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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterschaltanordnung mit einem selbstleitenden und einem selbstsperrenden Transistor, die jeweils eine Laststrecke und einen Ansteueranschluss aufweisen und deren Laststrecken in Reihe geschaltet sind.
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Eine solche Halbleiterschaltanordnung ist beispielsweise aus der
EP 0 063 749 B1 bekannt. Bei dieser bekannten Schaltanordnung ist ein n-JFET als selbstleitendes Bauelement in Reihe zu einem n-MOSFET als selbstsperrendes Bauelement geschaltet, wobei der Steueranschluss des JFET an den dem JFET abgewandten Lastanschluss des MOSFET angeschlossen ist. Eine solche Kaskodeschaltung mit einem JFET und einem MOSFET kann zum Schalten elektrischer Lasten eingesetzt werden. Ein Ansteuersignal muss hierbei nur für den MOSFET zur Verfügung gestellt werden, da der Schaltzustand des JFET aufgrund der erläuterten Verschaltung stets dem Schaltzustand des MOSFET folgt.
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Die Spannungsfestigkeit einer solchen Halbleiterschaltanordnung wird wesentlich durch die Spannungsfestigkeit des JFET bestimmt. Die Spannungsfestigkeit des MOSFET muss lediglich so hoch sein, dass er in der Lage ist, die zum Sperren des JFET erforderliche Ansteuerspannung zu sperren.
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Die
DE 10 2006 029 928 B3 beschreibt eine Kaskodeschaltung eines n-JFET und eines n-MOSFET bei der eine separate Ansteuerschaltung für den JFET vorgesehen ist. Der in Reihe zu dem JFET geschaltete MOSFET dient lediglich als Schutzelement, das im Falle eines Fehlers in der Ansteuerschaltung des JFET ein sicheres Abschalten des JFET gewährleisten soll. Der MOS-FET ist bei fehlerfreier Ansteuerschaltung dauerhaft leitend angesteuert. Bei dieser Schaltungsanordnung umfasst der Gatestromkreis, also der Stromkreis, in dem zur leitenden Ansteuerung des JFET ein Ladestrom und zur sperrenden Ansteuerung des JFET ein Entladestrom fließt, den MOSFET. Parasitäre Induktivitäten der Verbindungsleitung zwischen den beiden Transistoren, sowie parasitäre interne Induktivitäten des MOSFET können sich hierbei negativ auf die Schaltvorgänge zur leitenden und sperrenden Ansteuerung des JFET und insbesondere negativ auf Schaltgeschwindigkeit auswirken.
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Die
US-A-2005/0068068 beschreibt eine Schaltungsanordnung mit einem selbstleitenden Transistor und einem selbstsperrendem Transistor, deren Laststrecken in Reihe geschaltet sind und die differentiell angesteuert sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Halbleiterschaltanordnung mit einem selbstsperrenden und einem selbstleitenden Transistor zur Verfügung zu stellen, bei der die zuvor genannten Probleme nicht auftreten.
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Diese Aufgabe wird durch eine Halbleiterschaltanordnung nach Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Halbleiterschaltanordnung, mit einem selbstleitenden Halbleiterbauelement eines ersten Leitungstyps, das eine Laststrecke und einen Ansteueranschluss aufweist, und einem selbstsperrenden Halbleiterbauelement eines zu dem ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyps, das eine Laststrecke und einen Ansteueranschluss aufweist, dessen Laststrecke in Reihe zu der Laststrecke des ersten Halbleiterbauelements geschaltet ist. Die Halbleiterschaltanordnung umfasst außerdem eine erste Ansteuerschaltung, die zwischen den Ansteueranschluss des ersten Halbleiterbauelements und einen zwischen dem ersten und dem zweiten Halbleiterbauelement angeordneten Laststreckenanschluss des ersten Halbleiterbauelements (1) geschaltet ist, und eine zweite Ansteuerschaltung, die zwischen den Steueranschluss des zweiten Halbleiterbauelements und einen zwischen dem ersten und den zweiten Halbleiterbauelement angeordneten Laststreckenanschluss des zweiten Halbleiterbauelements geschaltet ist.
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Bei dieser Halbleiterschaltanordnung verläuft der Ansteuerstromkreis für das selbstsperrende Halbleiterbauelement nicht über das selbstsperrende Halbleiterbauelement, so dass sich parasitäre Induktivitäten und/oder Kapazitäten des selbstsperrenden Halbleiterbauelements nicht negativ auf die Ansteuerung des selbstleitenden Bauelements auswirken können.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das erste Halbleiterbauelement ein JFET und das zweite Halbleiterbauelement ein MOS-FET oder ein IGBT.
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Das erste Halbleiterbauelement kann ein n-leitendes Bauelement das zweite Halbleiterbauelement kann ein p-leitendes Bauelement sein, oder umgekehrt.
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Gemäß einem weiteren Beispiel ist vorgesehen, dass das selbstleitende Halbleiterbauelement der Halbleiterschaltanordnung aus einem ersten Halbleitermaterial und das selbstsperrende Halbleiterbauelement aus einem zweiten Halbleitermaterial besteht, wobei das erste Halbleitermaterial beispielsweise Siliziumkarbid (SIC) oder Galliumnitrid (GaN) und das zweite Halbleitermaterial beispielsweise Silizium ist. Eine solche Halbleiterschaltanordnung kombiniert die bezüglich Schaltgeschwindigkeit und Spannungsfestigkeit vorteilhaften Eigenschaften von Halbleitermaterialien wie SiC oder GaN, mit denen die Realisierung eines selbstsperrenden Bauelements allerdings schwierig ist, mit den guten Prozessierungseigenschaften von Silizium, die die Realisierung zuverlässiger selbstsperrender Bauelemente ermöglichen.
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Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen zur Erläuterung des Grundprinzips, so dass nur die zum Verständnis des Grundprinzips notwendigen Merkmale dargestellt sind. In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Bauelemente und Signale mit gleicher Bedeutung.
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1 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung mit einer Kaskodenschaltung eines selbstleitenden und eines selbstsperrenden Halbleiterbauelements, die jeweils eine Ansteuerschaltung aufweisen, und mit einem Entkopplungselement.
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2 veranschaulicht Ausführungsbeispiele des Entkopplungselements.
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3 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Halbleiterschaltanordnung, bei der die Ansteuerschaltungen eine gemeinsame Versorgungsspannung besitzen.
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4 veranschaulicht schematisch ein Realisierungsbeispiel für die Ansteuerschaltungen.
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1 zeigt ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Halbleiterschaltanordnung. Diese Halbleiterschaltanordnung umfasst ein selbstleitendes Halbleiterbauelement 1 eines ersten Leitungstyps, das einen Ansteueranschluss 11 und eine zwischen einem ersten Laststreckenanschluss 12 und einem zweiten Laststreckenanschluss 13 verlaufende Laststrecke aufweist. Die Halbleiterschltanordnung umfasst außerdem ein selbstsperrendes Halbleiterbauelement 2 eines zu dem ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyps, das einen Ansteueranschluss 21 und eine zwischen einem ersten Laststreckenanschluss 22 und einem zweiten Laststreckenanschluss 23 verlaufende Laststrecke aufweist. Die Laststrecken 12–13, 22–23 der beiden Halbleiterbauelemente 1, 2 sind in Reihe geschaltet, die beiden Halbleiterbauelemente 1, 2 bilden dadurch eine Kaskodenschaltung.
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Das selbstleitende Bauelement 1 ist in dem dargestellten Beispiel als selbstleitender Transistor, insbesondere als n-JFET ausgebildet, und das selbstsperrende Bauelement 2 ist in dem Beispiel als selbstsperrender Transistor, insbesondere als selbstsperrender (enhancement) MOSFET ausgebildet. Die Verwendung eines JFET als selbstleitendes Bauelement und eines MOSFET als selbstsperrendes Bauelement ist jedoch lediglich als Beispiel zu verstehen. So könnte als selbstleitendes Bauelement 1 auch ein selbstleitender (depletion) MOSFET und als selbstsperrendes Bauelement 2 auch ein Bipolartransistor oder ein IGBT verwendet werden. Darüberhinaus besteht auch die Möglichkeit, die Leitungstypen des selbstleitenden und des selbstsperrenden Bauelements 1, 2 zu vertauschen, das heißt als selbstleitendes Bauelement ein p-leitendes Bauelement und als selbstsperrendes Bauelement ein n-leitendes Bauelement zu verwenden.
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Die Halbleiterschaltanordnung weist außerdem eine erste Ansteuerschaltung 3 zur Ansteuerung des selbstleitenden Bauelements 1 und eine zweite Ansteuerschaltung 4 zur Ansteuerung des selbstsperrenden Bauelements 2 auf. Die erste Ansteuerschaltung 3 ist dazu ausgebildet, eine Ansteuerspannung Vg1 bzw. einen Ansteuerstrom Ig1 für das selbstleitende Halbleiterbauelement 1 zu erzeugen. Diese Ansteuerschaltung 3 ist hierzu zwischen den Ansteueranschluss 11 und den ersten Laststreckenanschluss 12 des selbstleitenden Bauelement geschaltet. Bei dem in 1 dargestellten n-JFET bildet der Ansteueranschluss 11 einen Gateanschluss, der erste Laststreckenanschluss 12 einen Sourceanschluss und der zweite Laststreckenanschluss 13 einen Drainanschluss. Die Ansteuerspannung Vg1 entspricht bei diesem Beispiel der Gate-Source-Spannung des JFET, und der Ansteuerstrom Ig1 dem Gatestrom des JFET.
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Die zweite Ansteuerschaltung 4 ist dazu ausgebildet, eine Ansteuerspannung Vg2 für das selbstsperrende Halbleiterbauelement 2 zu erzeugen. Diese Ansteuerschaltung 4 ist hierzu zwischen den Ansteueranschluss 21 und den ersten Laststreckenanschluss 22 geschaltet. Bei dem in 1 dargestellten p-MOSFET bildet der Ansteueranschluss 21 den Gateanschluss, der erste Laststreckenanschluss 22 den Sourceanschluss und der zweite Laststreckenanschluss 23 den Drainanschluss. Die durch die zweite Ansteuerschaltung 4 erzeugte Ansteuerspannung Vg2 entspricht der Gate-Source-Spannung des MOSFET.
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Die ersten Laststreckenanschlüsse bzw. Sourceanschlüsse 12, 22 an die die Ansteuerschaltungen 3, 4 angeschlossen sind, sind bei der Halbleiterschaltanordnung gemäß 1 jeweils zwischen den zwei Halbleiterbauelementen 1, 2 angeordnet. In dem dargestellten Beispiel sind diese Laststreckenanschlüsse 12, 22 unmittelbar elektrisch leitend miteinander verbunden. Optional besteht jedoch auch die Möglichkeit, weitere Bauelemente, wie zum Beispiel ein Widerstandsbauelement oder eine Diode zwischen den ersten Laststreckenanschluss 12, 22 vorzusehen.
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Bezugnehmend auf 1 umfasst die Schaltungsanordnung außerdem ein Entkopplungselement 5 mit einem ersten und zweiten Anschluss 51, 52, das zwischen den Ansteueranschluss 11 des selbstleitenden Bauelements 1 und einen Knoten für ein Ansteuerpotenzial geschaltet ist. Dieses Ansteuerpotenzial ist so gewählt, dass bei sperrender Ansteuerung des selbstsperrenden Halbleiterbauelements 2 das selbstleitende Bauelement 1 über das Entkopplungselement 5 sperrend angesteuert werden kann. In dem in 1 dargestellten Beispiel entspricht der Knoten für dieses Ansteuerpotenzial dem zweiten Laststreckenanschluss 23 des selbstsperrenden Bauelements 2.
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Die Halbleiterschaltanordnung mit dem selbstleitenden und dem selbstsperrenden Bauelement 1, 2 kann als Schalter für eine elektrische Last Z eingesetzt werden. Die Reihenschaltung der Laststrecken der Halbleiterbauelemente 1, 2 wird hierzu in Reihe zu der Last Z zwischen Klemmen für ein positives Versorgungspotenzial V+ und ein negatives Versorgungspotenzial bzw. Bezugspotenzial GND geschaltet, wie dies in 1 gestrichelt dargestellt ist. In dem dargestellten Beispiel dient die Halbleiterschaltanordnung als Low-Side-Schalter, ist also zwischen die Last Z und Bezugspotenzial GND geschaltet. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass diese Halbleiterschaltanordnung selbstverständlich auch als High-Side-Schalter eingesetzt werden kann, also zwischen das positive Versorgungspotenzial V+ und die Last geschaltet werden kann.
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Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, zwei solche Halbleiterschaltanordnungen vorzusehen, die zu einer Halbbrücke bzw. einem Inverter verschaltet sind. Eine erste der Halbleiterschaltanordnungen ist in diesem Fall zwischen eine Klemme für ein positives Versorgungspotenzial und einen Ausgang der Halbbrücke geschaltet, während eine zweite der Halbleiterschaltanordnungen zwischen den Ausgang und eine Klemme für ein negatives Versorgungspotenzial bzw. Bezugspotenzial geschaltet ist.
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Das selbstleitende Halbleiterbauelement 1 und das selbstsperrende Halbleiterbauelement 2 können über die Ansteuerschaltungen 3, 4 unabhängig voneinander leitend oder sperrend angesteuert werden. Für das in 1 dargestellte Beispiel eines n-JFET als selbstleitendes Bauelement 1 ist die Ansteuerspannung Vg1 zur leitenden Ansteuerung des JFET 1 beispielsweise Null oder eine positive Spannung und zur sperrenden Ansteuerung des JFET eine negative Spannung zwischen dem Gateanschluss 11 und dem Sourceanschluss 12. Für einen p-MOSFET als selbstsperrendes Bauelement 2 ist die Ansteuerspannung Vg2 zur leitenden Ansteuerung des Bauelements eine negative Spannung zwischen dem Gateanschluss 21 und dem Sourceanschluss 22 und zur sperrenden Ansteuerung des Bauelements Null oder eine positive Spannung.
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Bei der Halbleiterschaltanordnung sind das selbstsperrende Bauelement 2, die zweite Ansteuerschaltung 4 und das Entkopplungselement 5 aus Sicherheitsgründen vorhanden. Diese Schaltungskomponenten sollen eine sperrende Ansteuerung des selbstleitenden Bauelements 1 bewirken, wenn ein Fehler auftritt, der eine sperrende Ansteuerung des selbstleitenden Bauelements 1 über dessen Ansteuerschaltung 3 verhindert, oder wenn eine Spannungsversorgung der ersten Ansteuerschaltung nicht oder noch nicht ausreicht, um eine sperrende Ansteuerung des selbstleitenden Transistors zu erreichen. Letzteres ist beispielsweise beim Anlaufen der Halbleiterschaltanordnung der Fall, d. h. während einer Phase in der bereits eine Spannung über der Laststrecke anliegt und die Versorgungsspannung der Ansteuerschaltung 3 jedoch nicht bzw. noch nicht in ausreichendem Maße vorhanden ist. In einem normalen, das heißt fehlerfreien Betriebszustand der Halbleiterschaltanordnung, wird das selbstsperrende Bauelement 2 über die zweite Ansteuerschaltung 4 dauerhaft leitend angesteuert. Eine leitende und sperrende Ansteuerung bzw. ein Ein- und Ausschalten der Halbleiterschaltanordnung zum Schalten der Last Z erfolgt in fehlerfreiem Betriebszustand ausschließlich durch leitendes und sperrendes Ansteuern bzw. Ein- und Ausschalten des selbstleitenden Halbleiterbauelements 1 über die erste Ansteuerschaltung 3.
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Das selbstleitende Halbleiterbauelement 1 besteht beispielsweise aus Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrit (GaN) als Halbleitermaterial. Bauelemente aus diesen Halbleitermaterialien zeichnen sich im Vergleich zu Siliziumbauelementen durch eine höhere Spannungsfestigkeit bei einem gegebenen Einschaltwiderstand und durch höhere Schaltgeschwindigkeiten aus. Allerdings sind selbstsperrende Bauelemente in diesen Technologien nur mit gewissen Einschränkungen im Betrieb und in der Zuverlässigkeit herstellbar. Das selbstsperrende Halbleiterbauelement 2 besteht beispielsweise aus Silizium. Selbstsperrende Halbleiterbauelemente aus Silizium sind mit großer Zuverlässigkeit bzw. geringer Fehlerfreiheit herstellbar. Siliziumbauelemente besitzen zwar im Vergleich zu Bauelementen aus SiC oder GaN einen höheren Einschaltwiderstand. Bei der in 1 dargestellten Schaltung kann allerdings ein selbstsperrendes Bauelement 2 mit einer sehr geringen Spannungsfestigkeit gewählt werden, so dass auch dessen Einschaltwiderstand kaum ins Gewicht fällt. Die Spannungsfestigkeit des selbstsperrenden Bauelements 2 muss lediglich so hoch sein, dass dieses Bauelement in der Lage ist, die zum Sperren des selbstleitenden Bauelements 1 erforderliche Ansteuerspannung aufzunehmen.
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Das selbstleitende Bauelement 1 und das selbstsperrende Bauelement 2 weisen unvermeidlich parasitäre Induktivitäten auf, die in 1 mit L12, L13 für das selbstleitende Bauelement 1 und mit L22, L23 für das selbstsperrende Bauelement 2 bezeichnet sind. Diese parasitären Induktivitäten sind beispielsweise durch Metallisierungen und Verdrahtungen im Inneren der Bauelemente gebildet und können außerdem auch Induktivitäten von Bonddrähten und Anschlussbeinen von Gehäusen, in denen die Bauelemente integriert sind, umfassen. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass die beiden Bauelemente zur Reduktion solcher Induktivitäten auch in einem gemeinsamen Gehäuse, jedoch in getrennten Halbleiterkörpern, integriert sein können.
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Induktivitäten im Ansteuerstromkreis der Halbleiterbauelemente, insbesondere im Ansteuerstromkreis des für die Schaltvorgänge der Halbleiterschaltanordnung maßgeblichen selbstleitenden Bauelements 1, können das Schaltverhalten des Bauelements negativ beeinflussen. So können diese parasitären Induktivitäten beispielsweise schnelle Änderungen des Ansteuerstromfluss Ig1 verhindern, wie sie zum schnellen Ein- bzw. Ausschalten des Bauelements 1 allerdings erforderlich sind. Darüber hinaus können diese parasitären Induktivitäten zusammen mit parasitären Kapazitäten (nicht dargestellt) zu Schwingungen im Ansteuerstromkreis führen, die sich ebenfalls auf ein schnelles Ein- bzw. Ausschalten des selbstleitenden Bauelements 1 auswirken können.
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Darüber hinaus können parasitäre Induktivitäten im Lastkreis – also dem Stromkreis der von einem Laststrom durchflossen wird –, wie beispielsweise die in Figur dargestellten Induktivitäten L12, L13, L22, L23, bei raschen Stromänderungen, wie sie gerade beim Ein- und Ausschalten von SiC- oder GaN-Bauelementen auftreten können, zu induzierten Spannungen im Laststromkreis führen. Diese induzierten Spannungen können je nach Anschlussgestaltung (z. B. Lage des Punkts l2) auch in der elektrischen Masche des Ansteuerkreises bzw. Gatekreises wirksam werden und damit auf die unmittelbar am selbstleitenden Transistor 1 wirksame Steuerspannung zurückwirken, wodurch ein Gegenkopplungseffekt auftreten kann, der schnellen Schaltvorgängen entgegenwirkt. Dieser Effekt ist umso ausgeprägter, je größer die Induktivitäten sowie die Stromsteilheiten im Laststromkreis sind.
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Bei der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung sind parasitäre Induktivitäten im Ansteuerstromkreis dadurch minimiert, dass die Ansteuerschaltung 1 zwischen den Ansteueranschluss 11 und den ersten Laststreckenanschluss 12 geschaltet ist, so dass der Ansteuerstromkreis zwar die parasitäre Induktivität L12 am Sourceanschluss 12, nicht jedoch – wie bei bekannten derartigen Schaltungen – auch die parasitären Induktivitäten des selbstsperrenden Bauelements 2 umfasst.
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Wird bei der Halbleiterschaltanordnung ein Fehler bei der Ansteuerung des selbstleitenden Transistors 1 detektiert, so wird der selbstsperrende Transistor 2 über dessen Ansteuerschaltung 4 sperrend angesteuert. Gleichzeitig wird versucht, den selbstleitenden Transistor 1 über die erste Ansteuerschaltung sperrend anzusteuern, wobei bedingt durch einen Fehler in der ersten Ansteuerschaltung 3, die bereitgestellte Ansteuerspannung Vg1 möglicherweise nicht ausreicht, um den selbstleitenden Transistor 1 sicher zu sperren. Mit sperrender Ansteuerung des selbstsperrenden Transistors 2 steigt das elektrische Potenzial am Sourceanschluss 12 des selbstleitenden Transistors 1 an, wobei das elektrische Potenzial am Gateanschluss 11 des selbstleitenden Transistors 1 über das Entkopplungselement 5 auf dem elektrischen Potenzial am Drainanschluss des selbstsperrenden Transistors 2, d. h. in dem dargestellten Beispiel auf Bezugspotenzial gehalten wird. Der selbstleitende Transistor 1 wird dadurch sicher gesperrt.
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Aus Sicherheitsgründen erfolgt eine Ansteuerung des selbstleitenden Transistors 1 und des selbstsperrenden Transistors 2 derart, dass der selbstleitende Transistor 1 erst dann leitend angesteuert werden kann, wenn der selbstsperrende Transistor 2 bereits leitet. Andernfalls, könnte der selbstsperrende Transistor 2, der eine geringere Spannungsfestigkeit als der selbstleitende Transistor besitzen kann, durch die zwischen den Versorgungspotenzialklemmen V+, GND anliegende Lastspannung beschädigt oder zerstört werden. Außerdem wird der selbstsperrende Transistor 2 erst dann sperrend angesteuert wenn der selbstleitende Transistor 1 bereits sperrt bzw. wenn sich die erste Ansteuerschaltung 3 in einem Schaltzustand befindet, in dem eine sperrende Ansteuerung des selbstleitenden Transistors 1 erfolgen soll. Sofern eine hierfür bereitgestellte Ansteuerspannung Vg1 nicht ausreicht, sorgt der bereits sperrend angesteuerte selbstsperrende Transistor 2 in Verbindung mit dem Entkopplungselement 5 für ein sicheres Sperren der gesamten Halbleiterschaltanordnung.
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Gleiches gilt beim Anlaufen der Schaltung, d. h. während einer Phase nach dem Anlegen einer Lastspannung über der Reihenschaltung der Laststrecken 12–13 bzw. 22–23, wenn eine Versorgungsspannung der ersten Ansteuerschaltung 3 noch nicht ausreicht, eine zur sperrenden Ansteuerung des selbstleitenden Transistors 1 erforderliche Ansteuerspannung Vg1 zu erzeugen. Der selbstsperrende Transistor 2 ist zu diesem Zeitpunkt gesperrt und sorgt zusammen mit dem Entkopplungselement 5 für ein sicheres Sperren des selbstleitenden Transistors 1.
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Die leitende und sperrende Ansteuerung des selbstleitenden Transistors 1 und des selbstsperrenden Transistors 2 über die erste und zweite Ansteuerschaltung 3, 4 erfolgt beispielsweise abhängig von Steuersignalen S3, S4, die durch eine zentrale Steuerschaltung 6 (gestrichelt dargestellt) bereitgestellt werden. Diese Steuerschaltung 6 ist beispielsweise ein Mikrokontroller, der den Betrieb der Halbleiterschaltanordnung steuert und überwacht. Selbstverständlich besteht die Möglichkeit, die Steuerschaltung 6 und die Ansteuerschaltungen in einer gemeinsamen integrierten Schaltung vorzusehen. Die Steuerschaltung 6 sorgt über die Steuersignale S3, S4 für die zuvor erläuterte Betriebsweise, den selbstsperrenden Transistor 2 erst nach einer sperrenden Ansteuerung des selbstleitenden Transistors 1 leitend anzusteuern, und den selbstsperrenden Transistor 2 erst dann wieder zu sperren, wenn der selbstleitende Transistor 1 bereits sperrt oder sich dessen Ansteuerschaltung 3 in einem Zustand befindet, in dem der selbstleitende Transistor gesperrt werden soll.
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Der Steuerschaltung 6 kann ein Schaltsignal Sin zugeführt sein, das den Schaltzustand der Halbleiterschaltanordnung bestimmt. Die Steuerschaltung 6 setzt dieses Schaltsignal in die Steuersignale S3, S4 um, wobei im Normalbetriebszustand der selbstsperrende Transistor 2 dauerhaft leitend angesteuert ist und der selbstleitende Transistor 1 nach Maßgabe des Schaltsignals Sin leitet oder sperrt d. h. ein- oder ausgeschaltet ist. Nach ”außen” verhält sich diese Halbleiterschaltanordnung wie ein selbstsperrendes (normally-off) Halbleiterbauelement, d. h. wie beispielsweise ein selbstsperrender MOSFET oder ein IGBT.
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Die Steuersignale S3, S4 sind beispielsweise zweiwertige Steuersignale, die jeweils einen Ein-Pegel und einen Aus-Pegel annehmen können, wobei der zugehörige Transistor bei einem Ein-Pegel des Steuersignals S3, S4 über seine Steuerschaltung 3, 4 leitend und bei einem Aus-Pegel sperrend angesteuert wird. Wie erwähnt, wird im normalen Betriebszustand der Halbleiterschaltanordnung der selbstsperrende Transistor 2 dauerhaft leitend angesteuert.
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Bei Anlaufen der Schaltung bleibt der selbstsperrende Transistor 2 zunächst gesperrt, bis der selbstleitende Transistor 1 über dessen Ansteuerschaltung 3 sicher sperrend angesteuert ist. Ein solcher Anlaufzustand kann durch die Steuerschaltung 6 beispielsweise durch Auswerten einer Versorgungsspannung der ersten Ansteuerschaltung 3 detektiert werden. Reicht diese Versorgungsspannung nicht aus, um den selbstleitenden Transistor 1 sicher sperrend anzusteuern, so bleibt der selbstsperrende Transistor 2 zunächst gesperrt.
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Wird während des Betriebs der Halbleiterschaltanordnung ein Fehler dahingehend detektiert, dass die Versorgungsspannung der ersten Ansteuerschaltung 3 absinkt, so wird der selbstleitende Transistor 1 über dessen Ansteuerschaltung 3 sperrend angesteuert, und der selbstsperrende Transistor wird anschließend sperrend angesteuert. Idealerweise erfolgt eine sperrende Ansteuerung des selbstleitenden Transistors 1 noch bevor die Versorgungsspannung der ersten Ansteuerschaltung so weit abgesunken, dass die Versorgungsspannung nicht mehr ausreicht, um eine Ansteuerspannung Vg1 zur sperrenden Ansteuerung zu erzeugen. Nach einem Sperren des selbstsperrenden Transistors 2 sorgt dieser bei einem weiteren Absinken der Versorgungsspannung dafür, dass der selbstleitende Transistor 1 sicher gesperrt bleibt. Allerdings kann der selbstsperrende Transistor 2 auch dann für eine sperrende Ansteuerung des selbstleitenden Transistors sorgen, wenn die Amplitude der Ansteuerspannung Vg1 des selbstleitenden Transistors 1 nicht mehr ausreicht, um diesen Transistor 1 sicher zu sperren.
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Das Entkopplungselement 5 ist bezugnehmend auf 2A beispielsweise ein Schaltelement, das durch ein weiteres von der Steuerschaltung 6 geliefertes Steuersignal S5 angesteuert wird. Das Schaltelement wird beispielsweise dann leitend angesteuert, wenn ein fehlerhafter Betriebszustand (bzw. Anlauf) der Halbleiterschaltanordnung detektiert wird. Bezugnehmend auf 2B kann das Entkopplungselement 5 auch als Gleichrichterelement, insbesondere als Diode realisiert sein, das so verschaltet ist, dass das elektrische Potenzial am Ansteueranschluss des selbstleitenden Transistors 1 nur um den Wert der Flussspannung der Diode über das elektrische Potenzial am Drainanschluss des selbstsperrenden Transistors 2 bzw. Bezugspotenzial ansteigen kann.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleiterschaltanordnung, bei der die erste und die zweite Ansteuerschaltung 3, 4 eine gemeinsame Spannungsversorgung in Form einer gemeinsamen Spannungsquelle 7 besitzen. Diese Spannungsquelle 7 liefert eine Versorgungsspannung VGD, für die erste und die zweite Ansteuerschaltung 3, 4. Diese Versorgungsspannung wird durch die Steuerschaltung (in 3 nicht dargestellt) überwacht, um die zuvor erläuterten Sicherungsfunktionen zu erreichen.
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Das Vorsehen einer solchen gemeinsamen Spannungsversorgung ist deshalb möglich, weil die erste und die zweite Ansteuerschaltung 3, 4 jeweils Ansteuerspannungen Vg1, Vg2 liefern, die auf elektrische Potenziale an den ersten Laststreckenanschlüssen 12, 22 bezogen sind. Diese Laststreckenanschlüsse sind bei einem Ausführungsbeispiel unmittelbar leitend miteinander verbunden, so dass die Ansteuerspannungen Vg1, Vg2 in diesem Fall Ansteuerspannungen sind, die auf einem gemeinsamen Bezugspunkt bezogen sind. Das Vorsehen einer gemeinsamen Spannungsversorgung für die beiden Ansteuerschaltungen 3, 4 hilft den Schaltungsaufwand bei der Realisierung der Halbleiterschaltanordnung zu reduzieren.
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Die Ansteuerschaltungen 3, 4 umfassen in, dem dargestellten Beispiel jeweils eine Treiberschaltung 33, 34, von denen jede einen Ansteuereingang, einen Ansteuerausgang sowie Versorgungsspannungsanschlüsse aufweist. Die Versorgungsspannungsanschlüsse, der Treiberschaltungen 33, 34 sind an die gemeinsame Spannungsquelle 7 angeschlossen, die eine Versorgungsspannung VGD bereitstellt. Den Eingängen der Treiberschaltungen 33, 34 ist jeweils eines der Steuersignale S3, S4 zugeführt.
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Der Ansteuerausgang der ersten Treiberschaltung 33 ist an einen ersten Ausgang 31 der ersten Ansteuerschaltung 3 angeschlossen, und ein erster Versorgungsspannungsanschluss der ersten Treiberschaltung 33 ist an den zweiten Ausgang 32 der ersten Ansteuerschaltung 3 angeschlossen. Die erste Ansteuerschaltung 3 ist über diese Ausgänge 31, 32 zwischen den Ansteueranschluss 11 und den ersten Laststreckenanschluss 12 des selbstleitenden Transistors 1 geschaltet. Zwischen diesen Anschlüssen 31, 32 liegt die Ansteuerspannung Vg1 des selbstleitenden Transistors 1 an.
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In entsprechender Weise ist der Ansteuerausgang der zweiten Treiberschaltung 34 an einen ersten Ausgang 41 der zweiten Ansteuerschaltung 4 angeschlossen, und ein erster Versorgungsspannungseingang der zweiten Treiberschaltung 34 ist an einen zweiten Ausgang 42 der zweiten Ansteuerschaltung 4 angeschlossen. Die zweite Ansteuerschaltung 4 ist über diese Ausgänge 41, 42 zwischen den Ansteueranschluss 21 und den ersten Laststreckenanschluss 22 des selbstsperrenden Transistors 2 geschaltet. Zwischen diesen Anschlüssen 41, 42 liegt die Ansteuerspannung Vg1 des selbstsperrenden Transistors 2 an.
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Die Treiberschaltungen 33, 34 sind dazu ausgebildet, abhängig von den Ansteuersignalen S3, S4 die Ansteuerspannungen Vg1, Vg2 aus der Versorgungsspannung VGD zu erzeugen. Die Spannungsquelle 7 ist in dem dargestellten Beispiel so verschaltet, dass deren Pluspol an die ersten Laststreckenanschlüsse 12, 22 der Transistoren 1, 2 angeschlossen ist. Die Treiberschaltungen 33, 34 sind so mit der Spannungsquelle 7 verschaltet, dass die Treiberschaltungen 33, 34 in der Lage sind, aus dieser Versorgungsspannung VGD jeweils Ansteuerspannungen zu erzeugen, die zwischen Null und einem negativen Spannungswert liegen können, wobei der Betrag dieses negativen Spannungswertes dem Betrag der Versorgungsspannung VGD entsprechen kann. Wie erwähnt, leitet der n-JFET bei einer Ansteuerspannung Vg1 von Null und sperrt bei einer negativen Ansteuerspannung Vg1, während der p-MOSFET bei einer Ansteuerspannung Vg2 von Null sperrt und bei einer negativen Ansteuerspannung Vg2 leitet.
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Als Treiberschaltungen 33, 34 eignen sich beliebige Treiberschaltungen, die in der Lage sind, aus einer Versorgungsspannung nach Maßgabe eines Steuersignals, wie beispielsweise der Steuersignale S3, S4, Ansteuerspannungen für Transistoren zu erzeugen.
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4 veranschaulicht vereinfacht die Funktionsweise solcher Treiberschaltungen 33, 34. Die Treiberschaltungen 33, 34 weisen bei diesem Beispiel Umschalter auf, die durch die Steuersignale S3, S4 angesteuert sind und die jeweils zwei unterschiedliche Schalterstellungen annehmen können, wobei in einer ersten Schalterstellung die Ansteueranschlüsse 11, 21 der Transistoren 1, 2 mit deren ersten Laststreckenanschlüssen 12, 22 kurzgeschlossen sind, so dass die Ansteuerspannungen Vg1, Vg2 jeweils Null sind, wobei in diesem Fall der selbstleitende Transistor 1 leitend und selbstsperrende Transistor 2 sperrend angesteuert ist. In einer zweiten Schalterstellung ist die Spannungsquelle 7 derart zwischen die Ansteueranschlüsse 11 bzw. 21 und die ersten Laststreckenanschlüsse 12 bzw. 22 geschaltet, dass die Ansteuerspannung Vg1, Vg2 jeweils negative Spannungen sind, deren Betrag dem Betrag der Versorgungsspannung VGD entspricht. In diesem Fall sperrt der selbstleitende Transistor 1 und der selbstsperrende Transistor 2 leitet. Reicht die Versorgungsspannung VGD beim Anlaufen oder aufgrund eines Fehlers nicht aus, um den selbstleitenden Transistors 1 sperrend anzusteuern, so kann in dieser Schalterstellung der ersten Treiberschaltung 33 durch Sperren des selbstsperrenden Transistors 2 in Verbindung mit dem Entkopplungselement 5 eine Ansteuerspannung Vg1 erzeugt werden, durch die der selbstleitende Transistor 1 sperrt. Die ”zweite Schalterstellung” der ersten Treiberschaltung 33 entspricht dem Zustand der ersten Treiberschaltung, bei dem der selbstleitende Transistor 1 sperrend angesteuert werden soll.
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In 4 sind die Schalterstellungen so gewählt, dass sich die Umschalter jeweils in der zweiten Schalterstellung befinden, so dass für die Ansteuerspannung Vg1 des selbstleitenden Transistors Vg1 = –VGD gilt und dass für die Ansteuerspannung Vg2 des selbstsperrenden Transistors Vg1 = –VGD gilt. Hierdurch leitet der selbstsperrende Transistor 2 und der selbstleitende Transistor 1 sperrt. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die Ansteuerspannung in grundsätzlich beliebiger Weise aus der Versorgungsspannung VGD abgeleitet werden kann. So kann die maximale Amplitude der Ansteuerspannungen Vg1, Vg2 durch geeignete Schaltungsmaßnahmen, wie beispielsweise Spannungsteiler, auch so eingestellt werden, dass sie kleiner ist als die Amplitude der Versorgungsspannung.
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Die gemeinsame Spannungsquelle 7 ist eine floatende Spannungsquelle, die mittels herkömmlicher Schaltungsmittel, wie zum Beispiel Ladungspumpen realisiert werden kann.
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Abschließend sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel erläutert wurden, auch dann mit Merkmalen anderer Ausführungsbeispiels kombiniert werden können, wenn dies zuvor nicht explizit erwähnt wurde.
