CN101297484A - 输出级中的温度补偿 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及输出级的温度补偿，尤其是用于开关电感负载或欧姆电阻－电感负载(4)、具有多个并联连接的单输出级(A，B)的开关输出级(10)的温度补偿，这些单输出级具有负反馈的晶体管(1)，在负反馈路径中各设有一个齐纳二极管(2a，2b)。在开关过程期间或者说在箝位阶段期间电功率应温度补偿地均匀分配到具有不同齐纳电压(U2)的单输出级上。为此齐纳二极管(2a，2b)设置在晶体管(1)、尤其是开关晶体管的内部或旁边，以致它们与晶体管(1)热耦合。具有可预给定的温度变化特性的另一部件(15a，15b)远离晶体管(1)并与其热去耦。齐纳二极管(2a，2b)和(15a，15b)的温度依赖性最好被选择得不同。
Description
技术领域
本发明涉及根据权利要求1前序部分的温度补偿，尤其是用于开关电感负载、具有至少两个并联连接的单输出级的输出级或开关输出级中的箝位阶段的温度补偿。
背景技术
现代车辆装备有多个继电器、阀及其它结构元件，它们在电特性方面属于欧姆电阻-电感负载。为了开关这些元件设置了所谓的开关输出级，它们的晶体管视待开关的功率而定被设计成不同大小。这些晶体管被连接成电压负反馈，即作为二极管，其中在负反馈路径中连接了一个元件，该元件确定晶体管的齐纳电压。在关断电感负载时这些晶体管起到齐纳二极管的作用，它们导出关断电流。
为了提高开关功率原则上可以任意地并联开关输出级。允许的开关电流则由这些并联连接的开关输出级的单个开关电流的总和得到。但在关断时关断能量或关断功率不是基于并联电路按照期望的值来提高。即，不能得到并联连接的单输出级的单个关断能量的总和。
这极其适用于具有不同开关功率或不同齐纳电压的开关输出级或输出级的并联电路，不同的齐纳电压例如可因容差而出现。在这种并联电路中虽然可提高允许的开关电流或允许的开关功率，但不能提高允许的关断功率或关断能量。而允许的关断功率仅处于最弱的输出级的数量级上。由于该事实使输出级的应用范围大大受到限制，现在为了开关电阻-电感负载仅将相同功率等级的输出级或输出级晶体管并联连接。
但即使在并联连接相同功率等级的输出级时也可出现因容差引起的问题，因为当前使用的输出级或输出级组件在单片集成的输出级芯片上在相同规定的齐纳电压值时具有由制造引起的+/-1.5伏齐纳电压容差。
在还未公开的专利申请DE 102005019709.4中描述了这样的可能性：减小并联连接的单输出级或单个开关输出级中各个晶体管在关断过程中的负载和使电流尽可能均匀地分配到所有单输出级的晶体管上并且这样达到关断能量的和基本相当于单个关断能量的和。
所描述的用于开关具有至少两个并联连接的单输出级的电感负载的输出级或开关输出级使得可以并联连接任意的单输出级，甚至不同功率等级的单输出级，而不会受到减小关断能量的限制。这通过进行输出级齐纳电压对称来实现。在此在对称情况下齐纳电压必须在负载和/或温度作用下提高，即具有正的负载系数和/或温度系数。在这样的情况下齐纳电压上升这样高，以致它达到并联连接的输出级的齐纳电压的高度并且由此该单输出级也承受关断能量。
在特别的构型中可利用本来就存在的齐纳二极管或现有的齐纳串联支路，它们被集成在芯片的输出级平面中。因为用在输出级中的具有必要的齐纳电压的齐纳二极管通常本来就具有正的温度效应，因此齐纳电压在晶体管变热时自动提高。这通过齐纳二极管与晶体管或开关晶体管的相应空间配置被充分利用。
专利申请DE 102005019709.4中所描述的解决方案的一个重要方面在于，在开关晶体管的负反馈路径中存在的元件例如齐纳二极管设置在开关晶体管的半导体结构内部或附近，以致它们与晶体管热耦合。这具有以下效果：当其中一个晶体管流过大电流时，该晶体管变热并且由此也对齐纳二极管加热。对于具有正温度系数的元件即电阻或对于齐纳二极管，击穿阈值随温度升高而上升，由此也使输出级的齐纳电压上升。当该齐纳电压达到还未过渡到齐纳工作中的另一输出级的齐纳水平时，该另一输出级由此也可承受关断能量，由此该输出级也变热，等等。因此通过齐纳二极管与开关晶体管的热耦合可实现，各个晶体管级的齐纳电压很快地相互平衡，使关断能量均匀地分配到该开关输出级的所有晶体管上，而不会使个别晶体管过载。
这些安置在负反馈路径中的元件或本来就存在的部件例如涉及齐纳二极管或热敏电阻。最好这些元件被选择得具有很大的温度系数，尤其是指数形式的温度系数。这样，齐纳电压可特别快地相互平衡。
该要求保护的解决方案尤其可延伸到多个单输出级的并联电路上，其中，晶体管或者说输出级基于由于受热而升高的齐纳电压一个接一个地承受关断能量。
发明内容
由上述解决方案出发，本发明的任务在于：使得在箝位阶段中的能量或者说关断阶段中的关断能量在箝位电压强烈依赖于温度的情况下能够均匀地分配到所有并联连接的输出级上。这与箝位电压关于环境温度的飘移相关联，该飘移需要被减小。
根据本发明，该任务通过在权利要求1中给出的特征来解决。为此将一个具有特定的温度变化特性的附加构件例如一个二极管、尤其是齐纳二极管或NTC电阻与输出级的齐纳二极管串联连接。该附加构件布置在芯片上，例如硅芯片上，远离所述齐纳二极管，由此可实现对箝位电压关于环境温度的飘移的补偿。
本发明的其它优点通过在从属权利要求中给出的措施来实现。在此特别有利的是，可实施两个相互独立的温度补偿。通过这些不同的温度补偿可以有利地对由环境引起的慢速的要求和由箝位引起的快速的要求做出不同的反应，由此可实现对温度效应的最佳补偿及由此获得在箝位阶段中能量均匀分配到并联连接的输出级上。
附图说明
下面借助附图示例性地详细解释本发明。附图示出：
图1在两个输出级并联连接情况下的输出级原理线路图，
图2根据DE 102005019709.4的一个实施方式在两个输出级并联连接情况下的输出级或开关输出级，
图3按照图2的输出级电路的晶体管上的电流和电压变化曲线，
图4具有按照本发明的输出级或开关输出级的半导体芯片的一个区段，
图5根据本发明的一个实施方式在两个输出级并联连接情况下的输出级或开关输出级，
图6具有根据本发明的输出级或开关输出级的半导体芯片的一个区段，
图7按照图5的输出级电路的晶体管上的电流和电压变化曲线。
具体实施方式
图1示例性示出在两个单输出级并联连接情况下的输出级原理线路图，该并联电路尤其作为集成电路(IC)来实现。两个单输出级中的每一个包括一个开关晶体管和一个从属的二极管组件。在此，两个单输出级10a，10b的并联电路10包括并联连接的晶体管1a和1b。在晶体管1a或1b的负反馈路径中具有二极管组件2a，3a或2b，3b，它们处于晶体管1a或1b的控制端子(栅极)与一个功率端子(漏极)之间。二极管组件2a，3a或2b，3b各包括一个在截止方向上连接的齐纳二极管2a，2b和一个在导通方向上连接的二极管3a或3b。
晶体管1a或1b由一个未示出的控制装置用控制信号S来控制，以便开关一个欧姆电阻-电感负载4。信号S的输入通过电阻6a或6b进行。在接通状态下，流过负载4的电流I与电阻相关地分配到单输出级10a或10b的晶体管1a，1b上。
当关断欧姆电阻-电感负载4时，该负载所存储的磁能必须消退，在晶体管1a，1b上出现过高的电压，由此在截止方向上的齐纳二极管2a，2b击穿。在此，晶体管1a，1b过渡到齐纳工作，即它们本身作为齐纳二极管起作用并将电流向接地极GND导出，其中，晶体管1a，1b中的全部电功率被转换成热。
两个(开关)输出级的并联电路10的齐纳二极管2a，2b通常被设计成相同的。但由于扩散差别、材料差别、温度漂移等，齐纳二极管2a，2b的齐纳电压可能有明显的相互偏差。在关断阶段中则具有最小齐纳电压的那个齐纳二极管2a或2b首先击穿。这导致从属的晶体管1a或1b明显负载，该晶体管至少短时必须承受全部电功率，直到下一个晶体管过渡到齐纳工作。第一晶体管1a或1b因此可能损伤或损坏。
图2表示两个(开关)输出级的一个并联电路10，它基本上与在按照图1的实施例中相同地构成。对于相同元件的说明参照对图1的描述。与图1中电路的区别在于，在这里，齐纳二极管2a或2b与从属的开关晶体管1a或1b、例如MOSFET热耦合。在此该热耦合通过虚线区域13a或13b表示。
在关断电感或欧姆电阻-电感负载4时，即当控制信号S转换到低电位时，该负载所存储的磁能或关断能量必须消退。为此将所使用的输出级开关晶体管用作齐纳元件。在此，在多个输出级并联连接的情况下，具有较小齐纳电压的输出级、例如具有开关晶体管1a和二极管2a及3a的输出级首先过渡到齐纳工作。另一晶体管1b则仍处于截止状态，以致晶体管1a短时必须承受全部损失功率或者说关断能量。由于齐纳二极管2a与开关晶体管1a的热耦合，齐纳二极管2a很快变热，其中，它的齐纳电压上升。由此，第一晶体管级1a，2a，3a的齐纳电压上升。当达到了第二晶体管级1b，2b，3b的齐纳电压时，该第二晶体管级承担一部分关断能量。由于这些晶体管级的齐纳电压的平衡发生得相对快，首先击穿的晶体管级不会过载，发生齐纳电压的对称化。
图3表示在一个关断过程期间具有不同齐纳电压(漏极-栅极电压)的晶体管1a或1b上的电流和电压变化曲线。在此，标号9标记电流变化曲线，标号6和7标记具有两个并联连接的不同齐纳电压Uz2a和Uz2b的晶体管1a或1b上的电压变化曲线。在本例中，电感负载4在时刻t0关断，由此电流I指数地下降到零。电压U跳跃式上升，直到达到齐纳电压Uz1a，该齐纳二极管(在该例中Uz2a＜Uz2b，即齐纳二极管2a)击穿。
所属的输出级则将电流I向接地极GND导出。在此，晶体管1a变热，因此齐纳二极管2a也变热，由此它的齐纳电压Uz2a上升。齐纳电压随着温度上升而上升通过箭头14的方向来表示。在这里，较高的齐纳电压Uz2a，用虚线8表示。如果齐纳电压Uz2a，达到值Uz2a，第二个并联连接的输出级的温度还未升高，则它也接收关断能量，因为达到它的在未升高的温度下具有的齐纳电压。
这种做法相当于使输出级齐纳电压对称，它在齐纳电压在负载和/或温度作用下变高、即具有正的负载系数和/或温度系数时是可行的。因此可在多个输出级并联连接的情况下达到正的齐纳电压表现。
图4表示一个例如硅制成的平面半导体芯片11的俯视图，它具有一个晶体管结构，在这里，该晶体管结构被示意性表示为一个区域12，例如相当于输出级10a的开关晶体管1a。从属的、总归存在的齐纳二极管2a可布置在该区域内部或该区域12附近，尤其可集成在输出级平面中，由此尽可能好地与开关晶体管热耦合。在图4中未示出按照图2在各个电路组成部分之间存在的电连接。
如果齐纳二极管2a具有低的齐纳电压Uz，则从属的晶体管1a在关断过程中相对快地变热，因为它导出待消退的电功率的大部分作为关断电流并转换成热。在此情况下齐纳二极管2a以相同的程度变热，由此齐纳电压Uz上升。一旦齐纳电压Uz2a处于与齐纳电压Uz2b相同的水平，另一开关晶体管1b(未示出)也承受待减退的电能的一部分。因此，在关断欧姆电阻-电感负载时要解决的全部电功率或电能可均匀地分配到多个并联连接的晶体管1a，1b上或多个并联连接的输出级上。
也可替代齐纳二极管2a或2b而例如使用具有正温度系数的热敏电阻或其它适合的具有正温度系数的部件。
在图5中针对两个单输出级A和B表示出本发明的一个实施例。它与图2中实施例的区别在于具有至少一个附加的二极管15a，15b，该附加的二极管在电路技术上与二极管2和3串联。但从机械上看该附加的二极管在芯片上布置得远离二极管2和3，以致与输出级的热耦合可被忽略，对于该二极管的温度实际上仅环境温度是有重要意义的。该二极管可构造成齐纳二极管或用NTC(负温度系数)电阻来替代。
对于根据图5的实施例有：通过用于限制输出级箝位电压的齐纳二极管2a，2b来以正温度系数个别反馈保持与根据图2的实施例中一样。在这里，齐纳二极管2a，2b不变地处于输出级晶体管内部和或直接在输出级晶体管旁边，具有良好的、即快速的热耦合。
在输出级组件的芯片或硅片的其它位置上，与在箝位阶段期间出现的短时温度峰值在热方面不相关地安置了至少一个二极管15a，15b作为具有负的温度系数的附加构件，该二极管例如构造成齐纳二极管或NTC电阻。因此所有输出级的箝位电压的飘移可通过该构件的一般温度变化被补偿。也可能过补偿。在图6中示出这样一个根据本发明的芯片。在图6中未示出按照图5的各个电路组成部分之间所存在的电连接。
图7a，7b及7c针对所给出的实施例示出在并联连接具有对称化和上面描述的温度补偿的输出级A和B时的箝位变化曲线。例如输出级A是由容差决定以较小的齐纳电压箝位的输出级。在图7a中关于时间t绘出箝位电压UK。用16标记输出级B的箝位电压，用17标记输出级A的箝位电压和用18标记在并联电路情况下的箝位电压变化曲线。在图7b中关于时间t绘出负载电流IL，在图7c中关于时间t绘出温度T。在这里，负载电流的和19由输出级A和B的两个负载电流20和21组成。两个输出级的温度变化曲线用22和23标记。24描述芯片的温度。关断时刻用tA标记，箝位阶段的终止用tE标记。
在所示例中由容差决定以较小齐纳电压箝位的输出级A首先承受全部电流，该电流在关断后继续通过欧姆电阻-电感负载4运行。通过此时在输出级A中产生的功率，输出级A被加热，其箝位电压由于具有正温度系数的反馈而升高。如果输出级A的箝位电压由于温度升高而达到一个值，该值相应于输出级B的在这时仍存在于输出级B上的较低温度下的齐纳电压，则输出级B也导通并承受一部分电流或关断能量。基于由容差决定的差别，尤其是齐纳电压差别，输出级B不承受与输出级A相同的能量，因此例如也较少变热。反馈的温度依赖性越强，由输出级A与B承受的能量之间的差就越小。
该一般性补偿使得可实现：各个输出级的个别反馈配备有较强的温度变化特性，由此达到能量均匀分配到所有并联连接的输出级上，尤其是在关断电感负载时在箝位阶段中出现的关断能量，而不会违背对箝位电压温度飘移小的要求的规定。
Claims (11)
1.输出级，尤其用于开关电感负载或欧姆电阻-电感负载(4)的开关输出级(10)，包括多个并联连接的单输出级(A，B)，所述单输出级具有至少一个具有任意齐纳电压的部件(2a，2b)，该齐纳电压确定该单输出级的齐纳电压(Uz)，并具有一个晶体管，尤其是开关晶体管(1)，其特征在于：所述部件(2a，2b)布置在该开关晶体管(1)内或其旁边，以致它们与晶体管(1)热耦合，具有可预给定的温度变化特性的另一部件(15a，15b)远离并且尤其在热方面去耦合。
2.根据权利要求1的开关输出级(10)，其特征在于：具有多个并联连接的负反馈的晶体管(1a，1b)，在它们的负反馈路径中各设有一个具有正温度系数的结构元件(2a，2b)，该结构元件确定该单输出级(A，B)的箝位电压或齐纳电压(Uz)。
3.根据以上权利要求之一的开关输出级(10)，其特征在于：这些结构元件(15a，15b)作为齐纳二极管或作为热敏电阻、尤其是NTC电阻来实现并且具有负温度系数。
4.根据以上权利要求之一的开关输出级(10)，其特征在于：这些温度系数的值是不同的。
5.根据以上权利要求之一的开关输出级(10)，其特征在于：由结构元件(2a，2b)和结构元件(15a，15b)引起的对单输出级的反馈是不同的。
6.根据以上权利要求之一的开关输出级(10)，其特征在于：整个装置集成在一个芯片上。
7.根据以上权利要求之一的开关输出级(10)，其特征在于：所述部件(2a，2b)这样布置在芯片上，以致它们允许快速的温度补偿，结构元件(15a，15b)这样布置在芯片上，以致它们允许缓慢的温度补偿。
8.根据以上权利要求之一的开关输出级(10)，其特征在于：所述多个并联连接的单输出级属于不同的电流等级。
9.根据以上权利要求之一的开关输出级(10)，其特征在于：使单输出级齐纳电压对称，其中，单输出级的齐纳电压在负载和/或温度下被增高。
10.用于运行根据以上权利要求之一的开关输出级(10)的方法，其特征在于：使在关断时要消退的关断能量尽可能均匀地分配到多个单输出级上。
11.用于运行根据以上权利要求之一的开关输出级(10)的方法，其特征在于：所有单输出级(A，B)的箝位电压的漂移通过所属的芯片的一般性温度变化被补偿或过补偿。
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