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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzanordnung für ein aus
wenigstens zwei bzw. mehreren Zellen bestehendes Leistungshalbleiterbauelement
gegen Überstrom
und Übertemperatur, umfassend
einen Stromsensor aus einem Strom-Sensetransistor und eine in der Sourceleitung des
Sensetransistors liegende Sensewiderstandseinrichtung und einen
Temperatursensor. Unter mehreren Zellen sind wenigstens zwei Zellen
zu verstehen. Rein beispielsweise können es drei Zellen sein.
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Im
einzelnen ist aus der
US 4 931
844 eine Messanordnung bekannt, die auch als Schutzanordnung
gegen Überströme und/oder Übertemperaturen für ein aus
mehreren Zellen bestehendes Leistungshalbleiterbauelement verwendet
werden kann. Diese bekannte Messanordnung umfasst einen Stromsensor
aus einem Strom-Sensetransistor und einer in dessen Sourceleitung
liegenden Sensewiderstandseinrichtung sowie einen zweiten Sensor,
der in Kombination mit dem Stromsensor als ein Temperatursensor
verwendet wird.
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Bekanntlich
müssen
in zahlreichen Anwendungsfällen
Leistungshalbleiterbauelemente gegen Überstrom und Übertemperatur
sowie gegebenenfalls auch gegen Überspannung
geschützt
werden, um ihre Zerstörung
durch einen Durchbruch zu verhindern. Zur Verwirklichung einer solchen
Schutzanordnung werden so ein Stromsensor, ein Temperatursensor,
gegebenenfalls ein Spannungssensor und eine Ansteuerschaltung benötigt.
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In 1 ist eine herkömmliche
Schutzanordnung dargestellt. Ein Spannungssensor 1, ein
Temperatursensor 2 und ein Stromsensor 3 sind
mit einer Ansteuerschaltung 4 verbunden, die ihrerseits
an ein zu schützendes
Leistungshalbleiterbauele ment 5 angeschlossen ist. Der
Spannungssensor 1 ermittelt die am Leistungshalbleiterbauelement 5 auftretende Spannung,
während
der Temperatursensor 2 möglichst die maximale Temperatur
des Leistungshalbleiterbauelements 5 feststellt und der
Stromsensor 3 zur Messung des durch das Leistungshalbleiterbauelement 5 geschickten
Stromes dient. Die Ausgangssignale der Sensoren 1 bis 3 werden
von der Ansteuerschaltung 4 ausgewertet, um bei Überschreiten
bestimmter Grenzen ein Abschalten des Leistungshalbleiterbauelements 5 oder
eine Leistungsbegrenzung durch analoge Regelung zu bewirken, so
dass dessen Zerstörung
verhindert wird.
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Im
Einzelnen ist das Zusammenwirken der drei Sensoren 1 bis 3 im
zeitlichen Verlauf von großer Bedeutung,
um das Leistungshalbleiterbauelement 5 bei allen denkbaren
thermodynamischen Vorgängen sicher
schützen
zu können.
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Damit
eine Zerstörung
des Leistungshalbleiterbauelementes zuverlässig vermieden wird, ist es erforderlich,
dass dieses Leistungshalbleiterbauelement theoretisch zu jeder Zeit,
also insbesondere auch bei schnellen dynamischen Vorgängen, im
so genannten "sicheren
Arbeitsbereich",
auch SOA genannt (SOA = Safe Operation Area), betrieben wird.
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Dieser
SOA soll im Folgenden anhand der 2 näher erläutert werden.
In 2 ist der Strom i
durch ein Leistungshalbleiterbauelement in Abhängigkeit von der an diesem
liegenden Spannung U dargestellt.
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In
einem Bereich a von niederen Spannungen, wie diese beispielsweise
zwischen Drain und Source eines Transistors auftreten, wird der
SOA in der Regel durch den maximalen Strom begrenzt, den die Bondung
des Gehäuses
des Bauelements aushält.
Bei mittleren Spannungen in einem Bereich b ist primär die im
Leistungshalbleiterbauelement herrschende Temperatur der begrenzende
Faktor, wobei hier die Leistung, also das Produkt aus Strom und Spannung,
nahezu konstant ist, so dass der Wärmewiderstand im Leistungshalbleiterbauelement
relevant ist. Mit weiter ansteigender Spannung in einem Bereich
c muss schließlich
die Leistung reduziert und letztlich auf null gefahren werden, um
Durchbrüche zu
verhindern.
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Bei
einer dynamischen Betrachtung des Leistungshalbleiterbauelementes
müssen
die thermischen Eigenschaften besonders berücksichtigt werden. Das heißt, die
SOA-Begrenzungslinie muss deshalb von einer Schutzanordnung mit
steigender Temperatur im Bereich des Leistungshalbleiterbauelementes
dynamisch zu niedrigeren Werten verschoben werden. Mit anderen Worten,
mit steigender Temperatur T geht die SOA-Begrenzungslinie von einem
Verlauf A in einen Verlauf B und weiter in einen Verlauf C über. Entsprechend
können
sich auch die Grenzen zwischen den Bereichen a, b und c geringfügig ändern.
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In
der Praxis ergeben sich nun häufig
Probleme mit einer zuverlässigen
Erfassung und richtigen Verknüpfung
der für
die SOA-Festlegung wesentlichen Eingangsgrößen Strom (Bereich a), Temperatur (Bereich
b), Spannung (Bereich c) und – bei
dynamischer Betrachtung – Zeit.
Insbesondere ist es schwierig, bei hohen Leistungsdichten und schnellen Änderungen
der Verlustleistung in einem Leistungshalbleiterbauelement dessen
Spitzentemperatur, die oft durch die wirkliche Chiptemperatur gegeben
ist, zu erfassen. Außerdem
ist es nur schwer möglich,
den Gesamtstrom durch das Leistungshalbleiterbauelement dynamisch
präzise
zu messen. Darüber
hinaus ist es mit den derzeit gebräuchlichen Anordnungen nicht
möglich,
zu jeder Zeit die genaue Leistungsverteilung in einem aus zahlreichen
Zellen bestehenden Leistungshalbleiterbauelement, insbesondere Leistungstransistor,
zu überwachen,
damit lokale Überhitzungen,
so genannte "hot
spots" ("Heiße Stellen") vermieden werden,
welche sonst zu einer unmittelbaren Zerstörung der betreffenden Zellen
führen
würden.
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Bisher
werden Strom-Senseeinrichtungen vorzugsweise aus Sensewiderständen realisiert,
die von dem Gesamtstrom durch flossen werden, welcher auch durch
das Leistungshalbleiterbauelement geführt ist. Es wurde aber auch
schon daran gedacht, beispielsweise bei einem MOS-Leistungstransistor als
Leistungshalbleiterbauelement bestimmte Teile, also einzelne Zellen,
als Sensezellen auszulegen und aus diesen vorzugsweise eine Stromspiegelschaltung
aufzubauen, mit der dann der durch diese Sensezellen fließende Strom
als Maß für den Gesamtstrom
ermittelt wird. Bei derartigen Lösungen hat
sich aber gezeigt, dass die Genauigkeit, mit der solche Strom-Senseeinrichtungen
den Strom durch ein Leistungshalbleiterbauelement messen, unbefriedigend
sein kann. Auch ist hier das Temperaturverhalten nicht unkritisch,
da solche einzelne Zellen für die
Ermittlung von "hot
spots" nicht zuverlässig sind. Dies
gilt insbesondere bei hohen Spannungen und hohen Leistungsdichten,
da dann die Temperaturgradienten groß sind. Moderne MOS-Transistoren
neigen insbesondere im abgeregelten Zustand zur Bildung von "hot spots".
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Ähnliche Überlegungen
können
auch für Spannungssenseeinrichtungen
angestellt werden.
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Bestehende
Schutzanordnungen weisen Temperaturmesseinrichtungen beispielsweise
in der Form von auf dem Chip des Leistungshalbleiterbauelementes
aufgebrachten Zusatzchips oder entsprechenden Sensoren auf. So ist
es beispielsweise möglich,
Temperatursensetransistoren in der Nähe eines Leistungstransistors
als Leistungshalbleiterbauelement vorzusehen.
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Um
nun eine Spitzentemperatur möglichst gut
erfassen zu können,
sollte beispielsweise ein Sensetransistor in einen Leistungstransistor
hinein verlegt sein. Optimal wäre
hier eine Lösung,
bei welcher jeder Zelle eines Leistungstransistors ein integrierter
Sensetransistor als Temperaturschutz zugeordnet ist. Durch entsprechendes
Aufteilen eines Leistungstransistors in zahlreiche Zellen und Einfügen von
Sensoren in diese Zellen kann so eine sehr gut arbeitende Schutzanordnung
geschaffen werden.
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Bei
einem zu hohen Anstieg der Temperatur in den Zellen eines Leistungstransistors
muss außerdem
dafür gesorgt
werden, dass die Leistung, die im Leistungshalbleiterbauelement
verbraucht wird, dynamisch zurückgeregelt
wird, um so eine Zerstörung des
Leistungshalbleiterbauelementes zu verhindern.
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Insgesamt
gibt es so bisher keine Schutzanordnung für ein aus wenigstens zwei Zellen
bestehendes Leistungshalbleiterbauelement, welche zuverlässig und
mit geringem Aufwand einen Betrieb sicher im SOA einzustellen vermag,
um so eine Zerstörung
des Leistungshalbleiterbauelementes durch lokale Überhitzung
zu verhindern. Dies gilt insbesondere für als Endstufen eingesetzte
Leistungshalbleiterbauelemente. Daher werden, um einen sicheren Betrieb
zu gewährleisten,
oft solche Endstufen und generell Leistungshalbleiterbauelemente überdimensioniert.
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Es
ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schutzanordnung
für ein
aus wenigstens zwei Zellen bestehendes Leistungshalbleiterbauelement
zu schaffen, welche zuverlässig
einen Betrieb des Leistungshalbleiterbauelementes im SOA gewährleistet
und so eine Zerstörung
des Leistungshalbleiterbauelementes durch Überhitzung verhindert.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Schutzanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Der
Sensetransistor ist also zwischen einer ersten Zelle und einer zweiten
Zelle vorgesehen. Die Sensewiderstandseinrichtung weist wenigstens
einen auf einer Zelle angebrachten Sensewiderstand auf. Schließlich ist
der Temperatursensor entweder ebenfalls zwischen die erste und die
zweite Zelle oder aber zwischen die zweite und eine dritte Zelle oder
zwischen zwei weitere Zellen eingefügt.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Vorzugsweise
besteht der Temperatursensor dabei aus mehreren Stufen, die jeweils
an Stellen unterschiedlicher Temperatur angebracht sind.
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Mit
der erfindungsgemäßen Schutzanordnung
kann sicher eine lokale Überhitzung
eines Leistungshalbleiterbauelementes, wie beispielsweise eines
Leistungstransistors, verhindert werden. Dabei ist eine effektive
Ausnutzung der zur Verfügung
stehenden Fläche
des Leistungshalbleiterbauelementes gegeben. Eine monolithische
Integration von Sensoren und Zellen des Leistungshalbleiterbauelementes ist
möglich.
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Zusammenfassend
wird so bei der erfindungsgemäßen Schutzanordnung
das Leistungshalbleiterbauelement, das beispielsweise eine Endstufe
bildet, in wenigstens zwei Teile aufgeteilt, so dass wenigstens
zwei Zellen des Leistungshalbleiterbauelementes, insbesondere des
Leistungstransistors, vorliegen. Der Sensetransistor des Stromsensors
wird dann zwischen diese Zellen eingebracht, also beispielsweise
bei einer dreizelligen Ausführung zwischen
die erste Zelle und die zweite Zelle. Weiterhin wird der Temperatursensor
zwischen zwei Zellen vorgesehen, bei der dreizelligen Ausführung beispielsweise
zwischen der zweiten Zelle und der dritten Zelle. Für die gestaffelte
Meldung von verschiedenen Temperaturpegeln kann dabei der Temperatursensor
in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung aus mehreren
Stufen bestehen, die jeweils an Stellen unterschiedlicher Temperatur
angebracht sind. Generell können
der Sensetransistor des Stromsensors und der Temperatursensor zwischen den
gleichen Zellen, was insbesondere für die zweizellige Ausführung gilt,
oder zwischen verschiedenen Zellen, was insbesondere für die drei-
und höherzellige
Ausführung
gilt, vorgesehen sein.
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Neben
den obigen Maßnahmen
ist an der erfindungsgemäßen Schutzanordnung
von besonderer Bedeutung, dass der Sensewiderstand des Stromsensors
direkt über
den besonders gefährdeten Strukturen
des Leistungshalbleiterbauelementes angeordnet wird. Damit wird
der Temperaturkoeffizient des Stromsensors von der Spitzen-Chiptemperatur der
einzelnen Zellen direkt beeinflusst. Es kann ausreichend sein, gegebenenfalls
auch nur einen Stromsensewiderstand vorzusehen.
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Durch
die Unterteilung der Leistungshalbleiteranordnung kann die Schutzanordnung
in vorteilhafter Weise zwischen einzelnen Zellen des Leistungshalbleiterbauelementes
vorgesehen werden. Besteht das Leistungshalbleiterbauelement beispielsweise
aus einem Leistungstransistor, so werden als einzelne Zellen Teiltransistoren
vorgesehen, deren Gate-Drain- und Sourceanschlüsse jeweils parallel geschaltet
sind. Damit ist für
diese Teiltransistoren eine Treiberschaltung ausreichend.
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In
einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der
Sensewiderstand, der vorzugsweise in die Sourceleitung des Sensetransistors eingefügt ist,
einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist. Der Spannungsabfall
an dem Sensewiderstand dient dann der Strombegrenzung zur Regelung
der Gate-Source-Spannung und damit der Drainströme der einzelnen Teiltransistoren
des das Leistungshalbleiterbauelement bildenden Leistungstransistors.
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Der
Sensewiderstand wird mit einem geeigneten Prozess direkt über den
einzelnen Zellen des Leistungshalbleiterbauelementes angebracht.
Durch diese Lage des Sensewiderstandes ist sichergestellt, dass
das thermodynamische Regelverhalten der Schutzanordnung sich als
zuverlässig
erweist.
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Beispielsweise
kann der Sensewiderstand in einer Verdrahtungsebene, die von der
Power- bzw. Leistungs-Verdrahtungsebene verschieden ist, realisiert
werden. Der Schichtwiderstand (Widerstand pro Quadrat) kann dann
für den
Sensewiderstand relativ hoch eingestellt werden, so dass kleine
Strukturbreiten möglich
sind. Damit lassen sich relativ hochohmige Strukturen des Sensewiderstandes
bei optimaler Lage realisieren.
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Als
geeignetes Material für
den Sensewiderstand kann beispielsweise Aluminium verwendet werden,
wodurch der positive Temperaturkoeffizient gegeben ist.
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Der
Sensewiderstand kann optimal die Temperatur einer potentiell gefährdeten
Zelle des Leistungshalbleiterbauelementes ertasten, da er direkt über den
einzelnen Zellen angebracht ist.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild einer herkömmlichen
Schutzanordnung,
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2 schematisch
den SOA bei einem Leistungshalbleiterbauelement,
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3 eine
schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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4 ein
Schaltbild für
einen Temperatursensor bei der erfindungsgemäßen Schutzanordnung und
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5 ein
Schaltbild für
einen Stromsensor aus einem Sensetransistor und einem in der Sourceleitung
des Sensetransistors liegenden Sensewiderstand.
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Die 1 und 2 sind
bereits eingangs erläutert
worden. Für
einander entsprechende Bauteile werden in den Figuren jeweils die
gleichen Bezugszeichen verwendet.
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Bei
der erfindungsgemäßen Schutzanordnung
wird besonderes Gewicht auf den Temperatursensor und den Stromsensor
gelegt, die auch hier – wie
in 1 gezeigt ist – mit einer Ansteuerschaltung für das Leistungshalbleiterbauelement
verbunden sind. Ein gegebenenfalls ebenfalls vorhandener Spannungssensor
ist dann in der in 1 gezeigten Weise mit der Ansteuerschaltung
verbunden. Ein Spannungssensor wird immer dann zweckmäßigerweise
in der Schutzanordnung vorgesehen werden, wenn das Leistungshalbleiterbauelement
auch im Grenzbereich zwischen den Gebieten b und c (vgl. 2)
betrieben wird.
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Im
Folgenden wird daher speziell erläutert, wie bei der erfindungsgemäßen Schutzanordnung der
Temperatursensor 2 und der Stromsensor 3 in dem
Leistungshalbleiterbauelement angeordnet sind.
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Zunächst zeigt 3 in
einer Draufsicht einen Leistungstransistor Tg aus drei Transistorzellen T1,
T2, T3 als Beispiel für
ein Leistungshalbleiterbauelement in einer Endstufe. Die Zellen
oder Teiltransistoren T1, T2 und T3 sind in üblicher Weise miteinander verschaltet.
Das heißt,
die Sourceanschlüsse, Drainanschlüsse und
Gateanschlüsse
der Zellen T1, T2 und T3 sind jeweils miteinander parallel geschaltet.
Source der Transistorzelle T1 ist also mit Source der Transistorzelle
T2 und Source der Transistorzelle T3 verbunden. Gleiches gilt für Drain
und Gate dieser Transistorzellen.
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Es
sei angemerkt, dass bei der erfindungsgemäßen Schutzanordnung selbstverständlich auch mehr
als zwei oder drei Zellen miteinander verbunden sein können. Die
Erfindung ist also keineswegs auf eine Schutzanordnung mit nur zwei
oder drei Zellen beschränkt.
Vielmehr können
beispielsweise auch vier, fünf
oder mehr Zellen vorgesehen werden. In diesem Fall sind dann gegebenenfalls
mehrere Stromsensoren und Temperatursensoren zwischen den einzelnen
Zellen vorgesehen.
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Die
Ausführung
mit nur zwei Zellen – beispielsweise
fehlt dann die Zelle T1 – stellt
die preiswerteste, aber auch die Lösung mit der geringsten Performance
dar. Der Grund hierfür
liegt in dem breiteren Zwischenraum zwischen den beiden Zellen, der
benötigt
wird, um beide Sensoren für
Strom und Temperatur dort unterzubringen. Um diesen breiteren Zwischenraum
zu vermeiden, wäre
es auch möglich, den
Sensetransistor des Stromsensors über die halbe Breite auszulegen
und den verbleibenden Platz für
den Temperatursensor zu nutzen.
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Im
Ausführungsbeispiel
von 3 mit drei Zellen T1, T2 und T3 ist nun erfindungsgemäß im Spalt
zwischen der Transistorzelle T1 und der Transistorzelle T2 in voller
Breite ein Stromsensetransistor Ts eingefügt. Auf diese Weise kann ein
Stromübersetzungsfehler
durch unterschiedliche Temperaturen in dem Spalt weitgehend vermieden
werden.
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Es
hat sich gezeigt, dass nur bei sehr hohen Pulsleistungen des Leistungshalbleiterbauelementes eine
nennenswerte Abweichung zwischen dem durch den Stromsensetransistor
Ts gemessenen Strom und dem tatsächlichen
Strom durch das Leistungshalbleiterbauelement, also ein Messfehler
des Gesamtstromes, auftritt. Damit aber auch dann ein Schutz durch die
Schutzanordnung gegeben ist, muss der Temperaturkoeffizient der
Strombegrenzung durch die Chiptemperatur der gefährdeten Zellen selbst beeinflusst werden.
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Zu
diesem Zweck wird in die Sourceleitung des Sensetransistors Ts ein
Widerstand Rs mit einem positiven Temperaturkoeffizienten eingefügt. Der Spannungsabfall
an diesem Widerstand Rs dient der Strombegrenzung zur Regelung der
Gate-Source-Spannung
und damit der Drainströme
der einzelnen Transistorzellen T1, T2, T3. Dieser Stromsensewiderstand
Rs kann mit einem geeigneten Prozess direkt über den einzelnen Zellen T1,
T2 und T3 angebracht werden.
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In
zahlreichen Anwendungsfällen
kann es ausreichend sein, wenn nur eine Transistorzelle, also die
Zelle T1 oder die Zelle T2 oder die Zelle T3 mit einem Stromsensewiderstand
Rs versehen wird. Jedenfalls kann durch die Lage und die örtliche
Ausdehnung des Stromsensewiderstandes Rs das thermodynamische Regelverhalten
des gesamten Leistungshalbleiterbauelementes Tg eingestellt bzw.
optimiert werden.
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Im
Ausführungsbeispiel
von 3 ist ein Stromsensetransistor Ts vorgesehen,
in dessen Sourceleitung die einzelnen Stromsensewiderstände Rs zueinander
parallel sind. Dabei liegen die drei Stromsensewiderstände Rs parallel
zueinander in der Sourceleitung des Stromsensetransistors Ts, der seinerseits
parallel zur Gate-Source-Strecke des das Leistungshalbleiterbauelement
bildenden Leistungstransistors Tg aus den drei Transistorzellen
T1, T2 und T3 geschaltet ist. 5 zeigt
die entsprechende Schaltung für
die Stromsensewiderstände
Rs in der Sourceleitung des Stromsensetransistors Ts, der seinerseits
mit dem Leistungstransistor Tg verbunden ist.
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Nachdem
zunächst
der Stromsensor näher erläutert wurde,
soll im Folgenden auf den Temperatursensor eingegangen werden.
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Mit
dem Stromsensor und gegebenenfalls einem Spannungssensor ist das
Leistungshalbleiterbauelement grundsätzlich bei tiefen und mittleren Temperaturen
im Wesentlichen abgesichert. Steigt jedoch die Temperatur des Leistungshalbleiterbauelementes
weiter an, so muss ein Temperatursensor aktiviert werden. Bei schnellen
Vorgängen,
wie beispielsweise bei einer Überlast
durch Kurzschluss an einer Endstufe, steigt die Verlustleistung
stark an. Ein dann auftretender großer Temperaturgradient vom Bereich
des Zentrums des Leistungshalbleiterbauelementes zu dessen Rand
macht es in diesen Situationen unmöglich, mit nur einem Temperatursensor, der
außerhalb
der Oberfläche
des Leistungshalbleiterbauelementes bzw. außerhalb der Endstufenfläche angeordnet
ist, diese kritische Übertemperatur zuverlässig zu
erfassen.
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Erfindungsgemäß wird daher
zwischen zwei weiteren Zellen, im Ausführungsbeispiel der 3 zwischen
der Transistorzelle T2 und der Transistorzelle T3, noch ein Temperatursensor
Tt eingefügt. Dieser
Temperatursensor Tt kann dabei aus mehreren Stufen Tt1, Tt2, Tt3
bestehen. Selbstverständlich können dabei
auch mehr als drei Stufen oder aber auch nur eine oder zwei Stufen
vorgesehen sein. Beim Ausführungsbeispiel
der 3 sind zur Veranschaulichung drei Stufen gewählt.
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Die
Temperatursensorstufe Tt1 ist vorzugsweise in der Mitte der Linie
DE, also in der Mitte der Querschnittsfläche zwi schen den beiden Transistorzellen
T2 und T3 gelegen. Damit kann die Temperatursensorstufe Tt1 die
in der Mitte der Querschnittsfläche
des Leistungshalbleiterbauelementes auftretende dynamische Spitzentemperatur
erfassen.
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Die
weiteren Temperatursensorstufen Tt2 und Tt3 sind ausgehend von der
mittleren Temperatursensorstufe Tt1 weiter zum Rand des Leistungshalbleiterbauelementes
hin gelegen. Damit ist es möglich,
mit der Reihe von Temperatursensorstufen Tt1, Tt2, ..., Ttn eine
gestaffelte Temperaturschutzschaltung aufzubauen, mit der der Temperaturgradient
im Inneren des Leistungshalbleiterbauelementes festgestellt werden
kann, so dass insgesamt eine thermische Schutzanordnung mit "Vorwarnung" entsteht, die bei
Auftreten bestimmter Temperaturgradienten bzw. hoher Spitzentemperaturen
mittels der Ansteuerschaltung das Leistungshalbleiterbauelement
abzuschalten vermag.
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Die
Flächen
der Transistorzellen T1, T2, T3, die an den Stromsensor Ts bzw.
den Temperatursensor Tt angrenzen, sollten so gewählt sein,
dass der auftretende Temperaturgradient zur Mitte dieser Transistorzellen
hin ausreichend klein bleibt.
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Bei
einer zweizelligen Ausführung
kann beispielsweise die Zelle T1 weggelassen werden. Ein Stromsensetransistor
Ts' liegt dann im
verbleibenden Platz zwischen der zweiten Zelle T2 und der dritten Zelle
T3. Bei einer höherzelligen
Ausführung
kann der Stromsensetransistor beispielsweise zwischen der ersten
und der zweiten Zelle liegen, während
der Temperatursensor zwischen der dritten und der vierten Zelle
vorgesehen ist.
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4 veranschaulicht,
wie die Temperatursensorstufen Tt1, Tt2 und Tt3 des Ausführungsbeispiels
von 3 miteinander verschaltet sind. In diesem Beispiel
bestehen die Temperatursensorstufen Tt1, Tt2 und Tt3 jeweils aus
npn-Transistoren, deren Basis-Emitter-Strecke mit einer Konstantspannungsquelle 6 vorgespannt
ist. Diese Transistoren sind an ihren Basis- und Emitteranschlüssen jeweils parallel geschaltet.
Damit kann der jeweilige Kollektorstrom zur Bestimmung der Temperatur,
die am Ort des zugehörigen
Transistors herrscht, herangezogen werden. Anstelle von npn-Transistoren
können
selbstverständlich
auch pnp-Transistoren oder Feldeffekttransistoren eingesetzt werden.
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Wird
beim Ausführungsbeispiel
der 3 die Verlustleistung in den Transistorzellen
T1, T2 und T3 gesteigert, so erreicht der Transistor der Temperatursensorstufe
Tt1 als erster einen vorgegebenen Strompegel, wodurch eine Temperatur-Vorwarnung abgegeben
wird. Steigt die Verlustleistung weiter an, werden nach und nach
die Transistoren der an "kühleren" Stellen gelegenen
Stufen Tt2 und Tt3 von der Mitte zum Rand des Chips des Leistungshalbleiterbauelementes
hin den Strompegel erreichen.
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Im
einfachsten Fall ist es selbstverständlich möglich, nur eine Stufe für den Temperatursensor
zur Übertemperaturabschaltung
oder -regelung in der Mitte des Chips, also am Ort der Stufe Tt1
zu platzieren und auf die Stufen Tt2 und Tt3 zu verzichten.
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Die
Vorspannung für
die Konstantspannungsquelle 6 kann in vorteilhafterweise
aus einer am Leistungshalbleiterbauelement oder der zugehörigen integrierten
Schaltung liegenden Spannung abgeleitet werden.
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- 1
- Spannungssensor
- 2
- Temperatursensor
- 3
- Stromsensor
- 4
- Ansteuerschaltung
- 5
- Leistungshalbleiterbauelement
- 6
- Konstantspannungsquelle
- a
- durch
Bonddrähte
strombegrenztes Gebiet
- b
- durch
Wärmewiderstand
leistungsbegrenztes
-
- Gebiet
- c
- durch
Durchbruch spannungsbegrenztes Gebiet
- T
- Temperatur
- A
- SOA-Grenze
bei niedriger Temperatur
- B
- SOA-Grenze
bei mittlerer Temperatur
- C
- SOA-Grenze
bei hoher Temperatur
- i
- Strom
- U
- Spannung
- Tg
- gesamtes
Leistungshalbleiterbauelement
- T1,
T2, T3
- Transistorzellen
- Ts,
Ts'
- Stromsensetransistor
- Rs
- Stromsensewiderstand
- Tt
- Temperatursensor
- Tt1,
Tt2, Tt3
- Temperatursensorstufen