DE4119917A1 - Ueberstromdetektoreinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Überstromdetektoreinrichtung und insbesondere auf eine Einrichtung zum Erfassen eines Überstroms in einem Leistungselement.

Im allgemeinen wird zum Ermitteln eines Überstroms in einer Halbleitervorrichtung eine Einrichtung gemäß der Darstellung in Fig. 2 verwendet. Die Halbleitervorrichtung ist mit einer Ausgangsschaltung 31 und einer Detektorschaltung 32 ausgestattet. In der Ausgangsschaltung 31 wird ein Strom I0 an Leistungstransistoren 33 und 34 in einem bestimmten Verhältnis in einen Strom I1 und einen Strom I2 aufgeteilt.

Die Detektorschaltung 32 dient zum Erfassen eines Überstroms in dem Leistungstransistor 33 der Ausgangsschaltung 31. In der Detektorschaltung 32 ist ein Vergleicher 36 zur Überwachung mit einem Bezugspotential enthalten, das von einem Verbindungspunkt 40 zwischen zwei Widerständen 38 und 39 her angelegt ist. Der Vergleicher 36 vergleicht das Bezugspotential mit der Spannung an einem Verbindungspunkt 37, der zwischen dem Leistungstransistor 33 und einem Stromabfragewiderstand 35 liegt. Hierdurch werden übermäßige Potentiale an dem Leistungstransistor 33 ermittelt, wodurch ein Überstrom in der Ausgangsschaltung 31 erfaßt wird.

Das Bezugspotential an dem Verbindungspunkt 40 in der Detektorschaltung 32 ist jedoch verhältnismäßig hoch und durch die Genauigkeit des Verhältnisses der Widerstände 38 und 39 bestimmt, welches sich entsprechend den Eigenschaften der Halbleitervorrichtung ändert. Ferner muß zum Anlegen eines zuverlässigen Signals an den Vergleicher der Widerstandswert des Abfragewiderstands 35 in der Ausgangsschaltung 31 sehr stabil sein. In der Praxis kann sich jedoch der Widerstandswert des Abfragewiderstands 35 infolge von Herstellungsfehlern und/oder Temperaturgängen in der Halbleitervorrichtung verändern. Infolgedessen ändert sich auch das in der Ausgangsschaltung 31 an dem Verbindungspunkt 37 entstehende Potential. Daher können Abweichungen der Potentiale an den Verbindungspunkten 37 und 40 zu falschen Erfassungen von Überströmen und/oder zum Ausfall der Überstromerfassung führen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Überstromdetektoreinrichtung zu schaffen, die das Erfassen eines Überstroms in einem Leistungselement mit hoher Genauigkeit ohne Beeinträchtigung durch Herstellungsfehler oder durch temperaturabhängige Eigenschaften der Vorrichtungen ermöglicht.

Zur Lösung der Aufgabe ist die erfindungsgemäße Überstromdetektoreinrichtung folgendermaßen gestaltet: Ein Abfragewiderstand dient zum Erzeugen eines Abfragepotentials gemäß einem in einem Leistungselement fließenden Strom, während in einem Bezugspotentialgenerator ein Meßwiderstand zum Erzeugen eines Bezugspotentials dient. Ferner enthält ein erster Stromkreis zum Festlegen eines relativen Verhältnisses einen ersten Bezugswiderstand zum Einhalten eines relativen Widerstandsverhältnisses zum Meßwiderstand, während ein zweiter Stromkreis zum Festlegen eines relativen Verhältnisses einen zweiten Bezugswiderstand zum Einhalten eines relativen Widerstandsverhältnisses zum Abfragewiderstand enthält. Eine erste und eine zweite Stromspiegelschaltung sind derart ausgelegt, daß ein vorbestimmter Zusammenhang zwischen den Werten der Ströme in dem Bezugspotentialgenerator, dem ersten Stromkreis und dem zweiten Stromkreis eingehalten wird und das relative Verhältnis des Abfragepotentials zu dem Bezugspotential festgelegt wird. Ein Vergleicher dient zum Vergleichen des Abfragepotentials mit dem Bezugspotential. Durch das Vergleichsergebnis erfaßt die Überstromdektoreinrichtung einen Überstrom in dem Leistungselement.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Schaltbild einer Überstromdetektoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 ist ein Schaltbild einer herkömmlichen Überstromdetektoreinrichtung.

Ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Überstromdetektoreinrichtung wird nun in der Anwendung an einer Halbleitervorrichtung beschrieben. Die Halbleitervorrichtung hat eine Ausgangsschaltung 1 und eine Detektorschaltung 2, die auf einem Halbleiterplättchen ausgebildet sind. Die Ausgangsschaltung 1 ist als Mehrfach-Source-Mehrfach-Gate-Schaltung mit einem Paar von NPN-Leistungstransistoren 3 und 4 gestaltet, die miteinander durch einen gemeinsamen Kollektor verbunden sind. Der erste Leistungstransistor 3 ist mit Masse 6 über einen Abfragewiderstand 5 mit einem Widerstandswert r1 zum Abfragen des Stroms in dem Leistungstransistor 3 verbunden. Der zweite Leistungstransistor 4 ist direkt mit Masse 6 verbunden. Ein Anschluß eines ersten Bezugswiderstands 7 mit einem Widerstandswert r2 ist gleichfalls mit der Masse 6 verbunden. Der erste Bezugswiderstand 7 ist in engstem Abstand zum Abfragewiderstand 5 angeordnet. Dies gewährleistet, daß die Temperaturabhängigkeit und die Herstellungseigenschaften des Bezugswiderstands und des Abfragewiderstands im wesentlichen die gleichen sind. Daher bleibt das relative Verhältnis der Widerstandswerte des Abfragewiderstands 5 und des Bezugswiderstands 7 trotz auftretender Herstellungsabweichungen und Temperaturänderungen konstant. Für diesen Anwendungsfall kann ausgesagt werden, daß die beiden Widerstände ein konstantes relatives Widerstandsverhältnis haben, wenn das Verhältnis ihrer tatsächlichen Widerstandswerte trotz Temperaturschwankungen und Herstellungsfehlern konstant bleibt.

Die Detektorschaltung 2 enthält einen Vergleicher 8. Ein Eingang des Vergleichers 8 ist mit einem Verbindungspunkt 10 zwischen dem Leistungstransistor 3 und dem Abfragewiderstand 5 verbunden.

In der Detektorschaltung 2 sind PNP-Transistoren 13 und 14 an ihren Emittern jeweils über Widerstände 11 und 12 mit einem jeweiligen Widerstandswert R mit einer Stromquelle 9 verbunden, während ihre Basen miteinander verbunden sind. Der Kollektor des Transistors 14 ist mit einem Verbindungspunkt 15 zwischen den Basen verbunden, so daß eine erste Strom- bzw. Stromspiegelschaltung 16 gebildet ist.

Der Kollektor des Transistors 13 der ersten Stromspiegelschaltung 16 ist über einen Meßwiderstand 17 mit dem Widerstandswert R2 mit der Masse 6 verbunden. Der Meßwiderstand 17 dient zum Erzeugen eines Bezugspotentials aus einem vorbestimmten Strom, der über den Transistor 13 fließt. Ein Verbindungspunkt 18 zwischen dem Transistor 13 und dem Meßwiderstand 17 ist an den zweiten Eingang des Vergleichers 8 angeschlossen.

Der Transistor 14 der ersten Stromspiegelschaltung 16 ist an seinem Kollektor mit dem Kollektor eines anderen NPN-Transistors 19 verbunden. Dieser Transistor 19 ist an der Basis mit der Basis eines benachbarten NPN-Transistors 20 verbunden, dessen Kollektor mit einem Verbindungspunkt 21 zwischen den beiden Basen verbunden ist, so daß dadurch eine zweite Stromspiegelschaltung 22 gebildet ist.

Der Transistor 19 der zweiten Stromspiegelschaltung 22 ist an seinem Emitter mit der Masse 6 über einen zweiten Bezugswiderstand 23 mit dem Widerstandswert R1 verbunden. Der zweite Bezugswiderstand 22 ist in engem Abstand zu dem Meßwiderstand 17 angeordnet. Dadurch wird ein relatives Widerstandsverhältnis in bezug auf den Meßwiderstand 17 konstant gehalten. Der Transistor 20 der zweiten Stromspiegelschaltung 22 ist an seinem Kollektor über eine Konstantstromschaltung 24 an die Stromquelle 9 angeschlossen, während ein Anschluß 25 an dem Emitter des Transistors 20 mit einem Anschluß 26 des ersten Bezugswiderstands 7 in der Ausgangsschaltung 1 verbunden ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind in der Ausgangsschaltung 1 der Abfragewiderstand 5 und der erste Bezugswiderstand 7, die beide mit der Masse 6 verbunden sind, eng aneinander angeordnet. Gleichermaßen sind in der Detektorschaltung 2 der Meßwiderstand 17 und der zweite Bezugswiderstand 23, die beide mit der Masse 6 verbunden sind, ebenso in engem Abstand voneinander angeordnet.

In der zweiten Stromspiegelschaltung 22 haben ein über den Transistor 20 fließender Strom I3 und ein über den Transistor 19 fließender Strom I4 das durch die nachstehende Gleichung (1) ausgedruckte Verhältnis:

I3 : I4 = R1 : r2 (1)

Der Vergleicher 8 ist derart ausgelegt, daß er schaltet, wenn ein durch den Abfragewiderstand 5 erzeugtes Potential E2 gleich einem durch den Meßwiderstand 17 bestimmten Bezugspotential E1 ist.

Ein in der Ausgangsschaltung 1 fließender Strom I0 wird an den Leistungstransistoren 3 und 4 in einem bestimmten Verhältnis in einen Strom I1 und einen Strom I2 aufgeteilt. Dabei erfaßt der Vergleicher das an dem Verbindungspunkt 10 entstehende Potential E2, das gleich I1 × r1 ist. Wenn über den Meßwiderstand 17 ein Strom I5 fließt, erfaßt der Vergleicher 8 in der Detektorschaltung 2 das Bezugspotential E1 an dem Verbindungspunkt 18, das gleich I5 × R2 ist. Der Vergleicher 8 vergleicht dann das Potential E2 mit dem Bezugspotential E1, um zu ermitteln, ob der Strom I1 in dem Leistungstransistor 3 ein Überstrom ist. Das heißt, wenn das Potential E2 gleich dem Potential E1 ist oder dieses übersteigt, gibt der Vergleicher ein Überstromsignal ab. Der Ausgang des Vergleichers ist mit einem Ausgangsanschluß 8a verbunden.

In der ersten Stromspiegelschaltung 16 ist der Strom I4 über den Transistor 14 gleich dem Strom I5 über den Transistor 13, da die Widerstandswerte 12 und 11 den gleichen Widerstandswert R haben. Infolge dieses Umstands und dem durch die Gleichung (1) ausgedrückten Verhältnis entstehen folgende Verhältnisse:

I3 : I4 = I3 : I5 = R1 : r2

Auf diese Weise entsteht folgende Gleichung (2):

I5 = (r2/R1) × I3 (2)

Wenn in der Ausgangsschaltung 1 der Strom I0 fließt, kann das Bezugspotential E1 an dem Verbindungspunkt 18 aus folgender Gleichung berechnet werden:

E1 = I5 × R2

Das Einsetzen der Gleichung (2) für I5 in dieser Gleichung ergibt:

E1 = (r2/R1) × I3 × R2

Das Potential E2 an dem Verbindungspunkt 10 kann aus der nachstehenden Gleichung berechnet werden:

E2 = I1 × r1

Es sei nun angenommen, daß der Widerstandswert r1 des Abfragewiderstands 5 infolge eines Herstellungsfehlers oder der Temperaturabhängigkeit der Halbleitervorrichtung zu dem α-fachen seines Sollwerts wird. Da der Abfragewiderstand 5 und der erste Bezugswiderstand 7 eng aneinander angeordnet sind, haben sie ein konstantes relatives Widerstandsverhältnis. Infolgedessen nimmt der Widerstandswert r2 des ersten Bezugswiderstands 7 das α-fache seine Sollwerts an. Gleichermaßen werden die Widerstandswerte R1 und R2 des zweiten Bezugswiderstands 23 bzw. des Meßwiderstands 17 jeweils zum β-fachen ihrer Sollwerte, da der zweite Bezugswiderstand 23 und der Meßwiderstand 17 eng aneinander angeordnet sind.

Das Bezugspotential E1 an dem Verbindungspunkt 18 entspricht dann folgendem Ausdruck:

E1 = (αr2/βR1) × I3 × β R2
= α × (r2/R1) × I3 × R2

Ferner ist das Potential E2 an dem Verbindungspunkt 10 durch folgende Gleichung gegeben:

E2 = I1 × αr1
= α × I1 × r1

Aus den vorstehenden beiden Gleichungen ist ersichtlich, daß dann, wenn das Potential E2 an dem Verbindungspunkt 10 auf das α-fache ansteigt, das Bezugspotential E1 an dem Verbindungspunkt 18 gleichfalls auf das α-fache ansteigt. Dies bedeutet, daß die Strommeßeinrichtung in dieser Halbleitervorrichtung keine Temperaturabhängigkeit hat, was es ermöglicht, daß der Vergleicher 8 unabhängig von möglichen Herstellungsfehlern oder Temperaturänderungen in der Halbleitervorrichtung unter vorbestimmten Bedingungen arbeitet. Daher wird durch derartige Herstellungsfehler oder Temperaturänderungen nicht die Genauigkeit des Widerstandswerts r1 des Abfragewiderstands 5 beeinträchtigt. Infolgedessen können Überströme in der Ausgangsschaltung 1 auf genaue Weise erfaßt werden.

Es ist ersichtlich, daß die Erfindung nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt ist, sondern vielmehr bei irgendeiner Schaltung auf einem Halbleiterplättchen angewandt werden kann, sofern in der Schaltung ein Abfragewiderstand für das Erfassen eines Überstroms dient. Es ist ferner ersichtlich, daß ohne Abweichung von dem Grundgedanken der Erfindung teilweise Abwandlungen und Änderungen der Gestaltung vorgenommen werden können. Derartige Abwandlungen sind beispielsweise:

• (1) Während die Ausgangsschaltung 1 bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel als Mehrfach-Source-Mehrfach-Gate-Schaltung mit den beiden Leistungstransistoren 3 und 4 ausgelegt ist, kann sie auch als Mehrfach-Source-Schaltung ausgebildet sein.
• (2) Das beschriebene Ausführungsbeispiel ist bei einer Halbleitervorrichtung verwendet, bei der die Ausgangsschaltung 1 und die Detektorschaltung 2 auf einem Halbleiterplättchen bzw. Substrat ausgebildet sind. Die Detektoreinrichtung kann jedoch auch bei einer Vorrichtung aus mehreren Bausteinen verwendet werden, bei der ein Substrat für die Ausgabeschaltung und ein Substrat für die Detektorschaltung gesondert vorgesehen sind. Bei einer derartigen Ausführungsform ist es von Bedeutung, daß der Abfragewiderstand und der erste Bezugswiderstand auf dem Ausgangsschaltungssubstrat sowie der Meßwiderstand und der zweite Bezugswiderstand auf dem Detektorschaltungssubstrat eng aneinander angebracht sind.

Es wird eine Einrichtung zum Erfassen eines in einem Leistungselement fließenden Überstroms beschrieben, die einen Abfragewiderstand, einen Meßwiderstand, einen Bezugswiderstand, einen Bezugspotentialgenerator und einen Vergleicher aufweist. Der Abfragewiderstand erzeugt ein Abfragepotential, das einem in dem Leistungselement fließenden Strom entspricht. Der Meßwiderstand erzeugt ein Bezugspotential. Der Bezugswiderstand hält in bezug auf den Abfragewiderstand ein konstantes Widerstandsverhältnis ein. Der Bezugspotentialgenerator verändert das Bezugspotential entsprechend einem Strom, der durch den Bezugswiderstand fließt. Der Vergleicher vergleicht das Abfragepotential mit dem Bezugspotential, um dadurch einen Überstrom in dem Leistungselement zu erfassen.

Claims (6)

1. Überstromdetektoreinrichtung mit einem an ein Leistungselement angeschlossenen Abfragewiderstand, einem Widerstand für das Erzeugen eines Bezugspotentials und einem Vergleicher, der ein durch den Abfragewiderstand hervorgerufenes Potential mit dem Bezugspotential vergleicht, um dadurch einen Überstrom in dem Leistungselement zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Stromkreis einen ersten Bezugswiderstand (23) mit einem Widerstandswert enthält, der ein konstantes Bezugswiderstandswertverhältnis bezüglich eines Widerstands (17) zum Erzeugen des Bezugspotentials hat, daß ein zweiter Stromkreis einen zweiten Bezugswiderstand (7) enthält, der ein konstantes Bezugswiderstandswertverhältnis bezüglich des Abfragewiderstands (5) hat, daß ein dritter Stromkreis den das Bezugspotential erzeugenden Widerstand (17) enthält und daß der erste, der zweite und der dritte Stromkreis über Stromspiegelschaltungen (16, 22) verbunden sind.

2. Überstromdetektoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der das Bezugspotential erzeugende Widerstand (17) und der erste Bezugswiderstand (23) sowie der Abfragewiderstand (5) und der zweite Bezugswiderstand (7) jeweils in engem Abstand zueinander angeordnet sind.

3. Überstromdetektoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis eines durch den ersten Bezugswiderstand (23) fließenden Stroms zu einem durch den das Bezugspotential erzeugenden Widerstand (17) fließenden Strom gleich dem Verhältnis des Widerstandswerts des ersten Bezugswiderstands (23) zu dem Widerstandswert des zweiten Bezugswiderstands (7) gehalten ist.

4. Überstromdetektoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung auf einem Halbleiterplättchen ausgebildet ist.

5. Überstromdetektoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung mit dem Leistungselement (3), dem Abfragewiderstand (5) und dem zweiten Bezugswiderstand (17) auf einem ersten Substrat (1) ausgebildet ist, während eine Schaltung mit dem ersten Bezugswiderstand (23), dem das Bezugspotential erzeugenden Widerstand (17), den Stromspiegelschaltungen (16, 22) und dem Vergleicher (8) auf einem zweiten Substrat (2) ausgebildet ist.

6. Überstromdetektoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung mit dem Leistungselement (3), dem Abfragewiderstand (5) und dem zweiten Bezugswiderstand (7) sowie eine Schaltung mit dem ersten Bezugswiderstand (23), dem das Bezugspotential erzeugenden Widerstand (17), den Stromspiegelschaltungen (16, 22) und dem Vergleicher (8) auf dem gleichen Substrat ausgebildet sind.