DE4305038C2 - MOSFET mit Temperaturschutz - Google Patents

MOSFET mit Temperaturschutz

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Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem MOSFET und einer mit diesem thermisch gekoppelten ersten Einrichtung, die einen mindestens einen pn-Übergang aufwei­ senden Schalter enthält und die bei einer ersten Temperatur einschaltet, so daß die Gate- und Sourceelektroden des MOSFET miteinander verbunden werden, und mit einer zweiten Einrich­ tung, die den Laststrom des MOSFET durch Absenken seiner Gate-Sourcespannung begrenzt, bevor der MOSFET abgeschaltet wird.
Ein solches Halbleiterbauelement ist z. B. in der DE 41 22 563 A1 beschrieben worden. Die dort dargestellte Anordnung enthält einen Temperatursensor, der bei Erreichen einer vorgegebenen Temperatur die Gate- und Sourceelektrode des MOSFET miteinander verbindet und diesen ausschaltet. Dieser Überstromschutz wird dadurch verbessert, daß neben dem Temperatursensor noch ein Laststromsensor vorgesehen ist. Gibt der Laststromsensor ein Signal ab, so wird ein speziel­ ler Sensor-FET stärker leitend gesteuert, wodurch sich seine Temperatur erhöht. Die erhöhte Temperatur des Sensor-FET wird vom Temperatursensor detektiert, wodurch der Leistungs-FET abgeschaltet wird. Bei dieser Schaltung ist also ein Last­ stromsensor notwendig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Halbleiterbau­ element der eingangs erwähnten Art derart weiterzubilden, daß er auch ohne Laststromsensor bei schnell ansteigenden Strömen zuverlässig vor temperaturbedingter Zerstörung geschützt wird.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die erste Einrichtung bei einer zweiten Temperatur ein Signal abgibt, die niedriger ist als die erste Temperatur und daß das Signal die zweite Einrichtung steuert derart, daß der MOSFET im leitenden Zustand bleibt.
In der US 4 698 655 ist eine Schutzschaltung gezeigt, bei der die Versorgungsanschlüsse bei Erreichen einer vorgegebe­ nen Temperatur kurzgeschlossen werden. Ein mögliches Tempera­ turgefälle zwischen der zu schützenden Einrichtung und dem Temperatursensor ist nicht Gegenstand dieser Veröffentli­ chung. Würde diese Schaltung zum Temperaturschutz eines MOSFET eingesetzt werden, so könnte dieser lediglich abge­ schaltet werden.
Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nun anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Halblei­ terbauelements,
Fig. 2 die schaltungstechnische Realisierung gemäß einer ersten Ausführungsform des Halbleiterbauelements und
Fig. 3 die schaltungstechnische Realisierung einer zweiten Ausführungsform.
Das in der Fig. 1 gezeigte Halbleiterbauelement enthält einen MOSFET 1, der ein selbstsperrender n-Kanal-MOSFET vom Anreicherungstyp mit einer Drain-Elektrode 7, einer Source-Elek­ trode 8 und einer Gate-Elektrode 9 ist. Die Gate-Elek­ trode 9 ist über einen Vorwiderstand 4 mit einem Steueran­ schluß 5 des Halbleiterbauelements verbunden. Der Durchlaßwi­ derstand seiner Drain-Source-Strecke wird durch die Gate-Source-Span­ nung gesteuert. Liegt die Gate-Source-Spannung unterhalb der Einsatzspannung, ist der MOSFET 1 gesperrt. Anderenfalls ist er leitend. Wenn dann an die Drain- und Source-Elektroden des MOSFET 1 eine Spannung angelegt wird, fließt ein Strom durch seine Drain-Source-Strecke, durch den der MOSFET 1 erwärmt wird.
Zwischen die Gate- und Source-Elektroden 9 bzw. 8 des MOSFET 1 ist eine erste Einrichtung 2 geschaltet, die an den MOSFET 1 thermisch gekoppelt ist. Die Einrichtung 2 enthält einen Schalter mit mindestens einem pn-Übergang, der einschaltet, wenn der pn-Übergang eine erste Temperatur T1 erreicht. Gate und Source des MOSFET 1 werden dann mit­ einander verbunden, so daß der MOSFET 1 abschaltet. Die am eingeschalteten pn-Schalter abfallende Spannung muß dabei geringer sein als die Einsatzspannung des MOSFET 1.
In der Einrichtung 2 sind außerdem Mittel vorhanden, mit denen ein Signal erzeugt wird, das temperaturabhängig ist. Dies kann beispielsweise ein Signalspannungspegel sein, der mit steigender Temperatur ansteigt. Das temperaturabhängi­ ge Signal wird an einem Ausgang 6 aus der Einrichtung 2 herausgeführt. Prinzipiell ist es auch möglich, ein strom­ gesteuertes temperaturabhängiges Signal hierfür zu verwen­ den.
Zwischen die Gate- und Source-Elektroden 9 bzw. 8 des MOSFET 1 ist eine zweite Einrichtung 3 geschaltet. Die Ein­ richtung 3 ist mit dem Ausgang 6 der Einrichtung 2 verbun­ den, so daß ihr das von der Einrichtung 2 erzeugte tempera­ turabhängige Spannungssignal zugeführt wird. Durch die Ein­ richtung 3 wird die zwischen Gate und Source des MOSFET 1 anliegende Spannung verringert, wenn das temperaturabhängi­ ge Signal am Anschluß 6 einen Wert erreicht, der einer zwei­ ten Temperatur T2 entspricht, die kleiner ist als die erste Temperatur T1 bei der der Halbleiterschalter der Einrich­ tung 2 schaltet. Beispielsweise kann dies dann erfolgen, wenn der temperaturabhängige Signalpegel ein bestimmtes, der zweiten Temperatur entsprechendes Potential bezüglich des Source-Anschlusses 8 erreicht. Dadurch kann ein Strom­ pfad zwischen Gate 9 und Source 8 des MOSFET 1 geschaltet werden, durch den ein Strom über den Steueranschluß 5 und den Widerstand 4 zum Source-Anschluß 8 gezogen wird, so daß die Gate-Source-Spannung des MOSFET 1 verringert wird. Da­ durch wird der durch die Drain-Source-Strecke des MOSFET 1 fließende Strom verringert, wodurch der Temperaturanstieg des MOSFET 1 gebremst wird. Dadurch wird verhindert, daß aufgrund des Temperaturgefälles zwischen dem MOSFET 1 und der Einrichtung 2 der MOSFET 1 bei einem steilen Anstieg des Stromes zerstört wird. Der MOSFET 1 kann andererseits stärker leitend gesteuert werden, da der Sicherheitsabstand seiner Gate-Source-Spannung vom maximal zulässigen Wert geringer gewählt werden kann.
In der Fig. 2 ist die schaltungstechnische Realisierung für die Einrichtungen 2 und 3 gezeigt. Die Einrichtung 2 enthält als Halbleiterschalter einen Thyristor 20, dessen Anode mit dem Gate-Anschluß 7 des MOSFET 1 und dessen Ka­ thode mit dem Source-Anschluß 8 des MOSFET 1 verbunden sind. Bei Erreichen der ersten Temperatur T1 wird der Thyristor 20 im wesentlichen durch die anwachsenden Leck­ ströme gezündet. Parallel zu den beiden mittleren Zonen 21, 22 des Thyristors 20 ist die Kollektor-Emitter-Strecke eines Bipolartransistors 23 geschaltet. Zwischen dem Kol­ lektor und der Basis des Bipolartransistors 23 liegt eine Stromquelle 24, die einen stark temperaturabhängigen Strom liefert. Die Stromquelle 24 kann beispielsweise als eine Fotodiode realisiert sein, deren Kathode mit dem Kollektor und deren Anode mit der Basis des Transistors 23 verbunden ist. Dabei ist eine solche Fotodiode zu verwenden, deren Sperrstrom temperaturabhängig ist. Die Basis des Transi­ stors 22 ist über eine Stromquelle mit dem Source-Anschluß 8 des MOSFET 1 verbunden. Als Stromquelle ist ein n-Kanal-MOSFET 25 vom Verarmungstyp vorgesehen, dessen Gate- und Source-Elektro den miteinander verbunden sind. Die Basis des Transistors 23 ist außerdem mit dem Ausgang 6 der Ein­ richtung 2 verbunden. Durch den temperaturbedingt anstei­ genden Strom der Stromquelle 24 steigt die am als Stromquel­ le geschalteten MOSFET 25 abfallende Spannung. Der Signal­ pegel am Anschluß 6 ist demnach temperaturabhängig und steigt mit wachsender Temperatur. Zweckmäßigerweise sind die Einrichtungen 2 und 3 jeweils getrennt voneinander oder gemeinsam monolithisch integriert.
Die Einrichtung 3 enthält eingangsseitig einen Inverter 26, dem ein weiterer Inverter 27 nachgeschaltet ist, durch den ein Schaltelement 28 gesteuert wird. Durch das Schaltele­ ment 28 wird ein Strompfad zwischen die Gate- und Source-An­ schlüsse des MOSFET 1 geschaltet, durch den die Gate-Source-Span­ nung verringert wird.
Der Inverter 26 besteht aus der Reihenschaltung der Drain- Source-Strecken zweier n-Kanal-MOSFETs 29, 30 vom Verar­ mungstyp. Der MOSFET 30 wird vom Ausgang 6 der Einrichtung 2 gesteuert, der MOSFET 29 ist als Stromquelle geschal­ tet, indem seine Gate- und Source-Elektroden miteinander verbunden sind. Die Widerstandswerte der Drain-Source-Strecken der MOSFETs 29, 30 sind derart im Zusammenhang mit dem temperaturabhängigen Signal am Ausgang 6 der Einrichtung 2 aufeinander abgestimmt, daß der Inverter dann seinen Schalt­ punkt hat, wenn das temperaturabhängige Signal der zweiten Temperatur entspricht, bei der die Einrichtung 3 aktiv ge­ schaltet werden soll. Erfahrungsgemäß liegt der Schaltpunkt bei einem Spannungspegel von 0,4 V.
Der Inverter 27 enthält als Schalttransistor einen n-Ka­ nal-MOSFET 32 vom Verarmungstyp, dessen Gate-Elektrode mit dem Drain-Anschluß des MOSFET 30 verbunden ist. Die Drain-Elek­ trode des MOSFET 32 ist über eine Stromquelle mit dem Gate-An­ schluß 7 des MOSFET 1 verbunden. Vorzugsweise wird diese Stromquelle als n-Kanal-MOSFET 31 vom Verarmungstyp mit ver­ bundenen Gate- und Source-Elektroden ausgeführt.
Das Schaltelement 28 enthält als Schalttransistor einen n-Ka­ nal-MOSFET 33 vom Anreicherungstyp, dessen Gate-Anschluß mit dem Ausgang des Inverters 27 verbunden ist. Der Drain-An­ schluß des MOSFET 33 ist über zwei MOSFETs 34, 35 mit der Gate-Elektrode 7 des MOSFET 1 verbunden. Die Gate- und Drain-Elektroden der MOSFETs 34, 35 sind jeweils miteinan­ der verbunden, so daß sie als MOS-Dioden wirken.
Wenn das temperaturabhängige Signal am Ausgang 6 der Ein­ richtung 2 den der Schalttemperatur T2 der Einrichtung 3 entsprechenden Signalpegel erreicht, wird das Signal über die beiden Inverter 26, 27 verstärkt. Dadurch wird der MOSFET 33 eingeschaltet, so daß ein Strom vom Anschluß 5 über den Vorwiderstand 4 zum Source-Anschluß 8 des MOSFET 1 fließt. Der Strom wird durch die MOSFETs 34, 35 begrenzt. Die am Vorwiderstand 4 abfallende Spannung verringert die Gate-Source-Spannung des MOSFET 1, so daß dessen Arbeits­ temperatur absinkt. Die Inverter 26, 27 sind derart zu di­ mensionieren, daß sie im Vergleich zum eingeschalteten Zu­ stand des Schaltelementes 28 einen geringen Strom verbrau­ chen. Vorzugsweise kann die Gate-Source-Strecke des MOSFET 1 auch über eine Zenerdiode 36 vor zu großen Eingangsspan­ nungen am Anschluß 5 des Halbleiterbauelements geschützt werden.
Das Halbleiterbauelement der Fig. 3 enthält die bereits in der Fig. 2 beschriebene Einrichtung 2, die das tempe­ raturabhängige Spannungssignal am Ausgang 6 erzeugt. Die Einrichtung 3 weist aber eine andere Ausführungsform auf. Sie enthält eingangsseitig zwei Inverter 39, 40, die den Invertern 26, 27 der Fig. 2 entsprechen. Sie enthält wei­ terhin vier mit ihren Drain-Source-Strecken in Reihe ge­ schaltete n-Kanal-MOSFETs 45, . . ., 48 vom Anreicherungstyp. Die MOSFETs 45, . . ., 48 sind als MOS-Dioden geschaltet, in­ dem jeweils ihre Gate- und Drain-Elektroden miteinander ver­ bunden sind. Der Drain-Anschluß des mit dem Source-Anschluß 8 des MOSFET 1 verbundenen Transistors ist mit einem Inver­ ter 42 verbunden. Der Ausgang des Inverters 42 steuert über einen weiteren Inverter 43 einen n-Kanal-MOSFET 44 vom An­ reicherungstyp an, dessen Drain-Source-Strecke zwischen die Gate- und Source-Elektroden 7, 8 des MOSFET 1 geschaltet ist. Durch das Zusammenwirken der Elemente 41, 42, 43, 44 wird die Gate-Source-Spannung des MOSFET 1 begrenzt: Ange­ nommen, daß das Potential am Eingangsanschluß 5 ansteigt, wird der Strom durch die Anordnung 41 mit den vier MOS-Dioden 45, . . ., 48 erhöht, wodurch das Drain-Potential des MOSFET 45 ansteigt. Die Inverter 42, 43 sorgen für die Verstärkung des Drain-Potentials des MOSFET 45. Dadurch wird der MOSFET 44 stark leitend gesteuert, was bewirkt, daß die an der Diodenanordnung 41 abfallende Spannung so­ weit fällt, bis der MOSFET 44 wieder hochohmiger wird. Die­ se Regelung sorgt dafür, daß die Gate-Source-Spannung des MOSFET 1 begrenzt wird.
Parallel zur Drain-Source-Strecke des MOSFET 46 der Anord­ nung 41 ist ein weiterer MOSFET 50 geschaltet. Die Gate-Elek­ trode des MOSFET 50 wird vom Ausgang des Inverters 40 gesteuert. Wenn nun der Pegel des temperaturabhängigen Si­ gnals den der Schalttemperatur T2 der Einrichtung 3 ent­ sprechenden Wert erreicht, schalten die Inverter 39, 40, so daß der MOSFET 50 leitend gesteuert wird. Dadurch wird die vom MOSFET 46 gebildete MOS-Diode unwirksam. Folglich wird die Gate-Source-Spannung des MOSFET 1 auf eine geringere Spannung aufgrund der oben beschriebenen Wirkungsweise der Elemente 41, . . ., 44 begrenzt. Dies sorgt dafür, daß die Tem­ peratur des MOSFET 1 abnimmt. Die Elemente 39, . . ., 43 sind so dabei zu dimensionieren, daß sie einen im Vergleich zum eingeschalteten Zustand des MOSFET 44 geringen Strom führen.
Während die in der Fig. 2 gezeigte Ausführungsform der Ein­ richtung 3 eine widerstandsartige Kennlinie der Gate-Source-Span­ nung des MOSFET 1 für an steigende Steuerspannungen am Anschluß 5 aufweist, ergibt sich bei der gemäß Fig. 3 ge­ zeigten Ausführungsform für ansteigende Eingangsspannungen am Anschluß 5 eine steil ansteigende, zenerdiodenähnliche Kennlinie.

Claims (10)

1. Halbleiterbauelement mit einem MOSFET und einer mit diesem thermisch gekoppelten ersten Einrichtung, die einen min­ destens einen pn-Übergang aufweisenden Schalter enthält und die bei einer ersten Temperatur einschaltet, so daß die Gate- und Sourcelektroden des MOSFET miteinander verbunden werden, und mit einer zweiten Einrichtung, die den Laststrom des MOSFET durch Absenken seiner Gate-Sourcespannung begrenzt, bevor der MOSFET abgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung (2) bei einer zweiten Temperatur ein Signal abgibt, die niedriger ist als die erste Temperatur und daß das Signal die zweite Einrichtung (3) steuert derart, daß der MOSFET (1) im leitenden Zustand bleibt.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung (3) einen Inverter (26; 39) und ein steuerbares Spannungsverrin­ gerungselement (28; 41, 44) enthält, daß der Schaltpunkt des Inverters (26; 39) derart eingestellt ist, daß der Inverter bei einem der zweiten Temperatur entsprechenden Signalpegel des temperaturabhängigen Signals schaltet, und daß das Span­ nungsverringerungselement (28; 41, 44) von einem Ausgangs­ signal des Inverters (26; 39) in einen Zustand geringeren Widerstands gesteuert wird.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Inverter einen er­ sten und einen zweiten MOSFET (29, 30) vom Verarmungstyp ent­ hält, daß die Drain-Source-Strecken der MOSFETs (29, 30) des Inverters in Reihe zwischen die Gate- und Source-Anschlüsse (7, 8) des MOSFET (1) geschaltet sind, daß der Drain-Anschluß des ersten MOSFET (29) des Inverters mit dem Gate-Anschluß (7) des MOSFET (1) verbunden ist, daß der Gate- und der Source-Anschluß des ersten MOSFET (29) des Inverters mit dem Drain-Anschluß des zweiten MOSFET (30) des Inverters und mit einem Ausgang des Inverters verbunden sind, und daß der Gate-Anschluß des zweiten MOSFET (30) des Inverters von dem temperaturabhängigen Signal gesteuert wird.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Span­ nungsverringerungselement (28) einen ersten MOSFET (35) und mindestens einen zweiten MOSFET (33) mit jeweils ver­ bundenen Drain- und Source-Anschlüssen enthält, daß die Drain-Source-Strecken des ersten und zweiten MOSFET (33, 35) des Spannungsverringerungselementes in Reihe zwischen die Gate- und Source-Anschlüsse (7, 8) des MOSFET (1) geschaltet sind und daß der Gate-Anschluß des zweiten MOSFET (33) des Spannungsverringerungselementes über einen weiteren Inverter (27) mit dem Ausgang des Inverters (26) verbunden ist.
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zenerdiode (36) in Sperrichtung zwischen die Gate- und Source-Anschlüsse (7, 8) des MOSFET (1) geschaltet ist.
6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Span­ nungsverringerungselement (41, 44) einen ersten und minde­ stens einen zweiten MOSFET (45, 46) mit jeweils verbunde­ nen Drain- und Source-Anschlüssen enthält, daß die Drain- Source-Strecken der ersten und zweiten MOSFETs (45, 46) des Spannungsverringerungselementes in Reihe zwischen die Gate- und Source-Anschlüsse (7, 8) des MOSFET (1) geschaltet sind, daß die Drain-Source-Strecke eines weiteren MOSFET (44) zwischen die Gate- und Source-Anschlüsse (7, 8) des MOSFET (1) geschaltet ist, daß der Gate-Anschluß des weiteren MOSFET (44) des Spannungsverringerungselementes mit dem Drain-Anschluß und dem Gate-Anschluß des ersten MOSFET (45) des Spannungsverringerungselementes verbunden ist und daß parallel zur Drain-Source-Strecke des zweiten MOSFET (46) des Spannungsverringerungselementes die Drain-Source-Strecke eines MOSFET (50) geschaltet ist, dessen Gate-Anschluß über einen weiteren Inverter (40) mit einem Ausgang des Inverters (39) verbunden ist.
7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Gate-An­ schluß des weiteren MOSFET (44) des Spannungsverringerungs­ elementes und den Gate- und Drain-Anschlüssen des ersten MOSFET (45) des Spannungsverringerungselementes mindestens zwei weitere Inverter (42, 43) mit in Reihe geschalteten Signalpfaden geschaltet sind.
8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4 oder 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die weiteren Inverter (27, 40, 42, 43) je einen ersten MOSFET von Anrei­ cherungstyp enthalten, daß jeweils der Source-Anschluß des ersten MOSFET eines der weiteren Inverter mit dem Source-An­ schluß (7) des MOSFET (1) verbunden ist und daß der Drain- Anschluß des ersten MOSFET eines der weiteren Inverter über eine Stromquelle mit dem Gate-Anschluß (8) des MOSFET (1) verbunden ist.
9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle je eines der weiteren Inverter ein MOSFET vom Verarmungstyp ist, des­ sen Gate- und Source-Anschlüsse miteinander verbunden sind.
10. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Einrichtung (2, 3) monolithisch inte­ griert sind.
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