DE4119917A1 - Ueberstromdetektoreinrichtung - Google Patents
UeberstromdetektoreinrichtungInfo
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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
= α × (r2/R1) × I3 × R2
Ferner ist das Potential E2 an dem Verbindungspunkt 10 durch
folgende Gleichung gegeben:
E2 = I1 × αr1
= α × I1 × r1
= 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.
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