DE10006526A1 - Temperaturgeschützte Halbleiterschaltungsanordnung - Google Patents

Abstract

Temperaturgeschützte Halbleiterschaltungsanordnung, die eine erste integrierte Schalteinheit (SE) mit folgenden Merkmalen aufweist: DOLLAR A - einen Halbleiterschalter (S), DOLLAR A - einen ersten integrierten Temperatursensor (T1) zur Ansteuerung des Halbleiterschalters bei Erreichen einer Übertemperatur, DOLLAR A - erste und zweite Anschlussklemmen zum Anschließen einer Last (K1, K2), DOLLAR A - eine Steuerklemme (K3) zum Anlegen eines Ansteuersignals für den Halbleiterschalter, DOLLAR A wobei ein zweiter Temperatursensor (T2) temperaturleitend mit der Schalteinheit (SE) verbunden ist, der wenigstens eine Ausgangsklemme (K4, K5) zur Bereitstellung eines temperaturabhängigen Temperatursignals (ST1) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine temperaturgeschützte Halbleiterschaltungsanordnung gemäß den Merkmalen des Oberbe­ griffs des Anspruchs 1.

Integrierte Schalteinheiten mit einem Halbleiterschalter und einem integrierten Temperatursensor zum Ansteuern des Halb­ leiterschalters bei Übertemperatur sind beispielsweise inte­ grierte Leistungshalbleiterschalter die von der Anmelderin unter den Bezeichnungen HITFET oder der PROFET vertrieben werden.

Ein in demselben Chip wie der Halbleiterschalter monolithisch integrierter Temperatursensor erfasst bei diesen Schaltein­ heiten die Temperatur unmittelbar in dem Chip und ermöglicht so ein schnelles, annäherungsweise verzögerungsfreies Ab­ schalten des Halbleiterschalters bei Erreichen einer hohen, die Schalteinheit auf Dauer schädigenden Temperatur. Bei den PROFET wird zudem ein Statussignal ausgegeben, das den Schaltzustand des Halbleiterschalters anzeigt.

Bei einigen der bekannten Schalteinheiten, beispielsweise den HITFET, wird bei temperaturbedingtem Abschalten des Halblei­ terschalters kein entsprechendes Statussignal nach außen ge­ geben. Bei Verwendung mehrerer miteinander verschalteter der­ artiger Schalteinheiten in einer Anwendung, wie zum Beispiel einer Brückenschaltung zur Ansteuerung eines Motors, ist es jedoch sinnvoll, ein temperaturbedingtes Abschalten eines Halbleiterschalters in einer Schalteinheit rechtzeitig zu er­ kennen, um gegebenenfalls die weiteren Schalteinheiten geeig­ net ansteuern zu können noch bevor deren Temperaturgrenze für selbsttätiges Abschalten erreicht ist.

Das Vorsehen einer Möglichkeit zur Ausgabe eines Sta­ tussignals bei temperaturbedingtem Abschalten des Halbleiter­ schalters würde einen Neuentwurf der gesamten Schalteinheit erforderlich machen. Die Erfassung des Schaltzustandes von außen zur Erzeugung eines Statussignals wird derzeit mittels Spannungsdetektion an den Lastklemmen der Schalteinheit oder mittels eines in Reihe zu den Lastklemmen geschalteten Shunt durchgeführt.

Bei Leistungsschaltern der PROFET-Familie wird ein Sta­ tussignal erzeugt und nach außen gegeben, das ein automati­ sches Abschalten des Halbleiterschalters anzeigt. Eine Ab­ schaltung kann bei diesen Leistungsschaltern sowohl auf eine Übertemperatur in dem Chip als auch auf einen Kurzschluss in der zu schaltenden Last zurückgehen, der mittels einer Aus­ wertung der Spannung über dem Halbleiterschalter erkannt wird. Das Statussignal erlaubt keine Unterscheidung im Hin­ blick auf den aufgetretenen Fehler. Bei automatischem Ab­ schalten des Halbleiterschalters bedingt durch den integrier­ ten Temperatursensor schaltet der Halbleiterschalter zudem automatisch wieder ein, wenn das Bauteil abgekühlt ist, wobei das Statussignal ebenfalls seinen Zustand wechselt. Das Sta­ tussignal wechselt damit im Zyklus der Erwärmung und nachfol­ genden Abkühlung der Schalteinheit seinen Zustand, was dessen Auswertung erschwert.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine temperaturge­ schützte Halbleiterschaltungsanordnung zur Verfügung zu stel­ len bei der bekannte Schalteinheiten mit einem integrierten Temperatursensor verwendbar sind und bei der eine Übertempe­ ratur in der Schalteinheit von außen erkannt werden kann.

Diese Aufgabe wir durch eine Halbleiterschaltungsanordnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Danach weist die Halbleiterschaltungsanordnung eine Schalt­ einheit mit einem integrierten ersten Temperatursensor und einem zweiten Temperatursensor auf, wobei der zweite Tempera­ tursensor temperaturleitend mit der Schalteinheit verbunden ist. Der zweite Temperatursensor ist dazu vorzugsweise mit­ tels eines wärmeleitenden Klebers auf den Chip der Schaltein­ heit aufgeklebt.

Der erste monolithisch integrierte Temperatursensor, der die Temperatur unmittelbar in dem Halbleiterkörper der integrier­ ten Schalteinheit erfasst, ermöglicht ein schnelles Abschal­ ten des Halbleiterschalters bei Übertemperatur. Der zweite Temperatursensor erfasst die Temperatur an der Oberfläche des Halbleiterkörpers und dient zur Bereitstellung eines Tempera­ tursignals, welches die Temperaturverhältnisse in der Schalt­ einheit wiedergibt. Wegen der Dauer der Wärmeausbreitung rea­ giert der zweite Temperatursensor nicht so schnell wie der integrierte erste Temperatursensor. Eine Zeitverzögerung zur Bereitstellung ist jedoch akzeptabel, da normalerweise bei Erzeugen eines Temperatursignals, das eine Übertemperatur an­ zeigt, der Halbleiterschalter bereits abgeschaltet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen an­ hand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: temperaturgeschützte Halbleiterschaltungsanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2: temperaturgeschützte Halbleiterschaltungsanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungs­ gemäßen temperaturgeschützten Halbleiterschaltungsanordnung. Die Schaltungsanordnung weist eine Schalteinheit SE auf, die erste und zweite Anschlussklemmen K1, K2 zum Anschalten einer Last R_L an eine zwischen einem Bezugspotential M und einem Versorgungspotential V+ anliegende Spannung aufweist. Die Schalteinheit SE weist ein Halbleiterschaltelement S, das vorzugsweise als Leistungs-MOSFET ausgebildet ist, auf, wobei Lastanschlussklemmen des Halbleiterschalters S zwischen der ersten und zweiten Klemme K1, K2 verschaltet sind. Zur An­ steuerung des Halbleiterschalters S ist in dem Ausführungs­ beispiel eine Ansteuerschaltung AS vorgesehen, die eine Ein­ gangsklemme K3 zur Zuführung eines Ansteuersignals und eine Ausgangsklemme AK zur Bereitstellung eines Steuersignals für den Halbleiterschalter S aufweist. Der Halbleiterschalter S und die Ansteuerschaltung AS sind monolithisch in einem Halb­ leiterkörper integriert.

Die Ansteuerschaltung AS weist einen ersten monolithisch in­ tegrierten Temperatursensor T1 zur Erfassung der Temperatur in dem Halbleiterkörper und zum Abschalten des Halbleiter­ schalters S bei Auftreten einer vorgebbaren Übertemperatur auf. Aufgrund der monolithischen Integration des ersten Tem­ peratursensors T1 in dem Halbleiterkörper, in dem auch der Halbleiterschalter S ausgebildet ist, reagiert der erste Tem­ peratursensor T1 sehr schnell auf eine zu hohe, die Schalt­ einheit SE auf Dauer schädigende Temperatur und schaltet den Halbleiterschalter S ab. Ein Statussignal, welches den Schaltzustand des Halbleiterschalters S erkennen lässt, wird von der Schalteinheit SE nach Fig. 1 nicht erzeugt. Die dar­ gestellte Schalteinheit ist beispielsweise ein handelsübli­ cher HITFET, der von der Anmelderin vertrieben wird.

Erfindungsgemäß ist ein zweiter Temperatursensor T2 vorgese­ hen, der wärmeleitend mit der Schalteinheit SE, insbesondere mit dem Halbleiterkörper der Schalteinheit SE, in dem der er­ ste Temperatursensor T1 und der Halbleiterschalter S mono­ lithisch integriert sind, verbunden ist. Die strichpunktierte Linie in Fig. 1 stellt den Umfang des Halbleiterkörpers der Schalteinheit SE dar. Auf diesen ist der zweite Temperatursensor T2 in dem Ausführungsbeispiel mittels eines wärmelei­ tenden Klebers KL aufgeklebt.

Der zweite Temperatursensor T2 weist Anschlussklemmen K4, K5 auf, an denen ein Temperatursignal ST1 abgreifbar ist, wobei das Statunssignal vorzugsweise einen von zwei verschiedenen Werten annimmt, je nach dem, ob eine mittels des zweiten Temperatursensors T2 erfasste Temperatur oberhalb oder unter­ halb einer vorgebbaren Temperaturschwelle liegt. Die mittels des Temperatursignals ST1 des zweiten Temperatursensors T2 gelieferte Temperaturinformation kann dazu verwendet werden, den Halbleiterschalter S über die Anschlussklemme K3 abzu­ schalten, um zu verhindern, dass der Halbleiterschalter S au­ tomatisch wieder einschaltet, wenn die Temperatur an dem er­ sten integrierten Temperatursensor T1 unter die Temperatur­ schwelle abgesunken ist.

Das Temperatursignal ST1 des zweiten Temperatursensors T2 kann jedoch auch dazu verwendet werden, weitere - in Fig. 1 nicht näher dargestellte - derartige Halbleiterschaltungsan­ ordnungen abzuschalten, bzw. geeignet anzusteuern, die mit der Halbleiterschaltungsanordnung, an der eine Übertemperatur aufgetreten ist, verschaltet sind.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsge­ mäßen Halbleiterschalteranordnung. Bei dieser Ausführungsform weist die Schalteinheit SE eine weitere Anschlussklemme K6 auf, an der ein Statussignal ST2 abgreifbar ist, welches den Schaltzustand des Halbleiterschalters S repräsentiert. Neben dem ersten monolithisch integrierten Temperatursensor T1 weist die Ansteuerschaltung AS des Halbleiterschalters S in dem Ausführungsbeispiel einen Spannungssensor US auf, der die Spannung über der Laststrecke des Halbleiterschalters S aus­ wertet, um den Halbleiterschalter S bei einem Kurzschluss in der Last R_L abzuschalten und vor Zerstörung zu schützen. Das an der Anschlussklemme K6 anliegende Statussignal ST2 lässt dabei nicht erkennen, ob die Anschaltung des Halbleiterschalters S durch den Spannungssensor US oder den Temperatursensor T1 bedingt ist. Das durch den zweiten Temperatursensor T2 ge­ lieferte Temperatursignal, welches nur von der Temperatur an dem Halbleiterkörper der Schalteinheit SE abhängig ist, er­ möglicht eine Unterscheidung des Statussignals ST2 an der An­ schlussklemme K6 bezüglich dieser beiden Fälle.

In Fig. 2 ist weiterhin eine externe Ansteuerschaltung EAS dargestellt, die an die Anschlussklemmen K4, K5 des zweiten Temperatursensors T2 und an die Anschlussklemmen K3, K6 der Schalteinheit SE angeschlossen ist. Die externe Ansteuer­ schaltung EAS dient zur Ansteuerung des Halbleiterschalters S über die Ansteuerschaltung AS unter Berücksichtigung des von der Schalteinheit SE gelieferten Statussignals ST2 an der An­ schlussklemme K6 und des von dem zweiten Temperatursensors gelieferten Temperatursignals ST1 an den Anschlussklemmen K4, K5.

Die Schalteinheit nach Fig. 2 ist beispielsweise ein handels­ üblicher PROFET, der von der Anmelderin vertrieben wird.

Claims (4)

1. Temperaturgeschützte Halbleiterschaltungsanordnung die ei­ ne erste integrierte Schalteinheit (SE) mit folgenden Merkma­ len aufweist:

• - einen Halbleiterschalter (S),
• - einen ersten integrierten Temperatursensor (T1) zur An­ steuerung des Halbleiterschalters bei Erreichen einer Über­ temperatur,
• - erste und zweite Anschlussklemmen zum Anschließen einer Last (K1, K2),
• - eine Steuerklemme (K3) zum Anlegen eines Ansteuersignals für den Halbleiterschalter,

dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Temperatursensor (T2) temperaturleitend mit der Schalteinheit (SE) verbunden ist, der wenigstens eine Aus­ gangsklemme (K4, K5) zur Bereitstellung eines temperaturab­ hängigen Temperatursignals (ST1) aufweist.

2. Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsklemme (K4, K5) des zweiten Temperatursensors (T2) an eine an die Steuerklemme (K3) der integrierten Schalteinheit (SE) angeschlossene Ansteuerschaltung (EAS) an­ geschlossen ist.

3. Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Temperatursensor (T2) dielektrisch isoliert und mittels eines Wärmeleitklebers (KL) auf die integrierte Schalteinheit (SE) aufgeklebt ist.

4. Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinheit eine handelsübliche Schalteinheit mit inte­ griertem Temperatursensor ist.