Darlington: U2= 1,2V = const.
In der Regel wird es nicht sinnvoll sein, die mittlere Gesamtvcrlustleistung N als Funktion des Tastverhältnisses m möglichst wenig um einen Mittelwert schwanken zu lassen, da für die Temperaturschwankung die Differenz zwischen der maximal und der minimal auftretenden Verlustleistung maßgebend ist. Der Strom Z12 läßt sich deshalb leicht bestimmen aus den Gleichungen (2) und (3), indem man NSI für m = 0 gleichsetzt N1 für m — 1 und dem so erhaltenen Strom I11 hinzufügt. Die Schwankung der Verlustleistung als Funktion des Tastverhältnisses ließe sich zwar minimieren durch geeignete Wahl der Diodenparameter, doch dürfte dieser Aufwand kaum gerechtfertigt sein. Um die Abhängigkeit von den Diodenparametern aufzuzeigen, sind drei verschiedene Dioden D,, D2, D3 angesetzt worden.
Aus Gleichung (6)
ergibt sich für den Steuerstrom bei eingeschaltetem Treibertransistor 1 Z12 = 0,4 A.
In Tabelle 1 ist die mittlere Verlustleistung in Abhängigkeit vom Tastverhältnis m zusammengestellt für eine übliche Darlingtonschaltung und vier Anordnungen gemäß der der Erfindung, und zwar einmal ohne Einbeziehung der Freilaufdiode D und zum anderen unter Einbeziehung der Freilaufdiode mit verschiedenen Parametern.
24 O!
9 10
Tabelle 1
Miniere Verlustleistung in Wall in Abhängigkeit vom Tastverhältnis m für eine Darlingtonschaltung und Schaltungen gemäß der Erfindung mit induktiver Last.
Schaltung Tastverhältnis m 0,2 0,4 0,6 3.84 1
0 0.24 0,<>6 2,16 4.") 6
Darlington 0 5,1 4,75 4.7 5,9 5,55
Erfindung ohne Diode 5,6 5,8 6.Π 6,0 5,8 5,55
Erfindung mit D1 5,6 5,8 5,l> 5.9 5.7 5,55
Erfindung mit D1, 5,6 5.7 5,S 5.8 5,55
Erfindung mit D1 5,6
Für diese Anordnungen ist in Tabelle 2 die als Fehler wirksame, maximal auftretende Vcrlustlci· stungsdifTercnz zusammengestellt. Wie man sieht, geht die beim Darlington auftretende Schwankung von 6 W durch die Anwendung der Erfindung bereits ohne Einbeziehung der Freihiufdiode auf 0,9 W, also auf 15°'o zurück. Mit Frcilaufdiode betrügt die Schwankung der Verlustleistung sogar nur noch 0.25 bis 0,45 VV.
Tabelle 2
Maximale Schwankung der mittleren Verlustleistung im Bereich des Tastverhältnisses zwischen m — 0 und wi — 1 für eine Darlingtonschaltung und Schaltungen gemäß der Erfindung bei induktiver Last.
Schaltung
max. Fehler
Darlington
Erfindung ohne Diode
Erfindung mit D1
Erfindung mit D.,
Erfindung mit D1
6 W 0,9 W
0,45 W
0,35 VV
0,25 VV
35
40
Weisen die Parameter Fertigungsstreuungen auf, so wird der Fehler selbstverständlich größer. In Tabelle 3 ist dieser Fehler für drei verschiedene Strompaarungen Z11, /,., wiedergegeben. Wie man sieht verdoppelt sich der Fehler, wenn die Widerstände bzw. die Ströme um ± 15 0Zo schwanken. Der Vorteil gegenüber der Darlingtonschaltung ist aber immer noch beachtlich.
Tabelle 3
Maximal auftretende Fehler bei Schwankungen der Ströme /n, Z1, um ± 15°/o bzw. entsprechender Schwankungen der Widerstände R1, R2.
Ströme
max. Fehler
/n = 0,2A, Z12 = 0,4 A
/n =0,2 A, Z12 = 0,35 A
/..=0,15 A, /,, = 0,3 A
0,35 W
0,72 W
0,72 W
55
60
Werden diese Schaltungen in Dick- oder Dünnschichttechnik bzw. konventionell mit gedruckten Leiterplatten hergestellt, so können die Parameter wenigstens teilweise ausgeglichen bzw. recht genau eingehalten werden. In diesen Fällen kann es angebracht sein, auch noch die Verlustleistung des Ansteuerkreises für den Treibertransistor 1 mit zu betrachten. Dies dürfte dem Fachmann nach dem hier gesagten keine Schwierigkeiten bereiten.
In der Struktur nach den F i g. 2 und 3 ist links der Treibertransistor 1 und rechts der Leistungstransistor 2 angeordnet, wobei die Achsen der strcilentormiecn Elektroden senkrecht zueinander stehen, was bei einer Multizellcnstruktur des Leistungstransistors 2 eine besonders günstige, platzsparende Anordnung ergibt. Es ist 90 das Substrat. 91 die darauf abgeschiedene epitaxiale Schicht, 92 die Isolierungsdiffusion, 93 eine isolierende Deckschicht, 94 eine sogenannte Kollcktoranschlußdiffusion, die in diesem Beispiel eine niederohmige Verbindung herstellt zwischen der Leitschicht /^1 und dem aus einem Metall, wie etwa Aluminium, bestehenden Anschlußkontakt 96 des Kollektors des Treibertransistors 1: ferner ist 95 die Verbindungsleitung von dem durch die Basisdiffusion gebildeten Widerstand R., zu der Basis B 2 des Leistungstransistors 2, 97 die Verbindungsleitung der Teilkollektoren C 21, C 22, C2/i des Leistungstransistors 2 und 98, 99 die beiden Anschlußfenster des Widerstands Rr
In der Multizellenstruktur nach F i g. 4 ist der Leistungstransistor 2 aufgespalten in die Teiltransistoren 21, 22, 23 ... 2/1, ebenso der Widerstand R2 in 41, 42, 43... 4 n. wobei jeder Teüwiderstand den /1-fachen Wert des Widerstandes R., aufweist. Bei einer Dimensionierung des Widerstandes R2 gemäß der Erfindung ist der Spannungsabfall in den Teilwiderständen so groß, daß die Stromverteilung auf die einzelnen Zellen stabil bleibt, sofern der Leistungstransistor 2 mit seinen Teiltransistoren 21... 2« in dem Bereich der Emitterstromdichte betrieben wird, in welchem die Stromverstärkung mit zunehmendem Kollektorstrom abnimmt. Es sind deshalb keine Symmetrie- und Stabilisierungswiderstände in den einzelnen Zuleitungen zu den Emittern der Teiltransistoren 21, 22 ... 2n erforderlich.
In den F i g. 5 und 6 ist der Widerstand R2 bzw. sind die Teilwiderstände 41... mittels der Leitschichtdiffusion hergestellt; 100 ist hier der mittels der Kollektorschlußdiffusion hergestellte Kontakt zwischen dem basisseitigen Ende des Widerstands R2 und der Verbindungsleitung 95 zur Basis B 2 des Leistungstransistors 2. Die übrigen Bezeichnungen stimmen mit denen der F i g. 2 und 3 überein.
Um Fläche zu sparen, ist es besonders zweckmäßig, die Widerstände R1 und R0 in zwei Ebenen übereinander anzuordnen. Die F i g. 7 und 8 zeigen eine Anordnung, in der der Widerstand R1 durch die Leitschichtdiffusion und der Widerstand R2 durch die Basisdiffusion gebildet ist.
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Der Widerstand R1 weist die höchste Leistungsdichte auf. Um die Kristallflächc besser zu nutzen, kann es deshalb zweckmäßig sein, auch diesen Widerstand in mindestens zwei Teilwiderständc aufzuspalten, wobei diese Teilwiderstände 31, 32, 33, . . . 3m parallel und/oder in Reihe geschallet sein können; auch kann es zweckmäßig sein, die Teilwiderstände aus, unterschiedlichen Diffusionszonen zu bilden.
Darüber hinaus ist die Multizellcnstruktur des Leistungstransistors 2 angedeutet. Die Verbindung zwischen dem spannungsseitigen Ende des Widerstands Rt und der zur Betriebsspannung führenden Leitung 102 wird durch das Element 101. das mittels der KollektoranschlußdiiTusion erzeugt ist, hergestellt.
Bei Anordnungen für größere Ströme ist es vorteilhaft, wie in F i g. 9 spiegelbildlich zum Treibertransistor 1 eine zweite Multizellcngruppc des Lcistupgstransistors 2 anzuordnen.
Kristalltempeiaturen sicher zu sperren, muß der Trcibertransistot 1 eine hinreichend niedrige Sättigungsspannung haben. Diese Bedingung läßt sich besonders einfach dadurch erreichen, daß der Treibertransistor 1 in Form einer Kettenschaltung ausgebildet wird. In dem dazugehörigen Schaltbild nach Fig. 10 sind 11 und 12 die den Treibertransistor 1 bildenden Transistoren. Der Kollektorwiderstand R1 des Treibertransistors 1 ist jetzt in zwei Teilwiderstände aufgespalten, einen größeren Ante;1 3a und einen niederohmigcren Anteil 3b. Die zwischen den Basen ßll und B 12 und dem Basisanschluß Bl liegenden Widerstände 61 und 62 dienen dazu, die beiden Basisströme Ζ,,,, und /„,., sicher zu beherrschen.
1 ine weitere Möglichkeit für die Kettenschaltung des Treibertransistors 1 ist in F i g. 11 dargestellt. Dot sind die Transistoren 11 und 12 als Emitterfolger geschaltet, d. h., der Emitter £11 ist mit der Basis BiI verbunden. Der Widerstand 63 dient als Basis-Ablekwiderstand.
Der großflächige Chip wird zweckmäßigerweise auf den Header mit leitfähigem Klebstoff aufgeklebt. Dabei läßt sich gleich die Verbindung zwischen dem Header und den an Massepotential liegenden Teilen der gesamten integrierten Schaltung, wie etwa El, El und andere nicht dargestellte Elemente, herstellen. In Fig. 12 ist 80 der Header, 82 der Chip, 83 der Klebstoff und 84 die Metallisierung der an Massepotential liegenden Teile.
Als Anwendungsbeispiel zeigt Fig. 13 den mechanischen Aufbau eines Spannungsreglers für eine Lichtmaschine. Der Header 80 bildet gleich den Träger für die gesamte Konstruktion. Auf ihn ist mit leitfähigem Klebstoff 83 der Chip 82, der die Steuerschaltung in Verbindung mit einem Transistorleistungsschalter gemäß der Erfindung enthält, aufgeklebt; mit 74 sind die in den Header 80 vakuumdicht ein geschmolzenen Anschlüsse der integrierten Schaltung bezeichnet, die über die Bonddrähte 75 mit den nicht bezeichneten Anschlußfleckcn des Chips 82 verbunden sind; 76 sind die beiden Bürsten, über die die Schleifringe des Ankers angeschlossen werden und die mittels des Bürstenhalters 77 gehalten werden; 71 sind Bcfcstigungsnictcn, 72 Isolierstückc und 73 eine Kontaktfeder für die Zuführung der Betriebsspannuiig. Die elektrische Schaltung kann durch weitere elektrische Bauelemente ergänzt sein; so ist 50 eine Frcilniifcliodc parallel zur Wicklung des Erregerfeldes und 51 ein Kondensator.
Fig. 14 stellt dasselbe Anwendungsbeispiel dar.
Hier ist jedoch die Frcilaufdiodc 50 monolithisch integriert und der Kondensator 51 mit im hermetisch dichten Gehäuse untergebracht. Der ganze Regier besitzt nur noch zwei isolierte Durchführungen für die Anschlüsse der positiven Betriebsspannung und CiCS CrrCgcrfcldcS. Dei! mdä-iütiitSCiriüu uiiuci wicuci das Gehäuse.
Fig. 15 /.cigt die Struktur einer monolithisch integrierten Freilaufdiodc. In das Substrat 105 ist die vergrabene Leitschicht 106 cindifiundiert und dariilirr
3$ die Epitaxie 107 abgeschieden worden. Danach wurde die Isolierdiffusion 108 und teilweise mit ihr zusammen eine tiefe Anschlußdiffusion 109 eingetrieben. Die ebenfalls eindiffundicrte Zone UO bildet normalerweise die Basis der Transistoren; hier ist sie die eine Elektrode der Freilaufdiode D. Die andere Elektrode wird durch die epitaktische Schicht 107, die Leitschicht 106 und die AnschlußdifTusion 109 gebildet. Entscheidend für die Funktion ist, daß die tiefe AnschlußdifTusion die Diode ringförmig umgibt und sicher auf der vergrabenen Leitschicht 106 aufsitzt. Wird diese Diode nämlich in Durchlaßrichtung betrieben, so bildet die Elektrode 110 den Emitter, die andere Elektrode 106, 107 und 109 die Basis und das Substrat 105 den Kollektor eines parasitären Transistors. An diesem Transistor liegt die volle Betriebsspannung. Schon bei kleinen Kollektorströmen würde sich eine große Verlustleistung ergeben. Es muß deshalb sicher vermieden werden, daß Minoritätsladungsträger aus der epitaktischen Sehr ht 106 in den durch das Substrat 105 gebildeten Kollektorraum gelangen. Dies wird durch die hochdotierte AnschlußdifTusion 109 erreicht, sofern diese, wie in der Zeichnung dargestellt, die andere Elektrode 110 ringförmig umgibt, da die Minoritätsladungsträger in den hochdotierten Zonen 106, 108 rekombinieren.
Der hier mit npn-Transistoren ausgeführte Transistorleistungsschalter läßt sich auch mit pnp-Transistoren ausführen. Bei monolithisch integrierter Bauweise sind die Strukturen komplementär; Spannungen und Ströme haben die umgekehrte Polarität bzw. Richtung.
Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (30)

Patentansprüche:
1. Zum Schalten einer Last dienender, einen Treibertransistor (1) und einen Leistungstransistor (2) enthaltender Transistorleistungsschalter, bei dem der Kollektor des Treibertransistors (1) über einen ersten Widerstand (R1) mit dem einen Pol der Betriebsspannung und die Emitter der beiden Transistoren (1, 2) gemeinsam mit dem anderen Pol der Betriebsspannung verbunden sind und bei dem die Basis des Leistungstransistors (2) mit dem Kollektor des Treibertransistors (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verbindungsleitung zwischen der Basis des Leistungstransistors (2) und dem Kollektor des Treibertransistors (1) ein zweiter Widerstand (R.,) geschaltet ist, daß ferner die Summe der beiden Widerstände (R1, R.,) so gewählt ist, daß bei gesperrtem Treibertransistor (1) der auf die Basis des Leistungstransistors (2) fließende Strom diesen in allen vorkommenden Betriebszusiänden im Bereich der Sättigung hält, wobei der erste Widerstand (R1) so dimensioniert ist, daß bei eingeschaltetem Treibertransistor (1) die Summe der in diesem Widerstand (R1) und im Kollektor-Emitter-Kreis des Treibertransistors (1) umgesetzten Verlustleistungen gleich beziehungsweise ungefähr gleich ist der Summe der Verlustleistungen, die bei gesperrtem Treibertransistor (1) in den beiden Widerständen (R1, R.,) und im Leistungstransistor (2) auftreten.
2. Transis! ^leistungsschalter nach Anspruch 1 zum Schalten einer mittels einer Freilaufdiode geklammerten Induktivität, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Freilaufdiode (D) umgesetzte Verlustleistung mit in die Energiebilanz einbc zogen ist.
3. Transistorleistungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Steuerkreis (8) des Treibertransistors (1) einen zum Treibertransistor (1) komplementären Transistor enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die im Steuerkreis (8) des Treibertransistors (1) umgesetzte Verlustleistung mit in die Energiebilanz einbezogen ist, derart, daß der Kollektorwiderstand (R1) des Treibertransistors (1) so dimensioniert ist, daß bei eingeschaltetem Treibertransistor (1) die Summe der in diesem Widerstand (A1) und im Kollektor-Emitter-Kreis des Treibertransistors (1) umgesetzten Verlustleistung einschließlich der im Steuerkreis (8) des Treibertransistors (1) umgesetzten Verlustleistung gleich beziehungsweise ungefähr gleich ist der Summe der Verlustleistungen, die bei gesperrtem Treibertransistor (1) in den beiden Widerständen (R1, R.,) und im Leistungstransistor (2) auftritt.
4. Transistorleistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungstransistor (2) als Darlingtontransistor ausgebildet ist.
5. Transistorleistungsschalter nach Anspruch 2 in monolithisch integrierter Bauform mit einer durch die Basis-Kollektor-Strecke eines Transistors gebildeten Frcilaufdiode, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, wie etwa eine tiefe Anschlußdiffusion an die vergrabene Leitschicht, welche die Stromverstärkung des sich mit dem Substrat bildenden, parasitären Transistors hinreichend weit unter 1 absenken.
6. Transistorleistungsschalter nach Anspruch 1 in monolithisch integrierter Bauform, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen dem Kollektor des Treibertransistors (I) und der Basis des Leistungstransistors (2) liegende Widerstand (R.,) als Brücke vom Kollektor des Treibertransistors (1) zur Basis des Leistungstransistors (2) führt und daß die Metallisierung des Kollektors bzw. Emitters des Leistungstransistors (2) auf der isolierenden Deckschicht über diesem Widerstand (R.,) angeordnet ist.
7. Transistorleistungsschalter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 in monolithisch integrierter Bauform, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungstransistor (2) aus einzelnen Zellen besteht
8. Transistorleistungsschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Basis jeder Zelle des Leistungstransistors (2) ein Teilwiderstand (41, 42, .. . 4/i) vorgeschaltet ist, wobei Teilwiderstände (41, 42, ... 4/i) den von der Basis des Leistungstransistors (2) zum Kollektor des Treibertransistors (1) führenden Widerstand (R.,) ergeben.
»5 9. Transistorleistungsschalter in monolithisch integrierter Bauform nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Basis des Leistungstransistors (2) zum Kollektor des Treibertransistors (1) führende Widerstand (R.,) bzw. seine Teilwiderstände (41, 42, ... 4n) durch die Basisdiffusion gebildet werden.
10. Transistorleistungsschalter in monolithisch integrierter Bauform nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Basis des Leistungstransistors (2) zum Kollektor des Treibertransistors (1) führende Widerstand (R.,) bzw. seine Teilwiderstände (41, 42, ... An) durch die Leitschichtdiffusion gebildet werden.
11. Transistorleistungsschalter in monolithisch integrierter Bauform nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Basis des Leistungstransistors (2) zum Kollektor des Treibertransistors (1) führende Widerstand (R2) bzw. alle seine Teilwiderstände (41, 42,... 4/r) in einer gesonderten Widerstandswanne untergebracht sind.
12. Transistorleistungsschalter in monolithisch integrierter Batiform nach mindestens einem der Ansprüche I bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektorwiderstand (R1) des Treibcrtransi'tors (1) und/oder der von der Basis des Leistungstransistors (2) zum Kollektor des Treibertransistors (I) führende Widerstand (R.,) bzw. die diesen Widerständen (R1, R.,) entsprechenden Teilwiderstände (31, 32, ... 3m und/oder 41, 42, ... 4n) in einer gemeinsamen Wanne mit dem Treibertransistor (1) untergebracht sind.
13. Transistorlcistungsschalter in monolithisch integrierter Bauform nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis I 2, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Basis des Leistungstransistors (2) zum Kollektor des Treibertransistors (I) führende Widerstand (R.,) bzw. seine Teilwiderstände (41, 42, . . . 4/i) durch die Bnsisdiffusion gebildet sind, daß der Kollcktorwidcrstand (R1) des Treibertransistors (I) bzw. seine Tcilwidcrstiindc (31. 31.
... 3«?) durch die LeitschichtdifFusion gebildet sind und daß diese beiden Widerstände (R.,, A1) bzw. ihre Teilwiderstände in einer gemeinsamen Wanne ganz oder teilweise übereinander angeordnet sind.
14. Transistorleistungsschalter nach Anspruch
13, dadurch gekennzeichnet, daß das kollektorseitige Ende des Kollektorwiderstandes (R1) des Treibertransistors (!) bzw. bei unterteiltem Kollektorwiderstand (R1) die kollektorseitigen Enden der Teilwiüerstände (31, 32,... 3m) mit der Leitschicht des Kollektors des Treibertransistors (1) direkt verbunden sind.
15. Transistorleistungsschalter nach Anspruch
14, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierungsdiffusion, die zur Abgrenzung der Kollektorwanne des Treibertransistors (1) gegen die Widerstandswanne, in welcher der Kollektorwiderstand (R1) des Treibertransistors (1) und der von der Basis des Leistungstransistors (2) zum Kollektor so des Treibertransistors (1) führende Widerstand (R.,) bzw. ihre Teilwiderstände (31, 32, ... 3m; 41, 42, ... 4n) untergebracht sind, dier-t, an der Verbindungsstelle des kollektorseitigen Endes des Kollektorwiderstandes (R1) des Treibertransistors (1) beziehungsweise an den Verbindungsstellen der kollektorseitigen Enden seiner Teilwiderstände (31, 32, ... 3m) mit der Leitschicht des Kollektors des Treibertransistors (1) unterbrochen ist.
16. Transistorleistungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche in monolithisch integrierter Bauform, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Treibertransistors (1), die durch die parallele Anordnung der Emitter-Basis-Kollektor-Anschlußbahnen gebildet wird, senkrecht zu der Achse des Leistungstransistors (2) steht und daß der Kollektorwiderstand (R1) des Treibertransistors (1) und/oder der von der Basis des Leistungstransistors (2) zum Kollektor des Treibertransistors (1) führende Widerstand (R2) bzw. ihre Teüwiderstände (31, 32, ... 3m und/oder 41, 42, .. . 4/i) zwischen dem Treibertransistor (1) und dem Leistungstransistor (2) angeordnet sind.
17. Transistorleistungsschalter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen des Leistup.gstransistors (2) in zvei Zellengruppen aufgeteilt sind, daß der Kollektorwiderstand (R1) des Treibertransistors (1) und/oder der von der Basis des Leistungstransistors (2) zum Kollektor des Treibertransistors (1) führende Widerstand (R3) bzw. ihre Teilwiderstände (31, 32, ... 3m und/odsr 41, 42, ... 4m) in zwei Widerstandsgruppen aufgeteilt sind und daß die beiden Zellengruppen und die beiden Widerstandsgruppen symmetrisch £ur Mittelachse des Treibertransistors (1) angeordnet sind.
18. Transistorleistungsschalter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbinclungslciterbahn der einzelnen Emitter des Leistungstransistors (2) bzw. die Leiterbahnen bei Zcllengruppen entlang einer oder mehrerer Kristallkantcn verlaufen.
19. Transistorlcistungsschalter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnc', daß der Kristall mit elektrisch leitfähigem Klebstoff auf eine elektrisch leitfähige Unterlage geklebt kt, die auf Emitterpotential liegt, und daß der elektrisch leitfähige Klebstoff den Kontakt zwischen der auf der Kante der Kristalloberfläche verlaufenden Verbindimgsleitung der Emitter des Leistungstransistors (2) bzw. den Verbindungsleitungen der Emitter und der elektrisch leitfähigen Unterlage herstellt.
20. Transistorleistungsschalter nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine Unterlage aus gut wärmeleitendem Material, wie beispielsweise den Metallen Silber, Kupfer, Aluminium, Stahl, oder keramischen Massen, wie Beryllium-Oxid, Aluminium-Oxid, oder anderen isolierenden Massen oder einem Verbund aus zwei oder mehreren der vorhergenannten Werkstoffe.
21. Transistorleistungsschalter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibertransistor (1) aus zwei Teiltransistoren (11, 12) besteht, deren Emitter direkt miteinander verbunden sind, deren Basen entweder direkt oder über ihnen jeweils vorgeschaltete Teilwiderstände (61, 62) miteinander verbunden sind und deren Kolicitoren über einen Widerstand (3 b) miteinander verbunden sind (Fig. 10).
22. Transistorleistungsschalter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibertransistor (1) aus zwei Teiltransistoren (11, 12) besteht, deren Kollektoren über einen Widerstand (3 b) miteinander verbunden sind und denen der Emitter (£11) des ersten Teiltransistors (11) mit der Basis (512) des zweiten Teiltransistors (12) verbunden ist (Fig. 11).
23. Transistorleistungsschalter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der beschriebenen npn-Transistoren dazu komplementäre pnp-Transistoren verwendet sind.
24. Transistorleistungsschalter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Leistungstransistor aus mehreren Zellen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß jede einzelne Zelle des Transistors mindestens bei ihrem maximalen Betriebsstrom in einem Stromdichtebereich betrieben wird, in dem die Stromverstärkung mit zunehmendem Kollektorstrom abnimmt.
25. Transistorleistungsschalter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die größte Leistungsdichte aufweisende Kollektorwiderstand (2) des Treibertransistors (1) mindestens zwei parallel und/oder in Reihe geschaltete Teilwiderstände aufgespalten ist.
26. Transistorleistungsschalter nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch parallel und/oder in Reihe geschaltete Teilwiderstände, die aus unterschiedlichen Diflusionszonen gebildet werden.
27. Beliebige Schaltungsgruppe in Verbindung mit einem Transistorleistungsschalter nach mindestens einet" der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beliebige Schaltungsgruppe ganz bzw. nahezu ganz in einem Teilstück des den Transistorleistunfsschalter enthaltenden Kristalls untergebracht ist.
28. Beliebige Schaltungsgruppe nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die beliebige Schaltungsgruppe in einem Teilstück des gemeinsamen Kristalls untergebracht ist. das sich an
24 Ol
einem der freien Enden senkrecht zur Achse des Treibertransistors (I) und parallel zur Achse der Zellen des Leistungstransistors (2) befindet.
29. Trägerkörper für den Kristall eines Transistorleistungsschalters nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper für den Kristall so ausgebildet ist, daß seine Oberfläche zur Wärmeabgabe an die Umgebung durch ein U-förmiges bzw. mit Rippen versehenes Profil vergrößert ist.
30. Trägerkörper nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere elektrische und'oxler mechanische Bauelemente mit auf dem Tragerkörper untergebracht sind.
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