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Die Erfindung betrifft einen Leistungstransistor mit mehreren Transistorzellen und einem Wärmesensor und eine Schaltung mit einem derartigen Leistungstransistor.
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Leistungstransistoren werden üblicherweise mit starken Strömen und hohen Spannungen verwendet und können sich deshalb übermäßig erhitzen. Übermäßige Verlustleistung kann auch zu einer hohen Temperatur des Leistungstransistors führen. Um den Leistungstransistor vor Wärmeschaden zu schützen, wird die Temperatur des Leistungstransistors bestimmt, um Schutzmaßnahmen zu ergreifen, wie beispielsweise den Stromfluß durch den Leistungstransistor zu reduzieren.
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Durch die
US 5 434 443 A ist Halbleiterschalter mit einem Leistungsfeldeffekttransistor und einer integrierten Temperaturschutzschaltung bekannt. Der Halbleiterschalter weist eine Vielzahl von Transistorzellen auf, von denen einige den Leistungsfeldeffekttransistor bilden und einige zu einer in Sperrrichtung gepolten Diode verschaltet sind, die den Temperatursensor bildet. Die Temperaturschutzschaltung erfasst den Strom durch die Diode und schließt abhängig von der Temperatur ein Steuersignal des Leistungsfeldeffekttransistors gegen Masse kurz. Die Temperaturschutzschaltung selbst wird über den Drainanschluss des Leistungsfeldeffekttransistors und einem getrennten Versorgungsspannungsanschluss für die Temperaturschutzschaltung mit Strom versorgt.
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Durch die
US 5 994 752 A ist aus Zellen aufgebauter Feldeffekttransistor mit mehreren Zellenfeldern und mehreren Temperatursensoren bekannt. Die Ansteuerung des Feldeffekttransistors geschieht mittels einer Treiberschaltung, die bei zu hoher Temperatur abschaltet oder den Strom reduziert.
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Durch die
US 3 555 358 A ist eine Schaltung zum Schutz eines Halbleiterverstärkers gegen Überlast bekannt. Die Schutzschaltung weist eine Einschaltverzögerung auf, um den Halbleiterverstärker bei nur kurz andauernden Lastspitzen nicht abzuschalten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Temperaturschutz für Leistungstransistoren, der eine genaue Beobachtung der Temperatur des Leistungstransistors bei geringem zusätzlichem Aufwand ermöglicht. Erfindungsgemäß wird diese Ausgabe durch einen Leistungstransistor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Die Unteransprüche definieren jeweils bevorzugte Weiterbildungen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfaßt ein Leistungstransistor einen Leistungstransistorkörper mit mehreren Leistungstransistorzellen jeweils mit einer Steuerelektrode und einem Stromweg. Ein Temperatursensor wird durch mindestens eine Transistorzelle mit einer Steuerelektrode und einem Stromweg in dem Leistungshalbleiterkörper gebildet, deren Steuerelektrode an eine Elektrode des Stromwegs gekoppelt ist, wodurch ein umgekehrt vorgespannter pn-Übergang ausgebildet wird. Der Leistungstransistor weist weiterhin einen Drainanschluß, einen Sourceanschluß, einen Steueranschluß und eine Steuerschaltung auf. Der Drainanschluß ist an die Drainelektrode jeder Leistungstransistorzelle und an die Drainelektrode der mindestens einen Temperaturerfassungszelle gekoppelt, der Sourceanschluß ist an die Sourceelektrode jeder Leistungstransistorzelle gekoppelt und der Steueranschluß ist an die Steuerschaltung gekoppelt.
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Der Leistungstransistor ist dazu ausgebildet, in einer Aus-Phase des Leistungstransistors zwischen dem Drainanschluß und dem Sourceanschluß eine Spannung bereitzustellen, die es ermöglicht, eine Temperaturmessung durchzuführen und die Steuerschaltung zu bestromen, um die Aktivierung der Leistungstransistorzellen zu blockieren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Leistungstransistor ein MOS-Leistungstransistor, der einen Leistungshalbleiterkörper mit mehreren Leistungstransistorzellen umfaßt, die jeweils eine Gateelektrode, ein Draingebiet und ein Sourcegebiet aufweisen. Der MOS-Leistungstransistor umfaßt weiterhin mindestens eine Temperaturerfassungszelle, die durch mindestens eine MOS-Transistorzelle in dem Leistungshalbleiterkörper ausgebildet wird, deren Gateelektrode an ihr Sourcegebiet gekoppelt ist, wodurch ein umgekehrt vorgespannter pn-Übergang ausgebildet wird. Eine Steuerschaltung ist vorgesehen, die an die mindestens eine Temperaturerfassungszelle und an die Gateelektroden der mehreren Leistungstransistorzellen gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, einen Leckstrom durch die mindestens eine Temperaturerfassungszelle zu bestimmen und die Leistungstransistorzellen zu deaktivieren, wenn der Leckstrom einen Temperaturschwellwert übersteigt, wobei die Draingebiete der Leistungstransistorzellen und der mindestens einen Temperaturerfassungszelle zusammengekoppelt sind.
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Es wird auch ein Verfahren offenbart zum Steuern eines Leistungstransistors, der mehrere Leistungstransistorzellen umfaßt. Bei einer Ausführungsform wird der Leistungstransistor für höchstens eine maximale Einschaltzeit periodisch eingeschaltet. Die maximale Einschaltzeit ist kurz genug, um die Temperatur, die von den mehreren Leistungstransistorzellen während der maximalen Einschaltzeit erreicht werden kann, auf einen Wert zu begrenzen, der für die mehreren Leistungstransistorzellen akzeptabel ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.
- 1 ist ein Diagramm einer Schaltung, die einen Leistungstransistor gemäß einer Ausführungsform verwendet.
- 2 ist ein Diagramm einer Schaltung, die einen Leistungstransistor gemäß einer weiteren Ausführungsform verwendet.
- 3 ist ein Schaltungsdiagramm eines Leistungstransistors gemäß einer Ausführungsform.
- 4 ist eine Draufsicht auf einen Leistungshalbleiterkörper, der Transistorzellen des Leistungstransistors gemäß einer weiteren Ausführungsform umfaßt.
- 5 ist ein Schaltungsdiagramm einer Steuerschaltung, die mit einem Leistungstransistor gemäß einer weiteren Ausführungsform verwendet wird.
- 6 ist eine Seitenansicht eines Leistungstransistors gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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1 zeigt eine Schaltungsanordnung, die einen Leistungstransistor 1 zum Steuern eines Stroms durch eine elektrische Komponente 4 enthält. In einer Ausführungsform ist die elektrische Komponente 4 eine zu bestromende Last. Der Transistor 1 und die elektrische Komponente 4 sind zwischen zwei Versorgungsspannungsanschlüssen 2, 3 in Reihe geschaltet. Bei dieser Ausführungsform ist der Versorgungsspannungsanschluß 2 an ein positives Potential und der Versorgungsspannungsanschluß 3 an ein negatives Potential gekoppelt. Der Transistor 1 ist ein n-Kanal-MOS-Transistor mit einem an den negativen Versorgungsanschluß 3 gekoppelten Sourcegebiet und einem an die elektrische Komponente 4 gekoppelten Draingebiet. Bei dieser Konfiguration kann der Transistor 1 auch als der untere beziehungsweise Low-Side-Transistor bezeichnet werden.
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Der Transistor 1 umfaßt weiterhin eine Gateelektrode, die an einen Ausgang einer Steuerschaltung 7 gekoppelt ist. Ein Eingang der Steuerschaltung 7 ist an einen Steueranschluß 5 gekoppelt. Die Steuerschaltung 7 ist dafür ausgelegt, ein an ihrem Eingang empfangenes Steuersignal zu verarbeiten und die Gateelektrode des Transistors 1 in Abhängigkeit von dem Steuersignal zu steuern. Bei einer Ausführungsform enthält die Steuerschaltung 7 einen Sicherheitsmechanismus, der die Aktivierung des Transistors 1 im Fall einer zu hohen Temperatur oder im Fall von anderen gefährlichen Betriebsbedingungen blockiert. Bei anderen Ausführungsformen ist die Steuerschaltung 7 dafür ausgelegt, das Steuersignal zu formen, indem es beispielsweise verstärkt wird, bevor es an die Gateelektrode des Transistors 1 angelegt wird, oder indem das Steuersignal mit einem Schwellwert verglichen und der Transistor 1 nur dann durchgeschaltet wird, wenn das Steuersignal den Schwellwert übersteigt.
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2 zeigt eine weitere Schaltungsanordnung, die einen ersten Leistungstransistor 1 umfaßt, der mit einem zweiten Leistungstransistor 1 zwischen zwei Spannungsversorgungsanschlüssen 2, 3 in Reihe geschaltet ist. Der erste Transistor 1 ist an den Versorgungsspannungsanschluß 2 und der zweite Transistor 1 an den Versorgungsspannungsanschluß 3 gekoppelt. Beide Transistoren 1 sind n-Kanal-MOS-Transistoren. Der zweite Transistor 1 umfaßt auch eine an einen Steueranschluß 5 gekoppelte Gateelektrode. Der Verbindungspunkt zwischen beiden Transistoren 1 ist an einen Ausgangsanschluß 6 gekoppelt. In dieser Konfiguration kann der erste Transistor 1 als ein unterer Transistor und der zweite Transistor 1 als ein oberer beziehungsweise High-Side-Transistor bezeichnet werden.
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Die Energie der in einem Transistor 1 abgeführten Leistung kann zu einer zu hohen Temperatur des Transistors 1 führen und kann ihn beschädigen. Daher umfaßt jeder Transistor 1 einen Temperatursensor.
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Die in den Ausführungsformen in 1 und 2 gezeigten Schaltungsanordnungen sind Teile von Schaltnetzteilen. Ein Schaltnetzteil kann beispielsweise ein impulsbreitenmodulierter Treiber sein.
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3 zeigt eine Ausführungsform eines Leistungstransistors 1, der mehrere MOS-Transistorzellen 9, 10 umfaßt. Jede der mehreren MOS-Transistorzellen 9, 10 umfaßt eine Gateelektrode, eine Sourceelektrode und eine Drainelektrode. Alle MOS-Transistorzellen 9, 10 sind innerhalb eines einzelnen Leistungshalbleiterkörpers ausgebildet. Die MOS-Transistorzellen 9, 10 sind bei einer Ausführungsform in einem Array angeordnet. Die MOS-Transistorzellen 9, 10 umfassen mehrere Leistungstransistorzellen 9 und mindestens eine Temperaturerfassungszelle 10, wodurch ein Temperatursensor ausgebildet wird. Bei der gezeigten Ausführungsform gibt es eine Temperaturerfassungszelle 10 und fünf Leistungstransistorzellen 9.
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Die Draingebiete aller MOS-Transistorzellen 9, 10 sind zusammen an eine Drainverbindung 11 gekoppelt. Die Sourcegebiete der Leistungstransistorzellen 9 sind zusammen an eine Sourceverbindung 12 gekoppelt. Die Gateelektroden der Leistungstransistorzellen 9 sind zusammen an eine Gateverbindung 13 gekoppelt. Somit sind alle Leistungstransistorzellen 9 parallel geschaltet, wodurch ein Leistungstransistor mit einer Gateverbindung 13, einer Drainverbindung 11 und einer Sourceverbindung 12 entsteht.
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Die Gateelektrode der Temperaturerfassungszelle 10 ist an das Sourcegebiet der Temperaturerfassungszelle 10 gekoppelt, wodurch ein umgekehrt vorgespannter pn-Übergang ausgebildet wird. Das Sourcegebiet der Temperaturerfassungszelle 10 ist an eine Temperaturerfassungsverbindung 14 gekoppelt. Wenn eine Spannung an den Temperatursensor 10 angelegt wird, fließt somit ein Leckstrom, der von der Temperatur der Temperaturerfassungszelle 10 abhängt. Durch Messen dieses Leckstroms kann die Temperatur des Leistungshalbleiterkörpers bestimmt werden.
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Bei anderen Ausführungsformen kann es mehr als eine Temperaturerfassungszelle 10 geben. Wenn es mehrere Temperaturerfassungszellen 10 gibt, können mehrere oder alle der mehreren Temperaturerfassungszellen 10 parallel gekoppelt sein, wodurch ein Temperatursensor ausgebildet wird. Wenn mehr als eine Temperaturerfassungszelle 10 vorgesehen ist, können die Temperaturerfassungszellen 10 voneinander beabstandet angeordnet sein, wobei mindestens eine Leistungstransistorzelle 9 sich dazwischen befindet.
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4 zeigt einen Leistungshalbleiterkörper 16, der den Transistor von 3 umfaßt. Der Leistungshalbleiterkörper 16 ist ein Siliziumchip, in dem mehrere Leistungstransistorzellen 9 und eine Temperaturerfassungszelle 10 ausgebildet sind. Die Temperaturerfassungszelle 10 befindet sich zwischen Leistungstransistorzellen 9.
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Die mehreren Leistungstransistorzellen 9 und die Temperaturerfassungszelle 10 sind Längszellen und bei einer Ausführungsform alle vom gleichen Typ. Bei anderen Ausführungsformen kann die Gestalt für die mehreren Leistungstransistorzellen 9 und die Temperaturerfassungszelle 10 auch unterschiedlich sein.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Sourceverbindung 12 und die Gateverbindung 13 der Leistungstransistorzelle 9 Pads auf der Oberseite des Leistungshalbleiterkörpers 16. Auch die Temperaturerfassungsverbindung 14 der Temperaturerfassungszelle 10 ist bei dieser Ausführungsform ein Pad auf der Oberseite des Leistungshalbleiterkörpers 16. Die Drainverbindung der Transistorzelle 9, 10 befindet sich auf der Rückseite des Leistungshalbleiterkörpers 16.
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Bei weiteren Ausführungsformen umfassen die Leistungstransistoren 1 eine Steuerschaltung zum Messen der Temperatur des Leistungshalbleiterkörpers 16. Die Steuerschaltung ist an den Temperatursensor 10 gekoppelt und ist dafür ausgelegt, einen durch den Temperatursensor 10 fließenden Strom zu messen. Bei einer Ausführungsform ist die Steuerschaltung in der Verbindung zu den Gateelektroden der Leistungstransistorzelle 9 angeordnet. Somit besitzt die Steuerschaltung die Kontrolle über das an die Gateelektrode der Leistungstransistoren 9 angelegte Signal und kann einen Stromfluß durch die Leistungstransistorzelle 9 reduzieren, wenn die Temperatur zu hoch ist. Durch Reduzieren des Stroms und damit der Verlustleistung kann die Temperatur des Leistungstransistors 1 reduziert werden. Die Steuerschaltung kann mit dem Leistungstransistor in einem Gehäuse integriert sein.
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5 zeigt eine Steuerschaltung gemäß einer Ausführungsform zusammen mit einer Temperaturerfassungszelle 10. Die Drainelektrode der Temperaturerfassungszelle 10 ist an die Drainverbindung 11 des Leistungstransistors gekoppelt und ist innerhalb des Leistungshalbleiterkörpers 16 ausgebildet. Die Sourceelektrode der Temperaturerfassungszelle 10 ist in Reihe zuerst mit einem Widerstand 23 und dann mit einer Stromquelle 24 an ein Massepotential gekoppelt, das bei dieser Ausführungsform die Sourceverbindung 12 des Leistungstransistors 1 ist. Die Stromquelle 24 ist parallel zu einer umgekehrt vorgespannten Zener-Diode gekoppelt. Der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 23 und der Stromquelle 24 ist an einen Eingang einer Deaktivierungsschaltung 22 gekoppelt. Die Drainverbindung 11 des Leistungstransistors 1 ist an einen Eingang eines Hochpaßfilters 21 gekoppelt, dessen Ausgang an einen weiteren Eingang der Deaktivierungsschaltung 22 gekoppelt ist.
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Der Strom durch die Temperaturerfassungszelle 10, den Widerstand 23 und die Stromquelle 24 verursacht einen Spannungsabfall an der Stromquelle 24. Sobald der Strom durch die Temperaturerfassungszelle 10 den Nennwert für den Strom der Stromquelle 24 übersteigt, steigt die Spannung an der Stromquelle 24 an. Die Deaktivierungsschaltung 22 ist dafür ausgelegt, diesen Spannungsanstieg an der Stromquelle 24 zu detektieren. Der Spannungsanstieg an der Stromquelle 24 wird durch die Zener-Diode 25 begrenzt. Weiterhin ist die Deaktivierungsschaltung 22 dafür ausgelegt, das Ausgangssignal des Hochpaßfilters 21 zu messen und ein Deaktivierungssignal zu erzeugen, wenn die Spannung an der Stromquelle 24 über einem Temperaturschwellwert liegt und der Ausgang des Hochpaßfilters 21 unter einem Filterschwellwert liegt.
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Das Ausgangssignal des Hochpaßfilters 21 zeigt an, ob sich das Potential an der Drainverbindung 11 ändert. Wenn sich das Potential an der Drainverbindung 11 ändert, werden die inneren Kapazitäten des Leistungstransistors 1 geladen oder entladen. Diese Ladeprozesse können Stromflüsse durch die Transistorzellen 9, 10 bewirken und können die Bestimmung der Temperatur durch Messen des Stroms durch die Temperaturerfassungszelle 10 beeinflussen. Somit kann durch Erzeugen des Deaktivierungssignals eine Deaktivierung bei einer akzeptablen Temperatur nur aufgrund der Spannungsänderungen an der Drainverbindung 11 nur dann vermieden werden, wenn das Ausgangssignal des Hochpaßfilters 21 unter einem Filterschwellwert liegt.
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6 zeigt eine Ausführungsform des Leistungstransistors 1, der eine Steuerschaltung in einem getrennten Steuerhalbleiterkörper 17 umfaßt. Die Transistorzellen 9, 10 sind in einem Leistungshalbleiterkörper 16 ausgebildet. Der Leistungshalbleiterkörper 16 und der Steuerhalbleiterkörper 17 sind Chip-on-Chip auf einem Systemträger beziehungsweise Leadframe 15 montiert.
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Der Systemträger 15 umfaßt Pins 26 zum Anschließen des Leistungstransistors 1. Bei der gezeigten Ausführungsform umfaßt der Leistungstransistor 1 zwei Pins 26, die sich in der gleichen Ebene wie der Systemträger 15 befinden. Ein Pin 26 wird verwendet, um einen Steuereingang 5 des Transistors 1 anzuschließen. Ein weiterer Pin 26 wird dazu verwendet, die Sourcegebiete der Leistungstransistorzellen 9 anzuschließen. Die Draingebiete der Transistorzellen 9, 10 sind durch die Rückseite des Leistungshalbleiterkörpers 16 an den Systemträger 15 gekoppelt. Um die Steuerschaltung 7 in dem Steuerhalbleiterkörper 17 und die Transistorzellen 9, 10 in dem Leistungshalbleiterkörper 16 mit den jeweiligen Pins 26 zu verbinden, sind Bonddrähte 18, 19, 20 vorgesehen. Die Bonddrähte 18 koppeln die Gateverbindung 13 der Leistungstransistorzelle 9 und die Gateelektrode der Temperaturerfassungszelle 10 an die Steuerschaltung 7. Der Bonddraht 20 koppelt die Sourceverbindung 12 an den jeweiligen Pin 26.
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Die Halbleiterkörper 16, 17 und die Bonddrähte 18, 19, 20 sind weiterhin in einem Isoliermaterial gekapselt.
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Bei einer weiteren Ausführungsform jedoch kann die Steuerschaltung 7 auch in dem gleichen Halbleiterkörper wie die Transistorzellen 9, 10 ausgebildet sein.
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Bei einer Ausführungsform umfaßt der Leistungstransistor 1 drei Anschlüsse. Ein erster Anschluß ist an die Draingebiete der Transistorzellen 9, 10 gekoppelt. Ein zweiter Anschluß ist an die Sourcegebiete der Leistungstransistorzellen 10 gekoppelt, und ein dritter Anschluß ist an einen Eingang der Steuerschaltung 7 gekoppelt.
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Wenn der Leistungstransistor 1 in einer Schaltnetzteil-Schaltungsanordnung verwendet wird, kann die Temperatur der Temperaturerfassungszelle 9 während der Aus-Phase des Leistungstransistors 1 bestimmt werden. In der Aus-Phase, wenn es keinen Stromfluß durch die Leistungstransistorzelle 10 gibt, gibt es eine hohe Spannung zwischen Drainelektrode und Sourceelektrode des Leistungstransistors 1, die die Temperaturmessung und das Bestromen der Steuerschaltung 7 ermöglicht, um die Aktivierung der Leistungstransistorzellen 10 zu blockieren. Die Steuerschaltung 7 kann so ausgelegt sein, dass das Ergebnis der Temperaturmessung während einer Aus-Phase gespeichert wird, um es während einer oder insbesondere der unmittelbar darauffolgenden Ein-Phase zu verwenden und beispielsweise in Abhängigkeit davon den Leistungstransistor 1 zu deaktivieren oder die Ansteuerung des Leistungstransistors 1 zu verändern. Alternativ kann die Steuerschaltung 7 so ausgelegt sein, dass sie das Ergebnis der Temperaturmessung während einer Aus-Phase noch während derselben Aus-Phase verarbeitet, in Abhängigkeit davon ein Aktivierungsstatussignal erzeugt und es speichert. Die Steuereinrichtung 7 kann später in einer Ein-Phase in Abhängigkeit des gespeicherten Aktivierungsstatussignals den Leistungstransistor 1 beziehungsweise die Leistungstransistorzellen 10 steuern.
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Zur Speicherung des Ergebnisses der Temperaturmessung oder des Aktivierungsstatussignals kann in der Steuereinrichtung 7 oder im Leistungstransistor 1 ein Speicherelement vorgesehen sein. Das Speicherelement kann ein nichtflüchtiges Speicherelement sein, um den Speicherinhalt auch während der Ein-Phase bereitstellen zu können, in der die Spannung über dem Leistungstransistor 1 niedrig ist und gegebenenfalls auch nur eine sehr niedrige Spannung für die Steuerschaltung 7 zur Verfügung steht.
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In der Ein-Phase fließt ein starker Strom durch den Leistungstransistor 1, und die Spannung zwischen Drainelektrode und Sourceelektrode ist niedrig und kann zu niedrig sein, um eine Temperaturmessung durchzuführen. Wenn ein Kurzschluß eintritt oder der Stromfluß während dieser Ein-Phase zu hoch wird, kann die reduzierte Spannung eine Temperaturbestimmung verhindern oder die Schutzschaltung arbeitet möglicherweise nicht. In diesem Fall würde die Temperatur des Leistungstransistors 1 bis zur nächsten Aus-Phase ansteigen. Da in einem Schaltnetzteil die Ein-Phase zeitlich begrenzt ist, ist der Temperaturanstieg begrenzt. Während der folgenden Aus-Phase ist die Spannung an der Drainelektrode und Sourceelektrode wieder hoch, und die Temperatur kann gemessen werden. Wenn eine zu hohe Temperatur detektiert wird, wird der Leistungstransistor deaktiviert und der Stromfluß in der nächsten Ein-Phase blockiert.
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Die Ein-Phase ist ausreichend kurz, um den Temperaturanstieg, der durch die mehreren Leistungstransistorzellen erreicht werden kann, auf einen akzeptablen Wert zu begrenzen. Dies kann erreicht werden, da der Leistungstransistor eine bestimmte Wärmekapazität aufweist, die den Temperaturanstieg der Leistungstransistorzellen begrenzt.
