Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Übertemperaturerkennung bei Transistoren, insbesondere Leistungstransistoren.The invention relates to a circuit arrangement for overtemperature detection in transistors, in particular power transistors.
Bei Leistungstransistoren handelt es sich um Transistoren, die große Strom- und Spannungsamplituden ermöglichen und damit zum direkten Betrieb von Verbrauchern mit größeren Leistungen geeignet sind. Leistungstransistoren werden beispielsweise verwendet in Endstufen und Schaltstufen für die Industrieelektronik und Automobiltechnik.Power transistors are transistors that allow large current and voltage amplitudes and are therefore suitable for the direct operation of consumers with higher power. Power transistors are used for example in power amplifiers and switching stages for industrial electronics and automotive engineering.
Die Temperatur eines Leistungstransistors stellt dabei einen wesentlichen Faktor für dessen Funktionsfähigkeit dar. Eine beispielsweise durch eine höhere Umgebungstemperatur oder durch Fehlfunktion wie etwa Kurzschluss von Verbrauchern erzeugte Übertemperatur des Leistungstransistors kann zu dessen Beschädigung oder Zerstörung und darüber hinaus auch zur Beeinträchtigung oder sogar Zerstörung des Verbrauchers führen. Es ist daher wesentlich, eine etwaige Übertemperatur von Leistungstransistoren rechtzeitig und sicher zu erkennen, um geeignete Maßnahmen wie beispielsweise das Abschalten des Transistors oder des Verbrauchers vor Erreichen kritischer Temperaturwerte und damit vor der Schädigungsgrenze ergreifen zu können.The temperature of a power transistor in this case represents an essential factor for its functionality. An overtemperature of the power transistor, for example, caused by a higher ambient temperature or malfunction such as short circuit of consumers can lead to its damage or destruction and beyond to the deterioration or even destruction of the consumer , It is therefore essential to detect in good time and safely any possible overheating of power transistors in order to be able to take suitable measures such as, for example, switching off the transistor or the consumer before reaching critical temperature values and thus before the damage limit.
Zur Ermittlung der Temperatur eines Halbleiterbauelements 100 ist es bekannt, einen Temperatursensor 101 auf dem Gehäuse des Halbleiterbauelements 100 oder auf dessen Halbleiterkörper/Chip anzubringen (siehe 1). Ein derartiges Vorgehen ist für so genannte TEMP-FET, die in Chip-on-Chip Technologie gefertigt werden, in Stengl/Tihanyi: ”Leistungs-MOS-FET-Praxis”, Pflaum Verlag, München, 1992, Seite 112 beschrieben. Nachteilig ist hierbei, dass der Sensor und das eigentliche Halbleiterbauelement zwei getrennte Bauelemente sind, womit durch den Sensor nur die Temperatur außen an dem Halbleiterbauelement erfasst wird, welche erheblich von der Temperatur im Inneren des Halbleiterbauelementes abweichen kann und darüber hinaus bei schnellen Temperaturänderungen im Inneren des Halbleiterbauelementes eine unerwünschte Trägheit besitzt. Gerade die Temperatur im Inneren des Halbleiterkörpers ist jedoch zur Ermittlung kritischer Betriebszustände relevant.For determining the temperature of a semiconductor device 100 it is known a temperature sensor 101 on the housing of the semiconductor device 100 or on its semiconductor body / chip (see 1 ). Such a procedure is for so-called TEMP-FET, which are manufactured in chip-on-chip technology, in Stengl / Tihanyi: "Performance MOS-FET practice", Pflaum Verlag, Munich, 1992, page 112 described. The disadvantage here is that the sensor and the actual semiconductor device are two separate components, whereby only the temperature outside of the semiconductor device is detected by the sensor, which can differ significantly from the temperature inside the semiconductor device and beyond with rapid temperature changes in the interior of the Semiconductor device has an undesirable inertia. However, it is precisely the temperature in the interior of the semiconductor body that is relevant for determining critical operating states.
Zur Ermittlung der internen Temperatur eines Halbleiterbauelements ist es bekannt, eine Diodenstruktur in demselben Halbleiterkörper, in den das Halbleiterbauelement integriert ist, vorzusehen, wobei die Diodenstruktur an eine Versorgungsspannung angeschlossen ist. In der Publikation US 5 049 961 A wird z. B. vorgeschlagen, eine monolithisch in einen MOS-Transistor integrierte Diode mit konstantem Strom zu versorgen und die resultierende Flussspannung als Messwert für die Temperatur des Bauelements heranzuziehen. Ein ähnliches Konzept ist in der Publikation US 5 918 982 A beschrieben. Auch die Publikation DE 101 35 805 A1 zeigt ein Halbleiterbauelement mit integriertem Temperatursensor. Die Publikation US 6 137 668 A zeigt ein Halbleiterbauelement mit Übertemperaturabschaltung. 2 zeigt ein Beispiel für einen n-Kanal-HS-Schalter (HS = High Side; LS = Low Side). Die Anordnung nach 2 umfasst eine in einen Halbleiterkörper integrierte Leistungstransistorstruktur 102 und eine mit dieser elektrisch verbundene Auswerteeinheit 103 zur Übertemperaturerkennung der Leistungstransistorsstruktur 102. Zusätzlich zur Leistungstransistorstruktur 102 ist eine in Sperrrichtung betriebene bipolare Diodenstruktur 104 in den Halbleiterkörper mitintegriert, die über einen zusätzlichen Body- bzw. Bulk-Anschluss 105 am Halbleiterkörper durch einen Referenzstrom 106 in Sperrrichtung der Diodenstruktur 104 aus einer in der separaten Auswerteeinheit 103 befindlichen Stromquelle 107 gespeist wird. Die Diodenstruktur 104 kann z. B. durch die bei einem MOSFET zwangsläufig vorhandene Bulk-Drain-Diode gebildet werden. Der übliche Kurzschluss zwischen Source und Bulk ist bei dieser und den folgenden Ausführungsformen nicht vorhanden.In order to determine the internal temperature of a semiconductor component, it is known to provide a diode structure in the same semiconductor body in which the semiconductor component is integrated, the diode structure being connected to a supply voltage. In the publication US 5 049 961 A is z. B. proposed to provide a monolithic integrated into a MOS transistor diode with a constant current and to use the resulting forward voltage as a measure of the temperature of the device. A similar concept is in the publication US 5,918,982 A. described. Also the publication DE 101 35 805 A1 shows a semiconductor device with integrated temperature sensor. The publication US 6 137 668 A shows a semiconductor device with overtemperature shutdown. 2 shows an example of an n-channel HS switch (HS = high side, LS = low side). The arrangement after 2 includes a power transistor structure integrated into a semiconductor body 102 and an evaluation unit electrically connected thereto 103 for overtemperature detection of the power transistor structure 102 , In addition to the power transistor structure 102 is a reverse bipolar diode structure 104 integrated in the semiconductor body, which has an additional body or bulk connection 105 on the semiconductor body by a reference current 106 in the reverse direction of the diode structure 104 from one in the separate evaluation unit 103 located power source 107 is fed. The diode structure 104 can z. B. are formed by the inevitable existing in a MOSFET bulk-drain diode. The usual short circuit between source and bulk is absent in this and the following embodiments.
Die dementsprechend an der Diodenstruktur 104 abfallende, von der Temperatur der Diodenstruktur 104 und somit von der Temperatur des Halbleiterkörpers und somit wiederum von der Temperatur der Leistungstransistorstruktur 102 abhängige Messspannung 108 wird mit einer Vergleichsspannung 109 in der Auswerteeinheit 103 verglichen, um daraus ein eine Übertemperatur kennzeichnendes Signal 110 zu erzeugen. Dabei wird die an einen Eingang eines Komparators 111 anliegende Spannung 109 einer Spannungsquelle 112 mit der Spannung 108 am Body-Anschluss 105 der Diodenstruktur 104 verglichen. Überschreitet die Spannung am Body-Anschluss 105 der Diodenstruktur 104 den fest voreingestellten Wert der Referenzspannungsquelle 112, ändert sich der Signalzustand am Ausgang des Komparators 111 und erzeugt das eine Übertemperatur des Leistungstransistors kennzeichnende Signal 110. Auf diese Weise dient die Diodenstruktur 104 als Temperatursensor für die Temperatur der Leistungstransistorstruktur 102, wobei die Diodenstruktur 104 mit einem eingeprägten Strom in Sperrrichtung betrieben wird.The accordingly at the diode structure 104 sloping, from the temperature of the diode structure 104 and thus the temperature of the semiconductor body and thus in turn the temperature of the power transistor structure 102 dependent measuring voltage 108 comes with a comparison voltage 109 in the evaluation unit 103 compared to an over temperature characteristic signal 110 to create. In doing so, it is connected to an input of a comparator 111 voltage applied 109 a voltage source 112 with the tension 108 on the body connection 105 the diode structure 104 compared. Exceeds the voltage at the body connection 105 the diode structure 104 the fixed preset value of the reference voltage source 112 , the signal state changes at the output of the comparator 111 and generates the signal indicative of over-temperature of the power transistor 110 , In this way, the diode structure serves 104 as a temperature sensor for the temperature of the power transistor structure 102 , wherein the diode structure 104 operated with an impressed current in the reverse direction.
Man macht sich hierbei zu Nutze, dass der durch eine Auswerteeinheit erfasste Sperrstrom der Diodenstruktur exponentiell von der Temperatur abhängig ist, so dass von dem Sperrstrom auf die Temperatur in dem Halbleiterkörper geschlossen werden kann. Übersteigt der Sperrstrom der Diodenstruktur 104 den durch die Stromquelle 107 vorgegebenen Strom 106, ändert sich die Spannung am Body-Anschluss 105 und der Spannungsabfall über der Diodenstruktur 104 sinkt. Infolge dieses Vorgangs wird durch den Komparator 111, wie beschrieben, das Übertemperatursignal 110 erzeugt. Allerdings weist dieser Sperrstrom bedingt durch die exponentiell verlaufende Kennlinie erst bei hohen Temperaturen einen nennenswerten, das heißt auswertbaren Betrag auf, so dass der Signalhub eines derartigen Diodenstruktur-Temperatursensors gering ist.In this case, use is made of the fact that the reverse current of the diode structure detected by an evaluation unit is exponentially dependent on the temperature, so that it is possible to infer the temperature in the semiconductor body from the reverse current. If the reverse current exceeds the diode structure 104 by the power source 107 given current 106 , the voltage on the body connector changes 105 and the voltage drop across the diode structure 104 sinks. As a result of this process is by the comparator 111 as described, the overtemperature signal 110 generated. However, due to the exponential characteristic curve, this reverse current has a notable, that is evaluable, amount only at high temperatures, so that the signal swing of such a diode structure temperature sensor is low.
Dieser Nachteil kann zwar durch eine flächenmäßig möglichst große Ausführung der Diodenstruktur teilweise ausgeglichen werden, dem steht jedoch die allgemeine Forderung nach einem möglichst hohen Grad an Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen entgegen. Außerdem weisen Diodenstrukturen stets eine Sperrschichtkapazität auf, in der Ladung gespeichert ist. Diese gespeicherte Ladung kann einen Strom verursachen, der unter Umständen größer ist als der zur Temperaturerfassung herangezogene Sperrstrom, was das Messergebnis unzulässig beeinflusst.Although this disadvantage can be partially compensated for by an embodiment of the diode structure which is as large as possible in area, the general requirement for the highest possible degree of miniaturization of semiconductor components is opposed to this disadvantage. In addition, diode structures always have a junction capacitance in which charge is stored. This stored charge can cause a current that is possibly greater than the reverse current used for temperature detection, which affects the measurement result inadmissible.
Weiterhin kann in der Anordnung nach 2 die Leistungstransistorstruktur auch als p-Kanal-LS-Schalter ausgeführt sein. Die vorher genannten Nachteile hinsichtlich Temperaturbereich, Signalhub bestehen in diesem Falle ebenso.Furthermore, in the arrangement according to 2 the power transistor structure also be designed as a p-channel LS switch. The aforementioned disadvantages in terms of temperature range, signal swing exist in this case as well.
Weiterhin ist es zur Ermittlung der internen Temperatur eines Halbleiterbauelements bekannt, eine Diodenstruktur in demselben Halbleiterkörper, in den das Halbleiterbauelement integriert ist, vorzusehen, wobei die Diodenstruktur über einen eingeprägten Strom in deren Flussrichtung betrieben wird. Die Schaltungsanordnung nach 3 umfasst wiederum eine in einen Halbleiterkörper integrierte Leistungstransistorstruktur 102 und eine mit diesem elektrisch verbundene Auswerteeinheit 103 zur Übertemperaturerkennung der Leistungstransistorstruktur 102, die hier nur der Darstellung des Grundprinzips dient. Zusätzlich zur Leistungstransistorstruktur 102 ist wiederum eine bipolare Diodenstruktur 104 in den Halbleiterkörper mitintegriert, die über den zusätzlichen Body-Anschluss 105 am Halbleiterkörper durch den Referenzstrom 106 gegenüber 2 in Flussrichtung der Diodenstruktur 104 aus der in der separaten Auswerteeinheit 103 befindlichen Stromquelle 107 gespeist wird.Furthermore, in order to determine the internal temperature of a semiconductor component, it is known to provide a diode structure in the same semiconductor body in which the semiconductor component is integrated, wherein the diode structure is operated via an impressed current in its direction of flow. The circuit arrangement 3 again comprises a power transistor structure integrated in a semiconductor body 102 and an evaluation unit electrically connected thereto 103 for overtemperature detection of the power transistor structure 102 , which serves here only the representation of the basic principle. In addition to the power transistor structure 102 again is a bipolar diode structure 104 integrated in the semiconductor body, which has the additional body connection 105 on the semiconductor body by the reference current 106 across from 2 in the flow direction of the diode structure 104 from the in the separate evaluation unit 103 located power source 107 is fed.
Die dementsprechend an der Diodenstruktur 104 abfallende, von der Temperatur der Diodenstruktur 104 und somit von der Temperatur des Halbleiterkörpers und somit wiederum von der Temperatur der Leistungstransistorstruktur 102 abhängige Spannung 108 wird wiederum mit einer Vergleichsspannung 109 in der Auswerteeinheit 103 verglichen, um daraus analog zur Schaltungsanordnung in 2 ein eine Übertemperatur kennzeichnendes Signal 110 zu erzeugen. Neben der beispielhaften Ausführung der Leistungstransistorstruktur 102 als n-Kanal-HS-Schalter kann die Leistungstransistorstruktur 102 in 3 auch als p-Kanal-LS-Schalter ausgeführt sein.The accordingly at the diode structure 104 sloping, from the temperature of the diode structure 104 and thus the temperature of the semiconductor body and thus in turn the temperature of the power transistor structure 102 dependent tension 108 will turn with a comparison voltage 109 in the evaluation unit 103 compared to analogous to the circuit arrangement in 2 an over temperature characteristic signal 110 to create. In addition to the exemplary implementation of the power transistor structure 102 as an n-channel HS switch, the power transistor structure 102 in 3 also be designed as a p-channel LS switch.
Nachteilig wirkt sich dabei aus, dass für eine solche Anordnung der Diodenstruktur 104 nach 3 im Falle eines n-Kanal-LS-Schalters der Drain-Anschluss der Leistungstransistorstruktur 102 nicht konstant mit dem entsprechenden Versorgungspotential beaufschlagt wird, sondern bedingt durch z. B. Schaltvorgänge der Leistungstransistorstruktur die an der Diodenstruktur 104 in Abhängigkeit von der Temperatur abfallende Spannung 108 hohen Spannungshüben unterworfen ist. Ebenfalls wirkt sich dabei nachteilig aus, dass für die Anordnung nach 3 im Falle eines p-Kanal-HS-Schalters der Drain-Anschluss der Leistungstransistorstruktur 102 nicht konstant mit dem Massepotential beaufschlagt wird, sondern bedingt durch z. B. Schaltvorgänge der Leistungstransistorstruktur die an der Diodenstruktur 104 in Abhängigkeit von der Temperatur abfallende Spannung 108 ebenfalls hohen Spannungshüben unterworfen ist. Weiterhin wirkt sich nachteilig aus, dass das durch das Mitintegrieren der Diodenstruktur 104 bewirkte Auftrennen des Bulk-Source-Kurzschlusses die Spannungsfestigkeit des Leistungstransistors nicht mehr gewährleistet. Dies kann bei einer hohen Spannung zwischen Drain und Source der Leistungstransistorstruktur 102 zu einem Spannungsdurchbruch führen, der bei einer kleineren Spannung stattfindet als durch die Spannungsklasse der Leistungstransistorstruktur definiert, die bei mit Source kurzgeschlossenem Bulk festgelegt ist. Die hohe Spannung zwischen Source und Drain bewirkt darüber hinaus eine hohe Spannung zwischen Kollektor und Emitter eines aus zwei einzelnen Diodenstrukturengebildeten NPN-Transistors.The disadvantage here is that for such an arrangement of the diode structure 104 to 3 in the case of an n-channel LS switch, the drain terminal of the power transistor structure 102 is not constantly charged with the corresponding supply potential, but due z. B. switching operations of the power transistor structure at the diode structure 104 as a function of the temperature falling voltage 108 subjected to high voltage swings. Also adversely affects that for the arrangement according to 3 in the case of a p-channel HS switch, the drain terminal of the power transistor structure 102 is not constantly applied to the ground potential, but due to z. B. switching operations of the power transistor structure at the diode structure 104 as a function of the temperature falling voltage 108 is also subjected to high voltage swings. Furthermore, it has the disadvantage that this is due to the integration of the diode structure 104 caused disconnection of the bulk-source short circuit, the dielectric strength of the power transistor is no longer guaranteed. This can occur at a high voltage between drain and source of the power transistor structure 102 lead to a voltage breakdown that occurs at a lower voltage than defined by the voltage class of the power transistor structure that is fixed with source shorted bulk. The high voltage between source and drain also causes a high voltage between the collector and emitter of an NPN transistor formed from two individual diode structures.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung mit einem in den Halbleiterkörper des Leistungstransistors mitintegrierten Temperatursensor zur Verfügung zu stellen, bei welcher der Temperatursensor zuverlässig eine von der Temperatur im Inneren des Halbleiterkörpers abhängige Spannung bereitstellt und bei welcher die oben genannten Probleme nicht auftreten.The object of the present invention is to provide a circuit arrangement with a temperature sensor integrated in the semiconductor body of the power transistor, in which the temperature sensor reliably provides a voltage dependent on the temperature in the interior of the semiconductor body and in which the abovementioned problems do not occur.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine zusätzlich in einen Halbleiterkörper integrierte Diodenstruktur, die mit einem Strom in deren Flussrichtung aus einer Stromquelle gespeist wird, wobei die dementsprechend an dieser Diodenstruktur abfallende, von der Temperatur der Diodenstruktur und damit von der Temperatur der Transistorstruktur abhängige Spannung zur Übertemperaturerkennung durch eine Auswerteeinheit herangezogen wird, wobei der Schutz des Leistungstransistors und des mitintegrierten Temperatursensors vor unerwünschter Zerstörung durch zu hohe Spannung in der Drain-Source-Strecke oder das Verhindern eines bei ausgeschaltetem Leistungstransistor durch die Auswerteeinheit erzeugten Stromes am Drain des Leistungstransistors durch die Auswerteeinheit gewährleistet ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved by an additionally integrated into a semiconductor body diode structure, which is fed with a current in the flow direction from a current source, wherein the corresponding decreasing at this diode structure, dependent on the temperature of the diode structure and thus the temperature of the transistor structure voltage for overtemperature detection is used by an evaluation unit, wherein the protection of the power transistor and the mitintegrierten temperature sensor from unwanted destruction by excessive voltage in the drain-source path or preventing a switched off power transistor by the evaluation unit generated current is ensured at the drain of the power transistor by the evaluation unit. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Die vorteilhafte Wirkung der Erfindung ergibt sich aus der Verwendung einer in den Halbleiterkörper integrierten Diodenstruktur, die in Flussrichtung (nicht in Sperrrichtung) durch einen Strom (nicht durch eine Spannung) gespeist wird und damit beispielsweise gegenüber dem oben beschriebenen Stand der Technik einen hohen Signalhub ermöglicht sowie dadurch, dass ein in der Auswerteeinheit befindliches Schaltelement aktiv einen Kurzschluss zwischen dem Bulk des Halbleiterkörpers und der Source des Leistungstransistors herstellt, wenn dies auf Grund des Betriebszustandes des Leistungstransistors oder der Auswerteeinheit erforderlich ist, wodurch die Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung zur Übertemperaturerkennung in n-Kanal-LS-Schaltern und in p-Kanal-HS-Schaltern erst ermöglicht wird.The advantageous effect of the invention results from the use of a diode structure integrated into the semiconductor body, which is fed in the flow direction (not in the reverse direction) by a current (not by a voltage) and thus enables a high signal swing, for example compared with the prior art described above and in that a switching element located in the evaluation unit actively produces a short circuit between the bulk of the semiconductor body and the source of the power transistor, if this is necessary on the basis of the operating state of the power transistor or the evaluation unit, whereby the application of the inventive arrangement for overtemperature detection in n Channel LS switches and in p-channel HS switches is enabled.
Weitere Vorteile können sich auch daraus ergeben, wenn die (beispielsweise separate, insbesondere externe) Auswerteeinheit zur Erkennung der Übertemperatur und die Leistungstransistorstruktur thermisch voneinander entkoppelt werden, was die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Auswerteeinheit positiv beeinflusst, sowie daraus, dass der Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Leistungstransistorstruktur und die Auswerteeinheit berücksichtigt werden kann.Further advantages can also result from the fact that the (for example separate, in particular external) evaluation unit for detecting the overtemperature and the power transistor structure are thermally decoupled from one another, which positively influences the accuracy and reliability of the evaluation unit, and from the fact that the influence of the ambient temperature on the Power transistor structure and the evaluation can be considered.
Die Erfindung wird anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es zeigtThe invention will be explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the figures of the drawing, wherein like elements are provided with the same reference numerals. It shows
1 die Chip-on-Chip-Technik zur Messung der Temperatur gemäß Stand der Technik 1 the chip-on-chip technology for measuring the temperature according to the prior art
2 die Messung des Leckstromes einer integrierten Diode in Sperrichtung am n-Kanal-HS-Schalter gemäß Stand der Technik 2 the measurement of leakage current of a reverse-biased integrated diode at the n-channel HS switch according to the prior art
3 die Messung der Diodenspannung einer flussgepolten Diode am Beispiel n-Kanal-HS-Schalter gemäß Stand der Technik 3 the measurement of the diode voltage of a flux-polarized diode at the example of n-channel HS switch according to the prior art
4 das erfindungsgemäße Grundprinzip mit n-Kanal-LS-Schalter und parasitärer Diodenstruktur 4 the basic principle according to the invention with n-channel LS switch and parasitic diode structure
5 das erfindungsgemäße Grundprinzip mit p-Kanal-HS-Schalter und parasitärer Diodenstruktur 5 the inventive principle with p-channel HS switch and parasitic diode structure
6 das Schaltbild eines in einen Halbleiterköper integrierten Temperatursensors mit parasitärer Diodenstruktur und einer separaten, die Umgebungstemperatur berücksichtigenden Auswerteeinheit entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung, 6 5 is a circuit diagram of a temperature sensor integrated in a semiconductor body with a parasitic diode structure and a separate evaluation unit, taking into account the ambient temperature, according to a first embodiment of the invention, FIG.
7 das Schaltbild eines in einen Halbleiterköper integrierten Temperatursensors mit parasitärer Diodenstruktur und einer separaten Auswerteeinheit mit Spannungs-Strom-Wandlern entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, 7 5 is a circuit diagram of a temperature sensor integrated in a semiconductor body with parasitic diode structure and a separate evaluation unit with voltage-current converters according to a second embodiment of the invention,
8 das Schaltbild eines in einen Halbleiterköper integrierten Temperatursensors mit parasitärer Diodenstruktur und einer separaten Auswerteeinheit mit Überwachung der Spannung am Drain-Anschluss der Leistungstransistorstruktur entsprechend einer dritten Ausführungsform der Erfindung und 8th the diagram of a built-in semiconductor body temperature sensor with parasitic diode structure and a separate evaluation unit with monitoring the voltage at the drain terminal of the power transistor structure according to a third embodiment of the invention and
9 das Schaltbild eines in einen Halbleiterköper integrierten Temperatursensors mit parasitärer Diodenstruktur und einer separaten Auswerteeinheit mit externer Aktivierung der Messung entsprechend einer vierten Ausführungsform der Erfindung. 9 the circuit diagram of a built-in semiconductor body temperature sensor with parasitic diode structure and a separate evaluation unit with external activation of the measurement according to a fourth embodiment of the invention.
Das Schaltbild nach 4 zeigt das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Anordnung mit einem als n-Kanal-LS-Schalter ausgeführten Leistungstransistor 1 unter Einbeziehung einer bei Anwendung der MOS-Technologie immer vorhandenen parasitären Diodenstruktur 8, die in Sperrrichtung zwischen Bulk-Anschluss 15 und Drain-Anschluss 9 liegt. Die parasitäre Diodenstruktur 8 kann durch die bei MOS-Transistoren zwangsläufig vorhandene Bulk-Drain-Diode gebildet werden.The circuit diagram after 4 shows the basic principle of the inventive arrangement with a power transistor designed as an n-channel LS switch 1 including a parasitic diode structure which is always present when MOS technology is used 8th in the reverse direction between bulk connection 15 and drain connection 9 lies. The parasitic diode structure 8th can be formed by the necessarily present in MOS transistors bulk drain diode.
Die Anordnung nach 4 berücksichtigt also gegenüber 3 zusätzlich die parasitäre Diodenstruktur 8, welche in MOS-Transistoren immer existiert, die aber in den vorhergehenden Abbildungen vernachlässigt wurde. Eine Leistungstransistorstruktur 7 ist dabei mit ihrem Drain-Anschluss 9 über einen externen Lastwiderstand 10 an ein positives Versorgungspotential 11 und mit ihrem Source-Anschluss 12 an Massepotential gelegt, wodurch ein in den Drain-Anschluss 9 der Leistungstransistorsstruktur 7 fließender Laststrom 13 in Abhängigkeit von einer hier nicht näher bezeichneten Spannung der Gate-Anschluss der Leistungstransistorstruktur 7 erzeugt werden kann. Weiterhin ist die mitintegrierte Diodenstruktur 2 (z. B. die Bulk-Source Diode, die im vorliegenden Fall nicht kurzgeschlossen sein darf) antiseriell zu der parasitären Diodenstruktur 8 (z. B. die Bulk-Drain Diode) geschaltet und die Diodenstrukturen 2 und 8 sind der Laststrecke der Leistungstransistorstruktur 7 parallel geschaltet. Eine Bulk-Source-Diodenstruktur 2 wird dabei in Flussrichtung mit einem eingeprägten Strom 14 betrieben, wodurch eine an der Diodenstruktur 2 abfallende Spannung 16 erzeugt wird.The arrangement after 4 takes into account accordingly 3 additionally the parasitic diode structure 8th , which always exists in MOS transistors, but which has been neglected in the previous figures. A power transistor structure 7 is with her drain connection 9 via an external load resistor 10 to a positive supply potential 11 and with its source connection 12 placed at ground potential, creating a drain in the connection 9 the power transistor structure 7 flowing load current 13 as a function of a voltage, which is not specified here, the gate terminal of the power transistor structure 7 can be generated. Furthermore, the mitintegrierte diode structure 2 (eg, the bulk-source diode, which in this case should not be short-circuited) antiserially to the parasitic diode structure 8th (eg, the bulk-drain diode) and the diode structures 2 and 8th are the load path of the power transistor structure 7 connected in parallel. A bulk source diode structure 2 is doing in the flow direction with an impressed current 14 operated, whereby one at the diode structure 2 falling voltage 16 is produced.
Diese Spannung 16 ist nicht gleich der Laststreckenspannung der Leistungstransistorstruktur 7 und wird zur Übertemperaturerkennung des Leistungstransistors herangezogen. Weiterhin wird die Spannung über der Laststrecke am Drain 9 mit einem voreingestellten Spannungswert 17 einer Referenzspannungsquelle 18 verglichen. Dieser Vergleich erfolgt im vorliegenden Fall über einen Komparator 19, dessen invertierender Eingang mit der fest voreingestellten Vergleichsspannung 17 beaufschlagt wird und dessen nicht-invertierender Eingang mit dem Drain-Anschluss 9 der Leistungstransistorstruktur 7 des Halbleiterkörpers 1 verbunden ist. Der Komparator 19 kann zweckmäßiger Weise ein Schaltverhalten mit Hysterese aufweisen. This tension 16 is not equal to the load path voltage of the power transistor structure 7 and is used for overtemperature detection of the power transistor. Furthermore, the voltage across the load path at the drain 9 with a preset voltage value 17 a reference voltage source 18 compared. This comparison is made in the present case via a comparator 19 , whose inverting input with the fixed preset reference voltage 17 is applied and its non-inverting input to the drain terminal 9 the power transistor structure 7 of the semiconductor body 1 connected is. The comparator 19 may suitably have a switching behavior with hysteresis.
Überschreitet die am Drain-Anschluss 9 der Leistungstransistorstruktur 7 anliegende Spannung den Wert der Vergleichsspannung 17, ändert sich der Zustand des Signals am Ausgang des Komparators 19 und schließt über eine Transistorstruktur 49 die Diodenstruktur 2 kurz. Ein durch das Durchschalten der Transistorstruktur 49 bedingter Kurzschluss der Diodenstruktur 2 erfolgt ebenfalls, wenn dann ein Steuersignal „OFF” aktiviert wird, wobei dieses Steuersignal „OFF” und der Ausgang des Komparators 19 über ein dem Gate der Transistorstruktur 49 vorgeschaltetes ODER-Gatter 63 verknüpft sind.Exceeds the drain connection 9 the power transistor structure 7 voltage applied to the value of the reference voltage 17 , the state of the signal at the output of the comparator changes 19 and closes over a transistor structure 49 the diode structure 2 short. A through the switching of the transistor structure 49 conditional short circuit of the diode structure 2 is also done when then a control signal "OFF" is activated, this control signal "OFF" and the output of the comparator 19 via a gate of the transistor structure 49 upstream OR gate 63 are linked.
Vorteilhaft wirkt sich aus, dass die Bulk-Source-Diode (mitintegrierte Diodenstruktur 2) als Sensorelement für die Temperaturmessung eingesetzt werden kann, ohne die Spannungs- beziehungsweise Durchbruchsfestigkeit des Leistungstransistors zu verringern. Dies wird dadurch erreicht, dass der Bulk-Source-Kurzschluss des Leistungstransistors nur temporär aufgetrennt wird für einen durch die Referenzspannung 17 vorgegebenen zulässigen Bereich der Spannung am Drain des Leistungstransistors, der unterhalb der Gefährdungsgrenze für die weiter oben genannten Effekte liegt. Weiterhin wirkt sich vorteilhaft aus, dass kein durch den eingeprägten Strom 14 erzeugter Stromfluss am Source- und am Drain-Ausgang des Leistungstransistors stattfindet, wenn dieser ausgeschaltet ist (Signal „OFF” aktiv). Ebenfalls wirkt sich vorteilhaft aus, dass nun eine Temperaturmessung bei eingeschaltetem Leistungstransistor und damit geringer Laststreckenspannung zwischen Drain und Source des Leistungstransistors möglich ist (Spannung am Drain 9 kleiner Referenzspannung 17). Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit ergibt sich aus der Festlegung einer maximal zulässigen Spannung an der Laststrecke für die Temperaturmessung, deren Überwachung beispielsweise in Brückenschaltungen auch über die Messung der Betriebsspannung möglich ist.It is advantageous that the bulk-source diode (mitintegrierte diode structure 2 ) can be used as a sensor element for the temperature measurement, without reducing the voltage or breakdown strength of the power transistor. This is achieved in that the bulk-source short circuit of the power transistor is only temporarily separated for one by the reference voltage 17 predetermined permissible range of the voltage at the drain of the power transistor, which is below the risk limit for the effects mentioned above. Furthermore, it has an advantageous effect that no by the impressed current 14 generated current flow at the source and the drain output of the power transistor takes place when it is turned off (signal "OFF" active). It also has an advantageous effect that it is now possible to measure the temperature when the power transistor is switched on and thus with a low load path voltage between the drain and source of the power transistor (voltage at the drain 9 small reference voltage 17 ). A further embodiment possibility results from the specification of a maximum permissible voltage at the load path for the temperature measurement, the monitoring of which, for example in bridge circuits, is also possible via the measurement of the operating voltage.
Das Schaltbild nach 5 zeigt das Grundprinzip einer Anordnung mit einem als p-Kanal-HS-Schalter ausgeführten Leistungstransistor unter Einbeziehung der bei Anwendung der MOS-Technologie immer vorhandenen parasitären Diodenstruktur 8, die in Sperrrichtung zwischen Drain-Anschluss 9 und Bulk-Anschluss 15 liegt (parasitäre Drain-Bulk Diode), und der Diodenstruktur 2 (Source-Bulk Diode). Die ebenfalls gezeigte Auswerteeinheit entspricht der aus 4 und ist lediglich geringfügiger an den geänderten Anwendungsfall angepasst.The circuit diagram after 5 shows the basic principle of an arrangement with a power transistor designed as a p-channel HS switch, including the always present with the application of MOS technology parasitic diode structure 8th in the reverse direction between the drain connection 9 and bulk connection 15 is located (parasitic drain-bulk diode), and the diode structure 2 (Source-bulk diode). The evaluation unit also shown corresponds to the off 4 and is only slightly adapted to the changed use case.
Die Anordnung nach 5 umfasst wiederum die parasitäre Diodenstruktur 8. Die Leistungstransistorstruktur 7 ist nun mit ihrem Drain-Anschluss 9 über einen externen Lastwiderstand 10 mit Masse verbunden und mit ihrem Source-Anschluss 12 an ein positives Versorgungspotential 11 gelegt, wodurch ein aus dem Drain-Anschluss 9 der Leistungstransistorsstruktur 7 fließender Laststrom 13 in Abhängigkeit von der Spannung am Gate-Anschluss erzeugt wird. Weiterhin ist die mitintegrierte Diodenstruktur 2 (Source-Bulk-Diode) antiseriell zu der parasitären Diodenstruktur 8 (Drain-Bulk-Diode) geschaltet und die Diodenstrukturen 2 und 8 sind der Laststrecke der Leistungstransistorstruktur 7 parallel geschaltet.The arrangement after 5 again comprises the parasitic diode structure 8th , The power transistor structure 7 is now with its drain connection 9 via an external load resistor 10 connected to ground and with its source connection 12 to a positive supply potential 11 placed, creating a drain from the drain 9 the power transistor structure 7 flowing load current 13 is generated depending on the voltage at the gate terminal. Furthermore, the mitintegrierte diode structure 2 (Source bulk diode) antiserial to the parasitic diode structure 8th (Drain-bulk diode) and the diode structures 2 and 8th are the load path of the power transistor structure 7 connected in parallel.
Die Source-Bulk-Diodenstruktur 2 wird dabei in Flussrichtung mit dem eingeprägten Strom 14 betrieben, wodurch die an der Diodenstruktur 2 abfallende Spannung 16 erzeugt wird. Diese Spannung 16 wird zur Übertemperaturerkennung des Leistungstransistors herangezogen. Weiterhin wird die Spannung am Drain-Anschluss 9 des Leistungstransistors mit dem voreingestellten Spannungswert 17 der Referenzspannungsquelle 18 verglichen. Dieser Vergleich erfolgt im vorliegenden Fall über den Komparator 19, dessen positiver Eingang mit der fest voreingestellten Vergleichsspannung 17 beaufschlagt wird und dessen negativer Eingang mit dem Drain-Anschluss 9 der Leistungstransistorstruktur 7 verbunden ist. Der Komparator 19 kann zweckmäßiger Weise ein Schaltverhalten mit Hysterese aufweisen.The source-bulk diode structure 2 is doing in the flow direction with the impressed current 14 operated, causing the on the diode structure 2 falling voltage 16 is produced. This tension 16 is used for overtemperature detection of the power transistor. Furthermore, the voltage at the drain connection 9 of the power transistor with the preset voltage value 17 the reference voltage source 18 compared. This comparison is made in the present case via the comparator 19 , whose positive input with the fixed preset reference voltage 17 is applied and its negative input to the drain terminal 9 the power transistor structure 7 connected is. The comparator 19 may suitably have a switching behavior with hysteresis.
Überschreitet die Spannung über der Laststrecke den Wert der Vergleichsspannung 17 ändert sich der Zustand des Signals am Ausgang des Komparators 19 und schließt über die Transistorstruktur 49 die Diodenstruktur 2 kurz. Ein durch das Durchschalten, der Transistorstruktur 49 bedingter Kurzschluss der Diodenstruktur 2 erfolgt ebenfalls, wenn das Steuersignal „OFF” aktiviert wird, wobei dieses Steuersignal „OFF” und der Ausgang des Komparators 19 über das dem Gate-Anschluss der Transistorstruktur 49 vorgeschaltetes NOR-Gatter 68 verknüpft sind. Daraus ergeben sich wiederum die gleichen vorteilhaften Wirkungen wie bei der Anordnung aus 4. Es kann ebenfalls wieder die Betriebsspannung z. B. in Brückenschaltungen überwacht werden, um eine mögliche Überschreitung der maximal zulässigen Laststreckenspannung bei gleichzeitig aufgetrenntem Bulk-Source-Kurzschluss zu verhindern.If the voltage across the load path exceeds the value of the reference voltage 17 the state of the signal changes at the output of the comparator 19 and closes over the transistor structure 49 the diode structure 2 short. One through the switching, the transistor structure 49 conditional short circuit of the diode structure 2 is also done when the control signal "OFF" is activated, this control signal "OFF" and the output of the comparator 19 via the gate terminal of the transistor structure 49 upstream NOR gate 68 are linked. This in turn results in the same advantageous effects as in the arrangement 4 , It can also again the operating voltage z. B. are monitored in bridge circuits to prevent possible exceeding of the maximum allowable load path voltage with simultaneously disconnected bulk source short circuit.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nach 6 umfasst einen in einen Halbleiterkörper 1 integrierte Leistungstransistorstruktur 7 und eine mit diesem elektrisch verbundene, davon aber räumlich getrennte und thermisch entkoppelte Auswerteeinheit 3 zur Übertemperaturerkennung der Leistungstransistorsstruktur 7. Bei der Leistungstransistorstruktur 7, die im vorliegenden Fall ein n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor ist, jedoch in gleicher Weise auch ein Bipolartransistor, IGBT, Thyrystor etc. sein könnte, ist zusätzlich zur Leistungstransistorstruktur 7 eine bipolare Diodenstruktur 2 in den Halbleiterkörper 1 mitintegriert, die über einen zusätzlichen Body- bzw. Bulk-Anschluss 15 am Halbleiterkörper 1 durch einen Referenzstrom 14 in Flussrichtung der Diodenstruktur 2 aus einer in der separaten Auswerteeinheit 3 befindlichen Stromquelle 5 gespeist wird. Die dementsprechend an der Diodenstruktur 2 abfallende, von der Temperatur der Diodenstruktur 2 und somit von der Temperatur der Leistungstransistorstruktur 7 abhängige Spannung 16 wird mit einer Vergleichsspannung 22 in der Auswerteeinheit 3 verglichen, um daraus ein eine Übertemperatur kennzeichnendes Signal 20 zu erzeugen. Auf diese Weise dient die Diodenstruktur 2 (im dargestellten Fall die Bulk-Source Diode) als Temperatursensor für die Temperatur der Leistungstransistorstruktur 7, wobei die Diodenstruktur 2 mit einem eingeprägten Strom in Flussrichtung betrieben wird. The circuit arrangement according to the invention 6 includes one in a semiconductor body 1 integrated power transistor structure 7 and a with this electrically connected, but spatially separated and thermally decoupled evaluation 3 for overtemperature detection of the power transistor structure 7 , In the power transistor structure 7 which in the present case is an n-channel MOS field-effect transistor, but could equally well be a bipolar transistor, IGBT, thyristor, etc., is in addition to the power transistor structure 7 a bipolar diode structure 2 in the semiconductor body 1 mitintegriert, which has an additional body or bulk connection 15 on the semiconductor body 1 through a reference current 14 in the flow direction of the diode structure 2 from one in the separate evaluation unit 3 located power source 5 is fed. The accordingly at the diode structure 2 sloping, from the temperature of the diode structure 2 and thus the temperature of the power transistor structure 7 dependent tension 16 comes with a comparison voltage 22 in the evaluation unit 3 compared to an over temperature characteristic signal 20 to create. In this way, the diode structure serves 2 (In the illustrated case, the bulk-source diode) as a temperature sensor for the temperature of the power transistor structure 7 , wherein the diode structure 2 operated with an impressed current in the flow direction.
Weiterhin umfasst 6 die parasitäre Bulk-Drain-Diodenstruktur 8, die bei Anwendung von MOS-Technologien immer vorhanden ist und zusammen mit der Diodenstruktur 2 einen bipolaren Transistor bildet. Ebenfalls enthalten ist eine Vorrichtung aus Komparator 65 und Referenzspannungsquelle 64 zur Überwachung der Laststreckenspannung am Drain 9.Furthermore includes 6 the parasitic bulk-drain diode structure 8th which is always present when using MOS technologies and together with the diode structure 2 forms a bipolar transistor. Also included is a comparator device 65 and reference voltage source 64 for monitoring the load path voltage at the drain 9 ,
Die Schaltungsanordnung nach 6 enthält zudem eine Überwachungsschaltung mit einer Referenzspannungsquelle 64 zur Erzeugung einer Referenzspannung 67, einem Komparator 65 (ggf. mit Hysterese) und einem MOS-Feldeffekttransistor 66. Dabei ist der nichtinvertierende Eingang des Komparators 65 mit dem Drain-Anschluss 9 der Leistungstransistorstruktur 7 verbunden und am invertierenden Eingang des Komparators 65 liegt die Referenzspannung 67 an. Der Ausgang des Komparators 65 ist mit dem Gate des Transistors 66 verbunden. Der Drain-Anschluss des Transistors 66 ist mit dem Body-Anschluss 15 des Halbleiterkörpers 1 und der Stromquelle 5 verbunden, während der Source-Anschluss des Transistors 66 mit Masse verschaltet ist.The circuit arrangement 6 also includes a monitoring circuit with a reference voltage source 64 for generating a reference voltage 67 , a comparator 65 (possibly with hysteresis) and a MOS field effect transistor 66 , Here is the non-inverting input of the comparator 65 with the drain connection 9 the power transistor structure 7 connected and at the inverting input of the comparator 65 is the reference voltage 67 at. The output of the comparator 65 is to the gate of the transistor 66 connected. The drain terminal of the transistor 66 is with the body connection 15 of the semiconductor body 1 and the power source 5 connected while the source terminal of the transistor 66 is connected to ground.
Zweck der Überwachungsschaltung ist es, die Höhe der Spannung am Drain-Anschluss 9 der Leistungstransistorstruktur 7 zu überwachen und diese mit der fest voreingestellten Referenzspannung 67 zu vergleichen. Auf diese Weise wird eine zu hohe Spannung am Drain-Anschluss 9 der Leistungstransistorstruktur 7 erkannt, welche bei gleichzeitig aufgetrenntem Bulk-Source-Kurzschluss und damit verringerter Spannungsfestigkeit der Halbleiterstruktur 1 zu dessen Zerstörung führen kann. Dabei kann die Referenzspannung 67 sehr klein gewählt werden, um nur dann die Temperaturerkennung auszuführen, wenn die Laststrecke, repräsentiert durch den Widerstand 10, über die Leistungstransistorstruktur 7 angeschaltet ist. Die Referenzspannung 67 kann auch höhere Werte annehmen, solange ihr Wert unterhalb der zu einer Zerstörung führenden kritischen maximalen Laststreckenspannung liegt, welche durch die Auftrennung des Source-Bulk-Kurzschlusses verringert ist.The purpose of the monitoring circuit is to measure the level of voltage at the drain terminal 9 the power transistor structure 7 to monitor and these with the fixed preset reference voltage 67 to compare. In this way, too high a voltage at the drain connection 9 the power transistor structure 7 detected, which at the same time separated bulk-source short circuit and thus reduced dielectric strength of the semiconductor structure 1 can lead to its destruction. In this case, the reference voltage 67 are chosen to be very small in order to carry out the temperature detection only if the load path, represented by the resistance 10 , about the power transistor structure 7 is turned on. The reference voltage 67 can also assume higher values as long as their value is below the critical maximum load path voltage leading to destruction, which is reduced by the separation of the source-bulk short circuit.
Überschreitet nun die am Drain-Anschluss 9 anliegende Spannung gegenüber Masse den Wert der Referenzspannung 67, beispielsweise weil die Laststrecke nicht angeschaltet ist, wird das Gate des Transistors 66 über den Ausgang des Komparators 65 angesteuert und die Diodenstruktur 2 über den Transistor 66 kurzgeschlossen, wodurch der zur Übertemperaturerkennung verwendete Strom (weitgehend) nicht durch die Diodenstruktur 2, sondern (weitgehend) durch die Source-Drain-Strecke des Transistors 66 fließt. In diesem Fall kann das Signal 20 jedoch nicht als Maß für eine Übertemperaturerkennung herangezogen werden, da dann die an der kurzgeschlossenen Diodenstruktur 2 abfallende Spannung 16 unabhängig von der tatsächlichen Temperatur der Leistungstransistorstruktur 7 immer sehr gering ist und damit die Spannung 16 stets kleiner ist als die zum Vergleich und zur Erkennung einer Übertemperatur herangezogene Spannung 22.Exceeds the drain connection 9 voltage applied to ground the value of the reference voltage 67 For example, because the load path is not turned on, the gate of the transistor 66 over the output of the comparator 65 controlled and the diode structure 2 over the transistor 66 short-circuited, whereby the current used for overtemperature detection (largely) not by the diode structure 2 but (largely) through the source-drain path of the transistor 66 flows. In this case, the signal 20 However, not be used as a measure of overtemperature detection, since then the short-circuited diode structure 2 falling voltage 16 regardless of the actual temperature of the power transistor structure 7 always very low and therefore the tension 16 is always smaller than the voltage used for comparison and to detect overtemperature 22 ,
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsordnung wird der quantitativ reproduzierbare Effekt ausgenutzt, dass sich die bei eingeprägtem Strom an einer in Flussrichtung betriebenen Diodenstruktur einstellende Spannung von der Temperatur dieser Diodenstruktur abhängt und zwar dergestalt, dass sich auf Grund des mit der Temperatur ansteigenden Leitwerts der Diodenstruktur die bei konstantem, eingeprägtem Strom an der Diodenstruktur abfallende Spannung vermindert. Die Durchlassspannung einer Diodenstruktur ändert sich linear mit etwa –2 mV pro Grad Celsius (°C).In the case of the circuit arrangement according to the invention, the quantitatively reproducible effect is exploited that the voltage setting when the current is impressed on a diode structure operated in the direction of flow depends on the temperature of this diode structure, namely in such a way that the constant current conductance of the diode structure increases , impressed current at the diode structure decreasing voltage decreases. The forward voltage of a diode structure changes linearly at about -2 mV per degree Celsius (° C).
Die zur Temperaturmessung verwendete Diodenstruktur 2 ist derart in den Halbleiterkörper 1 mitintegriert, so dass sie beim Betrieb im Wesentlichen die gleiche Erwärmung erfährt wie die Leistungstransistorstruktur 7 selbst und damit als Maß für die Betriebstemperatur der Leistungstransistorstruktur 7 und damit zur Übertemperaturerkennung der Leistungstransistorstruktur 7 herangezogen werden kann. Zum Zwecke der Einspeisung des Stroms 14 in die Diodenstruktur 2 und zur Messung der an dieser Diodenstruktur 2 abfallenden Spannung 16 ist (bei einer externen Auswerteschaltung wie im vorliegenden Fall) an dem Halbleiterkörper 1 der zusätzliche, extern zugängliche Body- bzw. Bulk-Anschluss 15 vorgesehen.The diode structure used for temperature measurement 2 is so in the semiconductor body 1 mitintegriert so that it experiences in operation substantially the same heating as the power transistor structure 7 itself and thus as a measure of the operating temperature of the power transistor structure 7 and thus for overtemperature detection of the power transistor structure 7 can be used. For the purpose of feeding the electricity 14 in the diode structure 2 and for measuring the on this diode structure 2 declining voltage 16 is (at an external evaluation circuit as in the present case) on the semiconductor body 1 the additional, externally accessible body or bulk port 15 intended.
Bei der Schaltungsanordnung nach 6 ist die Diodenstruktur 2 in Flussrichtung zwischen Body und Masse geschaltet. Eine weitere Diodenstruktur 8 liegt zwischen Body (und damit Body-Anschluss 15) und Drain-Anschluss 9 der Leistungstransistorstruktur 7, wobei es sich dabei um die parasitär immer vorhandene Bulk-Drain-Diodenstruktur handelt. Die Leistungstransistorstruktur 7 ist dabei mit ihrem Drain-Anschluss 9 über einen externen Lastwiderstand 10 an ein positives Versorgungspotential 11 und mit ihrem Source-Anschluss 12 an Massepotential gelegt, wodurch ein in den Drain-Anschluss 9 der Leistungstransistorsstruktur 7 fließender Laststrom 13 erzeugt werden kann.According to the circuit arrangement 6 is the diode structure 2 connected in the flow direction between body and ground. Another diode structure 8th lies between body (and thus body connection 15 ) and drain connection 9 the power transistor structure 7 , which is the parasitic always present bulk-drain diode structure. The power transistor structure 7 is with her drain connection 9 via an external load resistor 10 to a positive supply potential 11 and with its source connection 12 placed at ground potential, creating a drain in the connection 9 the power transistor structure 7 flowing load current 13 can be generated.
Wie bereits erläutert umfasst die Schaltungsanordnung nach 6 eine Stromquelle 5 zur Erzeugung des eingeprägten Stromes 14 für die Diodenstruktur 2 und darüber hinaus eine erste Ausführungsform einer Vergleichsschaltung 4 zum Vergleich der an der Diodenstruktur 2 abfallenden Spannung 16 mit einer fest voreingestellten Vergleichsspannung 22. Die Vergleichsschaltung 4 besteht im vorliegenden Fall aus einem Komparator 19, dessen positiver Eingang mit einer fest voreingestellten, von einer Schaltung 21 erzeugten Vergleichsspannung 22 beaufschlagt wird und dessen negativer Eingang mit der Klemme 15 des Halbleiterkörpers 1 verbunden ist und somit mit der an der Diodenstruktur 2 abfallenden Spannung 16 beaufschlagt wird. Der Komparator 19 kann zweckmäßiger Weise ein Schaltverhalten mit Hysterese aufweisen.As already explained, the circuit arrangement according to FIG 6 a power source 5 for generating the impressed current 14 for the diode structure 2 and moreover, a first embodiment of a comparison circuit 4 for comparison to the diode structure 2 declining voltage 16 with a fixed preset reference voltage 22 , The comparison circuit 4 consists in the present case of a comparator 19 , whose positive input with a fixed preset, by a circuit 21 generated comparison voltage 22 is applied and its negative input to the terminal 15 of the semiconductor body 1 is connected and thus with the on the diode structure 2 declining voltage 16 is charged. The comparator 19 may suitably have a switching behavior with hysteresis.
Die Schaltung 21 ist dabei so ausgeführt, dass die durch sie erzeugte Vergleichsspannung 22 temperaturabhängig ist und zwar dergestalt, dass eine Erhöhung der Temperatur der Auswerteeinheit 3 und damit eine Erhöhung der Temperatur der Schaltung 21 zu einer Erhöhung der daraus erzeugten Vergleichsspannung 22 führt.The circuit 21 is designed so that the comparison voltage generated by them 22 is temperature dependent in such a way that an increase in the temperature of the evaluation 3 and thus an increase in the temperature of the circuit 21 to an increase in the comparison voltage generated therefrom 22 leads.
Eine Erhöhung der Temperatur der Auswerteeinheit 3 tritt zum Beispiel auf, wenn sich die Umgebungstemperatur erhöht, bei der die Auswerteeinheit 3 und dementsprechend auch der Halbleiterkörper 1 betrieben werden. Dies ist etwa der Fall bei Anwendungen im Automobil, wo im Motorraum eingesetzte Halbleiterkörper und Schaltungen durch Abstrahlung von Motorwärme in Abhängigkeit von Betriebszustand und wetterbedingten Außentemperaturen unterschiedlich stark aufgeheizt werden. Auf diese Weise kann der Grenzwert der zu ermittelnden Übertemperatur automatisch den vorherrschenden Umgebungstemperaturen angepasst, zum Beispiel reduziert werden, um damit beispielsweise dem Umstand Rechnung zu tragen, dass ein für die Funktionsweise kritischer oder ein schädigender Wert der Übertemperatur bei hohen Umgebungstemperaturen niedriger liegt als bei niedrigen Umgebungstemperaturen.An increase in the temperature of the evaluation unit 3 For example, occurs when the ambient temperature increases at which the evaluation unit 3 and accordingly also the semiconductor body 1 operate. This is the case, for example, in applications in the automobile, where semiconductor bodies and circuits used in the engine compartment are heated to different degrees by the emission of engine heat as a function of the operating state and weather-conditioned outside temperatures. In this way, the limit value of the excess temperature to be determined can automatically be adapted to the prevailing ambient temperatures, for example reduced in order to take into account, for example, the fact that a value of the over-temperature that is critical for the mode of operation or a damaging value is lower at high ambient temperatures than at low temperatures ambient temperatures.
Voraussetzung für eine ausreichend genaue Berücksichtigung der Umgebungstemperatur ist, dass das Halbleiterkörper 1 und die Auswerteeinheit 3, zwar thermisch entkoppelt, aber räumlich so nahe zueinander platziert sind, dass sie von der gleichen Umgebungstemperatur beaufschlagt werden. Thermisch entkoppelt bedeutet dabei aber insbesondere auch, dass beide nicht so nahe sind, dass die Wärmeabgabe des Leistungstransistors die Umgebungstemperatur im Bereich der Auswerteschaltung beeinflusst. In Anwendungen, in denen diese Umgebungstemperatur beispielsweise von einer Wärme abstrahlenden Quelle, wie einem Kraftfahrzeugmotor erzeugt wird, ändert sich diese Umgebungstemperatur mit dem Abstand von der Quelle sehr schnell und eine räumlich stärker getrennte Anordnung des Halbleiterkörpers 1 und der Auswerteeinheit 3 würden den gewünschten Effekt nicht erzielen.A prerequisite for a sufficiently accurate consideration of the ambient temperature is that the semiconductor body 1 and the evaluation unit 3 , although thermally decoupled, but are placed spatially so close to each other that they are acted upon by the same ambient temperature. However, thermally decoupled means in particular that both are not so close that the heat output of the power transistor influences the ambient temperature in the region of the evaluation circuit. For example, in applications where this ambient temperature is generated by a heat radiating source, such as a motor vehicle engine, that ambient temperature changes very rapidly with the distance from the source and a more spatially separated arrangement of the semiconductor body 1 and the evaluation unit 3 would not achieve the desired effect.
Die Schaltung 21 zur Erzeugung der Vergleichsspannung 22 umfasst gemäß 6 einen MOS-Feldeffekttransistor 39, einen MOS-Feldeffekttransistor 40, einen Bipolartransistor 41 und einen Bipolartransistor 42 sowie einen Widerstand 23, einen Widerstand 43 und einen Widerstand 46. Der Transistor 39 ist ein p-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor und mit seinem Source-Anschluss mit einem positiven Versorgungspotential 47 und mit dem Source-Anschluss des Transistors 40 verbunden, der auch vom Typ p-Kanal ist. Der Drain-Anschluss des Transistors 39 ist verbunden dem Gate-Anschluss des Transistors 39 und mit dem Collector-Anschluss des Transistors 41, ebenso besteht eine Verbindung zwischen dem Gate-Anschluss des Transistors 39 und dem Gate-Anschluss des Transistors 40. Der Drain-Anschluss des Transistors 40 ist verbunden mit dem Collector-Anschluss des Transistors 42, welcher wiederum mit dem Basis-Anschluss des Transistors 42 und dem Basis-Anschluss des Transistors 41 verbunden ist. Weiterhin ist der Emitter-Anschluss des Transistors 42 mit dem Widerstand 46 verbunden und der Emitter-Anschluss des Transistors 41 über den Widerstand 43 mit dem Widerstand 46. Die beiden Widerstände 46 und 23 stellen einen Spannungsteiler dar, wobei die am Widerstand 23 abfallende Vergleichsspannung 22 auf den positiven Eingang des Komparators 19 angelegt ist.The circuit 21 for generating the comparison voltage 22 includes according to 6 a MOS field effect transistor 39 , a MOS field effect transistor 40 , a bipolar transistor 41 and a bipolar transistor 42 as well as a resistor 23 , a resistance 43 and a resistance 46 , The transistor 39 is a p-channel MOS field effect transistor and with its source terminal with a positive supply potential 47 and to the source terminal of the transistor 40 connected, which is also of the type p-channel. The drain terminal of the transistor 39 is connected to the gate terminal of the transistor 39 and with the collector terminal of the transistor 41 Similarly, there is a connection between the gate terminal of the transistor 39 and the gate terminal of the transistor 40 , The drain terminal of the transistor 40 is connected to the collector terminal of the transistor 42 which in turn connects to the base terminal of the transistor 42 and the base terminal of the transistor 41 connected is. Furthermore, the emitter terminal of the transistor 42 with the resistance 46 connected and the emitter terminal of the transistor 41 about the resistance 43 with the resistance 46 , The two resistors 46 and 23 represent a voltage divider, where the resistance 23 decreasing reference voltage 22 to the positive input of the comparator 19 is created.
In der Schaltung 21 werden mit ansteigender, auf die Auswerteeinheit 3 und damit auf die in dieser Auswerteeinheit 3 enthaltenen Bauelemente einwirkender Umgebungstemperatur linear ansteigende Ströme durch einen ersten Widerstand 23, einen zweiten Widerstand 43 und einen dritten Widerstand 46 erzeugt. Dadurch wird am ersten Widerstand 23 ein linear mit der Temperatur ansteigender Spannungsabfall 22 erzeugt, der in der vorliegenden Ausführungsform als Vergleichsspannung 22 zum späteren Vergleich durch den Komparator 19 mit der über der Diodenstruktur 2 abfallenden, an den negativen Eingang des Komparators 19 angelegten Spannung 16 herangezogen wird.In the circuit 21 are going up to the evaluation unit 3 and thus to those in this evaluation unit 3 contained components acting ambient temperature linearly rising currents through a first resistor 23 , a second resistor 43 and a third resistor 46 generated. This will be at the first resistor 23 a voltage drop that increases linearly with temperature 22 generated in the present embodiment as a comparison voltage 22 for later comparison by the comparator 19 with the over the diode structure 2 falling, to the negative input of the comparator 19 applied voltage 16 is used.
Auf diese Weise führt eine Erhöhung der auf die Auswerteeinheit 3 einwirkenden Umgebungstemperatur durch Erhöhung der Vergleichsspannung 22 zu einer Verringerung der Differenz zwischen der Spannung 16 an der Diodenstruktur 2 und der Vergleichsspannung 22, wodurch der Grenzwert zur Erkennung einer Übertemperatur einer Leistungstransistorstruktur 7 früher erreicht wird. Die zur Erreichung der Übertemperatur notwendige Erwärmung des Halbleiterkörpers 1 und damit der Leistungstransistorstruktur 7 ist für hohe Umgebungstemperaturen geringer. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen wird daher ein größerer Bereich der Erwärmung der Leistungstransistorstruktur 7 zugelassen (Temperaturhub), als dies bei hohen Umgebungstemperaturen der Fall ist.In this way, an increase in the results on the evaluation 3 acting ambient temperature by increasing the reference voltage 22 to reduce the difference between the voltage 16 at the diode structure 2 and the comparison voltage 22 , whereby the limit value for detecting an overtemperature of a power transistor structure 7 reached earlier. The heating of the semiconductor body necessary to achieve the excess temperature 1 and thus the power transistor structure 7 is lower for high ambient temperatures. At low ambient temperatures, therefore, a larger area of heating of the power transistor structure becomes 7 permitted (temperature rise), as is the case at high ambient temperatures.
Den Schaltungsanordnungen nach 4 und 5 entsprechend werden wiederum die Spannung 16 an der Diodenstruktur 2 und eine Vergleichsspannung 22 durch den Komparator 19 verglichen. Die Vergleichsspannung 22 und der eingeprägte Strom 14 sind so gewählt, dass die bei zulässigen Betriebstemperaturen des Halbleiterkörpers 1 an der Diodenstruktur 2 abfallende Spannung 16 größer ist als die in der Auswerteeinheit 3 fest voreingestellte Vergleichsspannung 22. Unterschreitet die an der Diodenstruktur 2 abfallende Spannung 16 mit zunehmender Temperatur des Halbleiterkörpers 1 den Wert der Vergleichsspannung 22 und ist damit Spannung 16 kleiner als Vergleichsspannung 22, ändert sich der Zustand des Signals 20 am Ausgang des Komparators 19 und zeigt damit das Erreichen einer Übertemperatur der Leistungstransistorstruktur 7 an. Der Grenzwert der zu ermittelnden Übertemperatur wird in diesem Fall, wie oben ausgeführt, nicht fest voreingestellt, sondern ist von der auf die Schaltungsanordnung 21 einwirkenden Umgebungstemperatur abhängig.According to the circuit arrangements 4 and 5 in turn, the voltage will be corresponding 16 at the diode structure 2 and a comparison voltage 22 through the comparator 19 compared. The comparison voltage 22 and the impressed current 14 are chosen so that the permissible operating temperatures of the semiconductor body 1 at the diode structure 2 falling voltage 16 is greater than that in the evaluation unit 3 fixed preset reference voltage 22 , Falls short of the diode structure 2 falling voltage 16 with increasing temperature of the semiconductor body 1 the value of the reference voltage 22 and is thus tension 16 less than the reference voltage 22 , the state of the signal changes 20 at the output of the comparator 19 and thus shows the achievement of an over-temperature of the power transistor structure 7 at. The limit value of the excess temperature to be determined in this case, as stated above, not fixed, but is of the on the circuit arrangement 21 acting ambient temperature.
Die Schaltungsanordnung nach 7 enthält wiederum einen Halbleiterkörper 1 und eine externe, thermisch entkoppelte Auswerteeinheit 3. Der Aufbau der Leistungstransistorstruktur 7 und der Diodenstrukturen 2 und 8 ist identisch zu der in den 6 dargestellten. Im Gegensatz zu den vorher beschriebenen Ausführungsformen werden die zur Erkennung einer Übertemperatur herangezogenen Spannungen zum Zweck der Auswertung zunächst in korrespondierende Ströme gewandelt und zwar Spannung 16 in Strom 25 und Vergleichsspannung 28 in Strom 26.The circuit arrangement 7 in turn contains a semiconductor body 1 and an external, thermally decoupled evaluation unit 3 , The structure of the power transistor structure 7 and the diode structures 2 and 8th is identical to the one in the 6 shown. In contrast to the previously described embodiments, the voltages used for detecting an excess temperature are first converted into corresponding currents for the purpose of evaluation, specifically voltage 16 in electricity 25 and comparison voltage 28 in electricity 26 ,
Dies wird erreicht durch einen Spannungs-Strom-Wandler 24 zur Umwandlung einer an der Diodenstruktur 2 abfallenden Spannung 16 in einen Strom 25 und einen Spannungs-Strom-Wandler 27 zur Umwandlung einer Vergleichsspannung 28 in einen Strom 26. Die Spannungs-Strom-Wandler 24 und 27 sind dabei in 7 zunächst als abstrakte Schaltungsblöcke wiedergegeben. Der durch den Spannungs-Strom-Wandler 24 erzeugte Strom 25 und der durch den Spannungs-Strom-Wandler 27 erzeugte Strom 26 werden an einem Knotenpunkt 29 subtrahiert und ggf. in eine Spannung gewandelt. Der daraus resultierende Strom bzw. die daraus resultierende Spannung wird wiederum unter Anwendung eines Komparators 19 (beispielsweise durch einen Vergleich gegenüber null) ausgewertet.This is achieved by a voltage-current converter 24 for converting one to the diode structure 2 declining voltage 16 into a stream 25 and a voltage-to-current converter 27 for converting a comparison voltage 28 into a stream 26 , The voltage-current converter 24 and 27 are in there 7 initially reproduced as abstract circuit blocks. The through the voltage-current converter 24 generated electricity 25 and by the voltage-current converter 27 generated electricity 26 be at a node 29 subtracted and possibly converted into a voltage. The resulting current or the resulting voltage is again using a comparator 19 evaluated (for example, by comparison to zero).
Unterschreitet der durch Umwandlung der an der Diodenstruktur 2 gemessenen Spannung 16 erzeugte erste Strom 25 durch Temperaturerhöhung den Wert des durch Umwandlung der Vergleichsspannung 28 erzeugten zweiten Stroms 26, ändert sich der Zustand des Signals am Ausgang 20 des Komparators 19 und zeigt damit das Erreichen einer Übertemperatur der Leistungstransistorstruktur 7 an. Der Grenzwert der zu ermittelnden Übertemperatur kann durch geeignete Wahl der fest voreingestellten Vergleichsspannung 28 frei gewählt werden.Below that by conversion of the at the diode structure 2 measured voltage 16 generated first stream 25 by increasing the value of the temperature by converting the reference voltage 28 generated second stream 26 , the state of the signal changes at the output 20 of the comparator 19 and thus shows the achievement of an over-temperature of the power transistor structure 7 at. The limit value of the excess temperature to be determined can be determined by suitable selection of the fixed preset reference voltage 28 be chosen freely.
Eine Weiterbildung der in 7 dargestellten Schaltungsanordnung mit Spannungs-Strom-Wandler 24 und Spannungs-Strom-Wandler 27 ist in 8 dargestellt. Der Spannungs-Strom-Wandler 24 enthält dabei einen Operationsverstärker 30, einen MOS-Feldeffekttransistor 31, einen MOS-Feldeffekttransistor 35 und einen Widerstand 32, an dem eine der an der Diodenstruktur 2 abfallenden Spannung 16 proportionale Spannung 33 abfällt. Beim Spannungs-Strom-Wandler 24 sind die Gate-Anschlüsse der beiden Transistoren 31 und 35 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 30 verbunden, wobei die Source-Anschlüsse der Transistoren 31 und 35 ebenfalls miteinander verbunden und an das positive Versorgungspotential 34 angeschlossen sind. Der Drain-Anschluss des Transistors 31 ist über den Widerstand 32 mit Masse verbunden. Die über dem Widerstand 32 abfallende Spannung 33 ist auf den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 30 rückgekoppelt, an dessen invertierenden Eingang die Spannung über der Diodenstruktur 2 anliegt. Der Operationsverstärker 30 regelt die Spannung 33 über dem Widerstand 32 so aus, dass diese gleich der Spannung über der Diodenstruktur 2 ist. Daher ist der Strom durch die Source-Drain-Strecke des Transistors 31 gleich dem Verhältnis von Spannung 33 zum Wert des Widerstandes 32. Demzufolge ist dann der den Ausgangsstrom bildende Strom durch die Source-Drain-Strecke des Transistors 35 proportional zum Strom durch die Source-Drain-Strecke des Transistors 31 und proportional zur Spannung über der Diodenstruktur 2, wobei der Ausgangsstrom damit bei ansteigender Temperatur des Halbleiterkörpers 1 kleiner wird.A further education of in 7 illustrated circuit arrangement with voltage-current converter 24 and voltage-to-current converters 27 is in 8th shown. The voltage-to-current converter 24 contains an operational amplifier 30 , a MOS field effect transistor 31 , a MOS field effect transistor 35 and a resistance 32 at which one of the on the diode structure 2 declining voltage 16 proportional voltage 33 drops. When voltage-current converter 24 are the gate terminals of the two transistors 31 and 35 with the output of the operational amplifier 30 connected, wherein the source terminals of the transistors 31 and 35 also connected to each other and to the positive supply potential 34 are connected. The drain terminal of the transistor 31 is about the resistance 32 connected to ground. The above the resistance 32 falling voltage 33 is on the non-inverting input of the operational amplifier 30 fed back, at its inverting input the voltage across the diode structure 2 is applied. The operational amplifier 30 regulates the tension 33 above the resistance 32 so that these are equal to the voltage across the diode structure 2 is. Therefore, the current through the source-drain path of the transistor 31 equal to the ratio of tension 33 to the value of the resistance 32 , Consequently, then the current forming the output current through the Source-drain path of the transistor 35 proportional to the current through the source-drain path of the transistor 31 and proportional to the voltage across the diode structure 2 , wherein the output current thus with increasing temperature of the semiconductor body 1 gets smaller.
Der Drain-Anschluss des zweiten Transistors 35 ist verbunden mit einem Knoten 29, so dass in den Knoten 29 der Strom 25 vom als Stromquelle wirkenden Spannungs-Strom-Wandler 24 zufließt, wobei ein Strom 26 über den als Stromsenke wirkenden Spannungs-Strom-Wandler 27 wieder abfließt, so dass die Differenz beider Ströme durch den Komparator 19 ausgewertet werden kann (beispielsweise durch Vergleich mit fester Schwelle oder Null). Der Spannungs-Strom-Wandler 27 geht aus der in 6 erläuterten Schaltung 21 zur Erzeugung einer umgebungstemperaturabhängigen Referenzspannung hervor. Die Schaltung 21 enthält demnach wiederum Transistor 39, Transistor 40, Transistor 41 und Transistor 42, Widerstand 43 sowie Widerstand 45. Zusätzlich sind beim Ausführungsbeispiel nach 9 ein MOS-Feldeffekttransistor 36, ein MOS-Feldeffekttransistor 37 und ein MOS-Feldeffekttransistor 38 vorgesehen.The drain terminal of the second transistor 35 is connected to a node 29 so that in the knot 29 The current 25 from acting as a current source voltage-current converter 24 enters, being a stream 26 via the current-sink voltage-current converter 27 flows off again, leaving the difference of both currents through the comparator 19 can be evaluated (for example, by comparison with a fixed threshold or zero). The voltage-to-current converter 27 goes out of the 6 explained circuit 21 for generating an ambient temperature-dependent reference voltage. The circuit 21 contains again turn transistor 39 , Transistor 40 , Transistor 41 and transistor 42 , Resistance 43 as well as resistance 45 , In addition, according to the embodiment 9 a MOS field effect transistor 36 , a MOS field effect transistor 37 and a MOS field effect transistor 38 intended.
Durch die Source-Drain-Strecke des Transistors 38, dessen Source- und Gate-Anschlüsse jeweils mit den Source- und Gate-Anschlüssen des Transistors 40 verbunden sind, fließt nach Art eines Stromspiegels ebenso wie durch die Source-Drain-Strecke des Transistors 40 ein Strom, der proportional ist zum Strom 48 durch die Source-Drain-Strecke des Transistors 39, so dass ein linear mit der Umgebungstemperatur der Auswerteeinheit 3 ansteigender Strom, der definiert ist durch das Verhältnis der an dem Widerstand 43 abfallenden Spannung 44 und aus dem Widerstandswert des Widerstands 43, bereitgestellt wird.Through the source-drain path of the transistor 38 , its source and gate terminals respectively connected to the source and gate terminals of the transistor 40 are connected, flows in the manner of a current mirror as well as through the source-drain path of the transistor 40 a current that is proportional to the current 48 through the source-drain path of the transistor 39 , so that a linear with the ambient temperature of the evaluation unit 3 increasing current defined by the ratio of the resistance 43 declining voltage 44 and from the resistance of the resistor 43 , provided.
Der vom Transistor 38 bereitgestellte Strom wird dann mittels eines (weiteren) Stromspiegels bestehend aus den Transistoren 36 und 37 gespiegelt derart, dass der vom Knoten 29 abfließende Strom 26 erzeugt wird. Durch zweifache Spiegelung des Stromes 48 im Spannungs-Strom-Wandler 27 entsteht also der Strom 26, der ebenfalls linear mit der Umgebungstemperatur der Auswerteeinheit 3 ansteigt.The one from the transistor 38 Provided current is then by means of a (further) current mirror consisting of the transistors 36 and 37 mirrored such that the node 29 outgoing electricity 26 is produced. By twofold reflection of the current 48 in the voltage-current converter 27 So the electricity is created 26 , which is also linear with the ambient temperature of the evaluation unit 3 increases.
Von dem linear von der Spannung 16 an der Diodenstruktur 2 abhängenden, mit steigender Temperatur des Halbleiterkörpers 1 kleiner werdenden Strom 25 wird am Knoten 29 der mit der Umgebungstemperatur größer werdende Strom 26 subtrahiert. Der Knoten 29 ist mit dem Komparator 19 verbunden, so dass die durch Subtraktion der Ströme 25 und 26 am Komparator 19 entstehende Differenz ein Maß dafür ist, ob die Betriebstemperatur der im Halbleiterkörper 1 integrierten Leistungstransistorstruktur 7 zulässig ist oder nicht, wobei der diesbezügliche Grenzwert von der Umgebungstemperatur, repräsentiert durch den Strom 26, abhängig ist.From the linear of the tension 16 at the diode structure 2 depending, with increasing temperature of the semiconductor body 1 decreasing power 25 gets at the node 29 the current that increases with the ambient temperature 26 subtracted. The knot 29 is with the comparator 19 connected, so that by subtracting the currents 25 and 26 at the comparator 19 resulting difference is a measure of whether the operating temperature of the semiconductor body 1 integrated power transistor structure 7 is permissible or not, the relevant limit being the ambient temperature represented by the current 26 , is dependent.
Unterschreitet der Strom 25 den Strom 26 (zum Beispiel bei Nullpunktsvergleich: Strom 25 – Strom 26 < 0), ändert sich der Zustand des Signals 20 am Ausgang des Komparators 19 und zeigt damit das Erreichen einer Übertemperatur des Leistungstransistors 7 an. Die zur Erreichung der Übertemperatur notwendige Erwärmung der Leistungstransistorstruktur 7 fällt damit geringer aus bei höheren Umgebungstemperaturen von Halbleiterkörper 1 und Auswerteeinheit 3.Falls below the current 25 the stream 26 (For example, at zero point comparison: current 25 - Electricity 26 <0), the state of the signal changes 20 at the output of the comparator 19 and thus shows the achievement of an excess temperature of the power transistor 7 at. The heating of the power transistor structure necessary to reach the overtemperature 7 is therefore lower at higher ambient temperatures of semiconductor body 1 and evaluation unit 3 ,
Gleichzeitig wird bei niedrigen Umgebungstemperaturen von Halbleiterkörper 1 und Auswerteeinheit 3 ausführungsgemäß ein größerer Wärmebereich der Leistungstransistorstruktur 7 zugelassen (Temperaturhub), als dies bei höheren Umgebungstemperaturen der Fall ist. Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass sich durch Verwendung gleicher Materialien und ggf. gleiche Dimensionierungen bei den Widerständen 32 und 43 die absoluten Genauigkeitstoleranzen dieser Widerstände die Messgenauigkeit vermindernde Temperaturabhängigkeiten kompensieren und damit die absoluten Genauigkeiten deutlich erhöhen lassen.At the same time, at low ambient temperatures of semiconductor body 1 and evaluation unit 3 In accordance with a larger heat range of the power transistor structure 7 permitted (temperature rise), as is the case at higher ambient temperatures. A significant advantage is that by using the same materials and possibly the same dimensions in the resistors 32 and 43 the absolute accuracy tolerances of these resistors compensate for temperature dependences that reduce the accuracy of measurement and thus significantly increase the absolute accuracies.
Die Schaltungsanordnung nach 8 enthält zudem eine Überwachungsschaltung 52 mit einer Referenzspannungsquelle zur Erzeugung einer Referenzspannung 50, einem Komparator 51 (ggf. mit Hysterese) und einem MOS-Feldeffekttransistor 49. Dabei ist der nichtinvertierende Eingang des Komparators 51 mit dem Drain-Anschluss 9 der Leistungstransistorstruktur 7 verbunden und am invertierenden Eingang des Komparators 51 liegt eine Referenzspannung 50 an. Der Ausgang des Komparators 51 ist mit dem Gate des Transistors 49 verbunden. Der Drain-Anschluss des Transistors 49 ist mit dem Body-Anschluss 15 des Halbleiterkörpers 1 und der Stromquelle 5 verbunden, während der Source-Anschluss des Transistors 49 mit Masse verschaltet ist.The circuit arrangement 8th also contains a monitoring circuit 52 with a reference voltage source for generating a reference voltage 50 , a comparator 51 (possibly with hysteresis) and a MOS field effect transistor 49 , Here is the non-inverting input of the comparator 51 with the drain connection 9 the power transistor structure 7 connected and at the inverting input of the comparator 51 is a reference voltage 50 at. The output of the comparator 51 is to the gate of the transistor 49 connected. The drain terminal of the transistor 49 is with the body connection 15 of the semiconductor body 1 and the power source 5 connected while the source terminal of the transistor 49 is connected to ground.
Zweck der Überwachungsschaltung 52 ist es, die Höhe der Spannung am Drain-Anschluss 9 der Leistungstransistorstruktur 7 zu überwachen und diese mit einer fest voreingestellten Referenzspannung 50 zu vergleichen. Auf diese Weise wird eine zu hohe Spannung am Drain-Anschluss 9 der Leistungstransistorstruktur 7 erkannt, welche bei gleichzeitig aufgetrenntem Bulk-Source-Kurzschluss und damit verringerter Spannungsfestigkeit der Halbleiterstruktur 1 zu dessen Zerstörung führen kann. Dabei kann die Referenzspannung 50 sehr klein gewählt werden, um nur dann die Temperaturerkennung auszuführen, wenn die Laststrecke, repräsentiert durch den Widerstand 10, über die Leistungstransistorstruktur 7 angeschaltet ist. Die Referenzspannung 50 kann auch höhere Werte annehmen, solange ihr Wert unterhalb der zu einer Zerstörung führenden kritischen maximalen Laststreckenspannung liegt, welche durch die Auftrennung des Source-Bulk-Kurzschlusses verringert ist.Purpose of the monitoring circuit 52 is the amount of voltage at the drain connection 9 the power transistor structure 7 and to monitor these with a fixed preset reference voltage 50 to compare. In this way, too high a voltage at the drain connection 9 the power transistor structure 7 detected, which at the same time separated bulk-source short circuit and thus reduced dielectric strength of the semiconductor structure 1 can lead to its destruction. In this case, the reference voltage 50 are chosen to be very small in order to carry out the temperature detection only if the load path, represented by the resistance 10 , about the power transistor structure 7 is turned on. The reference voltage 50 can also assume higher values as long as their value is below the critical maximum load path voltage leading to destruction, which is reduced by the separation of the source-bulk short circuit.
Überschreitet nun die am Drain-Anschluss 9 anliegende Spannung gegenüber Masse den Wert der Referenzspannung 50, beispielsweise weil die Laststrecke nicht angeschaltet ist, wird das Gate des Transistors 49 über den Ausgang des Komparators 51 angesteuert und die Diodenstruktur 2 über den Transistor 49 kurzgeschlossen, wodurch der zur Übertemperaturerkennung verwendete Strom (weitgehend) nicht durch die Diodenstruktur 2, sondern (weitgehend) durch die Source-Drain-Strecke des Transistors 49 fließt. Der Strom am Drain-Anschluss 9 ist bei ausgeschalteter Laststrecke ohnehin sehr gering. In diesem Fall kann das Signal 20 jedoch nicht als Maß für eine Übertemperaturerkennung herangezogen werden, da dann die an der kurzgeschlossenen Diodenstruktur 2 abfallende Spannung 16 unabhängig von der tatsächlichen Temperatur der Leistungstransistorstruktur 7 immer sehr gering ist und damit der Strom 25 stets kleiner ist als der zum Vergleich und zur Erkennung einer Übertemperatur herangezogene Strom 26. Für den Fall der Wiederherstellung des Source-Bulk-Kurzschlusses bei einer zu hohen Spannung am Drain 9 ist dann keine Überwachung der Temperatur mehr möglich. Dieser Zustand ergibt sich beispielsweise bei sehr hoher Last (Kurzschluss) oder einem normalen Abschaltvorgang. Da die Temperaturüberwachung ohnehin eingesetzt wird, um den Schalter bei überhöhter Temperatur abzuschalten und einen weiteren Leistungseintrag zu vermeiden, hat dieses Verhalten keine nachteilige Wirkung. Die im Normalfall bei der verwendeten Technologie durch den Bulk-Source-Kurzschluss vorliegende Spannungsfestigkeit des Leistungstransistors, die durch die Verwendung der mitintegrierten Diodenstruktur 2 im vorliegenden Fall nicht mehr gegeben ist, wird dabei durch das Kurzschließen der Diodenstruktur 2 über den Transistor 49 bei zu hohen Spannungswerten am Drain wiederhergestellt.Exceeds the drain connection 9 voltage applied to ground the value of the reference voltage 50 For example, because the load path is not turned on, the gate of the transistor 49 over the output of the comparator 51 controlled and the diode structure 2 over the transistor 49 short-circuited, whereby the current used for overtemperature detection (largely) not by the diode structure 2 but (largely) through the source-drain path of the transistor 49 flows. The current at the drain connection 9 is already very low when the load distance is switched off. In this case, the signal 20 However, not be used as a measure of overtemperature detection, since then the short-circuited diode structure 2 falling voltage 16 regardless of the actual temperature of the power transistor structure 7 always very low and therefore the electricity 25 always smaller than the current used for comparison and to detect overtemperature 26 , In the case of restoration of the source-bulk short circuit when the drain voltage is too high 9 then it is no longer possible to monitor the temperature. This condition arises, for example, at very high load (short circuit) or a normal shutdown. Since the temperature monitoring is used anyway to turn off the switch at excessive temperature and to avoid further power input, this behavior has no adverse effect. The normally present in the technology used by the bulk-source short-circuit voltage resistance of the power transistor, by the use of the integrated diode structure 2 In the present case is no longer given, it is shorted by the diode structure 2 over the transistor 49 restored at too high voltage values at the drain.
Bei der Schaltungsanordnung nach 9 ist eine weitere Ausführungsform einer Schaltung zur Übertemperaturerkennung einer Leistungstransistorstruktur 7 mit einer gegenüber 8 erweiterten Überwachungsschaltung 52 und einer weiteren Ausführungsform des Spannungs-Strom-Wandlers 27 vorgesehen.According to the circuit arrangement 9 is another embodiment of a circuit for overtemperature detection of a power transistor structure 7 with one opposite 8th extended monitoring circuit 52 and another embodiment of the voltage-to-current converter 27 intended.
Halbleiterkörper 1 und Spannungs-Strom-Wandler 24 entsprechen den in 8 dargestellten.Semiconductor body 1 and voltage-to-current converters 24 correspond to the in 8th shown.
Die Überwachungsschaltung 52 enthält einen Inverter 53, ein ODER-Gatter 54 und einen MOS-Feldeffekttransistor 49. An einer Klemme 55 der Auswerteeinheit 3 wird ein logisches Eingangssignal eingespeist, um die Auswerteschaltung 3 von extern aktivieren und deaktivieren zu können. Gegenüber der Ausführungsform gemäß 8 ist der Ausgang des Komparators 51 nicht direkt mit dem Gate-Anschluss des Transistors 49 verbunden, sondern zunächst mit einem ersten Eingang des ODER-Gatters 54. Die Klemme 55 ist verbunden mit dem Eingang des Inverters 53, dessen Ausgang seinerseits verbunden ist mit einem zweiten Eingang des ODER-Gatters 54, wobei der Ausgang des ODER-Gatters 54 gekoppelt ist mit dem Gate-Anschluss des Transistors 49.The monitoring circuit 52 contains an inverter 53 , an OR gate 54 and a MOS field effect transistor 49 , At a clamp 55 the evaluation unit 3 a logic input signal is fed to the evaluation circuit 3 externally enable and disable. Compared to the embodiment according to 8th is the output of the comparator 51 not directly to the gate terminal of the transistor 49 but first with a first input of the OR gate 54 , the clamp 55 is connected to the input of the inverter 53 , whose output is in turn connected to a second input of the OR gate 54 where the output of the OR gate 54 is coupled to the gate terminal of the transistor 49 ,
Der logische Pegel H (Leistungstransistorstruktur 7: ”EIN”) an der Klemme 55 der Auswerteeinheit 3 steht dabei für den Fall, bei dem die Temperaturerkennung und die Überwachung der Spannung am Drain-Anschluss 9 aktiviert sein soll, wobei dieser Pegel beispielsweise durch eine über die Leistungstransistorstruktur 7 angeschaltete Last erzeugt werden kann. Der logische Pegel H an der Klemme 55 wird durch den Inverter 53 in den logischen Pegel L gewandelt und an den zweiten Eingang der des ODER-Gatters 54 angelegt. Führt das Ausgangssignal des Komparators 51 den logischen Pegel L, das heißt die Spannung am Drain-Anschluss 9 der Leistungstransistorstruktur 7 liegt unterhalb der fest voreingestellten Referenzspannung 50, wird die Temperaturerkennung wie oben beschrieben ausgeführt.The logic level H (power transistor structure 7 : "ON") on the terminal 55 the evaluation unit 3 stands for the case where the temperature detection and the monitoring of the voltage at the drain connection 9 should be activated, this level, for example, by a via the power transistor structure 7 switched load can be generated. The logic level H at the terminal 55 is through the inverter 53 converted to the logic level L and to the second input of the OR gate 54 created. Leads the output signal of the comparator 51 the logic level L, that is the voltage at the drain terminal 9 the power transistor structure 7 is below the fixed preset reference voltage 50 , the temperature detection is performed as described above.
Führt das Ausgangssignal des Komparators 51 den logischen Pegel H, das heißt die Spannung am Drain-Anschluss 9 der Leistungstransistorstruktur 7 liegt über der fest voreingestellten Referenzspannung 50 und damit in einem Bereich, der die Zerstörung des Halbleiterkörpers 1 zur Folge haben könnte, wird die Diodenstruktur 2 wiederum über den Transistor 49, angesteuert vom Ausgangssignal dem ODER-Gatter 54, kurzgeschlossen. Ein solcher Fall ist beispielsweise der des Avalanche, bei dem ein bereits aktiver, aus den beiden Diodenstrukturen 2 und 8 gebildeter, bipolarer Transistor die Schwachstelle bildet. Die Temperatur wird daher nur bei durchgeschaltetem Zustand der Leistungstransistorstruktur 7 und/oder bei Unterschreitung der durch die Spannung 50 vorgegebenen maximal zulässigen Laststreckenspannung überwacht.Leads the output signal of the comparator 51 the logic level H, that is, the voltage at the drain terminal 9 the power transistor structure 7 is above the fixed preset reference voltage 50 and thus in an area of destruction of the semiconductor body 1 could result in the diode structure 2 again via the transistor 49 , driven by the output signal of the OR gate 54 , shorted. Such a case is for example that of the avalanche, in which an already active, from the two diode structures 2 and 8th formed, bipolar transistor forms the vulnerability. The temperature therefore only becomes when the power transistor structure is switched through 7 and / or falls below by the voltage 50 monitored maximum permissible load path voltage.
Liegt der logische Pegel L (Leistungstransistorstruktur 7: „AUS”) an der Klemme 55 der Auswerteeinheit 3 an, wird die Temperaturerkennung deaktiviert. Dabei wird der logische Pegel L an der Klemme 55 über den Inverter 53 zunächst in den logischen Pegel H gewandelt und an den zweiten Eingang des ODER-Gatters 54 angelegt. Unabhängig vom Wert des am ersten Eingang des ODER-Gatters 54 anliegenden Pegels (vom Ausgang des Komparators 51) wird dadurch am Ausgang des ODER-Gatters 54 in jedem Fall ein Signal mit dem logischen Pegel H erzeugt und die Diodenstruktur 2 wiederum über den Transistor 49 kurzgeschlossen. Wie weiter oben ausgeführt, kann das Signal 20 in allen Fällen, in denen die Diodenstruktur 2 über den Transistor 49 kurzgeschlossen wird, nicht zur Übertemperaturerkennung herangezogen werden.If the logic level L (power transistor structure 7 : "OFF") at the terminal 55 the evaluation unit 3 on, the temperature detection is deactivated. The logic level L is at the terminal 55 over the inverter 53 first converted to the logic level H and to the second input of the OR gate 54 created. Regardless of the value of the first input of the OR gate 54 applied level (from the output of the comparator 51 ) is thereby at the output of the OR gate 54 in any case generates a signal with the logic level H and the diode structure 2 turn over the transistor 49 shorted. As stated above, the signal can 20 in all cases where the diode structure 2 over the transistor 49 is short-circuited, not be used for overtemperature detection.
Ebenfalls in 9 dargestellt ist eine weitere Ausführungsform des Spannungs-Strom-Wandlers 27 aus 7, der ein Versorgungspotential 47, einen Widerstand 56, einen Widerstand 61, einen Bipolartransistor 57, einen Bipolartransistor 58, einen Bipolartransistor 59 und einen Bipolartransistor 60 aufweist. Dabei ist der Transistor 57 mit seinem Kollektor-Anschluss über den Widerstand 56 mit dem Versorgungspotential 47 verbunden. Der Basis-Anschluss des Transistors 57 ist verbunden mit dem Basis-Anschluss des Transistors 58 und mit dem Kollektor-Anschluss des Transistors 57. Der Kollektor-Anschluss des Transistors 58 ist mit dem Knoten 29 verbunden, an dem der Strom 25 vom Spannungs-Strom-Wandler 24 und der Strom 26 in den Spannungs-Strom-Wandler 27 zum Zweck der Auswertung durch den Komparator 19 und damit zur Erzeugung des Signals 20 voneinander subtrahiert werden. Weiterhin verbunden sind der Emitter-Anschluss des Transistors 57 mit dem Kollektor-Anschluss des Transistors 59, der Emitter-Anschluss des Transistors 58 mit dem Kollektor-Anschluss des Transistors 60, der Emitter-Anschluss des Transistors 57 mit dem Basis-Anschluss des Transistors 60 und der Emitter-Anschluss des Transistors 58 mit dem Basis-Anschluss des Transistors 59. Der Emitter-Anschluss des Transistors 59 ist direkt, der Emitter-Anschluss des Transistors 60 über den Widerstand 61 an Masse gelegt. Wiederum ist der Grenzwert der Übertemperatur von der Umgebungstemperatur an der Auswerteeinheit 3 abhängig. Ebenso werden auch wieder durch geeignete Verwendung von Widerstandsbauteilen gleichen Materials für die Widerstände 32 und 61 in den Spannungs-Strom-Wandlern 24 und 27 die absoluten Genauigkeitstoleranzen dieser Widerstände und damit unterschiedliche, die Messgenauigkeit vermindernde Temperaturabhängigkeiten kompensiert und damit die absolute Genauigkeit der Übertemperaturerkennung deutlich erhöht.Also in 9 a further embodiment of the voltage-current converter is shown 27 out 7 , the supply potential 47 , a resistance 56 , a resistance 61 , a bipolar transistor 57 , a bipolar transistor 58 , a bipolar transistor 59 and a bipolar transistor 60 having. Here is the transistor 57 with its collector connection across the resistor 56 with the supply potential 47 connected. The base terminal of the transistor 57 is connected to the base terminal of the transistor 58 and to the collector terminal of the transistor 57 , The collector terminal of the transistor 58 is with the node 29 connected to the stream 25 from the voltage-to-current converter 24 and the stream 26 in the voltage-current converter 27 for the purpose of evaluation by the comparator 19 and thus to generate the signal 20 be subtracted from each other. Also connected are the emitter terminal of the transistor 57 with the collector terminal of the transistor 59 , the emitter terminal of the transistor 58 with the collector terminal of the transistor 60 , the emitter terminal of the transistor 57 with the base terminal of the transistor 60 and the emitter terminal of the transistor 58 with the base terminal of the transistor 59 , The emitter terminal of the transistor 59 is directly, the emitter terminal of the transistor 60 about the resistance 61 grounded. Again, the limit value of the overtemperature from the ambient temperature at the evaluation unit 3 dependent. Likewise, again by suitable use of resistance components of the same material for the resistors 32 and 61 in the voltage-current converters 24 and 27 the absolute accuracy tolerances of these resistors and thus different, the measurement accuracy reducing temperature dependencies compensated and thus significantly increases the absolute accuracy of the overtemperature detection.
In den Ausführungsbeispielen nicht gezeigt sind Anlaufschaltungen, die unter Umständen beim Einschalten der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung notwendig sein können, die aber für den prinzipielle Funktion der Schaltungsanordnung keine Bedeutung haben und daher der Übersichtlichkeit halber weggelassen wurden. Der Fachmann kann aber ohne Weiteres bekannte Anlaufschaltungen für den jeweiligen Zweck einsetzen.Not shown in the embodiments are start-up circuits, which may be necessary when switching the circuit arrangement according to the invention under circumstances, but for the basic function of the circuit arrangement have no meaning and therefore have been omitted for clarity. However, the person skilled in the art can readily use known start-up circuits for the respective purpose.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
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11
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HalbleiterkörperSemiconductor body
-
22
-
Diodenstruktur (z. B. Bulk-Source-Diode)Diode structure (eg bulk source diode)
-
33
-
Auswerteeinheitevaluation
-
44
-
Vergleichsschaltungcomparison circuit
-
55
-
Stromquellepower source
-
77
-
LeistungstransistorstrukturPower transistor structure
-
88th
-
Diodenstruktur (z. B. Bulk-Drain-Diode)Diode structure (eg bulk-drain-diode)
-
99
-
Drain-AnschlussDrain
-
1010
-
Lastwiderstandload resistance
-
1111
-
Versorgungspotentialsupply potential
-
1212
-
Source-AnschlussSource terminal
-
1313
-
Laststromload current
-
1414
-
Referenzstromreference current
-
1515
-
Body-AnschlussBody Connection
-
1616
-
Spannungtension
-
1717
-
Vergleichsspannungequivalent stress
-
1818
-
ReferenzspannungsquelleReference voltage source
-
1919
-
Komparatorcomparator
-
2020
-
Signalsignal
-
2121
-
Schaltungcircuit
-
2222
-
Vergleichsspannungequivalent stress
-
2323
-
Widerstandresistance
-
2424
-
Spannungs-Strom-WandlerVoltage-current converter
-
2525
-
Stromelectricity
-
2626
-
Stromelectricity
-
2727
-
Spannungs-Strom-WandlerVoltage-current converter
-
2828
-
Vergleichsspannungequivalent stress
-
2929
-
Knotenpunktjunction
-
3030
-
Operationsverstärkeroperational amplifiers
-
3131
-
MOS-FeldeffekttransistorMOS field effect transistor
-
3232
-
Widerstandresistance
-
3333
-
Spannungtension
-
3434
-
Versorgungspotentialsupply potential
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3535
-
MOS-FeldeffekttransistorMOS field effect transistor
-
3636
-
MOS-FeldeffekttransistorMOS field effect transistor
-
3737
-
MOS-FeldeffekttransistorMOS field effect transistor
-
3838
-
MOS-FeldeffekttransistorMOS field effect transistor
-
3939
-
MOS-FeldeffekttransistorMOS field effect transistor
-
4040
-
MOS-FeldeffekttransistorMOS field effect transistor
-
4141
-
Bipolartransistorbipolar transistor
-
4242
-
Bipolartransistorbipolar transistor
-
4343
-
Widerstandresistance
-
4444
-
Spannungtension
-
4646
-
Widerstandresistance
-
4747
-
Versorgungspotentialsupply potential
-
4848
-
Stromelectricity
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4949
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MOS-FeldeffekttransistorMOS field effect transistor
-
5050
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Referenzspannungreference voltage
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5151
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Komparatorcomparator
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5252
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Überwachungsschaltungmonitoring circuit
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5353
-
Inverterinverter
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5454
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ODER-GatterOR gate
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5555
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Klemmeclamp
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5656
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Widerstandresistance
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5757
-
Bipolartransistorbipolar transistor
-
5858
-
Bipolartransistorbipolar transistor
-
5959
-
Bipolartransistorbipolar transistor
-
6060
-
Bipolartransistorbipolar transistor
-
6161
-
Widerstandresistance
-
6262
-
Gate-AnschlussGate terminal
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6363
-
ODER-GatterOR gate
-
6464
-
ReferenzspannungsquelleReference voltage source
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6565
-
Komparatorcomparator
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6666
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MOS-FeldeffekttransistorMOS field effect transistor
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6767
-
Referenzspannungreference voltage
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6868
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NOR-GatterNOR gate
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100100
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HalbleiterbauelementSemiconductor device
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101101
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Temperatursensortemperature sensor
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102102
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LeistungstransistorstrukutrLeistungstransistorstrukutr
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103103
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Auswerteeinheitevaluation
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104104
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Diodenstrukturdiode structure
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105105
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Body-AnschlussBody Connection
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106106
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Referenzstromreference current
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107107
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Stromquellepower source
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108108
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Messspannungmeasuring voltage
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109109
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Vergleichsspannungequivalent stress
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110110
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ÜbertemperatursignalOver-temperature signal
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111111
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Komparatorcomparator
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112112
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Spannungsquellevoltage source
