DE10146168C2 - Ansteuerschaltung für einen High-Side-Schalter - Google Patents

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 Brü­ ckenschaltungen Anwendung, bei denen zwei Schalter (High- Side-Schalter und Low-Side-Schalter) in Reihe zwischen Klem­ men 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 elektri­ sche 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 voll­ ständig leitet, wenn annäherungsweise die gesamte Versor­ gungsspannung über der Last anliegt und der Source-Anschluss annäherungsweise auf dem positiven Versorgungspotential liegt, ist es erforderlich, an dessen Gate-Anschluss ein An­ steuerpotential anzulegen, das größer als das positive An­ steuerpotential ist. Bei Versorgungsspannungen/Versorgungs­ potentialen von einigen hundert Volt, die zur Ansteuerung von Lampen, Motoren oder dergleichen üblich sind, sind besondere Anforderungen an eine Ansteuerschaltung, die Ansteuerpotenti­ ale in diesen Größenordnungen liefert, zu stellen.

Ansteuersignale, nach deren Maßgabe der High-Side-Schalter leitet oder sperrt werden üblicherweise durch eine Logik­ schaltung bereitgestellt, die Ausgangsspannungen zwischen 1 V und 5 V bezogen auf ein Bezugspotential der Schaltung, norma­ lerweise Massepotential, bereitstellt. Ansteuersignale mit diesen Pegeln können direkt oder über einfache Pegelwandler zur Ansteuerung von als Low-Side-Schaltern eingesetzten Tran­ sistoren in der Schaltung dienen, sind für die Ansteuerung des High-Side-Schalters aber nicht geeignet. Um Ansteuersig­ nale mit diesen auf Bezugspotential bezogenen 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 ei­ ner Ladungspumpe, zuzuführen, die erhöhte Ansteuerpotentiale bereitgestellt. Allerdings sind derartige Übertrager und Op­ tokoppler nicht monolithisch integrierbar, wodurch eine der­ artige Ansteuerschaltung platzaufwendig und vergleichsweise teuer in der Realisierung ist.

Bei bislang bekannten monolithisch integrierten Ansteuer­ schaltungen 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 Spannungs­ festigkeit bis zu einigen hundert Volt aufweisen müssen, sind mittels Standardprozessen zur Realisierung hochspannungsfes­ ter Transistoren mit einer Ansteuerschaltung On-Chip nicht realisierbar, so dass auf aufwendigere und daher kosteninten­ sivere Prozesse zurückgegriffen werden muss.

Die DE 197 28 283 A1 beschreibt eine Ansteuerschaltung für einen High-Side-Schalter, die einen Anschluss zum Anlegen ei­ nes Eingangssignals und einen Ausgangsanschluss zum Bereit­ stellen eines von dem Eingangssignal abhängigen Ausgangssig­ nals für die Ansteuerung des High-Side-Schalters aufweist. Das Ansteuersignal ist dem Ausgangsanschluss zum Einen über eine Ladungspumpenschaltung zugeführt. Zum Anderen steuert das Ansteuersignal einen MOSFET an, dessen Laststrecke über einen Widerstand an ein Substrat der Schaltung angeschlossen ist, wobei das Substrat den Kollektoranschluss eines Bipo­ lartransistors bildet, dessen Emitteranschluss an den Ansteu­ eranschluss des High-Side-Schalters angeschlossen ist. Der Basisanschluss des Bipolartransistors ist dabei über einen Widerstand an den Source-Anschluss des High-Side-Schalters angeschlossen.

Der vorliegenden Erfindung liegt 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 Merk­ malen 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 Eingangssig­ nals, 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 Laststrecken­ anschluss, der durch das Substrat des Halbleiterkörpers ge­ bildet 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 gebil­ det 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 ange­ schlossen ist und der somit durch das Substrat des Halblei­ terkörpers gebildet ist. Dieser Eingang ist über einen Span­ nungsbegrenzer an den ersten Versorgungsanschluss angeschlos­ sen. 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 Versorgungsan­ schluss der Treiberschaltung ist an eine Klemme für ein al­ ternierendes Potential angeschlossen. Diese Klemme ist bei einer Brückenschaltung mit einem High-Side-Schalter und einem Low-Side-Schalter insbesondere ein den beiden Schaltern ge­ meinsamer Knoten, das heißt der Source-Anschluss des High- Side-Schalters. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das Potential an dem ersten Versorgungsanschluss der Treiber­ schaltung 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 Be­ darf leitend ansteuern zu können.

Die maximale Spannung, die zwischen dem ersten Versorgungsan­ schluss und Bezugspotential anliegen kann, entspricht bei leitendem High-Side-Schalter und sperrendem Low-Side-Schalter etwa der Summe aus dem Versorgungspotential am Laststrecken­ anschluss des High-Side-Schalters und der Versorgungsspannung über der Treiberschaltung. Diese Spannung liegt in der An­ steuerschaltung über der Reihenschaltung aus dem Spannungs­ begrenzer 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 ausge­ legten Ansteuertransistor übernommen wird. Die übrigen in der Treiberschaltung vorhandenen Schaltungskomponenten werden durch die Versorgungsspannung versorgt, die zwischen den Ver­ sorgungsanschlüssen anliegt und die üblicherweise Werte zwi­ schen 5 V und 15 V beträgt.

Durch die beschriebenen Schaltungsmaßnahmen ist die maximale Spannung, die an den in der Treiberschaltung vorhandenen Kom­ ponenten - insbesondere Dioden und Transistoren - anliegt, auf Niederspannungswerte begrenzt, so dass diese nicht hoch­ spannungsfest sein müssen und als laterale Bauelemente in demselben Halbleiterkörper, in dem der Ansteuertransistor ausgebildet ist, realisiert sein können. Eine hochspannungs­ feste dielektrische Isolation zwischen dem Ansteuertransistor und den Komponenten der Treiberschaltung ist bei der erfin­ dungsgemäßen Ansteuerschaltung nicht erforderlich.

Der Spannungsbegrenzer ist insbesondere als selbstsperrender MOS-Transistor ausgebildet, dessen Drain-Source-Strecke zwi­ schen den ersten Versorgungsanschluss und den Eingang der Treiberschaltung geschaltet und dessen Gate-Anschluss an den ersten Versorgungsanschluss angeschlossen ist. Sinkt das Po­ tential an dem Eingang der Treiberschaltung bei leitendem An­ steuertransistor 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 die­ ses Transistors einen vorgegebenen Wert nicht überschreiten kann.

Darüber hinaus ist der Eingang der Treiberschaltung vorzugs­ weise 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 Ein­ gangsklemme 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 er­ sten 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 ver­ gleicht und abhängig von dem Vergleichsergebnis den High- Side-Schalter ansteuert.

Zur Ansteuerung des High-Side-Schalters sind bei einer Aus­ führungsform ein erster und ein zweiter Schalter vorgesehen, die komplementär angesteuert sind. Der erste Schalter ist zwischen den Ausgang des Treibers und den ersten Versorgungs­ anschluss geschaltet, um den Steueranschluss des High-Side- Schalters bei Bedarf an das erhöhte Ansteuerpotential an die­ sem ersten Versorgungsanschluss anzulegen und den High-Side- Schalter dadurch leitend anzusteuern. Der zweite Schalter ist zwischen den Ausgang des Treibers und den zweiten Versor­ gungsanschluss, der gegenüber dem ersten Versorgungsanschluss auf einem niedrigeren Potential liegt, um den High-Side- Schalter bei Bedarf zu sperren, geschaltet. Die maximal zwi­ schen den beiden Schaltern anliegende Spannung entspricht da­ bei 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 Ausführungsbei­ spielen anhand von Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ansteuer­ schaltung mit einem Ansteuertransistor und einer Treiberschaltung zur Ansteuerung eines High-Side- Schalters,

Fig. 2 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ansteuer­ schaltung, bei dem ein Ausführungsbeispiel der Treiberschaltung als Blockschaltbild im Detail dar­ gestellt ist,

Fig. 3 eine Ansteuerschaltung mit einem Ansteuertransistor und einer Treiberschaltung, wobei ein Ausführungs­ beispiel der Treiberschaltung auf Transistorebene im Detail dargestellt ist,

Fig. 4 Querschnitt durch einen Halbleiterkörper gemäß ei­ ner Ausführungsform, in dem der Ansteuertransistor und die Treiberschaltung integriert sind.

In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile mit gleicher Bedeu­ tung.

Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einer erfindungs­ gemäßen monolithisch integrierten Ansteuerschaltung AS zur Ansteuerung eines High-Side-Schalters. Die Ansteuerschaltung AS weist einen Eingangsanschluss IN zum Anlegen eines Ein­ gangssignals IS und einen Ausgangsanschluss OUT, an dem ein von dem Eingangssignal IS abhängiges Ausgangssignal OS an­ liegt, 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 Laststre­ ckenanschluss und einen Source-Anschluss S als zweiten Last­ streckenanschluss aufweist.

Neben dem Ansteuertransistor TA weist die Ansteuerschaltung AS eine Treiberschaltung 10 mit einem ersten und zweiten Ver­ sorgungsanschluss 12, 14 zum Anlegen einer Versorgungsspan­ nung 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 Ansteuertran­ sistors 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 Eingangsan­ schluss 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 Ansteuer­ schaltung 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 Reihen­ schaltung des High-Side-Schalters TH und eines Low-Side- Schalters TL gebildet und die zwischen eine Klemme für Ver­ sorgungspotential 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 Tran­ sistoren TH, TL gemeinsamen Knoten anschließbar ist. Der High-Side-Schalter TH ist dabei zwischen das positive Versor­ gungspotential V+ und den Lastausgang und der Low-Side- Schalter ist zwischen den Lastausgang und das Bezugspotential GND geschaltet. Die beiden Transistoren TH, TL sind vorzugs­ weise Leistungstransistoren, die in der Lage sind, Versor­ gungsspannungen 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 lei­ tend 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 bereitge­ stellt werden kann.

Im Gegensatz dazu sind zur leitenden Ansteuerung des High- Side-Schalters am Ausgang OUT der Ansteuerschaltung Potentia­ le 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 annähe­ rungsweise 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 an­ geschlossen. Durch die zwischen den Versorgungsanschlüssen 12, 14 anliegende Versorgungsspannung VD ist dadurch sicher­ gestellt, dass das Potential an dem ersten Versorgungsan­ schluss 12 der Treiberschaltung 10 stets um den Wert der Ver­ sorgungsspannung VD über dem Potential an dem Source- Anschluss S des High-Side-Schalters TH liegt. Die Versor­ gungsspannung 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 Halblei­ terkörper 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 ge­ meinsamen Gehäuse untergebracht werden können, um eine beson­ ders platzsparend realisierte Halbbrückenschaltung mit An­ steuerschaltung zur Verfügung stellen zu können.

Fig. 2 zeigt die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanord­ nung, wobei ein Ausführungsbeispiel einer Treiberschaltung 10 als Blockschaltbild im Detail dargestellt ist. Die Eingangs­ klemme 16 der Treiberschaltung 10, d. h. der Drain-Anschluss D des Ansteuertransistors TA ist in dem Ausführungsbeispiel ü­ ber einen als Spannungsbegrenzer dienenden n-leitenden MOS- Transistor T2 an den ersten Versorgungsanschluss 12 ange­ schlossen. 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 Ein­ gang 16 angeschlossen bzw. ist mit dem Substrat des Halblei­ terkörpers 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 Ein­ gang 16, bzw. an das Substrat des Halbleiterkörpers ange­ schlossen sind und wobei der Drain-Anschluss D dieses Tran­ sistors T1 an den Versorgungsanschluss 12 angeschlossen ist.

Die beiden Transistoren T1, T2 dienen zur Einstellung des Po­ tentials an dem Eingangsanschluss 16, bzw. dem Substrat des Halbleiterkörpers abhängig von der Schaltstellung des Ansteu­ ertransistors TA. Sperrt der Transistor TA, so sorgt der dann leitende Transistor T1 dafür, dass das Potential an dem Ein­ gang 16 in etwa dem Potential an dem ersten Versorgungsan­ schluss 12 entspricht. Das Potential an dem Versorgungsan­ schluss 12 ist abhängig von der Schaltstellung des Low-Side- Transistors TL und der Versorgungsspannung VD der Treiber­ schaltung 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 Versorgungspo­ tential V kann in etwa um den Wert der geforderten Versor­ gungsspannung VD über dem Bezugspotential GND liegen. Der Kondensator C1 wird dabei aufgeladen, wenn der Low-Side- Schalter TL leitet und der an den zweiten Versorgungsan­ schluss 16 angeschlossene Anschluss des Kondensators C1 damit annäherungsweise auf Bezugspotential GND liegt. Sperrt der Low-Side-Schalter TL anschließend und steigt damit das Poten­ tial an dessen Drain-Anschluss D bzw. das Potential an dem zweiten Versorgungsanschluss 14 an, so verhindert die Diode Dl ein Entladen des Kondensators C1, wodurch das Potential an dem ersten Versorgungsanschluss 12 stets um den Wert der zu­ vor 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 be­ messen, dass sie zur Versorgung der Komponenten der Treiber­ schaltung 10 während eines Ansteuerzyklus des High-Side- Schalters TH ausreichend ist.

Wie bereits erwähnt kann das Potential an dem zweiten Versor­ gungsanschluss 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 Versor­ gungsspannung 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 sper­ rendem Ansteuertransistor TA annäherungsweise auf dem Wert des Potentials an dem ersten Versorgungsanschluss 12. Die daraus resultierende Spannung von mehreren hundert Volt zwi­ schen dem Eingangsanschluss 12 und Bezugspotential GND wird von dem Ansteuertransistor TA übernommen, der vorzugsweise als vertikaler Leistungstransistor mit einer Spannungsfestig­ keit von mehreren hundert Volt ausgebildet ist. Bei sperren­ den Ansteuertransistor TA sperrt der als Spannungsbegrenzer dienende zweite Transistor T2, dessen Gate-Potential dann an­ näherungsweise dem Source-Potential entspricht.

Wird der Ansteuertransistor TA leitend, so beginnt das Poten­ tial an dessen Drain-Anschluss D abzusinken, wodurch auch das Source-Potential des Transistors T2 absinkt und dieser Tran­ sistor leitend wird. Der Spannungsabfall über der Drain- Source-Strecke D-S des Transistors T2 steigt dann an. Der An­ steuertransistor TA und der Transistor T2 sind dabei so auf­ einander 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 Tran­ sistors T2 abfallende maximale Spannung begrenzt ist, so dass auch bei leitendem Ansteuertransistor TA und einem Ansteuer­ potential von mehreren hundert Volt an dem ersten Versor­ gungsanschluss 12 der Großteil der zwischen dem Versorgungs­ anschluss 12 und Bezugspotential GND anliegenden Spannung ü­ ber den Ansteuertransistor TA abfällt.

Die beiden Transistoren T1, T2 müssen daher nicht als hoch­ spannungsfeste Transistoren ausgebildet sein und können ins­ besondere als laterale Transistoren in demselben Halbleiter­ körper, 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 zwei­ ten 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 er­ setzt sein, die an den ersten oder den zweiten Versorgungsan­ schluss 12, 14 angeschlossen ist. Weiterhin kann der Transis­ tor T1 durch einen Widerstand ersetzt sein.

Zur Ansteuerung des High-Side-Schalters TH weist die Treiber­ schaltung 10 eine Reihenschaltung eines ersten und zweiten Schalters S1, S2 zwischen dem ersten und zweiten Versorgungs­ anschluss 12, 14 auf, wobei der Ausgangsanschluss 18 der Treiberschaltung 10 an einen den beiden Schaltern S1, S2 ge­ meinsamen 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 si­ chergestellt 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 kurzge­ schlossen.

Die Schalter S1, S2 werden abhängig von einem von einer Vergleicheranordnung K1 bereitgestellten Vergleichssignal VS angesteuert. Die Vergleicheranordnung ist in dem Ausführungs­ beispiel 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 Ein­ gangsanschluss 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 annähe­ rungsweise auf dem Wert des Potentials an dem ersten Versor­ gungsanschluss 12, während das Potential an dem Minus-Eingang um den Wert der Referenzspannung Vref unterhalb dieses Poten­ tials 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 ers­ ten 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 Pegelwech­ sel 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 kurzschlie­ ßen.

Leitet der Ansteuertransistor TA bei einem hohen Pegel des Ansteuersignals IS, so sinkt das Potential an dem Eingangsan­ schluss 16 ab, wobei das Absinken dieses Potentials gegenüber dem Potential an dem ersten Versorgungsanschluss 12 durch den Transistor T2 begrenzt ist. Der spannungsbegrenzende Transis­ tor T2 ist dabei so eingestellt, dass bei leitendem Ansteuer­ transistor 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 Schal­ ter S2 gesperrt und der erste Schalter S1 über den Inverter INV 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 Reihen­ schaltung 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 Versorgungsan­ schluss 12 bezogene Referenzspannung VR abgreifbar ist.

Die Ansteuerschaltung gemäß Fig. 3 weist zwei Vergleicher­ schaltungen auf, von denen eine zur Ansteuerung des ersten Schalters S1 und die andere zur Ansteuerung des zweiten Schalters S2 dient. Beide Vergleicherschaltungen weisen je­ weils eine Reihenschaltung eines selbstsperrenden p-leitenden Transistors P1, P2 und eines als Last dienenden selbstleiten­ den n-leitenden MOS-Transistors N1, N2 zwischen der Eingangs­ klemme 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 Kno­ ten 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 Inver­ ter INV an den Drain-Anschluss des zweiten p-leitenden Tran­ sistors P2 angeschlossen. Der Inverter ist in dem Ausfüh­ rungsbeispiel als Reihenschaltung eines p-leitenden selbst­ sperrenden MOS-Transistors P3 und eines n-leitenden selbst­ leitenden Transistors N3 zwischen dem ersten Versorgungsan­ schluss 12 und dem zweiten Versorgungsanschluss 14 reali­ siert, wobei der Drain-Anschluss des zweiten p-leitenden Transistors P2 an den Gate-Anschluss des p-leitenden Transis­ tors P3 angeschlossen ist und der Gate-Anschluss des ersten Schalters S1 an den Drain-Anschluss des p-leitenden Transis­ tors P3 des Inverters INV angeschlossen ist.

Sperrt der Ansteuertransistor TA so liegt das Potential an dessen Drain-Anschluss D bzw. an dem Substrat des Halbleiter­ körpers über den selbstleitenden Transistor T1 annäherungs­ Weise auf dem Potential des ersten Versorgungsanschlusses 12 und wegen des Spannungsabfalls über dem Transistor N4 über dem Wert des Referenzpotentials VR am Ausgang der Referenz­ spannungsquelle 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 lei­ tet, 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 Po­ tential 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 selbstlei­ tenden 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 lei­ tet, 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 Verglei­ cheranordnung dienen, sind entweder an deren Source- Anschlüsse angeschlossen, oder wie im Fall des Transistors N1 dargestellt ist, an den Ausgang des Inverters INV angeschlos­ sen.

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 einge­ stellt 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 lei­ tend werden können.

Bei der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung sind der hoch­ spannungsfeste 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 Kom­ ponenten der Treiberschaltung können als Niederspannungsbau­ elemente, insbesondere als laterale Bauelemente an der Ober­ seite 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 auf­ gebrachte Epitaxieschicht 22 gebildet ist. In dieser Epita­ xieschicht 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 an­ geordnet, die bei Anlegen eines Ansteuerpotentials die Aus­ bildung eines leitenden Kanals in den p-dotierten Wannen 32 zwischen den Source-Zonen 40 und der Drain-Zone 20, 22 ermög­ licht.

Die Komponenten der Treiberschaltung sind als laterale Bau­ elemente an der Oberseite des Halbleiterkörpers 100 ausgebil­ det, 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 Transisto­ ren der Treiberschaltung 10 sind in nicht näher dargestellter Weise in einer Verdrahtungsebene oberhalb des Halbleiterkör­ pers 100 miteinander verbunden.

Sofern in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen erläutert ist, dass der Drain-Anschluss des Ansteuerungstran­ sistors 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 Ansteu­ erschaltung für einen High-Side-Schalter (TH), die folgende Merkmale aufweist:

• - einen Eingangsanschluss (IN) zum Anlegen eines Eingangssig­ nals (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 Laststre­ ckenanschluss (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 Versorgungs­ spannung (VD), einem Ausgang (18), an dem das Ausgangssignal (OS) anliegt, und einem Eingang (16), an den der erste Last­ streckenanschluss (D) des Ansteuertransistors (TA) ange­ schlossen ist.

2. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, bei der die Treiber­ schaltung (10) eine Vergleicherschaltung aufweist, die einen Laststrom durch den Ansteuertransistor (TA) mit einem Schwel­ lenwert 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) ange­ schlossen ist.

4. Ansteuerschaltung nach Anspruch 3, bei der der Spannungs­ begrenzer als Transistor (T2), insbesondere als selbstsper­ render Transistor, ausgebildet ist.

5. Ansteuerschaltung nach Anspruch 3, bei der der Spannnungs­ begrenzer 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 Versorgungsan­ schluss (12) angeschlossen ist.

7. Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Eingang der Treiberschaltung (10) über einen Wider­ stand an den ersten Versorgungsanschluss (12) angeschlossen ist.

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

9. Ansteuerschaltung nach eine der vorangehenden Ansprüche, die einen ersten Schalter (S1), der zwischen den Ausgang (18) der Treiberschaltung (10) und den ersten Versorgungsanschluss (12) geschaltet ist, und einen zweiten Schalter (S2), der zwischen den Ausgang (18) der Treiberschaltung (10) und den zweiten Versorgungsanschluss (14) geschaltet ist, aufweist, wobei der erste und zweite Schalter (S1, S2) abhängig von dem Vergleichsergebnis komplementä 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 Treiber­ schaltung 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 Ver­ sorgungsanschlüsse (12, 14) der Treiberschaltung (10) ge­ schaltet ist.

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

14. Ansteuerschaltung nach Anspruch 13, die eine erste Rei­ henschaltung 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) abge­ wandter Anschluss des Transistors (P1) der ersten Reihen­ schaltung an den Ansteueranschluss des zweiten Schalters (S1) gekoppelt ist und wobei ein dem Eingang (16) abgewandter An­ schluss 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 An­ steuerschaltung 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.