DE10103919B4 - Leistungstransistor mit einer Temperaturschutzschaltung und Verfahren zur temperaturabhängigen Ansteuerung eines Leistungstransistors - Google Patents

Abstract

Schaltungsanordnung, die folgende Merkmale aufweist: – einen Leistungstransistor (M), der einen ersten und zweiten Laststreckenanschluss (D, S) und einen Steueranschluss (G) aufweist, – einen an den Steueranschluss (G) des Leistungstransistors (M) gekoppelten Eingangsanschluss (IN), – eine Schutzschaltung (10), die einen zwischen den Steueranschluss (G) und den zweiten Laststreckenanschluss (S) des Leistungstransistors (M1) geschalteten steuerbaren Widerstand (M1) aufweist, wobei der steuerbare Widerstand (M1) abhängig von einer Temperatur an dem Leistungstransistor (M), einem Strom (Id) durch den Leistungstransistor (M) und einer Spannung (Uds) zwischen dem ersten und zweiten Laststreckenanschluss (D, S) des Leistungstransistors (M) derart angesteuert ist, dass sich der Widerstandswert des steuerbaren Widerstands (M1) bei steigender Temperatur verringert, bei sinkendem Strom (Id) durch den Leistungstransistor (M) erhöht und bei steigender Spannung (Uds) zwischen dem ersten und zweiten Laststreckenanschluss (D, S) erhöht.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, die einen Leistungstransistor mit einem Steueranschluss und einem ersten und zweiten Laststreckenanschluss, einen an den Steueranschluss des Leistungstransistors gekoppelten Eingangsanschluss und eine Schutzschaltung mit einem zwischen dem Steueranschluss und dem zweiten Laststreckenanschluss des Leistungstransistors verschalteten steuerbaren Widerstand aufweist.
• Der Leistungstransistor ist insbesondere ein Leistungs-MOSFET, dessen Gate-Anschluss den Steueranschluss, dessen Drain-Anschluss den ersten Laststreckenanschluss und dessen Source-Anschluss den zweiten Laststreckenanschluss bildet.
• Ein Schaltzustand des Leistungstransistors, der als Schalter zum Anlegen einer Last an eine Versorgungsspannung dient, bzw. dessen Einschaltwiderstand, ist von dessen Gate-Source-Spannung abhängig. Allgemein besteht bei einem Transistor die Gefahr einer Zerstörung, wenn die Temperatur des Halbleiterkörpers, in dem er integriert ist, einen bestimmten Wert übersteigt.
• Zum Schutz eines Leistungstransistors vor Überhitzung ist es aus der DE 198 41 202 C1 bekannt, einen weiteren Transistor zwischen den Gate-Anschluss und den Source-Anschluss eines Leistungstransistors zu schalten und diesen Transistor temperaturabhängig anzusteuern. Abhängig von einer für diesen Transistor vorgesehenen Ansteuerschaltung funktioniert dieser Transistor als Schalter, der den Gate-Anschluss und den Source-Anschluss bei Erreichen einer Grenztemperatur kurzschließt, um den Leistungstransistor zu sperren. Oder der Transistor funktioniert als temperaturabhängiger steuerbarer Widerstand, der die Gate-Source-Spannung des Leistungstransistors mit steigender Temperatur reduziert, um den Leistungstransistor mit steigender Temperatur abzuregeln. Dazu wird der Transistor durch einen Differenzverstärker angesteuert, an dessen Eingang ein von der Temperatur abhängiges und ein von der Temperatur unabhängiges Spannungssignal anliegen.
• Aus der DE 198 21 834 A1 ist ein Leistungstransistor mit einer Temperaturschutzschaltung bekannt, die den Drainstrom des Leistungstransistor bei Erreichen einer vorgegebenen Grenztemperatur reduziert, um die Verlustleistung in dem Leistungstransistor zu begrenzen und somit eine weitere Erwärmung zu verhindern. Dazu ist bei einer Ausführungsform ein temperaturabhängiger Widerstand zwischen einen Eingang zur Zuführung eines Ansteuersignals und den Gate-Anschluss geschaltet, um das Gate-Potential temperaturabhängig einzustellen. Bei einer weiteren Ausführungsform wird ein Temperatursignal mit einem temperaturunabhängigen Sollwert verglichen, um abhängig von diesem Vergleich den Leistungstransistor anzusteuern.
• Die DE 42 36 334 A1 beschreibt ein monolithisch integriertes MOS-Endstufenbauteil mit einer Überlast-Schutzeinrichtung. Die Schaltungsanordnung umfasst einen Leistungstransistor, zwischen dessen Gate-Anschluss und Source-Anschluss eine Temperaturschutzschaltung geschaltet ist. Diese Temperaturschutzschaltung umfasst einen MOSFET, dessen Drain-Source-Strecke zwischen den Gate-Anschluss und den Source-Anschluss des Leistungstransistors geschaltet ist. Der MOSFET ist über eine Verstärkerstufe mittels einer Zenerdiode angesteuert, die einen temperaturabhängigen Sperrstrom bereitstellt, wobei der Leistungstransistor mit zunehmender Temperatur über den MOSFET abgeregelt wird.
• Die DE 41 22 653 C2 beschreibt eine steuerbare Halbleiterschalteinrichtung mit integrierter Strombegrenzung und Übertemperaturabschaltung. Die Schaltungsanordnung umfasst einen Lasttransistor, zwischen dessen Gate-Anschluss und Source-Anschluss die Drain-Source-Strecke eines weiteren Transistors geschaltet ist. Der weitere Transistor ist durch eine Schaltung angesteuert, an die ein Laststromsensor zur Erfassung eines Laststroms durch den Lasttransistor und ein Temperatursensor angeschlossen ist, um den Lasttransistor abhängig von dessen Laststrom und der Temperatur anzusteuern.
• Bei Leistungstransistoren mit integrierter Temperaturschutzschaltung, die bei Erreichen einer Grenztemperatur ganz abgeschaltet werden, gibt es solche, die selbständig bei Unterschreiten einer Grenztemperatur wiedereinschalten. Bei diesen selbsttätig wiedereinschaltenden Leistungstransistoren kann es zu unerwünschten Schwingungseffekten kommen. Ferner gibt es Leistungstransistoren, bei denen ein Ansteuersignal, nach dessen Maßgabe der Leistungstransistor leitet oder sperrt, nach einem temperaturbedingten Abschalten zunächst auf Null gesetzt werden muss, bevor der Leistungstransistor wieder leitend angesteuert werden kann. Dies führt zu Nachteilen, wenn mehrere Leistungstransistoren parallel geschaltet sind und gemeinsam angesteuert werden. Bei temperaturbedingtem Abschalten eines Leistungstransistors müssen dann alle Leistungstransistoren zunächst abgeschaltet werden, um diesen temperaturbedingt abgeschalteten Transistor wiedereinschalten zu können.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung mit einem Leistungstransistor und einer Temperaturschutzschaltung zur Verfügung zu stellen, bei der der Leistungstransistor temperaturabhängig zurückgeregelt wird und bei der insbesondere kein temperaturunabhängiges Referenzsignal erforderlich ist, und ein Verfahren zum Schutz eines Leistungstransistors vor Übertemperatur zur Verfügung zu stellen.
• Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist einen Leistungstransistor mit einem ersten und zweiten Laststreckenanschluss und einem Steueranschluss, einen an den Steueranschluss des Leistungstransistors gekoppelten Eingangsanschluss und eine Schutzschaltung mit einem zwischen dem Steueranschluss und dem zweiten Laststreckenanschluss des Leistungstransistors verschalteten steuerbaren Widerstand auf. Erfindungsgemäß ist der steuerbare Widerstand abhängig von einer Temperatur an dem Leistungstransistor, einem Strom durch den Leistungstransistor und einer Spannung zwischen dem ersten und zweiten Laststreckenanschluss des Leistungstransistors angesteuert.
• Der Leistungstransistor ist insbesondere als MOSFET ausgebildet, bei dem der Gate-Anschluss einen ersten Steueranschluss, der Drain-Anschluss einen ersten Laststreckenanschluss und der Source-Anschluss einen zweiten Laststreckenanschluss bildet.
• Der steuerbare Widerstand ist vorzugsweise als erster Transistor, insbesondere als MOSFET ausgebildet, dessen Drain-Source-Strecke zwischen den Gate-Anschluss und den Source-Anschluss des Leistungstransistors geschaltet ist. Dieser erste Transistor ist bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung abhängig von der Temperatur an dem Leistungstransistor, dem Strom durch den Leistungstransistor, das heißt dessen Drainstrom, und der Spannung über der Laststrecke des Leistungstransistors, das heißt dessen Drain-Source-Spannung, angesteuert, um die Gate-Source-Spannung des Leistungstransistors abhängig von diesen Größen einzustellen, und auf diese Weise die Verlustleitung und damit die Wärmeentwicklung in dem Leistungstransistor zu regeln.
• Die Ansteuerung des ersten Transistors erfolgt dabei derart, dass dessen Einschaltwiderstand sich verringert, um die Gate-Source-Spannung des Leistungstransistors zu reduzieren, wenn die Temperatur ausgehend von einem Grenzwert ansteigt. Zudem wird der Einschaltwiderstand vergrößert, um die Gate-Source-Spannung zu erhöhen, wenn die Drain-Source-Spannung des Leistungstransistors ansteigt und/oder wenn der Drainstrom des Leistungstransistors abnimmt. Die Erfindung macht sich dabei zu Nutze, dass der Drainstrom des Leistungstransistors abnimmt und dass dessen Drain-Source-Spannung – bei Reihenschaltung mit einer Last und gleichbleibender Versorgungsspannungzunimmt, wenn der Leistungstransistor durch Reduktion der Gate-Source-Spannung abgeregelt wird. Der abnehmende Drainstrom und die zunehmende Drain-Source-Spannung wirken dadurch einer weiteren temperaturbedingten Abregelung des Leistungstransistors entgegen und sorgen so für einen stabilen Schaltzustand des Leistungstransistors.
• Die Schutzschaltung weist einen Spannungssensor zur Bereitstellung eines von der Spannung zwischen den Laststreckenanschlüssen des Leistungstransistors abhängigen Signals und einen Stromsensor zur Bereitstellung eines von dem Strom durch den Leistungstransistor abhängigen Signals auf, wobei das spannungsabhängige Signal und das stromabhängige Signal zur Ansteuerung des ersten Transistors herangezogen werden. Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert.
• In den Figuren zeigt
• 1: ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einem Leistungstransistor und einer Schutzschaltung,
• 2: Schaltungsanordnung mit einem Leistungstransistor, einem zwischen dem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss des Leistungstransistors geschalteten ersten Transistor und einer Ansteuerschaltung zur Ansteuerung des ersten Transistors gemäß einer ersten Ausführungsform,
• 3: Verlauf ausgewählter Signale bei der Schaltungsanordnung gemäß 2 über der Temperatur,
• 4: Schaltungsanordnung mit einem Leistungstransistor, einem ersten Transistor und einer Ansteuerschaltung zur Ansteuerung des ersten Transistors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
• 5: Schaltungsanordnung mit einem Leistungstransistor, einem ersten Transistor und einer Ansteuerschaltung zur Ansteuerung des ersten Transistors gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
• In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile und Signale mit gleicher Bedeutung.
• 1 zeigt ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einem Leistungstransistor M und einer Temperaturschutzschaltung 10. Wie in 1 gestrichelt angedeutet ist, dient die Schaltungsanordnung beispielsweise zum Anliegen einer in Reihe zu dem Leistungstransistor M geschalteten Last RL an eine Versorgungsspannung Vdd und wird dazu mittels Klemmen K1, K2 in Reihe zu der Last RL zwischen ein erstes Versorgungspotential Vdd und ein zweites Versorgungspotential GND, üblicherweise Masse, geschaltet.
• Die Schaltungsanordnung weist einen Eingangsanschluss In zum Anliegen eines Steuersignals Sin auf, nach dessen Maßgabe der Leistungstransistor M leitet oder sperrt. Der Leistungstransistor M ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß der 1 als MOSFET ausgebildet, dessen Gate-Anschluss G einen Steueranschluss, dessen Drain-Anschluss D einen ersten Laststreckenanschluss und dessen Source-Anschluss S einen zweiten Laststreckenanschluss bildet. Der Eingangsanschluss In ist über eine Stromquelle Iq an den Gate-Anschluss G des Leistungstransistors angeschlossen, wobei der Leistungstransistor M in dem Ausführungsbeispiel leitet, wenn sich das Eingangssignal Sin auf einen oberen Ansteuerpotential befindet, und wobei der Leistungstransistor M sperrt, wenn sich das Eingangssignal Sin auf einen unteren Ansteuerpotential befindet.
• Der Leistungstransistor M weist eine Gate-Source-Kapazität Cgs auf, wobei die über dieser Gate-Source-Kapazität Cgs anliegende Gate-Source-Spannung Ugs den Einschaltwiderstand des Leistungstransistors M bestimmt. Die Stromquelle Iq zwischen dem Eingang In und dem Gate-Anschluss G des Leistungstransistors M begrenzt bei einem Wechsel des Eingangssignals Sin von dem unteren Ansteuerpotential auf das obere Ansteuerpotential den Strom auf die Gate-Kapazität Cgs und begrenzt dadurch die Schaltgeschwindigkeit des Leistungstransistors M. Neben dem Vorsehen einer einfachen Stromquelle Iq zwischen dem Eingangsanschluss In und dem Gate-Anschluss G des Leistungstransistors M sind beliebige weitere Ansteuerschaltungen zur Ansteuerung des Leistungstransistors M abhängig von dem Eingangssignal Sin bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung einsetzbar.
• Zur Beeinflussung der Gate-Source-Spannung Ugs des Leistungstransistors M. ist ein erster Transistor M1 vorgesehen, der in dem Ausführungsbeispiel als MOSFET ausgebildet ist, und dessen Drain-Source-Strecke D-S zwischen den Gate-Anschluss G und den Source-Anschluss S des Leistungstransistors M geschaltet ist. Leitet dieser erste Transistor M1 so wird die Gate-Source-Kapazität wenigstens teilweise entladen und die Gate-Source-Spannung sinkt, wodurch der Leistungstransistor abgeregelt wird.
• Die Ansteuerung des ersten Transistors M1 erfolgt mittels einer Ansteuerschaltung 12, die einen Ausgang 121 aufweist, der an den Gate-Anschluss G des erstes Transistors M1 angeschlossen ist. Die Ansteuerung des ersten Transistors M1 durch die Ansteuerschaltung 12 erfolgt abhängig von einer Temperatur an dem Leistungstransistor M, von der Drain-Source-Spannung Uds des Leistungstransistors M und dem Drainstrom Id des Leistungstransistors M. Zur Erfassung der Temperatur an dem Leistungstransistor M ist ein Temperatursensor 40 vorgesehen, der ein von der Temperatur an dem Leistungstransistor M abhängiges Signal einem Eingang 124 der Ansteuerschaltung 12 zuführt. Zur Ermittlung eines von der Drain-Source-Spannung Uds abhängigen Signals I2 ist ein an den Drain-Anschluss D und den Source-Anschluss S des Leistungstransistors M angeschlossener Spannungssensor 20 vorgesehen und zur Ermittlung eines von dem Drainstrom Id abhängigen Signals I3 ist ein in Reihe zu der Drain-Source-Strecke D-S des Leistungstransistors M geschalteter Stromsensor 30 vorgesehen. Das spannungsabhängige Signal I2 ist dabei einem Eingang 122 der Ansteuerschaltung 12 zugeführt und das stromabhängige Signal 30 ist einem Eingang 123 der Ansteuerschaltung 12 zugeführt, wobei die Ansteuerschaltung 12 diese Signale zur Ansteuerung des ersten Transistors M1 verknüpft.
• 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einem Leistungstransistor M, und einem ersten Transistor M1, dessen Drain-Source-Strecke D-S zwischen dem Gate-Anschluss G und dem Source-Anschluss S des Leistungstransistors M verschaltet ist. Die Gate-Source-Kapazität Cgs ist in 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht mehr dargestellt. Zur Ansteuerung des ersten Transistors M1 ist eine Ansteuerschaltung 12 mit einem Ausgang 121 vorgesehen, der an den Gate-Anschluss G des ersten Transistors M1 angeschlossen ist. Zur Bereitstellung eines von der Drain-Source-Spannung Uds des Leistungstransistors M abhängigen Signals I2 ist ein zweiter Transistor M2 vorgesehen, dessen Gate-Anschluss G an den Eingangsanschluss IN angeschlossen ist und dessen Drain-Anschluss D über einen Widerstand R2 an die erste Klemme K1, bzw. den Drain-Anschluss D des Leistungstransistors M, angeschlossen ist und dessen Source-Anschluss S über einen ersten Widerstand Ru in der Ansteuerschaltung 12 an die zweite Klemme K2, bzw. den Source-Anschluss S des Leistungstransistors M, angeschlossen ist.
• Das Ansteuersignal Sin, welches direkt an dem Gate-Anschluss G des zweiten Transistors M2 anliegt, weist zwei unterschiedliche Ansteuerpegel auf: einen oberen Ansteuerpegel zum Ansteuern des Leistungstransistors M und einen unteren Ansteuerpegel zum Sperren des Leistungstransistors M. Die Ermittlung der Drain-Source-Spannung Uds des Leistungstransistors M ist nur dann erforderlich, wenn sich das Eingangssignal Sin auf einem oberen Ansteuerpegel befindet, um den Leistungstransistor M anzusteuern. In diesem Fall liegt das Gate G des zweiten Transistors M2 auf dem konstanten Wert des oberen Ansteuerpegels, der durch diesen Transistor M2 fließende Strom I2 ist dadurch proportional zu der Drain-Source-Spannung Uds des Leistungstransistors M, die zwischen den Klemmen K1, K2 anliegt, zwischen denen die Drain-Source-Strecke D-S des zweiten Transistors M2 in Reihe zu den Widerständen R2, Ru geschaltet ist.
• Zur Ermittlung eines von dem Drainstrom Id des Leistungstransistors M abhängigen Stromsignals I3 ist ein dritter Transistor M3 vorgesehen, dessen Gate-Anschluss G an den Gate-Anschluss G des Leistungstransistors M angeschlossen ist und dessen Drain-Anschluss D an den Drain-Anschluss D des Leistungstransistors M angeschlossen ist. Der Source-Anschluss S des dritten Transistors M3 ist über einen zweiten Widerstand Ri in der Ansteuerschaltung 12 an die zweite Klemme K2, bzw. den Source-Anschluss S des Leistungstransistors M, angeschlossen. Die Gate-Anschlüsse G des dritten Transistors M3 und des Leistungstransistors M und deren Drain-Anschlüsse befinden sich auf demselben Potential. Ein Strom I3 durch den dritten Transistor M3 ist damit abhängig von dem Drainstrom Id des Leistungstransistors M, wobei das Verhältnis des Drainstroms Id des Leistungstransistors zu dem Drainstrom I3 des dritten Transistors dem Verhältnis der Flächen des Leistungstransistors und des dritten Transistors entspricht. Die Fläche des dritten Transistors M3 ist wesentlich kleiner als die des Leistungstransistors M ist, so dass der Strom I3 auch wesentlich kleiner als der Drainstrom Id des Leistungstransistors M ist.
• Zur Erfassung der Temperatur an dem Leistungstransistor M sind in der Ansteuerschaltung 12 ein erster Temperatursensor T– und ein zweiter Temperatursensor T+ vorhanden. Die Ansteuerschaltung 12, der erste Transistor M1, der zweite Transistor M2, der dritte Transistor M3 und der Leistungstransistor M sind bei dieser Ausführungsform in einem gemeinsamen Halbleiterkörper angeordnet, in dem die Temperatur annäherungsweise überall gleich ist, so dass die Temperatursensoren T–, T+ die Temperatur an dem Leistungstransistor M erfassen. Der erste Temperatursensor T– ist dabei in Reihe zu einem Widerstand R1 und dem an den Source-Anschluss S des zweiten Transistors M2 angeschlossenen Widerstand Ru zwischen den Eingangsanschluss IN und die zweite Klemme K2, bzw. den Source-Anschluss S des Leistungstransistors M geschaltet. Der zweite Temperatursensor T+ ist in Reihe zu einer Stromquelle Iq2 und dem an den Source-Anschluss S des dritten Transistors M3 angeschlossenen Widerstand Ri zwischen den Eingangsanschluss IN und die zweite Klemme K2 geschaltet.
• Zur Ansteuerung des ersten Transistors M1 ist ein Operationsverstärker OP vorgesehen, wobei ein Minus-Eingang N des Operationsverstärkers OP an einen dem Widerstand R1 und den ersten Temperatursensor T– gemeinsamen Knoten angeschlossen ist und wobei ein Plus-Eingang P des Operationsverstärkers OP an einen dem zweiten Temperatursensor T+ und der Stromquelle Iq2 gemeinsamen Knoten angeschlossen ist. Ein Ausgang des Operationsverstärkers OP ist über den Ausgang 121 der Ansteuerschaltung 12 an den Gate-Anschluss G des ersten Transistors M1 angeschlossen.
• Wenn der Leistungstransistors M leitend angesteuert werden soll befindet sich das Einganssignal Sin auf einem oberen Ansteuerpotential, wodurch zwischen der Eingangsklemme In und der zweiten Klemme K2, bzw. dem Source-Anschluss S des Leistungstransistors M eine wenigstens annäherungsweise konstante Spannung Uin anliegt, die über den Reihenschaltungen aus dem Widerstand R1, dem ersten Widerstand Ru und dem ersten Temperatursensor T– und aus der Stromquelle Iq2, dem zweiten Temperatursensor T+ und dem zweiten widerstand Ri anliegt. Der erste Temperatursensor T– ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass dessen Widerstand mit steigender Temperatur abnimmt, bzw. das die über diesem Temperatursensor T– anliegende Spannung U1 mit steigender Temperatur sinkt. Ein solcher Temperatursensor kann beispielsweise als Depletion-MOSFET ausgebildet sein, wie insbesondere aus der DE 44 37 461 C2 bekannt ist. Der zweite Temperatursensor T+ ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sein Widerstand mit steigender Temperatur zunimmt, bzw. dass die über diesem Temperatursensor T+ anliegende Spannung U2 mit steigender Temperatur zunimmt. Ein derartiger Sensor kann ebenfalls als Depletion-MOSFET ausgebildet sein, wie in der DE 44 37 461 C2 beschrieben ist.
• An dem Minus-Eingang N des Operationsverstärkers OP liegt eine Spannung Un an, die sich aus der Spannung U1 über dem ersten Temperatursensor T– und der Spannung U3 über dem Widerstand Ru zusammensetzt. Die Spannung Un ist damit abhängig von der Temperatur und von dem von der Drain-Source-Spannung des Leistungstransistors M abhängigen Strom I2, der den Widerstand Ru durchfließt und der zu dem Spannungsabfall U3 an diesen Widerstand Ru beiträgt. An dem Plus-Eingang des Operationsverstärkers OP liegt eine Spannung Up gegen die Klemme K2 an, wobei sich diese Spannung Up aus der über dem zweiten Temperatursensor T+ anliegenden Spannung U2 und der Spannung U4 an dem Widerstand Ri zusammensetzt, wobei die Spannung U4 von dem Strom I3 abhängig ist, der diesen Widerstand Ri durchfließt und der von dem Drainstrom Id des Leistungstransistors M abhängig ist. Am Ausgang des Operationsverstärkers OP liegt damit zur Ansteuerung des ersten Transistors M1 ein Signal S1 an, welches von der Temperatur an den Leistungstransistor M, von dem Drainstrom Id und der Drain-Source-Spannung Uds abhängig ist.
• 3 zeigt beispielhaft als durchgezogene Linien den Verlauf der Spannung Un und der Spannung Up über der Temperatur bei konstant angenommener Spannung U3 und U4, woraus ersichtlich ist, dass die Spannung Un mit steigender Temperatur T abnimmt und, dass die Spannung Up mit steigender Temperatur T zunimmt. Die Spannung Un nimmt dabei mit steigender Spannung U3, bzw. steigender Drain-Source-Spannung Uds des Leistungstransistors M zu, wie durch die parallel verlaufende gestrichelte Linie angedeutet ist und die Spannung Up nimmt mit sinkender Spannung U4, bzw. sinkendem Drainstrom des Leistungstransistors Id ab, wie durch die parallel verlaufende gestrichelte Linie angedeutet ist.
• Die Funktionsweise der Schaltungsanordnung gemäß der 2 wird nachfolgend unter Verwendung der Darstellungen für die Spannungen Un und Up in 3 erläutert.
• Liegt in der Schaltungsanordnung eine Temperatur vor, bei welcher die Spannung Un an dem Minus-Eingang n des Operationsverstärkers OP größer ist als eine Spannung Up an den Plus-Eingang P des Operationsverstärkers OP, so befindet sich der Ausgang des Operationsverstärkers OP auf einem niedrigen Ansteuerpegel, der nicht ausreichend ist, um den ersten Transistor M1 leitend anzusteuern. Der erste Transistor M1 sperrt, der Gate-Anschluss G des Leistungstransistors M befindet sich auf einem durch das Ansteuersignal Sin vorgegebenen Ansteuerpotential, bei welchem dieser vorzugsweise seinen niedrigsten Einschaltwiderstand aufweist.
• Steigt die Temperatur an und erreicht einen Wert T_R, bei welchem sich die Kurven mit der Spannung Un und der Spannung Up schneiden, d. h. erreicht die Spannung Up den Wert der Spannung Un, so beginnt der Operationsverstärker OP den ersten Transistor M1 leitend anzusteuern. Dadurch wird die Gate-Source-Spannung Ugs des Leistungstransistors M reduziert und der Leistungstransistor M wird abgeregelt. Infolge dieser Abregelung sinkt der Drainstrom Id des Leistungstransistors M. Und, dessen Drain-Source-Spannung Uds steigt an, wenn der Leistungstransistor M in Reihe zu einer Last geschaltet ist und die über diese Reihenschaltung anliegende Versorgungsspannung unverändert bleibt. Die Verringerung des Drainstroms Id wirkt einer weiteren Abregelung des ersten Transistors M1 entgegen, da sich über das von dem Drainstrom Id abhängige Stromsignal I3 die Spannung U4 an dem Widerstand Ri und dadurch die Spannung Up an den Plus-Eingang des Operationsverstärkers OP reduziert. Entsprechend wirkt die Erhöhung der Drain-Source-Spannung Uds über das spannungsabhängige Stromsignal I2, das an dem Widerstand Ru einen höheren Spannungsabfall U3 hervorruft, woraus eine Erhöhung der Spannung Un resultiert, einer weiteren Abregelung des ersten Transistors M1 entgegen. In der Schaltungsanordnung stellt sich ein stabiler Zustand ein, der durch die Kreuzungspunkte der Spannungen Un und Up gekennzeichnet ist. Beginnt der erste Transistor M1 beispielsweise bei der Temperatur Tr abzuregeln, woraus eine Erhöhung der Spannung Un und eine Reduzierung der Spannung Up resultiert, wie durch die parallel zu diesen Spannungsverläufen eingezeichneten gestrichelten Linien dargestellt ist, so kann sich ein neuer Gleichgewichtszustand der Schaltungen bei einer etwas höheren Temperatur Tr' einstellen. Hierzu sei angemerkt, dass aus einer Reduzierung des Drainstroms Id üblicherweise eine reduzierte Verlustleistung an dem Leistungstransistor M und daraus eine niedrigere Temperatur an dem Leistungstransistor M resultiert, so dass sich nachfolgend ein Gleichgewichtszustand bei einer niedrigeren Temperatur und einem wieder besser leitenden Leistungstransistor M einstellt.
• 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ansteuerschaltung 12 zur Ansteuerung des ersten Transistors M1, dessen Drain-Source-Strecke zwischen den Gate-Anschluss G und dem Source-Anschluss S des Leistungstransistors M geschaltet ist.
• Als Temperatursensor ist in dieser Ansteuerschaltung 12 ein temperaturabhängiger Widerstand RT+ vorgesehen, der in Reihe zu einer Stromquelle Iq3 und dem zweiten Widerstand Ri zwischen den Eingangsanschluss IN und die zweite Klemme K2, bzw. den Source-Anschhluss S des Leistungstransistors M, geschaltet ist. Der temperaturabhängige Widerstand RT+ ist derart ausgebildet, dass sein Widerstandswert mit steigender Temperatur zunimmt, so dass die über diesem temperaturabhängigen Widerstand RT+ anliegende Spannung U5 mit steigender Temperatur zunimmt. Die Ansteuerschaltung 12 weist weiterhin einen Bipolartransistor T1 auf, dessen Basis B an einen dem temperaturabhängigen Widerstand RT+ und der Stromquelle I1 gemeinsamen Knoten angeschlossen ist und dessen Kollektor-Emitter-Strecke K-E in Reihe zu einer zweiten Stromquelle Iq4 zwischen den Eingangsanschluss In und die zweite Klemme K2 geschaltet ist. Der Kollektor K des Bipolartransistors T1 ist über einen Inverter INV an den Ausgang 121, bzw. den Gate-Anschluss G des ersten Transistors M1 angeschlossen.
• Die Basis-Emitterspannung Ube des Bipolartransistors T1 setzt sich zusammen aus der temperaturabhängigen Spannung US und der von dem Drainstrom Id des Leistungstransistors M abhängigen Spannung U4, wobei sich der von dem Drainstrom Id abhängige Anteil dieser Spannung U4 aus dem Produkt des Widerstandes Ri und dem Strom I3 zusammensetzt.
• Der erste Transistor M1 weist einen Substratanschluss Bu auf, der in dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 anders als bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 nicht an den Source-Anschluss S des ersten Transistors M1 angeschlossen ist. Der Substratanschluss ist in dem Ausführungsbeispiel an die zweite Klemme K2 angeschlossen. Der Source-Anschluss S des ersten Transistors M1 ist in dem Ausführungsbeispiel nicht direkt an die zweite Klemme K2, bzw. den Source-Anschluss S des Transistors M, sondern über den Widerstand Ru an die zweite Klemme angeschlossen, wobei der Widerstand Ru von dem Strom I2, der von der Drain-Source-Spannung Uds des Leistungstransistors M abhängig ist, durchflossen ist.
• Das Leitverhalten des ersten Transistors M1 bestimmt sich nach der Differenz der Potentiale an dem Gate-Anschluss G und dem Source-Anschluss S, wobei das Potential an dem Gate-Anschluss von der temperaturabhängigen Spannung U5 und der von dem Drainstrom Id abhängigen Spannung U4 abhängig ist und wobei das Potential an dem Source-Anschluss von der Spannung U3 abhängig ist, die von der Drain-Source-Spannung Uds abhängig ist. Wird der Leistungstransistor M bei der Schaltungsanordnung gemäß der 1 durch das Ansteuersignal Sin leitend angesteuert, so stellt sich zunächst ein Drainstrom Id ein, abhängig von dem eine Spannung U4 an dem Widerstand Ri anliegt. Reicht die Summe aus dieser Spannung U4 und der temperaturabhängigen Spannung U5 nicht aus, um den Bipolartransistor T1 leitend anzusteuern, so liegt am Kollektor K des Bipolartransistors T1 und damit am Eingang des Inverters INV annäherungsweise die Spannung Uin an. Dies führt über den Inverter INV zu einem niedrigen Ansteuerpotential am Ausgang 121, wodurch der erste Transistor M1 sperrt. Steigt die Temperatur so weit an, bis die Summe aus der Spannung U4 und der temperaturabhängigen Spannung U5 eine Einschaltschwelle des Bipolartransistors B erreicht, so sinkt das Potential am Kollektor K des Bipolartransistors T1, und das Potential am Ausgang 121 der Ansteuerschaltung 12 steigt an, wodurch der erste Transistor M1 leitend angesteuert wird, wenn das Potential an dem Gate-Anschluss G dieses Transistors M1 größer ist als das Potential an dem Substratanschluss Bu, bzw. wenn die Gate-Source-Spannung des Transistors M1 größer ist als die Spannung U3. Beginnt der erste Transistor M1 zu leiten und wird der Leistungstransistor M1 dadurch abgeregelt, so steigt die Drain-Source-Spannung Uds und damit auch die Spannung U3 an, wodurch sich die Differenz zwischen den Potentialen an dem Gate-Anschluss G und dem Source-Anschluss S des ersten Transistors M1 verringert, was einem weiteren Aufsteuern des ersten Transistors M1 und damit einem weiteren Abregeln des Leistungstransistors M entgegen wirkt. In gleicher Weise sinkt bei einem Abregeln des Leistungstransistors M der Drainstrom Id und dadurch die Spannung U4 über dem Widerstand Ri ab, was zu einem Absenken des Potentials an dem Gate-Anschluss G des ersten Transistors M1 führt und was ebenfalls einem weiteren Aufsteuern des ersten Transistors M1 entgegen wirkt.
• Die Einsatzspannung des Bipolartransistors T1 ist vorzugsweise ebenfalls temperaturabhängig und sinkt mit steigender Temperatur, wodurch der Bipolartransistors T1 als zusätzlicher Temperatursensor wirkt. Hierdurch kann auf den temperaturabhängigen Widerstand RT+ gegebenenfalls verzichtet werden.
• 5 zeigt ein weiteres, besonders einfach zu realisierendes, Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einem zwischen dem Gate-Anschluss G und dem Source-Anschluss S des Leistungstransistors M verschalteten ersten Transistors M1.
• Bei diesem Ausführungsbeispiel ist, wie auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 der Source-Anschluss S des ersten Transistors T1 über den Widerstand Ru an den die zweite Klemme K2, bzw. den Source-Anschluss S des Transistors M, angeschlossen, wobei dieser Widerstand Ru von dem Strom I2 durchflossen ist, der von der Drain-Source-Spannung Uds des Leistungstransistors M abhängig ist. Als Temperatursensor ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein Bipolartransistor BT1 vorgesehen, dessen Basisanschluss B mit dessen Emitteranschluss E verbunden ist und dessen Kollektor-Emitter-Strecke L-E in Reihe zu einem Widerstand R3 und zu dem zweiten Widerstand Ri zwischen die erste Klemme K1 und die zweite Klemme K2 geschaltet ist, wobei der Widerstand Ri an den Source-Anschluss S des dritten Transistors M3 angeschlossen ist, an dem ein von dem Drainstrom Id des Leistungstransistors M abhängiger Strom I3 zur Verfügung steht. Der Bipolartransistor BT1 liefert einen Sperrstrom Ie, der exponentiell von der Temperatur abhängig ist. Vorzugsweise ist der Bipolartransistor BT1 in dem Zellenfeld des Leistungstransistors M ausgebildet, um auf diese Weise unmittelbar die Temperatur in der Sperrschicht des Leistungstransistors M zu erfassen. Der Gate-Anschluss G des ersten Transistors M1 ist an einen dem Widerstand R3 und dem Bipolartransistor ET1 gemeinsamen Knoten angeschlossen, wobei die Summe aus einer Spannung U6 über dem Widerstand R3 und einer Spannung U4 über dem Widerstand Ri der Summe aus der Gate-Source-Spannung Ugs1 des ersten Transistors M1 und der Spannung M3 an dem Widerstand R3 entspricht. Die Spannung U6 ist bei einem als konstant angenommen Widerstand R3 von dem Wert dieses Widerstandes R6 und dem temperaturabhängigen Strom Ie abhängig. Die Spannung U4 an dem Widerstand Ri, der von dem temperaturabhängigen Strom Ie und dem Strom I3 durchflossen ist, ist von der Temperatur und über den Strom I3 von dem Drainstrom Id des Leistungstransistors M abhängig.
• Wird der Leistungstransistor M bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 über das Eingangssignal Sin leitend angesteuert, so stellt sich ein Drainstrom Id ein, der durch den Strom I3 zu dem Spannungsabfall U4 über dem Widerstand Ri beiträgt. Die sich zwischen dem Source-Anschluss S und der zweiten Klemme K2 einstellende Spannung U3 des ersten Transistors M1 ist dabei von der Drain-Source-Spannung Uds des Leistungstransistors M abhängig. Der erste Transistor M1 leitet, wenn dessen Gate-Source-Spannung Ugs1 größer als eine Schwellenspannung ist. Steigt bei dieser Schaltungsanordnung die Temperatur so weit an, dass bedingt durch einen Anstieg des Stromes Ie die Spannungen U4 und U6 so weit ansteigen, bis der erste Transistor M1 leitend angesteuert wird, so verringert sich die Gate-Source-Spannung Ugs des Leistungstransistors M, wodurch dieser abgeregelt wird. Hieraus resultiert ein verringerter Drainstrom Id, und somit ein verringerter Spannungsabfall U4 über dem Widerstand Ri, und eine erhöhte Drain-Source-Spannung Uds über dem Leistungstransistor M, und dadurch eine erhöhte Spannung U3 zwischen dem Source-Anschluss S des ersten Transistors M1 und der zweiten Klemme K2. Die sinkende Spannung U4 und die steigende Spannung U3 wirken einer weiteren Aufsteuerung des ersten Transistors M1 und dadurch einem weiteren Abregeln des Leistungstransistors M entgegen.
• Bei allen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung stellen sich ab Erreichen einer Schwellentemperatur, bei welcher der erste Transistor M1 aufgesteuert wird, stabile Schaltzustände ein, die von der Temperatur an dem Leistungstransistor M, dessen Drainstrom Id und dessen Drain-Source-Spannung Uds abhängig sind.
• Bezugszeichenliste

12

Ansteuerschaltung

121, 122, 123

Anschlüsse der Ansteuerschaltung

20

Spannungssensor

30

Stromsensor

BT1, T1

Bipolartransistor

Bu

Substratanschluss

Cgs

Gate-Source-Kapazität

D

Drain-Anschluss

G

Gate-Anschluss

GND

Bezugspotential

I2

spannungsabhängiges Signal

I3

stromabhängiges Signal

Id

Laststrom

In

Eingangsklemme

INV

Invertierer

Iq, Iq2, Iq3, Iq4

Stromquellen

K1, K2

erste und zweite Klemme

M

Leistungstransistor

M1

erster Transistor

M2, M3

Transistoren

OP

Operationsverstärker

RL

Last

RT+

Temperatursensor

Ru, Ri, R2, R3

Widerstände

S

Source-Anschluss

Sin

Eingangssignal

T–, T+

Temperatursensoren

Uds

Drain-Source-Spannung

Ugs, Ugs1

Gate-Source-Spannung

Vdd

Versorgungspotential

Claims (10)

1. Schaltungsanordnung, die folgende Merkmale aufweist: – einen Leistungstransistor (M), der einen ersten und zweiten Laststreckenanschluss (D, S) und einen Steueranschluss (G) aufweist, – einen an den Steueranschluss (G) des Leistungstransistors (M) gekoppelten Eingangsanschluss (IN), – eine Schutzschaltung (10), die einen zwischen den Steueranschluss (G) und den zweiten Laststreckenanschluss (S) des Leistungstransistors (M1) geschalteten steuerbaren Widerstand (M1) aufweist, wobei der steuerbare Widerstand (M1) abhängig von einer Temperatur an dem Leistungstransistor (M), einem Strom (Id) durch den Leistungstransistor (M) und einer Spannung (Uds) zwischen dem ersten und zweiten Laststreckenanschluss (D, S) des Leistungstransistors (M) derart angesteuert ist, dass sich der Widerstandswert des steuerbaren Widerstands (M1) bei steigender Temperatur verringert, bei sinkendem Strom (Id) durch den Leistungstransistor (M) erhöht und bei steigender Spannung (Uds) zwischen dem ersten und zweiten Laststreckenanschluss (D, S) erhöht.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der der steuerbare Widerstand ein erster Transistor (M1) mit einer zwischen einem ersten und zweiten Laststreckenanschluss (D, S) verlaufenden Laststrecke (D-S) und einem Steueranschluss (G) ist, wobei die Laststrecke (D-S) des ersten Transistors (M1) zwischen den Steueranschluss (G) und den zweiten Laststreckenanschluss (S) des Leistungstransistors (M) geschaltet ist, und bei der die Schutzschaltung (10) eine Ansteuerschaltung (12) mit einem Ausgang (121) aufweist, der an den Steueranschluss (G) des ersten Transistors (M1) angeschlossen ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Schutzschaltung (10) einen Spannungssensor (20; M2, R2) zur Bereitstellung eines von der Spannung (Uds) zwischen den Laststreckenanschlüssen (D, S) des Leistungstransistors (M) abhängigen Signals (I2) und einen Stromsensor (30; M3) zur Bereitstellung eines von dem Strom (Id) durch den Leistungstransistor (M) abhängigen Signals (I3) aufweist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, bei der der Spannungssensor (20, M2, R2) einen zweiten Transistor (M2) mit einem Steueranschluss (G) und einem ersten und zweiten Laststreckenanschluss (D, S) aufweist, wobei der Steueranschluss des zweiten Transistors (M2) (G) an den Eingangsanschluss (IN) und der erste Laststreckenanschluss (D) des zweiten Transistors (M2) an den ersten Laststreckenanschluss (D) des Leistungstransistors angeschlossen ist, und wobei an dem zweiten Laststreckenanschluss (S) des zweiten Transistors (M2) das spannungsabhängige Signal (I2) zur Verfügung steht.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, bei der der Stromsensor (30; M3) einen dritten Transistor (M3) mit einem Steueranschluss (G) und einem ersten und zweiten Laststreckenanschluss (D, S) aufweist, wobei der Steueranschluss (G) des dritten Transistors (M3) an den Steueranschluss (G) des Leistungstransistors (M) und der erste Laststreckenanschluss (D) des dritten Transistors (M3) an den ersten Laststreckenanschluss des Leistungstransistors (M) angeschlossen ist und wobei an dem zweiten Laststreckenanschluss des dritten Transistors (M3) (S) das stromabhängige Signal (I3) zur Verfügung steht.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei der die Ansteuerschaltung (12) einen ersten Temperatursensor (T–), einen zweiten Temperatursensor (T+) und eine Vergleicheranordnung (OP) aufweist, wobei an einem ersten Eingang der Vergleicheranordnung (OP) ein Signal (Un) anliegt, das von einem ersten Temperatursignal (U1) des ersten Temperatursensors (T–) und dem spannungsabhängigen Signal (I2) abhängig ist, und wobei an einem zweiten Eingang der Vergleicheranordnung (OP) ein Signal (Up) anliegt, das von einem zweiten Temperatursignal (U2) des zweiten Temperatursensors (T+) und dem stromabhängigen Signal (I3) abhängig ist, und wobei an einem Ausgang der Vergleicheranordnung (OP) ein Ansteuersignal (S1) für den ersten Transistor (M1) zur Verfügung steht.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, bei dem das erste Temperatursignal (U1) mit steigender Temperatur abnimmt und bei dem das zweite Temperatursignal (U2) mit steigender Temperatur zunimmt.
8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem die Ansteuerschaltung (12) einen Temperatursensor (RT+; BT1) aufweist und bei der dem Steueranschluss (G) des ersten Transistors (M1) ein von einem Temperatursignal (U5; U6) des Temperatursensors (RT+; BT1) und dem stromabhängigen Signal (I3) abhängiges Signal zugeführt ist, und bei dem der zweite Laststreckenanschluss des ersten Transistors (M1) auf einem von dem spannungsabhängigen Signal (I2) abhängigen Potential liegt.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, bei dem der Temperatursensor (BT1) ein Bipolartransistor ist, der mit dem Leistungstransistor (M) in einem Halbleiterkörper angeordnet ist.
10. Verfahren zum Schutz eines Leistungstransistors (M) mit einem Steueranschluss (G) und einem ersten und zweiten Laststreckenanschluss (D, S) vor Übertemperatur, wobei das Verfahren folgende Merkmale aufweist: – Bereitstellen eines steuerbaren Widerstandes (M1) mit einem ersten und zweiten Laststreckenanschluss (D, S) und einem Steueranschluss (G), wobei der erste Laststreckenanschluss des steuerbaren Widerstands (M1) (D) an den Steueranschluss (G) des Leistungstransistors (M) angeschlossen ist, und wobei der zweite Laststreckenanschluss (S) an den zweiten Laststreckenanschluss des steuerbaren Widerstandes (M1) (S) des Leistungstransistors (M) angeschlossen ist, – Ansteuern des steuerbaren Widerstandes (M1) abhängig von einer Temperatur an dem Leistungstransistor (M), einem Strom (Id) durch den Leistungstransistor (M) und einer Spannung (Uds) zwischen dem ersten und zweiten Laststreckenanschluss (D, S) des Leistungstransistors (M) derart, dass sich ein Widerstandswert des steuerbaren Widerstands bei steigender Temperatur verringert, bei sinkendem Strom (Id) durch den Leistungstransistor (M) erhöht und bei steigender Spannung (Uds) zwischen dem ersten und zweiten Laststreckenanschluss (D, S) erhöht.

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