DE10146168A1 - Ansteuerschaltung für einen High-Side-Schalter - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine monolithisch in einem Halbleiterkörper integrierte Ansteuerschaltung für einen High-Side-Schalter (TH), die folgende Merkmale aufweist: DOLLAR A - einen Eingangsanschluss (IN) zum Anlegen eines Eingangssignals (IS), einen Ausgangsanschluss (OUT) zum Bereitstellen eines von dem Eingangssignal abhängigen Ausgangssignal (OS) für die Ansteuerung des High-Side-Schalters (TH), DOLLAR A - einen Ansteuertransistor (TA) mit einem Steueranschluss (G), der an den Eingangsanschluss (IN) gekoppelt ist, einem ersten Laststreckenanschluss (D), der durch das Substrat des Halbleiterkörpers gebildet ist, und einem zweiten Laststreckenanschluss (S), der an eine Klemme für ein Bezugspotential (GND) angeschlossen ist, DOLLAR A - eine Treiberschaltung (10) mit einem ersten und zweiten Versorgungsanschluss (12, 14) zum Anlegen einer Versorgungsspannung (VT), einem Ausgang (18), an dem das Ausgangssignal (OS) anliegt, und einem Eingang (16), an den der erste Laststreckenanschluss (D) des Ansteuertransistors (TA) angeschlossen ist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für einen High-Side-Schalter.
• Der Begriff High-Side-Schalter bezeichnet ein Schaltelement, das zwischen ein positives Versorgungspotential und eine Last geschaltet ist, um die Last durch leitendes oder sperrendes Ansteuern des High-Side-Schalters an das Versorgungspotential anzulegen. High-Side-Schalter finden beispielsweise in Brückenschaltungen Anwendung, bei denen zwei Schalter (High- Side-Schalter und Low-Side-Schalter) in Reihe zwischen Klemmen für Versorgungspotential und Bezugspotential geschaltet und die Last an einen den beiden Schaltern gemeinsamen Knoten angeschlossen ist.
• High-Side-Schalter, sind üblicherweise als n-Kanal-MOSFET ausgebildet, die gegenüber p-Kanal-MOSFET günstigere elektrische Eigenschaften aufweisen. Die Drain-Source-Strecke des MOSFET ist zwischen das positive Versorgungspotential und die Last geschaltet und der MOSFET leitet, wenn eine positive Spannung zwischen dessen Gate- und Source-Anschluss anliegt. Um einen derartigen High-Side-Schalter leitend anzusteuern und um sicherzustellen, dass der Transistor auch dann vollständig leitet, wenn annäherungsweise die gesamte Versorgungsspannung über der Last anliegt und der Source-Anschluss annäherungsweise auf dem positiven Versorgungspotential liegt, ist es erforderlich, an dessen Gate-Anschluss ein Ansteuerpotential anzulegen, das größer als das positive Ansteuerpotential ist. Bei Versorgungsspannungen/Versorgungspotentialen von einigen hundert Volt, die zur Ansteuerung von Lampen, Motoren oder dergleichen üblich sind, sind besondere Anforderungen an eine Ansteuerschaltung, die Ansteuerpotentiale in diesen Größenordnungen liefert, zu stellen.
• Ansteuersignale, nach deren Maßgabe der High-Side-Schalter leitet oder sperrt werden üblicherweise durch eine Logikschaltung bereitgestellt, die Ausgangsspannungen zwischen 1 V und 5 V bezogen auf ein Bezugspotential der Schaltung, normalerweise Massepotential, bereitstellt. Ansteuersignale mit diesen Pegeln können direkt oder über einfache Pegelwandler zur Ansteuerung von als Low-Side-Schaltern eingesetzten Transistoren in der Schaltung dienen, sind für die Ansteuerung des High-Side-Schalters aber nicht geeignet. Um Ansteuersignale mit diesen auf Bezugspotential bezogene Logikpegeln in ausreichend hohe Ansteuerpotentiale für den High-Side- Schalter umzusetzen, ist es bekannt, diese Ansteuersignale galvanisch entkoppelt, beispielsweise über einen Optokoppler oder über einen Übertrager, einer Schaltung, zum Beispiel einer Ladungspumpe, zuzuführen, die erhöhte Ansteuerpotentiale bereitgestellt. Allerdings sind derartige Übertrager und Optokoppler nicht monolithisch integrierbar, wodurch eine derartige Ansteuerschaltung platzaufwendig und vergleichsweise teuer in der Realisierung ist.
• Bei bislang bekannten monolithisch integrierten Ansteuerschaltungen sind ein hochspannungsfester MOS-Transistor, der dazu ausgelegt ist, das erhöhte Ansteuerpotential an das Gate des High-Side-Schalters zu schalten, eine Treiberschaltung und eine Auswerteschaltung in einem Chip integriert, wobei diese einzelnen Komponenten dielektrisch voneinander isoliert sind. Diese dielektrischen Isolationen, die eine Spannungsfestigkeit bis zu einigen hundert Volt aufweisen müssen, sind mittels Standardprozessen zur Realisierung hochspannungsfester Transistoren mit einer Ansteuerschaltung On-Chip nicht realisierbar, so dass auf aufwendigere und daher kostenintensivere Prozesse zurückgegriffen werden muss.
• Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ansteuerschaltung für einen High-Side-Schalter zur Verfügung zu stellen, die mit herkömmlichen Halbleiterprozessen einfach und günstig monolithisch integriert herstellbar ist und bei der insbesondere keine dielektrischen Isolationen auf dem Chip vorzusehen sind.
• Dieses Ziel wird durch eine Ansteuerschaltung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Die erfindungsgemäße monolithisch in einem Halbleiterkörper integrierte Ansteuerschaltung für einen High-Side-Schalter, weist einen Eingangsanschluss zum Anlegen eines Eingangssignals, nach dessen Maßgabe der High-Side-Schalter leiten oder sperren soll, und einen Ausgangsanschluss zum Bereitstellen eines von dem Eingangssignal abhängigen Ansteuersignals für den High-Side-Schalter auf. In der Ansteuerschaltung sind ein Ansteuertransistor und eine Treiberschaltung vorgesehen.
• Der Ansteuertransistor weist einen Steueranschluss, der an die Eingangsklemme gekoppelt ist, einen ersten Laststreckenanschluss, der durch das Substrat des Halbleiterkörpers gebildet ist, und einen zweiten Laststreckenanschluss auf. Der Ansteuertransistor ist dabei insbesondere als vertikaler hochspannungsfester MOSFET ausgebildet, dessen Drain- Anschluss, der den ersten Laststreckenanschluss bildet, durch die Rückseite bzw. das Substrat des Halbleiterkörpers gebildet ist. Die Treiberschaltung besitzt Versorgungsanschlüsse zum Anlegen einer Versorgungsspannung, einen Ausgang, an dem das Ansteuersignal anliegt, und einen Eingang, der an den ersten Laststreckenanschluss des Ansteuertransistors angeschlossen ist und der somit durch das Substrat des Halbleiterkörpers gebildet ist. Dieser Eingang ist über einen Spannungsbegrenzer an den ersten Versorgungsanschluss angeschlossen. Die Treiberschaltung wertet das durch den Schaltzustand des Ansteuertransistors am Eingang anliegende Potential aus und steuert abhängig von diesem Potential den High-Side- Schalter leitend oder sperrend an. Der zweite Versorgungsanschluss der Treiberschaltung ist an eine Klemme für ein alternierendes Potential angeschlossen. Diese Klemme ist bei einer Brückenschaltung mit einem High-Side-Schalter und einem Low-Side-Schalter insbesondere ein den beiden Schaltern gemeinsamer Knoten, das heißt der Source-Anschluss des High- Side-Schalters. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das Potential an dem ersten Versorgungsanschluss der Treiberschaltung unabhängig von dem tatsächlichen Potentialwert an dem Source-Anschluss des High-Side-Schalters stets um den Wert der Versorgungsspannung über dem Sourcepotential des High-Side-Schalters liegt, um den High-Side-Schalter bei Bedarf leitend ansteuern zu können.
• Die maximale Spannung, die zwischen dem ersten Versorgungsanschluss und Bezugspotential anliegen kann, entspricht bei leitendem High-Side-Schalter und sperrendem Low-Side-Schalter etwa der Summe aus dem Versorgungspotential am Laststreckenanschluss des High-Side-Schalters und der Versorgungsspannung über der Treiberschaltung. Diese Spannung liegt in der Ansteuerschaltung über der Reihenschaltung aus dem Spannungsbegrenzer in der Treiberschaltung und dem Ansteuertransistor an. Der Spannungsbegrenzer ist derart ausgebildet, dass die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Versorgungsanschluss und dem Eingang der Treiberschaltung nicht größer als ein vorgegebener Wert werden kann, so dass bei maximaler Spannung zwischen dem ersten Versorgungsanschluss und Bezugspotential der Großteil der Spannung von dem für hohe Spannungen ausgelegten Ansteuertransistor übernommen wird. Die übrigen in der Treiberschaltung vorhandenen Schaltungskomponenten werden durch die Versorgungsspannung versorgt, die zwischen den Versorgungsanschlüssen anliegt und die üblicherweise Werte zwischen 5 V und 15 V beträgt.
• Durch die beschriebenen Schaltungsmaßnahmen ist die maximale Spannung, die an den in der Treiberschaltung vorhandenen Komponenten - insbesondere Dioden und Transistoren - anliegt, auf Niederspannungswerte begrenzt, so dass diese nicht hochspannungsfest sein müssen und als laterale Bauelemente in demselben Halbleiterkörper, in dem der Ansteuertransistor ausgebildet ist, realisiert sein können. Eine hochspannungsfeste dielektrische Isolation zwischen dem Ansteuertransistor und den Komponenten der Treiberschaltung ist bei der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung nicht erforderlich.
• Der Spannungsbegrenzer ist insbesondere als selbstsperrender MOS-Transistor ausgebildet, dessen Drain-Source-Strecke zwischen den ersten Versorgungsanschluss und den Eingang der Treiberschaltung geschaltet und dessen Gate-Anschluss an den ersten Versorgungsanschluss angeschlossen ist. Sinkt das Potential an dem Eingang der Treiberschaltung bei leitendem Ansteuertransistor ab, so wird dieser Transistor leitend. Der Sättigungsstrom dieses Transistors ist dabei so gewählt, dass er größer als der Sättigungsstrom des Ansteuertransistors ist, so dass die Spannung über der Drain-Source-Strecke dieses Transistors einen vorgegebenen Wert nicht überschreiten kann.
• Darüber hinaus ist der Eingang der Treiberschaltung vorzugsweise zusätzlich über einen Widerstand oder eine Stromquelle, insbesondere einen selbstleitenden Transistor an den ersten Versorgungsanschluss angeschlossen. Dieser Widerstand oder diese Stromquelle sorgt dafür, dass das Potential an der Eingangsklemme bei sperrendem Ansteuertransistor dem Potential an dem ersten Versorgungsanschluss folgt.
• Das Potential an der Eingangsklemme der Treiberschaltung nimmt abhängig von dem Schaltzustand des Ansteuertransistors damit Werte an, die in etwa zwischen dem Potential an dem ersten Versorgungsanschluss und dem Potential an dem ersten Versorgungsanschluss abzüglich der Begrenzungsspannung des Spannungsbegrenzers liegen. Vorzugsweise wertet eine an die Eingangsklemmen angeschlossene Vergleicherschaltung dieses Potential aus, indem sie die zwischen der Eingangsklemme und dem ersten Versorgungsanschluss anliegende Spannung mit einer auf den ersten Versorgungsanschluss bezogenen Spannung vergleicht und abhängig von dem Vergleichsergebnis den High- Side-Schalter ansteuert.
• Zur Ansteuerung des High-Side-Schalters sind bei einer Ausführungsform ein erster und ein zweiter Schalter vorgesehen, die komplementär angesteuert sind. Der erste Schalter ist zwischen den Ausgang des Treibers und den ersten Versorgungsanschluss geschaltet, um den Steueranschluss des High-Side- Schalters bei Bedarf an das erhöhte Ansteuerpotential an diesem ersten Versorgungsanschluss anzulegen und den High-Side- Schalter dadurch leitend anzusteuern. Der zweite Schalter ist zwischen den Ausgang des Treibers und den zweiten Versorgungsanschluss, der gegenüber dem ersten Versorgungsanschluss auf einem niedrigeren Potential liegt, um den High-Side- Schalter bei Bedarf zu sperren, geschaltet. Die maximal zwischen den beiden Schaltern anliegende Spannung entspricht dabei der im Vergleich zu der Versorgungsspannungen für die Last niedrigen Versorgungsspannung der Treiberschaltung.
• Die Ansteuerschaltung, die monolithisch integriert realisiert ist, ist vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse mit dem High-Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter untergebracht, die jeweils in einem eigenen Chip integriert sind.
• Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigt
• Fig. 1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung mit einem Ansteuertransistor und einer Treiberschaltung zur Ansteuerung eines High-Side- Schalters,
• Fig. 2 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung, bei dem ein Ausführungsbeispiel der Treiberschaltung als Blockschaltbild im Detail dargestellt ist,
• Fig. 3 eine Ansteuerschaltung mit einem Ansteuertransistor und einer Treiberschaltung, wobei ein Ausführungsbeispiel der Treiberschaltung auf Transistorebene im Detail dargestellt ist,
• Fig. 4 Querschnitt durch einen Halbleiterkörper gemäß einer Ausführungsform, in dem der Ansteuertransistor und die Treiberschaltung integriert sind.
• In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile mit gleicher Bedeutung.
• Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einer erfindungsgemäßen monolithisch integrierten Ansteuerschaltung AS zur Ansteuerung eines High-Side-Schalters. Die Ansteuerschaltung AS weist einen Eingangsanschluss IN zum Anlegen eines Eingangssignals IS und einen Ausgangsanschluss OUT, an dem ein von dem Eingangssignal IS abhängiges Ausgangssignal OS anliegt, auf.
• In der Ansteuerschaltung AS ist ein Ansteuertransistor TA vorhanden, der in dem Beispiel als selbstsperrender n-Kanal- MOSFET ausgebildet ist und der einen Gate-Anschluss G als Steueranschluss, einen Drain-Anschluss D als ersten Laststreckenanschluss und einen Source-Anschluss S als zweiten Laststreckenanschluss aufweist.
• Neben dem Ansteuertransistor TA weist die Ansteuerschaltung AS eine Treiberschaltung 10 mit einem ersten und zweiten Versorgungsanschluss 12, 14 zum Anlegen einer Versorgungsspannung VD, einem Eingang 16 und einem Ausgang 18 auf, wobei der Ausgang 18 an den Ausgangsanschluss OUT der Ansteuerschaltung AS angeschlossen ist. Der Drain-Anschluss D des Ansteuertransistors TA ist durch das Substrat des Halbleiterkörpers IC1, in dem die Treiberschaltung 10 und der Ansteuertransistor TA integriert sind, gebildet. Dieses Substrat bildet auch den Eingang 16 der Treiberschaltung 10, wobei das Substrat zur Veranschaulichung in Fig. 1 fett dargestellt ist. Der Gate- Anschluss G des Ansteuertransistors TA ist an den Eingangsanschluss IN der Ansteuerschaltung AS angeschlossen und der Source-Anschluss S des Ansteuertransistors TA ist an eine Klemme für Bezugspotential GND angeschlossen.
• Zum besseren Verständnis der Funktionsweise der Ansteuerschaltung AS ist diese in Fig. 1 zusammen mit einem High- Side-Schalter TH dargestellt, der in dem Ausführungsbeispiel Teil einer Halbbrückenschaltung ist, die durch die Reihenschaltung des High-Side-Schalters TH und eines Low-Side- Schalters TL gebildet und die zwischen eine Klemme für Versorgungspotential V+ und eine Klemme für Bezugspotential GND geschaltet ist. Die beiden Schalter TH, TL sind jeweils als n-Kanal-MOSFET ausgebildet und dienen zum Ansteuern einer nicht näher dargestellten Last, die an einen den beiden Transistoren TH, TL gemeinsamen Knoten anschließbar ist. Der High-Side-Schalter TH ist dabei zwischen das positive Versorgungspotential V+ und den Lastausgang und der Low-Side- Schalter ist zwischen den Lastausgang und das Bezugspotential GND geschaltet. Die beiden Transistoren TH, TL sind vorzugsweise Leistungstransistoren, die in der Lage sind, Versorgungsspannungen von mehreren hundert Volt zu schalten.
• Die leitende Ansteuerung des Low-Side-Schalters erfolgt durch Anlegen einer Spannung zwischen dessen Gate- und Source- Anschluss, die ausreichend hoch ist, um den Transistor leitend zu machen. Übliche Werte für diese Spannung liegen bei Leistungstransistoren zwischen 5 V und 15 V, wobei diese auf Bezugspotential GND bezogene Ansteuerspannung dem Low-Side- Schalter durch eine herkömmliche Logikschaltung mit einer auf Bezugspotential GND bezogenen Versorgungsspannung bereitgestellt werden kann.
• Im Gegensatz dazu sind zur leitenden Ansteuerung des High- Side-Schalters am Ausgang OUT der Ansteuerschaltung Potentiale erforderlich, die um den Wert der Einsatzspannung des High-Side-Schalters TH über dem Wert der Versorgungsspannung V+ liegen. Sperrt nämlich der Low-Side-Schalter TL, so liegt der Source-Anschluss S des High-Side-Schalters TH annäherungsweise auf Versorgungspotential V+, das Gate G des High- Side-Schalters TH muss dann um den Wert der Einsatzspannung über diesem Ansteuerpotential V+ liegen, um den High-Side- Schalter leitend anzusteuern. Aufgabe der Ansteuerschaltung AS ist es, dieses zur leitenden Ansteuerung des High-Side- Schalters erforderliche Potential zur Verfügung zu stellen.
• Der zweite Versorgungsanschluss 14 der Treiberschaltung 10 ist an den Source-Anschluss S des High-Side-Schalters TH angeschlossen. Durch die zwischen den Versorgungsanschlüssen 12, 14 anliegende Versorgungsspannung VD ist dadurch sichergestellt, dass das Potential an dem ersten Versorgungsanschluss 12 der Treiberschaltung 10 stets um den Wert der Versorgungsspannung VD über dem Potential an dem Source- Anschluss S des High-Side-Schalters TH liegt. Die Versorgungsspannung VD ist dabei größer als die Ansteuerspannung, bei der der High-Side-Schalters vollständig leitet, gewählt, wobei der Ausgangsanschluss OUT in der Treiberschaltung 10 wenigstens annäherungsweise auf das Potential an den ersten Versorgungsanschluss 12 gelegt wird, um den High-Side- Schalter TH leitend anzusteuern.
• Die insbesondere als Leistungstransistoren ausgebildeten Schalter TH, TL sind vorzugsweise jeweils in einem Halbleiterkörper IC2, IC3 integriert, wobei ein Halbleiterkörper IC1, in dem die Ansteuerschaltung AS integriert ist und die Halbleiterkörper IC2, IC3 der Schalter TH, TL in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden können, um eine besonders platzsparend realisierte Halbbrückenschaltung mit Ansteuerschaltung zur Verfügung stellen zu können.
• Fig. 2 zeigt die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung, wobei ein Ausführungsbeispiel einer Treiberschaltung 10 als Blockschaltbild im Detail dargestellt ist. Die Eingangsklemme 16 der Treiberschaltung 10, d. h. der Drain-Anschluss D des Ansteuertransistors TA ist in dem Ausführungsbeispiel über einen als Spannungsbegrenzer dienenden n-leitenden MOS- Transistor T2 an den ersten Versorgungsanschluss 12 angeschlossen. Dabei sind der Gate- und der Drain-Anschluss G, D dieses Transistors T2 an den zweiten Versorgungsanschluss 12 angeschlossen und dessen Source-Anschluss S ist an den Eingang 16 angeschlossen bzw. ist mit dem Substrat des Halbleiterkörpers kurzgeschlossen, in dem der Ansteuertransistor TA und die Treiberschaltung 10 realisiert sind. Des weiteren ist der Eingang 16 über einen selbstleitenden Transistor T1 an den ersten Versorgungsanschluss 12 angeschlossen, wobei der Gate- und der Source-Anschluss des Transistors T1 an den Eingang 16, bzw. an das Substrat des Halbleiterkörpers angeschlossen sind und wobei der Drain-Anschluss D dieses Transistors T1 an den Versorgungsanschluss 12 angeschlossen ist.
• Die beiden Transistoren T1, T2 dienen zur Einstellung des Potentials an dem Eingangsanschluss 16, bzw. dem Substrat des Halbleiterkörpers abhängig von der Schaltstellung des Ansteuertransistors TA. Sperrt der Transistor TA, so sorgt der dann leitende Transistor T1 dafür, dass das Potential an dem Eingang 16 in etwa dem Potential an dem ersten Versorgungsanschluss 12 entspricht. Das Potential an dem Versorgungsanschluss 12 ist abhängig von der Schaltstellung des Low-Side- Transistors TL und der Versorgungsspannung VD der Treiberschaltung 10. Zur Bereitstellung der Versorgungsspannung VD ist in dem Ausführungsbeispiel eine Bootstrap-Schaltung mit einer Diode D1 und einem Kondensator C1 vorgesehen, wobei der Kondensator C1 zwischen die Versorgungsanschlüsse 12, 16 der Treiberschaltung 10 geschaltet und über die Diode D1 an ein Versorgungspotential V angeschlossen ist. Das Versorgungspotential V kann in etwa um den Wert der geforderten Versorgungsspannung VD über dem Bezugspotential GND liegen. Der Kondensator C1 wird dabei aufgeladen, wenn der Low-Side- Schalter TL leitet und der an den zweiten Versorgungsanschluss 16 angeschlossene Anschluss des Kondensators C1 damit annäherungsweise auf Bezugspotential GND liegt. Sperrt der Low-Side-Schalter TL anschließend und steigt damit das Potential an dessen Drain-Anschluss D bzw. das Potential an dem zweiten Versorgungsanschluss 14 an, so verhindert die Diode D1 ein Entladen des Kondensators C1, wodurch das Potential an dem ersten Versorgungsanschluss 12 stets um den Wert der zuvor an dem Kondensator C1 angelegten Spannung VD über den Wert des Potentials an dem zweiten Versorgungsanschluss 14 liegt. Die Kapazität des Kondensators C1 ist dabei derart bemessen, dass sie zur Versorgung der Komponenten der Treiberschaltung 10 während eines Ansteuerzyklus des High-Side- Schalters TH ausreichend ist.
• Wie bereits erwähnt kann das Potential an dem zweiten Versorgungsanschluss 14 bei sperrendem Low-Side-Schalter TL in etwa auf den Wert des Versorgungspotentials V+ ansteigen und dabei mehrere hundert Volt betragen. Das Potential an dem ersten Versorgungsanschluss 12 liegt dann um den Wert der Versorgungsspannung VD über dem Wert des Versorgungspotentials V+ und somit ebenfalls auf einem Wert von mehreren hundert Volt. Aufgrund des selbstleitenden Transistors T1, der auch durch einen Widerstand oder eine Diode ersetzt werden kann, liegt das Potential am Eingang 16 der Treiberschaltung 10 bei sperrendem Ansteuertransistor TA annäherungsweise auf dem Wert des Potentials an dem ersten Versorgungsanschluss 12. Die daraus resultierende Spannung von mehreren hundert Volt zwischen dem Eingangsanschluss 12 und Bezugspotential GND wird von dem Ansteuertransistor TA übernommen, der vorzugsweise als vertikaler Leistungstransistor mit einer Spannungsfestigkeit von mehreren hundert Volt ausgebildet ist. Bei sperrenden Ansteuertransistor TA sperrt der als Spannungsbegrenzer dienende zweite Transistor T2, dessen Gate-Potential dann annäherungsweise dem Source-Potential entspricht.
• Wird der Ansteuertransistor TA leitend, so beginnt das Potential an dessen Drain-Anschluss D abzusinken, wodurch auch das Source-Potential des Transistors T2 absinkt und dieser Transistor leitend wird. Der Spannungsabfall über der Drain- Source-Strecke-D-S des Transistors T2 steigt dann an. Der Ansteuertransistor TA und der Transistor T2 sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass der Sättigungsstrom des Transistors T2 größer ist als der Sättigungsstrom des Ansteuertransistors TA, wodurch die über der Drain-Source-Strecke D-S des Transistors T2 abfallende maximale Spannung begrenzt ist, so dass auch bei leitendem Ansteuertransistor TA und einem Ansteuerpotential von mehreren hundert Volt an dem ersten Versorgungsanschluss 12 der Großteil der zwischen dem Versorgungsanschluss 12 und Bezugspotential GND anliegenden Spannung über den Ansteuertransistor TA abfällt.
• Die beiden Transistoren T1, T2 müssen daher nicht als hochspannungsfeste Transistoren ausgebildet sein und können insbesondere als laterale Transistoren in demselben Halbleiterkörper, in dem auch der Ansteuertransistor TA realisiert ist, realisiert sein. Es ist insbesondere keine hochspannungsfeste dielektrische Isolation zwischen dem Ansteuertransistor TA und den Transistoren T1, T2 erforderlich. Gleiches gilt auch für die übrigen Komponenten der Treiberschaltung 10, die aus der zwischen dem ersten Versorgungsanschluss 12 und dem zweiten Versorgungsanschluss 14 anliegenden Versorgungsspannung VD versorgt werden, wobei diese Versorgungsspannung VD die maximale an diesen Komponenten anliegende Spannung darstellt, so dass diese ebenfalls nicht hochspannungsfest sein müssen.
• Der spannungsbegrenzende Transistor T2 kann bei einer nicht näher dargestellten Ausführungsform auch durch eine Diode ersetzt sein, die an den ersten oder den zweiten Versorgungsanschluss 12, 14 angeschlossen ist. Weiterhin kann der Transistor T1 durch einen Widerstand ersetzt sein.
• Zur Ansteuerung des High-Side-Schalters TH weist die Treiberschaltung 10 eine Reihenschaltung eines ersten und zweiten Schalters S1, S2 zwischen dem ersten und zweiten Versorgungsanschluss 12, 14 auf, wobei der Ausgangsanschluss 18 der Treiberschaltung 10 an einen den beiden Schaltern S1, S2 gemeinsamen Knoten angeschlossen ist. Die beiden Schalter S1, S2 sind komplementär angesteuert, d. h. nur jeweils einer der beiden Schalter S1, S2 kann leiten. Zur leitenden Ansteuerung des High-Side-Schalters wird der Schalter S1 geschlossen, um das Gate G des High-Side-Schalters TH an das an dem ersten Versorgungsanschluss 12 anliegende erhöhte Ansteuerpotential anzulegen. Dieses erhöhte Ansteuerpotential liegt nur dann am Ausgang 18, wenn der Low-Side-Schalter TL sperrt, wodurch sichergestellt ist, dass der High-Side-Schalter TH und der Low- Side-Schalter TL nicht gleichzeitig leiten können. Um den High-Side-Schalter zu sperren wird dessen Gate-Anschluss G über den Schalter S2 mit dessen Source-Anschluss S kurzgeschlossen.
• Die Schalter S1, S2 werden abhängig von einem von einer Vergleicheranordnung K1 bereitgestellten Vergleichssignal VS angesteuert. Die Vergleicheranordnung ist in dem Ausführungsbeispiel als Komparator K1 ausgebildet, dessen Plus-Eingang an den Eingang 16 der Treiberschaltung bzw. den Drain- Anschluss D des Ansteuertransistors TA angeschlossen ist. Zwischen den Minus-Eingang des Komparators K1 und den ersten Versorgungsanschluss 12 ist eine Referenzspannungsquelle Vref geschaltet. Der Komparator K1 vergleicht das Potential an dem Eingangsanschluss 16 bzw. die Spannung zwischen diesem Eingangsanschluss 16 und dem ersten Versorgungsanschluss 12 mit der durch die Referenzspannungsquelle Vref bereitgestellten Referenzspannung. Sperrt der Ansteuertransistor TA, weil sich das Eingangssignal IS auf einem Low-Pegel befindet, so liegt das Potential an dem Plus-Eingang des Komparators K1 annäherungsweise auf dem Wert des Potentials an dem ersten Versorgungsanschluss 12, während das Potential an dem Minus-Eingang um den Wert der Referenzspannung Vref unterhalb dieses Potentials liegt. Am Ausgang des Komparators K1 liegt damit ein Signal mit einem High-Pegel an, das den zweiten Schalter S2 leitend ansteuert, um den High-Side-Schalter TH zu sperren.
• Das Vergleichssignal VS wird über einen Inverter INV dem ersten Schalter S1 zugeführt. Vorzugsweise ist eine nicht näher dargestellte Verzögerungsschaltung vorhanden, die bei einem Wechsel des Pegels des Vergleichssignals VS dafür sorgt, dass der zuvor sperrende Schalter nicht sofort mit dem Pegelwechsel sondern erst verzögert leitend wird, während der zuvor leitende Schalter sofort gesperrt wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die beiden Schalter S1, S2 niemals gleichzeitig leitend sind und den Kondensator C1 kurzschließen.
• Leitet der Ansteuertransistor TA bei einem hohen Pegel des Ansteuersignals IS, so sinkt das Potential an dem Eingangsanschluss 16 ab, wobei das Absinken dieses Potentials gegenüber dem Potential an dem ersten Versorgungsanschluss 12 durch den Transistor T2 begrenzt ist. Der spannungsbegrenzende Transistor T2 ist dabei so eingestellt, dass bei leitendem Ansteuertransistor TA das Potential an dem Eingangsanschluss 16 um einen Spannungswert, der größer ist als die Referenzspannung Vref, unter den Wert an dem ersten Versorgungsanschluss 12 absinkt. Dadurch nimmt das Vergleichssignal VS am Ausgang des Komparators K1 einen Low-Pegel an, wodurch der zweite Schalter S2 gesperrt und der erste Schalter S1 über den Inverter IN1 leitend angesteuert wird.
• Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Treiberschaltung 10 auf Transistorebene. Die beiden Schalter S1, S2 sind dabei als n-leitende selbstsperrende MOS-Transistoren ausgebildet, deren Drain-Source-Strecken in Reihe zwischen den ersten und zweiten Versorgungsanschluss 12, 14 geschaltet sind, wobei der Ausgang 18 der Treiberschaltung 10 durch den Source- Anschluss des Transistors S1 bzw. den Drain-Anschluss des Transistors S2 gebildet ist. Als Referenzspannungsquelle dient bei der Treiberschaltung gemäß Fig. 3 eine Reihenschaltung eines selbstsperrenden n-leitenden MOS-Transistors N4 und eines selbstleitenden n-leitenden MOS-Transistors N5, zwischen dem ersten und zweiten Versorgungsanschluss 12, 14, wobei an einem den beiden Transistoren N4, N5 gemeinsamen Knoten eine auf das Potential an dem ersten Versorgungsanschluss 12 bezogene Referenzspannung VR abgreifbar ist.
• Die Ansteuerschaltung gemäß Fig. 3 weist zwei Vergleicherschaltungen auf, von denen eine zur Ansteuerung des ersten Schalters S1 und die andere zur Ansteuerung des zweiten Schalters S2 dient. Beide Vergleicherschaltungen weisen jeweils eine Reihenschaltung eines selbstsperrenden p-leitenden Transistors P1, P2 und eines als Last dienenden selbstleitenden n-leitenden MOS-Transistors N1, N2 zwischen der Eingangsklemme 16 und dem zweiten Versorgungsanschluss 14 auf. Die Gate-Anschlüsse G der p-leitenden Transistoren P1, P2 sind dabei an den den beiden Transistoren N4, N5 gemeinsamen Knoten der Referenzspannungsquelle Vref angeschlossen. Der Gate- Anschluss des zweiten Schalters S2 ist an den Drain-Anschluss D des ersten p-leitenden Transistors P1 angeschlossen und der Gate-Anschluss des ersten Schalters S1 ist über einen Inverter INV an den Drain-Anschluss des zweiten p-leitenden Transistors P2 angeschlossen. Der Inverter ist in dem Ausführungsbeispiel als Reihenschaltung eines p-leitenden selbstsperrenden MOS-Transistors P3 und eines n-leitenden selbstleitenden Transistors N3 zwischen dem ersten Versorgungsanschluss 12 und dem zweiten Versorgungsanschluss 14 realisiert, wobei der Drain-Anschluss des zweiten p-leitenden Transistors P2 an den Gate-Anschluss des p-leitenden Transistors P3 angeschlossen ist und der Gate-Anschluss des ersten Schalters S1 an den Drain-Anschluss des p-leitenden Transistors P3 des Inverters INV angeschlossen ist.
• Sperrt der Ansteuertransistor TA so liegt das Potential an dessen Drain-Anschluss D bzw. an dem Substrat des Halbleiterkörpers über den selbstleitenden Transistor T1 annäherungsweise auf dem Potential des ersten Versorgungsanschlusses 12 und wegen des Spannungsabfalls über dem Transistor N4 über dem Wert des Referenzpotentials VR am Ausgang der Referenzspannungsquelle Vref. Die p-leitenden Transistoren P1, P2 leiten dadurch. Der über dem in Reihe zu dem ersten p- leitenden Transistor P1 geschalteten Transistor N1 anliegende Spannungsabfall sorgt dafür, dass der zweite Schalter S2 leitet, um den High-Side-Schalter TH zu sperren. Der p-leitende Transistor P3 sperrt, so dass auch der erste Schalter S1 sperrt.
• Sinkt bei leitend angesteuertem Ansteuertransistor TA das Potential an dem Eingangsanschluss 16 unter einen Wert ab, bei dem die Einsatzspannung der Transistoren P1, P2 nicht mehr erreicht wird, so sperren diese beiden Transistoren P1, P2. Das Gate des zweiten Schalters S2 liegt über den selbstleitenden Transistor N1 dann annäherungsweise auf dem Potential von dessen Source-Anschluss, so dass der zweite Schalter S2 sperrt. Der p-leitende Transistor P3 des Inverters INV leitet, wodurch über den n-leitenden Transistor N3 des Inverters INV ein ausreichender Spannungsabfall erzeugt wird, um den ersten Schalter S1 leitend anzusteuern.
• Die Gate-Anschlüsse der n-leitenden Transistoren N1, N2, die als Last für die p-leitenden Transistoren P1, P2 der Vergleicheranordnung dienen, sind entweder an deren Source- Anschlüsse angeschlossen, oder wie im Fall des Transistors N1 dargestellt ist, an den Ausgang des Inverters INV angeschlossen.
• Im vorliegenden Fall ist jeweils eine Vergleicheranordnung zur Ansteuerung eines der Schalter S1, S2 vorgesehen, wobei die Lastströme der p-leitenden Transistoren P1, P2 so eingestellt sind, dass die an den Drain-Anschlüssen D der p- leitenden Transistoren P1, P2 anliegenden Ansteuerpegel bei einem Wechsel des Ansteuertransistors TA vom eingeschalteten in den ausgeschalteten Zustand, und umgekehrt, nacheinander ihren Ansteuerpegel ändern, um dadurch sicherzustellen, dass der erste und zweite Schalter S1, S2 nicht gleichzeitig leitend werden können.
• Bei der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung sind der hochspannungsfeste Ansteuertransistor TA und die Treiberschaltung 10 in einem Halbleiterkörper integrierbar, ohne dass eine dielektrische Isolation zwischen dem Ansteuertransistor TA und der Treiberschaltung 10 vorgesehen werden muss. Die Komponenten der Treiberschaltung können als Niederspannungsbauelemente, insbesondere als laterale Bauelemente an der Oberseite des Halbleiterkörpers realisiert werden, da sie keinen hohen Spannungen unterliegen.
• Fig. 4 zeigt beispielhaft einen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper in dem der Ansteuertransistor TA und die Treiberschaltung 10 realisiert sind. Der Ansteuertransistor TA ist als vertikaler Leistungstransistor ausgebildet, dessen Drain-Anschluss D durch das Substrat 20 des Halbleiterkörpers 100 bzw. durch das Substrat 20 und eine auf das Substrat aufgebrachte Epitaxieschicht 22 gebildet ist. In dieser Epitaxieschicht 22 sind p-dotierte Wannen 30 ausgebildet, in denen wiederum stark n-dotierte Source-Zonen 40 ausgebildet sind, die durch eine Source-Elektrode 42 kontaktiert sind. Isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper ist eine Gate-Elektrode 50 angeordnet, die bei Anlegen eines Ansteuerpotentials die Ausbildung eines leitenden Kanals in den p-dotierten Wannen 32 zwischen den Source-Zonen 40 und der Drain-Zone 20, 22 ermöglicht.
• Die Komponenten der Treiberschaltung sind als laterale Bauelemente an der Oberseite des Halbleiterkörpers 100 ausgebildet, wobei beispielhaft in Fig. 4 lediglich ein n-leitender Transistor N in einer p-dotierten Wanne und ein p-leitender Transistor P dargestellt sind. Die Anschlüsse der Transistoren der Treiberschaltung 10 sind in nicht näher dargestellter Weise in einer Verdrahtungsebene oberhalb des Halbleiterkörpers 100 miteinander verbunden.
• Sofern in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen erläutert ist, dass der Drain-Anschluss des Ansteuerungstransistors TA durch das Substrat des Halbleiterkörpers, in dem er integriert ist, gebildet ist, so sei darauf hingewiesen, dass "Substrat" in diesem Sinn das eigentliche Substrat als Grundlage für die Herstellung von Halbleiterbauelementen aber auch eine Expitaxie-Schicht, wie in Fig. 4 umfasst.

Claims (15)

1. Monolithisch in einem Halbleiterkörper integrierte Ansteuerschaltung für einen High-Side-Schalter (TH), die folgende Merkmale aufweist:

- einen Eingangsanschluss (IN) zum Anlegen eines Eingangssignals (IS), einen Ausgangsanschluss (OUT) zum Bereitstellen eines von dem Eingangssignal abhängigen Ausgangssignal (OS) für die Ansteuerung des High-Side-Schalters (TH),

- einen Ansteuertransistor (TA) mit einem Steueranschluss (G), der an den Eingangsanschluss (IN) gekoppelt ist, einem ersten Laststreckenanschluss (D), der durch das Substrat des Halbleiterkörpers gebildet ist, und einem zweiten Laststreckenanschluss (S), der an eine Klemme für ein Bezugspotential (GND) angeschlossen ist,

- eine Treiberschaltung (10) mit einem ersten und zweiten Versorgungsanschluss (12, 14) zum Anlegen einer Versorgungsspannung (VT), einem Ausgang (18), an dem das Ausgangssignal (OS) anliegt, und einem Eingang (16), an den der erste Laststreckenanschluss (D) des Ansteuertransistors (TA) angeschlossen ist.

2. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, bei der die Treiberschaltung (10) eine Vergleicherschaltung aufweist, die einen Laststrom durch den Ansteuertransistor (TA) mit einem Schwellenwert vergleicht, wobei das Ausgangssignal (OS) abhängig von dem Vergleichsergebnis ist.

3. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, bei der der Eingang der Treiberschaltung (10) über einen Spannungsbegrenzer (T2) an den ersten oder zweiten Versorgungsanschluss (12, 14) angeschlossen ist.

4. Ansteuerschaltung nach Anspruch 3, bei der der Spannungsbegrenzer als Transistor (T2), insbesondere als selbstsperrender Transistor, ausgebildet ist.

5. Ansteuerschaltung nach Anspruch 3, bei der der Spannnungsbegrenzer als Diode ausgebildet ist.

6. Ansteuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Eingang der Treiberschaltung (10) über einen selbstleitenden Transistor (T1) an den ersten Versorgungsanschluss (V1) angeschlossen ist.

7. Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Eingang der Treiberschaltung (10) über einen Widerstand an den ersten Versorgungsanschluss (V1) angeschlossen ist.

8. Ansteuerschaltung nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Vergleicherschaltung (K1) das Potential an der Eingangsklemme (16) auswertet.

9. Ansteuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die einen ersten Schalter (S1), der zwischen den Ausgang (18) der Treiberschaltung (10) und den ersten Versorgungsanschluss (V1) geschaltet ist, und einen zweiten Schalter (S2), der zwischen den Ausgang (18) der Treiberschaltung (10) und den zweiten Versorgungsanschluss (V2) geschaltet ist, aufweist, wobei der erste und zweite Schalter (S1, S2) abhängig von dem Vergleichsergebnis komplementär angesteuert sind.

10. Ansteuerschaltung nach Anspruch 9, bei der einer der Schalter verzögert gegenüber dem anderen Schalter angesteuert ist.

11. Ansteuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der zweite Versorgungsanschluss (14) der Treiberschaltung an einen der Laststreckenanschlüsse (S) des High- Side-Schalters (TH) angeschlossen ist.

12. Ansteuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der eine Bootstrap-Schaltung (C1, D1) zwischen die Versorgungsanschlüsse (12, 14) der Treiberschaltung (10) geschaltet ist.

13. Ansteuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Vergleicheranordnung wenigstens eine Reihenschaltung mit einem Transistor (P1, P2) und einer Last (N1, N2) zwischen dem Eingang (16) und dem zweiten Versorgungsanschluss (14) aufweist, wobei der Steueranschluss des Transistors (P1, P2) an eine Referenzspannung angeschlossen ist.

14. Ansteuerschaltung nach Anspruch 13, die eine erste Reihenschaltung mit einem Transistor (P1) und einer Last (N1) und eine zweite Reihenschaltung mit einem Transistor (P2) und einer Last (N2) aufweist, wobei ein dem Eingang (16) abgewandter Anschluss des Transistors (P1) der ersten Reihenschaltung an den Ansteueranschluss des zweiten Schalters (S1) gekoppelt ist und wobei ein dem Eingang (16) abgewandter Anschluss des Transistors (P2) der zweiten Reihenschaltung über einen Inverter (P3, N3) an den Ansteueranschluss des ersten Schalters (S1) gekoppelt ist.

15. Schaltungsanordnung zum Schalten einer Last, die eine Ansteuerschaltung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche sowie eine Reihenschaltung eines High-Side-Schalters (TH) und eines Low-Side-Schalters (TL) aufweist, die in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind.