DE102010039904B4

DE102010039904B4 - Umgebungstemperaturabhängiger thermischer Schutz von Leistungsbauelementen

Info

Publication number: DE102010039904B4
Application number: DE102010039904.3A
Authority: DE
Inventors: Donald Dibra
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2009-08-27
Filing date: 2010-08-27
Publication date: 2019-02-21
Anticipated expiration: 2030-08-28
Also published as: DE102010039904A1; US20110051302A1

Abstract

Verfahren zum Schützen einer Schaltungsanordnung mit einem integrierten, Leistung dissipierenden Bauelement (1), wobei das Leistung dissipierende Bauelement (1) einen Steueranschluss (11) zum Zuführen eines Steuersignals (S6) aufweist, wobei das Verfahren aufweist:
Messen einer Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen Temperaturen (T1, T2) an einer ersten Position (P1) und einer zweiten Position (P2) der Schaltungsanordnung, wobei die zweite Position (P2) beabstandet zu der ersten Position (P1) liegt;
Erzeugen eines thermischen Schutzsignals (S2) und Erzeugen des Steuersignals (S6) abhängig von dem thermischen Schutzsignal (S2);
wobei das thermische Schutzsignal (S2) einen ersten Signalpegel annimmt, wenn die Temperaturdifferenz (ΔT) auf eine erste Temperaturdifferenzschwelle (ΔTref1) ansteigt, und einen zweiten Signalpegel annimmt, wenn die Temperaturdifferenz (ΔT) auf eine zweite Temperaturdifferenzschwelle (ΔTref2) absinkt,
wobei wenigstens eine der ersten und zweiten Temperaturdifferenzschwellen (ΔTref1, ΔTref2) abhängig ist von der Temperatur an der zweiten Position (P2) oder an einer dritten Position (P3) der Schaltungsanordnung, und
wobei die zweite Temperaturdifferenzschwelle (ΔTref2) wenigstens für einen vorgegebenen Temperaturbereich mit ansteigender Temperatur ansteigt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft den thermischen Schutz von integrierten Leistungsbauelementen.
Wenn integrierte Leistungsbauelemente Überlastungsbedingungen ausgesetzt sind, steigt deren Temperatur an. Integrierte Leistungsbauelemente sind beispielsweise Leistungsschalter wie z.B. Leistungs-MOSFET oder Leistungs-IGBT. Wenn Leistungsschalter Überlastungsbedingungen ausgesetzt sind, wie beispielsweise einem Kurzschluss in einer an den Schalter angeschlossenen Last, steigt deren Temperatur an. Ein Schutzverfahren zum Schützen von Leistungsbauelementen gegenüber Überlastungsbedingungen umfasst das Messen der Temperatur des Leistungsbauelementes und das Abschalten des Schalters, wenn die Temperatur einen vorgegebenen Temperaturschwellenwert übersteigt. Üblicherweise wird die Temperatur im „heißesten Punkt (hot spot)“ gemessen. Der Hot Spot ist der Ort in einem Halbleiterkörper, in dem das Bauelement integriert ist, der die höchste Temperatur besitzt.
Ein anderes Schutzverfahren umfasst das Messen der Hot-Spot-Temperatur und einer Umgebungstemperatur und das Abschalten des Leistungsschalters, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen diesen zwei Temperaturen eine vorgegebene Temperaturdifferenzschwelle übersteigt.
Die US 5 563 760 A beschreibt eine Temperaturerfassungsschaltung zum Erfassen der Temperatur eines in einem Halbleiterkörper integrierten aktiven Halbleiterbauelements, wie beispielsweise eines MOSFETs. Die Temperaturerfassungsschaltung umfasst einen ersten Temperatursensor, der an einer ersten Position des Halbleiterkörpers angeordnet ist, und einen zweiten Halbleiterkörper, der an einer zweiten Position des Halbleiterkörpers angeordnet ist, wobei die erste Position näher als die zweite Position an einem aktiven Bereich liegt, in dem das Halbleiterbauelement integriert ist. Die Temperaturerfassungsschaltung umfasst außerdem eine Auswerteschaltung, die das Halbleiterbauelement ausschaltet, wenn eine Differenz zwischen der durch den ersten Temperatursensor erfassten Temperatur und der der durch zweiten Temperatursensor erfassten Temperatur oberhalb einer vorgegebenen Schwelle liegt.
Die US 5 886 515 A beschreibt eine Temperaturerfassungsschaltung zum Erfassen der Temperatur eines Leistungshalbleiterbauelements. Die Temperaturerfassungsschaltung umfasst eine erste Vergleicherschaltung mit Temperatursensoren, die nahe eines aktiven Bereichs des Leistungshalbleiterbauelements angeordnet sind, und eine zweite Vergleicherschaltung sowohl mit Temperatursensoren, die nahe des aktiven Bereichs angeordnet sind, als auch mit Temperatursensoren, die beabstandet zu dem aktiven Bereich angeordnet sind, wobei die nahe des aktiven Bereichs angeordneten Temperatursensoren der ersten Vergleicherschaltung unterschiedliche Temperaturkoeffizienten aufweisen. Die zweite Vergleicherschaltung vergleicht einen Gradienten der durch ihre Temperatursensoren erfassten Temperaturen mit einer Schwelle, wobei diese Schwelle absinkt, wenn eine durch die nahe des aktiven Bereichs angeordneten Temperatursensoren erfasste Temperatur ansteigt.
Die US 6 144 085 A beschreibt ein Leistungstransistorbauelement mit wenigstens einem Temperatursensor, der innerhalb eines Transistorzellenfelds angeordnet ist, und wenigstens einem Temperatursensor, der außerhalb des Transistorzellenfelds angeordnet ist, und einer Detektionsschaltung, die an die Temperatursensoren gekoppelt ist, um eine Differenz der durch die Temperatursensoren ermittelten Temperaturen zu detektieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum zuverlässigen Schutz eines Leistung dissipierenden Bauelements und eine Schaltungsanordnung mit einem Leistung dissipierenden Bauelement und einer zuverlässigen thermischen Schutzschaltung für das Bauelement zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 15 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schützen einer Schaltungsanordnung mit einem integrierten Leistung dissipierenden Bauelement, wobei das Leistung dissipierende Bauelement einen Steueranschluss zum Zuführen eines Steuersignals aufweist. Das Verfahren umfasst: das Messen einer Temperaturdifferenz zwischen Temperaturen an einer ersten Position und einer zweiten Position der Anordnung, wobei die zweite Position beabstandet zu der ersten Position liegt; Erzeugen eines thermischen Schutzsignals und Erzeugen des Steuersignals abhängig von dem thermischen Schutzsignal, wobei das thermische Schutzsignal einen ersten Signalpegel annimmt, wenn die Temperaturdifferenz auf eine erste Temperaturdifferenzschwelle ansteigt, und einen zweiten Signalpegel annimmt, wenn die Temperaturdifferenz auf eine zweite Temperaturdifferenzschwelle absinkt. Wenigstens eine der ersten und zweiten Temperaturdifferenzschwellen ist abhängig von der Temperatur an der zweiten Position oder an einer dritten Position der Schaltungsanordnung.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, die aufweist: Ein integriertes Leistung dissipierendes Bauelement mit einem Steueranschluss zum Zuführen eines Steuersignals; eine thermische Schutzschaltung, wobei die thermische Schutzschaltung dazu ausgebildet ist, eine Temperaturdifferenz zwischen Temperaturen an einer ersten Position und einer zweiten Position der Anordnung zu messen, wobei die zweite Position beabstandet zu der ersten Position liegt, und ein thermisches Schutzsignal zu erzeugen. Das thermische Schutzsignal nimmt einen ersten Signalpegel an, wenn die Temperaturdifferenz auf eine erste Temperaturdifferenzschwelle ansteigt, und nimmt einen zweiten Signalpegel an, wenn die Temperaturdifferenz auf eine zweite Temperaturdifferenzschwelle absinkt. Die Schaltungsanordnung umfasst außerdem eine Ansteuerschaltung, der das thermische Schutzsignal zugeführt ist, die dazu ausgebildet ist, das Steuersignal abhängig von dem thermischen Schutzsignal zu erzeugen.
Beispiele werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen und die nachfolgende Beschreibung erläutert. Die Zeichnungen dienen zur Erläuterung des Grundprinzips. Daher sind nur solche Merkmale, die zur Erläuterung des Grundprinzips relevant sind, dargestellt. Sofern nicht anders angegeben, bezeichnen in den Zeichnungen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale mit gleicher Bedeutung.

1 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung, die ein integriertes Leistung dissipierendes Bauelement, eine Ansteuerschaltung und eine thermische Schutzschaltung aufweist.
2 zeigt schematisch ein Beispiel der Ansteuerschaltung.
3 zeigt Zeitverläufe, die die Funktionsweise einer thermischen Schutzschaltung gemäß einem ersten Beispiel veranschaulichen.
4 veranschaulicht die Abhängigkeit eines ersten Temperaturdifferenzschwellenwertes von der Temperatur bei einem Beispiel.
5 veranschaulicht die Abhängigkeit eines zweiten Temperaturdifferenzschwellenwertes von der Temperatur bei einem Beispiel.
6 veranschaulicht eine thermische Schutzschaltung mit einer Sensoranordnung, einem Referenzsignalgenerator und einer Auswerteschaltung.
7 veranschaulicht schematisch eine Draufsicht auf einen Halbleiterkörper, in dem ein Leistung dissipierendes Bauelement integriert ist.
8 veranschaulicht schematisch einen Querschnitt durch eine Chip-on-Chip-Halbleiteranordnung, in der ein integriertes Leistung dissipierendes Bauelement integriert ist.
9 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Chip-by-Chip-Halbleiteranordnung, in der ein integriertes Leistung dissipierendes Bauelement integriert ist.
10 veranschaulicht eine thermische Schutzschaltung, die eine Sensoranordnung mit zwei Temperatursensoren aufweist.
11 zeigt Temperatursensoren, die Dioden aufweisen.
12 zeigt ein erstes Beispiel des Referenzsignalgenerators.
13 zeigt ein erstes Beispiel der Auswerteschaltung.
14 zeigt ein zweites Beispiel der Auswerteschaltung.
15 zeigt ein erstes Beispiel der thermischen Schutzschaltung, wobei die thermische Schutzschaltung eine Sensoranordnung mit einem Temperaturdifferenzsensor und einem weiteren Temperatursensor aufweist.
16 zeigt ein erstes Beispiel des weiteren Temperatursensors.
17 zeigt ein zweites Beispiel des weiteren Temperatursensors.
18 zeigt ein drittes Beispiel der thermischen Schutzschaltung.
19 zeigt ein Beispiel der Auswerteschaltung der thermischen Schutzschaltung gemäß 17.
20 zeigt ein weiteres Beispiel der Auswerteschaltung.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, die ein integriertes Leistung dissipierendes Bauelement aufweist, und ein Verfahren zum Schutz der Schaltungsanordnung vor Überhitzung. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist ein „Leistung dissipierendes Bauelement“ ein Bauelement, das während seines Betriebs Leistung dissipiert. „Leistung dissipieren“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Bauelement elektrische Leistung, die ihr zugeführt ist, teilweise in Wärme umsetzt, wobei die Wärme dissipiert wird.
Die Schaltungsanordnung und das Verfahren werden anhand von Ausführungsbeispielen in einem speziellen Zusammenhang erläutert, nämlich einem Zusammenhang, bei dem das Leistung dissipierende Bauelement ein Leistungstransistor ist, der als Leistungsschalter verwendet wird, der ein- und ausgeschaltet werden kann. Dies ist allerdings nur ein Beispiel. Die nachfolgend erläuterten Konzepte sind selbstverständlich auch auf andere Schaltungsanordnungen mit anderen Leistung dissipierenden Bauelementen anwendbar, wie z.B. Leistungsverstärker. Leistungsverstärker umfassen beispielsweise einen Leistungstransistor, der als Verstärkerelement (d.h. der in seinem linearen Bereich) betrieben wird. Nachfolgend wird beschrieben, dass der Leistungsschalter ausgeschaltet wird, wenn eine Überlastungsbedingung detektiert wird. In gleicher Weise kann jedes andere Leistung dissipierende Bauelement, wie z.B. ein Verstärker oder ein Leistungstransistor, der in seinem linearen Bereich betrieben wird, bei einer solchen Überlastungsbedingung bzw. bei einem solchen Überlastungszustand abgeschaltet werden.
1 veranschaulicht schematisch ein Beispiel einer Schaltungsanordnung, die einen integrierten Leistungsschalter 1 als Leistung dissipierendes Bauelement aufweist. In dem dargestellten Beispiel ist der Leistungsschalter 1 ein Leistungs-MOSFET. Allerdings kann auch jeder andere Leistungsschalter, wie z.B. ein Leistungs-IGBT, in entsprechender Weise verwendet werden. Der Leistungsschalter umfasst einen Steueranschluss 11 zum Zuführen eines Steuersignals S6 und erste und zweite Lastanschlüsse 12, 13. Bei einem Leistungs-MOSFET ist der Steueranschluss 11 ein Gateanschluss und die ersten und zweiten Lastanschlüsse 12, 13 sind Drain- und Sourceanschlüsse. Bei einem Leistungs-IGBT ist der Steueranschluss ein Gateanschluss und die ersten und zweiten Lastanschlüsse sind ein Kollektoranschluss (Anodenanschluss) und ein Emitteranschluss (Kathodenanschluss).
Wie in gestrichelten Linien dargestellt ist, kann der Leistungsschalter 1 zum Schalten einer elektrischen Last verwendet werden. Die Last Z ist in Reihe zu der Laststrecke des Leistungsschalters 1 geschaltet, wobei die Laststrecke zwischen den ersten und zweiten Lastanschlüssen 12, 13 verläuft. Die Reihenschaltung mit der Last Z und dem Leistungsschalter 1 ist zwischen einen ersten und einen zweiten Versorgungsanschluss für erste und zweite Versorgungspotentiale V+, GND geschaltet. In 1 ist das erste Versorgungspotential V+ ein positives Versorgungspotential und ein zweites Versorgungspotential GND ist ein negatives Versorgungspotential oder ein Bezugspotential, wie beispielsweise Masse. Wie dargestellt ist, kann die Last Z zwischen einen beliebigen der zwei Lastanschlüsse 12, 13 und einen der Versorgungsanschlüsse geschaltet werden. Der Leistungsschalter 1 funktioniert als Low-Side-Schalter, wenn die Last Z zwischen den ersten Lastanschluss 12 und das erste Versorgungspotential V+ geschaltet ist, und der Leistungsschalter 1 funktioniert als High-Side-Schalter, wenn die Last Z zwischen den zweiten Lastanschluss 13 und das zweite Versorgungspotential GND geschaltet ist. Die Last Z kann eine beliebige elektrische Last sein. Die Amplitude einer Versorgungsspannung, die zwischen den zwei Versorgungspotentialen anliegt, wird so gewählt, dass sie für die Last geeignet ist. Selbstverständlich wird der Leistungsschalter 1 so gewählt, dass er eine Spannungsfestigkeit (maximale Sperrspannung) aufweist, die ausreichend hoch ist, um die Versorgungsspannung zu sperren, wenn der Leistungsschalter 1 ausgeschaltet wird.
Das Steuersignal S6, das dem Steueranschluss 11 zugeführt ist, schaltet abhängig von seinem Signalpegel den Leistungsschalter ein oder aus. Zu Zwecken der Erläuterung sei angenommen, dass das Steuersignal S6 zwei unterschiedliche Signalpegel annehmen kann: Einen ersten Signalpegel, der nachfolgend auch als Ein-Pegel bezeichnet wird, der den Leistungsschalter 1 einschaltet; und einen zweiten Signalpegel, der nachfolgend auch als Aus-Pegel bezeichnet wird, der den Leistungsschalter 1 ausschaltet.
Die Schaltungsanordnung umfasst eine Ansteuerschaltung 6, die das Steuersignal S6 abhängig von einem Eingangssignal Sin erzeugt. Das Eingangssignal Sin kann durch eine beliebige geeignete Logikschaltung, wie beispielsweise einen Mikrokontroller, zur Verfügung gestellt werden. Das Eingangssignal Sin definiert einen gewünschten Schaltzustand des Leistungsschalters 1. In einem normalen Betriebszustand der Schaltungsanordnung ist das Steuersignal S6 abhängig von dem Eingangssignal Sin, d.h. der Leistungsschalter 1 wird eingeschaltet, wenn das Eingangssignal Sin einen Ein-Pegel besitzt, und der Leistungsschalter 1 wird ausgeschaltet, wenn das Eingangssignal Sin einen Aus-Pegel besitzt.
Die Schaltungsanordnung umfasst außerdem eine Schaltung zum thermischen Schutz des Leistungsschalters 1, die nachfolgend als „thermische Schutzschaltung“ bezeichnet ist. Die thermische Schutzschaltung 2 schützt den Leistungsschalter 1 gegen Überhitzung im Falle eines Schaltungsfehlers, wie beispielsweise einem Kurzschluss in der Last Z. Wenn ein solcher Kurzschluss auftritt, fällt die Versorgungsspannung, die zwischen den Versorgungsanschlüssen anliegt, annähernd vollständig über der Laststrecke des Leistungsschalters 1 ab. Dies führt zu einem ansteigenden Leistungsverlust in dem Leistungsschalter 1 und zu einer rasch ansteigenden Temperatur des Leistungsschalters 1. Die thermische Schutzschaltung 2 ist dazu ausgebildet, Überhitzungsszenarien zu detektieren und erzeugt ein Signal S2 zum thermischen Schutz das, nachfolgend als thermisches Schutzsignal S2 bezeichnet ist. Das thermische Schutzsignal S2 kann zwei unterschiedliche Signalpegel annehmen: Einen ersten Signalpegel, der eine Überhitzung oder der das Risiko einer Überhitzung des integrierten Leistungsschalters 1 anzeigt; und einen zweiten Signalpegel, der einen normalen Betriebszustand oder ein normales Temperaturszenario des integrierten Leistungsschalters anzeigt. Der erste Signalpegel des thermischen Schutzsignals wird nachfolgend auch als Fehlerpegel oder Überhitzungspegel bezeichnet, und der zweite Signalpegel wird nachfolgend auch als Normalpegel bezeichnet.
Der Leistungsschalter 1 wird ausgeschaltet, wenn das thermische Schutzsignal S6 einen Fehlerpegel annimmt. In dem Beispiel gemäß 6 ist der Ansteuerschaltung 6 das thermische Schutzsignal S6 zugeführt und die Ansteuerschaltung 6 erzeugt das Steuersignal S6 abhängig von dem thermischen Schutzsignal S2, wobei die Ansteuerschaltung 6 dazu ausgebildet ist, einen Aus-Pegel des Steuersignal S6 zu erzeugen, wenn das thermische Schutzsignal S6 seinen Fehlerpegel annimmt. Wenn das thermische Schutzsignal S6 seinen Normalpegel annimmt, wird das Steuersignal S6 durch das Eingangssignal Sin bestimmt, d.h. der Leistungsschalter 6 wird eingeschaltet, wenn das Eingangssignal Sin einen Ein-Pegel besitzt, und der Leistungsschalter 6 wird ausgeschaltet, wenn das Eingangssignal Sin einen Aus-Pegel besitzt. Wenn das thermische Schutzsignal S6 seinen Fehlerpegel annimmt, wird der Leistungsschalter 1 ausgeschaltet, wobei der Signalpegel des Eingangssignals Sin ignoriert wird.
Zu Zwecken der Erläuterung veranschaulicht 2 ein einfaches Beispiel einer Ansteuerschaltung 6, die die zuvor beschriebene Funktionalität besitzt. Die Ansteuerschaltung 6 umfasst ein Logikgatter, dem das Eingangssignal Sin und das thermische Schutzsignal S2 zugeführt sind, und das ein Ausgangssignal S6 erzeugt, das abhängig von diesen zwei Signalen Sin, S2 ist. Eine optionale Ausgangsstufe oder Treiberstufe 62 verstärkt das Signal S61, um dadurch das Steuersignal S6 zu erzeugen. Das Ausgangssignal des Logikgatters 61 kann ein Logiksignal mit einer Signalamplitude von beispielsweise im Bereich zwischen 1V und 5V sein, während das Steuersignal S6 eine Amplitude von beispielsweise bis zu 15V besitzen kann.
Das Ausgangssignal S61 des Logikgatters 61 hat den Signalpegel des Eingangssignals Sin, wenn das thermische Schutzsignal S2 seinen Normalpegel besitzt, und das Ausgangssignal S61 hat einen Aus-Pegel, um den Leistungsschalter 1 auszuschalten, wenn das thermische Schutzsignal S2 seinen Fehlerpegel besitzt. In dem Beispiel gemäß 2 ist das Logikgatter 61 ein UND-Gatter, dem das Eingangssignal Sin an einem ersten Eingang und das thermische Schutzsignal S2 an einem zweiten invertierenden Eingang zugeführt ist. Die Ansteuerschaltung gemäß 2 ist geeignet für ein Signalszenario, bei dem der Ein-Pegel des Eingangssignal Sin und des Steuersignals S6 jeweils ein High-Pegel - d.h. ein oberer Signalpegel - ist, der Aus-Pegel des Eingangssignals Sin und des Kontrollsignals S6 jeweils ein Low-Pegel - d.h. ein unterer Signalpegel - ist, und der Fehlerpegel des thermischen Schutzsignals S2 ein High-Pegel ist. Dies ist lediglich ein Beispiel, andere Signalszenarien können selbstverständlich ebenfalls verwendet werden, wobei das Logikgatter 61 entsprechend anzupassen ist.
Die thermische Schutzschaltung 2 ist dazu ausgebildet, eine Temperaturdifferenz ΔT zwischen Temperaturen an zwei unterschiedlichen Positionen der Schaltungsanordnung zu messen, nämlich an einer ersten Position und an einer zweiten Position, wobei die zweite Position die beabstandet zu der ersten Position liegt. Die thermische Schutzschaltung 2 erzeugt das thermische Schutzsignal S2 abhängig von der gemessenen Temperaturdifferenz, wobei das thermische Schutzsignal S2 derart erzeugt wird, dass es seinen Fehlerpegel annimmt, wenn die Temperaturdifferenz auf eine oder über eine erste Temperaturdifferenzschwelle ansteigt, und das thermische Schutzsignal S2 wird derart erzeugt, dass es seinen Normalpegel annimmt, wenn die Temperaturdifferenz nachfolgend auf eine oder unter eine niedrigere zweite Temperaturdifferenzschwelle absinkt.
Die Funktionsweise der thermischen Schutzschaltung 2 wird nachfolgend anhand von 3 erläutert, in der ein Beispiel der Temperaturdifferenz ΔT über der Zeit t und Zeitverläufe des thermischen Schutzsignals S2 und des Steuersignals S6, die aus dieser Temperaturdifferenz ΔT resultieren, dargestellt ist. ΔTref1, ΔTref2 bezeichnen in 3 die ersten und zweiten Temperaturdifferenzschwellen. Zu Beginn des in 3 dargestellten Zeitverlaufs wird der Leistungsschalter 1 eingeschaltet (bestimmt durch das Eingangssignal Sin). Die Temperaturdifferenz ΔT zu Beginn liegt unterhalb der ersten Schwelle ΔTref1. Zu einem Zeitpunkt t0 tritt ein Fehlerzustand auf, der zu einer ansteigenden Temperatur des Leistungsschalters 1 führt. Die ersten und zweiten Positionen für die Temperaturmessung sind in der Schaltungsanordnung beabstandet zueinander und besitzen unterschiedliche Abstände zu dem integrierten Leistungsschalter. Die erste Position liegt näher an dem integrierten Leistungsschalter 1 als die zweite Position. Wenn die Temperatur in dem integrierten Leistungsschalter 1 wegen eines Fehlers in der Last ansteigt, steigt die Temperatur an der ersten Position früher und schneller an, als an der zweiten Position. Ein Ansteigen der Temperatur an der ersten Position führt daher zu einem Ansteigen der Temperaturdifferenz ΔT zwischen diesen zwei Positionen. Aus diesem Grund steigt die Temperaturdifferenz ΔT ab dem Zeitpunkt t0 an, wenn ein Fehlerzustand auftritt. Der Leistungsschalter 1 bleibt eingeschaltet bis die Temperaturdifferenz ΔT die erste Temperaturdifferenzschwelle ΔTref1 erreicht, was in dem dargestellten Beispiel zum Zeitpunkt t1 erfolgt. Zu diesem Zeitpunkt nimmt das thermische Schutzsignal S2 seinen Fehlerpegel (einen hohen Signalpegel bzw. High-Pegel in dem Beispiel gemäß 3) an. Bedingt durch den Fehlerpegel des thermischen Schutzsignals S2 wird der Leistungsschalter 1 durch Setzen des Steuersignals S6 auf dessen Aus-Pegel (ein niedriger Signalpegel bzw. Low-Pegel in dem Beispiel gemäß 3) ausgeschaltet. Nachdem der Leistungsschalter 1 ausgeschaltet wurde, sinkt die absolute Temperatur an der ersten Position und die Temperaturdifferenz ΔT zwischen den ersten und zweiten Positionen ab. Wenn die Temperaturdifferenz ΔT auf die zweite niedrigere Temperaturdifferenzschwelle ΔTref2 absinkt (zum Zeitpunkt t2 in dem Beispiel gemäß 3) nimmt das thermische Schutzsignal S2 seinen Normalpegel an, und ermöglicht dadurch, dass der Leistungsschalter 1 eingeschaltet wird, wenn das Eingangssignal Sin einen Ein-Pegel besitzt. Bei dem in 3 dargestellten Szenario besitzt das Eingangssignal Sin einen Ein-Pegel während des gesamten in 3 dargestellten Zeitfensters. Wenn sich zum Zeitpunkt t2 die Last immer noch in ihrem Fehlerzustand befindet, steigt die Temperaturdifferenz ΔT wieder an, nachdem der Leistungsschalter 1 eingeschaltet wurde. Das thermische Schutzsignal S2 nimmt erneut einen Fehlerpegel an, wodurch der Leistungsschalter 1 ausgeschaltet wird, wenn die Temperaturdifferenz ΔT die erste Schwelle ΔTref1 erreicht, nimmt den Fehlerpegel an, nachdem die Temperaturdifferenz ΔT auf die zweite Schwelle ΔTref2 abgesunken ist, usw.
Es sei darauf hingewiesen, das zusätzliche Schutzmaßnahmen vorgesehen sein können, wie beispielsweise Maßnahmen, die den Leistungsschalter dauerhaft ausschalten, wenn der Leistungsschalter eine vorgegebene Anzahl von Aufheiz- und Abkühlzyklen während einer vorgegebenen Zeitdauer durchlaufen hat.
Das Aufheizen und das nachfolgende Abkühlen des Leistungsschalters führen zu thermisch-mechanischem Stress in den einzelnen Teilen des Leistungsschalters, wie beispielsweise dem Halbleiterkörper (engl.: die), in dem der Leistungsschalter integriert ist, in Bonddrähten und in elektrischen Verbindungen zwischen den Bonddrähten und dem Halbleiterkörper. Ein solcher thermisch-mechanischer Stress kann zu einer Degradation oder Ermüdung und kann schließlich zu einer Beschädigung oder Zerstörung des Leistungsschalters oder anderer Teile der Schaltungsanordnung führen. Bezugnehmend auf 3 können in einem Fehlerzustand, wie beispielsweise bei einem Kurzschluss in der Last, eine Anzahl von Heiz- und Kühlzyklen auftreten, wobei in jedem dieser Zyklen die Temperaturdifferenz ΔT auf die erste Temperaturdifferenzschwelle ΔTref1 ansteigt und dann auf die zweite Temperaturdifferenzschwelle ΔTref2 absinkt. In 3 bezeichnet HY einen Temperaturdifferenzhub oder eine Hysterese der Temperaturdifferenz ΔT.
Es wurde herausgefunden, dass außer der Amplitude dieser Hysterese HY die Umgebungstemperatur, das ist die Temperatur der Umgebung in der die Schaltungsanordnung eingesetzt ist, einen Einfluss auf Degradations- oder Ermüdungsprozesse hat. Um solche Degradations- oder Ermüdungsprozesse zu vermeiden, ist die thermische Schutzschaltung 2 dazu ausgebildet, den Temperaturdifferenzhub HY mit ansteigender Umgebungstemperatur zu verringern. Die Umgebungstemperatur kann die Temperatur an der zweiten Position in der Schaltungsanordnung sein oder kann die Temperatur an einer weiteren (dritten) Position sein, wobei diese Position so angeordnet ist, dass die an dieser Position vorliegende Temperatur repräsentativ ist für die Umgebungstemperatur. Die thermische Schutzschaltung 2 ist dazu ausgebildet, wenigstens eine der ersten und zweiten Temperaturdifferenzschwellen ΔTref1, ΔTref2 abhängig von der Temperatur an der zweiten oder dritten Position zu Erzeugen, wobei diese Temperatur nachfolgend als Umgebungstemperatur bezeichnet wird.
Bezugnehmend auf 4 ist die erste Temperaturdifferenzschwelle ΔTref1 gemäß einem ersten Beispiel abhängig von der Umgebungstemperatur T, wobei die Schwelle ΔTref1 für einen gegebenen Temperaturbereich der Umgebungstemperatur T mit ansteigender Umgebungstemperatur T absinkt. Wie in 4 dargestellt ist, kann die erste Schwelle ΔTref1 mit ansteigender Umgebungstemperatur T kontinuierlich absinken. Dieses kontinuierliche absinken kann linear (wie dargestellt) oder nicht-linear erfolgen. Wie gestrichelt dargestellt ist, kann die Schwelle ΔTref1 schrittweise mit ansteigender Umgebungstemperatur T absinken. Wie außerdem gestrichelt dargestellt ist, kann die Schwelle ΔTref1 für Temperaturen unterhalb einer unteren Temperaturschwelle T1 konstant sein und kann für Temperaturen oberhalb einer oberen Temperaturschwelle T2 der Umgebungstemperatur T konstant sein.
Anstatt dem oder zusätzlich zu dem Verringern der oberen Temperaturdifferenzschwelle ΔTref1 mit ansteigender Umgebungstemperatur T kann die untere Temperaturdifferenzschwelle ΔTref2 mit ansteigender Umgebungstemperatur T ansteigen. Ein Beispiel hierfür ist in 5 veranschaulicht. Der Anstieg der unteren Schwelle ΔTref2 kann - ähnlich dem Absinken der oberen Schwelle ΔTref1 - linear oder nicht-linear erfolgen. Die untere Schwelle ΔTref2 kann für Umgebungstemperaturen unterhalb einer unteren Schwelle T1 konstant sein und kann für Temperaturen oberhalb einer oberen Schwelle T2 der Umgebungstemperatur T konstant sein.
Gemäß den in den 4 und 5 in gestrichelten Linien dargestellten Beispielen kann die Umgebungstemperatur in drei Temperaturbereiche unterteilt werden: einen unteren Temperaturbereich, der Temperaturen bis zu einer ersten Temperatur T1 umfasst; einen mittleren Temperaturenbereich, der Temperaturen zwischen der ersten Temperatur T1 und einer höheren zweiten Temperatur T2 umfasst; und einem hohen Temperaturbereich, der Temperaturen höher als die zweite Temperatur T2 umfasst. Die erste Temperatur T1 ist beispielsweise etwa 20°C, und die zweite Temperatur T2 ist beispielsweise etwa 60°C. Die ersten und zweiten Temperaturdifferenzschwellen ΔTref1, ΔTref2 sind beispielsweise so gewählt, dass sie die Hysterese der Temperaturdifferenz ΔT auf einen ersten Wert HY1 für Umgebungstemperaturen des niedrigen Bereichs, auf einen zweiten Wert HY2 für Umgebungstemperaturen des mittleren Bereichs, und auf einen dritten Wert HY3 für Umgebungstemperaturen des hohen Bereichs begrenzen. Der erste Wert HY1 ist beispielsweise 90K, der zweite Wert HY2 ist beispielsweise 60K, und der dritte Wert HY3 ist beispielsweise 30K.
Bezugnehmend auf das in 6 dargestellte Beispiel kann die thermische Schutzschaltung 2 eine Sensoranordnung 3 aufweisen, die ein Temperaturdifferenzsignal S_ΔT erzeugt, wobei dieses Temperaturdifferenzsignal S_ΔT repräsentativ für die Temperaturdifferenz ΔT zwischen den ersten und zweiten Positionen in der Schaltungsanordnung ist. Diese Sensoranordnung 3 erzeugt außerdem ein Umgebungstemperatursignal S_T , wobei dieses Umgebungstemperatursignal S_T repräsentativ für die Umgebungstemperatur T ist. Die Umgebungstemperatur T kann die Temperatur an der zweiten Position oder kann die Temperatur an einer dritten Position der Schaltungsanordnung sein, wobei diese dritte Position beabstandet zu den ersten und zweiten Positionen liegt.
Die thermische Schutzschaltung 2 umfasst außerdem ein Referenzsignalgenerator 4, der ein Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref abhängig von dem Umgebungstemperatursignal S_T erzeugt. Das wenigstens eine Schwellensignal S_ΔTref repräsentiert eine der ersten und zweiten Temperaturdifferenzschwellen ΔTref1, ΔTref2, die unter Bezugnahme auf die 3 bis 5 erläutert wurden. Einer Auswerteschaltung 5 sind das Temperaturdifferenzsignal S_ΔT an einem ersten Eingang 51 und das wenigstens eine Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref an einem zweiten Eingang 52 zugeführt, und die Auswerteschaltung 5 erzeugt das thermische Schutzsignal S2 abhängig von dem Temperaturdifferenzsignal S_ΔT und dem Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref .
Beispiele für eine geeignete Auswahl der ersten und zweiten Positionen werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die 7 bis 9 erläutert. 7 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Halbleiterkörper 100, in dem aktive Gebiete, wie beispielsweise Source- und Draingebiete, eines Leistungsschalters 1 integriert sind. Ein Teil des Halbleiterkörpers 100, in dem die aktiven Bereiche des Leistungsschalters 1 integriert sind, ist schematisch in strichpunktierten Linien dargestellt und besitzt entsprechend des Leistungsschalters in den 1 und 6 das Bezugszeichen 1. Leistungsschalter, wie beispielsweise Leistungs-MOSFET oder Leistungs-IGBT, umfassen üblicherweise eine Anzahl (beispielsweise bis zu mehreren tausend (10³) oder bis zu mehreren zehntausend (10⁴)) identischen Zellen (MOSFET-Zellen oder IGBT-Zelle), die parallel geschaltet sind. Das Gebiet 1 des Halbleiterkörpers 100, in dem diese Zellen integriert sind, wird auch als Zellenbereich oder Zellengebiet des Halbleiterkörpers 100 bezeichnet. Dieses aktive Gebiet beziehungsweise Zellengebiet des Halbleiterkörpers 100, ist das Gebiet, in dem der Großteil der Leistungsverluste, die in dem Leistungsschalter 1 auftreten, dissipiert werden. Das Zellengebiet oder aktive Gebiet ist daher das Gebiet, das die höchste Temperatur in dem Halbleiterkörper 100 besitzt. Die erste Position P1 ist beispielsweise in diesem aktiven Gebiet oder am Rand dieses aktiven Gebiets angeordnet. Zum Kühlen des aktiven Gebiets können Kühlmaßnahmen, wie beispielsweise ein Kühlkörper, eingesetzt werden. Solche Kühlmaßnahmen sind zur Vereinfachung der Darstellung in 7 jedoch nicht dargestellt.
Die zweite Position P2 liegt beabstandet zu der ersten Position P1 und beabstandet zu dem heißesten Gebiet in dem Halbleiterkörper 100, d. h. beabstandet zu dem Gebiet, das die Zellen des Leistungsschalters 1 aufweist. Die zweite Position P2 kann in einem Randgebiet angeordnet sein, dass nahe zu dem Rand des Halbleiterkörpers 100 liegt und kann Randabschlüsse (nicht dargestellt) umfassen. Wie in 7 dargestellt ist, kann die zweite Position P2 auch in einem Logikgebiet 101 des Halbleiterkörpers 100 angeordnet sein, wobei das Logikgebiet 101 Logikhalbleiterbauelemente, wie beispielsweise Teile der Ansteuerschaltung (6 in den 1 und 6) oder der thermischen Schutzschaltung (2 in den 1 und 6) umfasst. Die Temperatur an der zweiten Position P2 kann repräsentativ für die Umgebungstemperatur sein, wenn Maßnahmen zum Kühlen des Halbleiterkörpers 100 vorgesehen sind, die vermeiden, dass das Logikgebiet 101 auf die Temperatur des aktiven Gebiets oder Zellengebiets aufgeheizt wird.
Alternativ zum Integrieren des Leistungsschalters 1 und der Logikschaltungen in einem Halbleiterkörper 100, können Logikschaltungen, wie die Ansteuerschaltung 6 und die thermische Schutzschaltung 2 einerseits, und der Leistungsschalter 1 andererseits, auch in zwei unterschiedlichen Halbleiterkörpern integriert werden. 8 zeigt schematisch einen vertikalen Querschnitt durch eine Halbleiteranordnung, die einen ersten Halbleiterkörper 100, in dem ein Leistungsschalter 1 integriert ist, und einen zweiten Halbleiterkörper 200, in dem Logikschaltungen integriert sind, aufweist. Der zweite Halbleiterschalter 200 ist auf dem ersten Halbleiterkörper 100 in einer Chip-on-Chip-Anordnung angeordnet. Bei diesem Beispiel ist die erste Position P1 eine Position im aktiven Gebiet des Leistungsschalters 1 in dem ersten Halbleiterkörper 100, und die zweite Position P2 ist eine Position in dem zweiten Halbleiterkörper 200.
Optional kann die Anordnung mit den zwei Halbleiterkörpern (engl.: dies) 100, 200 auf einem Träger 300 angeordnet werden. Dieser Träger 300 kann eine Kühlfunktion besitzen und kann zusätzlich auf einem Kühlkörper (nicht dargestellt) montiert sein. Gemäß einem weiteren Beispiel ist die zweite Position P2 eine Position an oder in dem Träger 300.
9 veranschaulicht einen Querschnitt durch eine Halbleiteranordnung, die sich von der Anordnung gemäß Figur dadurch unterscheidet, dass die zwei Halbleiterkörper 100, 200 auf einem Träger 300 nebeneinander in einer Chip-by-Chip-Anordnung angeordnet sind. Bezüglich der ersten und zweiten Positionen P1, P2 gilt die zuvor im Zusammenhang mit 8 gemachte Erläuterung entsprechend, d.h. die erste Position P1 kann eine Position in dem ersten Halbleiterkörper 100 und die zweite Position P2 kann eine Position in dem zweiten Halbleiterkörper 200 oder an oder in dem Träger 300 sein.
10 veranschaulicht ein erstes Beispiel einer Sensoranordnung 3, die ein Temperaturdifferenzsignal S_ΔT und ein Umgebungstemperatursignal S_T erzeugt. Die Sensoranordnung 3 umfasst zwei Temperatursensoren: einen ersten Temperatursensor 31, der an der ersten Position P1 angeordnet ist und der ein erstes Temperatursignal S1₃ erzeugt, wobei das erste Temperatursignal S1₃ repräsentativ ist für eine erste Temperatur an der ersten Position P1; einen zweiten Temperatursensor 32, der an der zweiten Position P2 angeordnet ist und der ein zweites Temperatursignal S2₃ erzeugt, wobei das zweite Temperatursignal S2₃ repräsentativ ist für die Temperatur an der zweiten Position P2, wobei die zweite Temperatur in dem dargestellten Beispiel die Umgebungstemperatur ist. Einem Verstärker 33 sind die ersten und zweiten Temperatursignale S1₃ , S2₃ zugeführt. Dieser Verstärker 33 ist dazu ausgebildet, die Differenz zwischen den zwei Temperatursignalen S1₃ und S2₃ zu bilden, und ist optional dazu ausgebildet diese Differenz zu verstärken. Die Verstärkung des Verstärker beträgt beispielsweise zwischen 1 und 10, wie zum Beispiel 1, 5 oder 10. Das Temperaturdifferenzsignal S_ΔT steht am Ausgang dieses Verstärkers 33 zur Verfügung.
Als erste und zweite Sensoren 31, 32 können beliebige Temperatursensoren verwendet werden, die dazu ausgebildet sind, ein elektrisches Signal zu erzeugen, das eine Amplitude besitzt, die abhängig ist von der Temperatur in dem Gebiet, in dem der einzelne Sensor angeordnet ist. Bezugnehmend auf 11 können die Sensoren 31, 32 Dioden 311, 312 als Sensorelemente aufweisen. Diese Sensorelemente sind jeweils in Reihe zu einer Stromquelle 312, 322 geschaltet, wobei diese Reihenschaltungen zwischen ein Versorgungspotential Vb und ein Bezugspotential, wie beispielsweise Masse GND, geschaltet sind. Die Dioden 311, 312 sind in Vorwärtsrichtung gepolt. Die Temperatursignale S1₃ ,S2₃ sind Spannungsabfälle über den Dioden 311, 312. Sensoren, wie beispielsweise die Sensoren 31, 32, die Dioden 311, 312 als Sensorelemente aufweisen, nutzen den Effekt, dass Dioden 311, 312 Vorwärtsspannungen (Flussspannungen) besitzen, die von der Temperatur abhängig sind. Siliziumdioden besitzen eine negativen Temperaturkoeffizienten (von etwa -2 mV/K). Die Verwendung von Dioden als Sensorelementen hat den Vorteil, dass Dioden auf einfache Weise in dem Halbleiterkörper integriert werden können, wie beispielsweise im Zellengebiet des Leistungsschalters oder in dem Logikabschnitt des Halbleiterkörpers. Selbstverständlich können an Stelle von Dioden beliebige andere elektronische Bauelemente verwendet werden, die temperaturabhängige elektrische Eigenschaften besitzen. Beispiele sind NTC-Widerstände oder PTC-Widerstände, d.h. Widerstände, die einen negativen Temperaturkoeffizienten (negative temperature coefficient, NTC) oder einen positiven Temperaturkoeffizienten (positive temperature coefficient, PTC) aufweisen. Gemäß einem Beispiel besitzen die ersten und zweiten Sensoren 31, 32 gleiche Eigenschaften, d.h. die Temperatursignale S1₃ , S2₃ besitzen dieselbe Abhängigkeit von der Temperatur.
In der Schaltung gemäß 10 entspricht das Umgebungstemperatursignal S_T , das dem Referenzsignalgenerator 4 zugeführt ist, dem zweiten Temperatursignal S2₃ . Die Temperatur an der zweiten Position P2 repräsentiert in diesem Beispiel daher die Umgebungstemperatur T.
Bezugnehmend auf 12 kann der Referenzsignalgenerator 4, der wenigstens eines der Temperaturdifferenzschwellensignale erzeugt, eine gesteuerte Spannungsquelle sein, der das Umgebungstemperatur S_T zugeführt ist und die eine Ausgangsspannung S_ΔTref erzeugt, die von der Temperatur S_T abhängig ist.
13 veranschaulicht ein Beispiel der Auswerteschaltung 5. Diese Auswerteschaltung 5 umfasst einen ersten Komparator 53, dem das Temperaturdifferenzsignal S_ΔT an einem ersten Eingang und das Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref an einem zweiten Eingang zugeführt sind. In dem Beispiel ist der erste Eingang der nicht-invertierende Eingang und der zweite Eingang ist der invertierende Eingang des Komparators 53. Das Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref repräsentiert außerdem in dem dargestellten Beispiel die erste (obere) Temperaturdifferenzschwelle ΔTref1 bzw. ein erstes Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref1 . Einem zweiten Komparator 54 sind das Temperaturdifferenzsignal S_ΔT und das zweite (untere) Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref2 zugeführt, wobei dieses zweite Signal die untere Temperaturdifferenzschwelle ΔTref2 repräsentiert. Das zweite Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref2 ist in diesem Beispiel ein konstantes Signal und wird durch eine Referenzspannungsquelle 55 erzeugt. Die Auswerteschaltung 5 umfasst außerdem ein Flip-Flop 56, dem das Ausgangssignal S53 des ersten Komparators 53 an einem SetzEingang S und ein Ausgangssignal S54 eines zweiten Kompara-tors 54 an einem Rücksetz-Eingang R zugeführt ist, wobei der Rücksetz-Eingang R in diesem Beispiel ein invertierender Eingang ist. Das thermische Schutzsignal S2 steht an einem Ausgang Q des Flip-Flops 56 zur Verfügung.
Die Auswerteschaltung 5 sorgt für die Funktion, die im Zusammenhang mit 3 veranschaulicht wurde. Jedes mal, wenn die Temperaturdifferenz ΔT, die durch das Temperaturdifferenzsignal S_ΔT repräsentiert ist, die erste Temperaturdifferenzschwelle ΔTref1, die durch das erste Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref1 repräsentiert ist, erreicht, wird das Flip-Flop 46 gesetzt, was zu einem oberen Signalpegel (High-Pegel) des thermischen Schutzsignals S2 führt. Im vorliegenden Beispiel repräsentiert ein oberer Pegel des thermischen Schutzsignals S2 einen Überhitzungs- oder Fehlerpegel. Wenn die Temperaturdifferenz ΔT nachfolgend unter die zweite Temperaturdifferenzschwelle ΔTref2 absinkt, die durch das zweite Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref2 repräsentiert ist, wird das Flip-Flop 46 über den zweiten Komparator 54 zurückgesetzt. Das Zurücksetzen des Flip-Flops 56 führt zu einem niedrigen Pegel (Low-Pegel) des thermischen Schutzsignals S2, wobei dieser niedrige Pegel einen normalen Signalpegel des thermischen Schutzsignals S2 repräsentiert.
Bei der Auswerteschaltung gemäß 13 wird die Hysterese HY der Temperaturdifferenz durch Variieren der oberen Schwelle ΔTref1 variiert. Die Auswerteschaltung gemäß 13 ist geeignet für ein Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref , das einen negativen Koeffizienten besitzt. Bezugnehmend auf die 11 und 12 kann ein solches Signal erzeugt werden durch Bereitstellen eines zweiten Temperatursignals S2₃ bzw. S_T , das einen negativen Temperaturkoeffizienten besitzt, und durch Verwenden einer Spannungsquelle 41 die eine Ausgangsspannung erzeugt, die mit ansteigendem Temperatursignal S_T ansteigt und mit absinkendem Temperatursignal S_T absinkt.
Wenn Temperatursensoren mit einem positiven Temperaturkoeffizienten verwendet werden, kann eine Spannungsquelle 41 verwendet werden, die eine Ausgangspannung erzeugt, die mit ansteigendem Temperatursignal S_T absinkt und mit absinkendem Temperatursignal S_T ansteigt.
Anstatt die obere Temperaturdifferenzschwelle zu variieren, kann auch die untere Temperaturdifferenzschwelle variiert werden. 14 zeigt ein Beispiel einer Auswerteschaltung 5, bei der die untere Schwelle variiert wird. Bei diesem Beispiel ist einem Komparator 53 von einer Referenzspannungsquelle 57 eine fest vorgegebene Referenzspannung als erstes Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref1 zugeführt, während dem zweiten Komparator 54 das variable Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref als zweites Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref2 zugeführt ist, wobei das variable Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref in diesem Beispiel die zweite Temperaturdifferenzschwelle ΔTref2 repräsentiert. Das zweite Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref2 besitzt einen positiven Temperaturkoeffizienten (wie in 5 dargestellt) . Dies kann erreicht werden durch verwenden von Temperatursensoren mit einem positiven Temperaturkoeffizienten oder durch Verwenden von Temperatursensoren mit einem negativen Temperaturkoeffizienten und zusätzlichem Verwenden eines Referenzspannungsgenerators 4 mit einer Spannungsquelle 41, die eine Ausgangsspannung erzeugt, die mit absinkendem Eingangssignal S_T ansteigt und mit ansteigendem Eingangssignal S_T absinkt.
15 veranschaulicht ein weiteres Beispiel der Sensoranordnung 3. In diesem Beispiel umfasst die Sensoranordnung einen Temperaturdifferenzsensor 34, der ein Ausgangssignal S_ΔT erzeugt, dass repräsentative ist für die Temperaturdifferenz zwischen den Temperaturen an den ersten und zweiten Positionen. Dieser Temperaturdifferenzsensor 34 ist beispielsweise ein nach dem Seebeck-Effekt funktionierender thermoelektrischer Sensor. Da der Temperaturdifferenzsensor 34 nur eine Information über die Temperaturdifferenz zwischen den ersten und zweiten Positionen erzeugt, aber keine Information über die absolute Temperatur an einer der ersten und zweiten Positionen erzeugt, ist ein zweiter Temperatursensor 35 erforderlich, der das Umgebungstemperatursignal S_T erzeugt. Wie zuvor erörtert wurde, kann die Umgebungstemperatur T die Temperatur an der zweiten Positionen P2 oder kann die Temperatur an einer beliebigen anderen dritten Position sein, die beabstandet zu der ersten Position und beabstandet zu dem heißesten Gebiet in dem Leistungsschalter 1 liegt.
16 veranschaulicht ein Beispiel des zweiten Sensors 35. bei diesem Beispiel umfasst der zweite Sensor 35 eine Bipolardiode 351 als Sensorelement, die in Reihe zu einer Stromquelle 352 geschaltet ist. Ein Spannungsabfall über dieser Diode 351 repräsentiert das Umgebungstemperatursignal S_T. Der Referenzsignalgenerator 4 erzeugt das Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref1 , das als erstes oder zweites Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref1 , S_ΔTref2 verwendet werden kann. In diesem Zusammenhang wird auf die 12, 13 und 14 und die zugehörige Beschreibung Bezug genommen.
Bezugnehmend auf 17 kann der zweite Sensor 35 einen temperaturabhängigen Widerstand 351 als Sensorelement aufweisen. Der zusätzliche Referenzsignalgenerator 4 ist optional in diesem Fall, d.h. das Ausgangssignal des Sensors 5 kann direkt als Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref verwendet werden, wobei dieses Signal als erstes Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref1 verwendet werden kann, wenn der Widerstand 351 ein NTC-Widerstand ist, und als zweites Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref2 verwendet werden kann, wenn der Widerstand PTC-Widerstand ist. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass der zuvor erläuterte Referenzsignalgenerator 4, der ein Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref aus dem Temperatursignal S_T erzeugt, bei all den Fällen optional ist, bei denen ein Temperaturkoeffizient des Temperatursignals S_T dem gewünschten Temperaturkoeffizienten des Temperaturdifferenzschwellensignals S_ΔTref entspricht. In diesen Fällen wird das Temperatursignal S_T als Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref verwendet. Allerdings können einige Temperatursensoren, wie beispielsweise in Vorwärtsrichtung gepolte Dioden, Ausgangsspannungen besitzen, die zu niedrig sind, um als Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref verwendet zu werden. In diesen Fällen wir der Referenzsignalgenerator 4 dazu verwendet, das durch die Sensoranordnung 3 erzeugte Temperatursignal S_T zu verstärken.
18 veranschaulicht ein weiteres Beispiel der Sensoranordnung 3, die außer den ersten und zweiten Sensoren 34, 35 einen dritten Sensor 36 aufweist. Der zweite Sensor 35 erzeugt bei diesem Beispiel ein erstes Umgebungstemperatursignal S_T1 , und der dritte Sensor 36 erzeugt ein zweites Umgebungstemperatursignal S_T2 . Die zweiten und dritten Sensoren 35, 36 besitzen unterschiedliche Temperaturkoeffizienten, d.h. einer dieser Sensoren, wie beispielsweise der Sensor 35 besitzt einen negativen Temperaturkoeffizienten, und der andere Sensor, wie beispielsweise der Sensors 36, besitzt einen positiven Temperaturkoeffizienten. Das erste Umgebungstemperatursignal S_T1 wird dazu verwendet, das erste Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref1 zu erzeugen, das die erste Temperaturdifferenzschwelle ΔTref repräsentiert und das einem ersten Eingang 52₁ der Auswerteschaltung 5 zugeführt ist, und das zweite Umgebungstemperatursignal S_T2 wird dazu verwendet, das zweite Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref2 zu erzeugen, das die zweite Temperaturdifferenzschwelle ΔTref2 repräsentiert und das einem zweiten Eingang 52₂ der Auswerteschaltung 5 zugeführt ist.
Ein Beispiel der in 18 dargestellten Auswerteschaltung ist in 19 gezeigt. Diese Auswerteschaltung entspricht den Auswerteschaltungen gemäß der 13 und 14 außer dahingehend, dass beide, nämlich die ersten und zweiten Temperaturdifferenzschwellensignale S_ΔTref1 , S_ΔTref2 umgebungstemperaturabhängig sind, so dass keine Konstantspannungsquelle vorhanden ist. Bei den Anordnungen gemäß der 18 und 19 werden sowohl die erst als auch die zweite Temperaturdifferenzschwelle ΔTref1, ΔTref2 anhängig von der Umgebungstemperatur T eingestellt, wobei die erste Schwelle einen negativen Temperaturkoeffizienten besitzt, d.h. mit ansteigender Temperatur absinkt, und die zweite Schwelle einen positiven Temperaturkoeffizienten besitzt, d.h. mit ansteigender Temperatur ansteigt.
Ein weiteres Beispiel der Auswerteschaltung 5 ist in 20 dargestellt. Diese Auswerteschaltung 5 umfasst einen Komparator dem das Temperaturdifferenzsignal S_ΔT zugeführt ist, das an einem ersten Eingang 51 der Auswerteschaltung 5 zur Verfügung steht, und dem eines der ersten und zweiten Temperaturdifferenzschwellensignale S_ΔTref1 , S_ΔTref2 an einem zweiten Eingang zugeführt ist. Das Temperaturdifferenzsignal S_ΔT und die ersten und zweiten Temperaturdifferenzschwellensignale S_ΔTref1 , S_ΔTref2 können auf beliebige zuvor erläuterte Weise erzeugt werden. Die Auswerteschaltung 5 umfasst außerdem einen Schalter 58, der dem zweiten Komparatoreingang vorgeschaltet ist. Dem Schalter 58 sind die ersten und zweiten Temperaturdifferenzschwellensignale S_ΔTref1 , S_ΔTref2 zugeführt, und der Schalter ist durch einen Ausgangssignal 57 des Komparators gesteuert. Abhängig von einem Signalpegel des Komparatorausgangssignals S57 legt der Schalter 58 entweder das erste oder das zweite Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref1 , S_ΔTref2 an den zweiten Komparatoreingang an.
Das Komparatorausgangssignal 57 bildet das thermische Schutzsignal S2. Optional ist ein Verzögerungselement 59 dem Ausgang des Komparators 57 nachgeschaltet, wobei das Verzögerungselement 59 das thermische Schutzsignal im Vergleich zu dem Komparatorausgangssignal S57 für eine vorgegebene Verzögerungszeit verzögert. Dies erhöht die Stabilität des Systems und vermeidet Schwingungen.
Der Schalter 58 ist dazu ausgebildet, das erste Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref1 an den zweiten Komparatoreingang anzulegen, wenn das thermische Schutzsignal S2 einen normalen Signalpegel aufweist. Wenn die Temperaturdifferenz ΔT, die durch das Temperaturdifferenzsignal S_ΔT repräsentiert ist, auf die erste Temperaturdifferenzschwelle, die durch das erste Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref repräsentiert ist, ansteigt oder diese Schwelle übersteigt, wechselt das Komparatorausgangssignal 57, und daher das thermische Schutzsignal S2, seinen Signalpegel auf einen Fehlerpegel. Der Schalter 58 legt dann das zweite Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref2 an den zweiten Komparatoreingang an. Der Komparator 57 wechselt seinen Ausgangssignalpegel von dem Fehlerpegel auf den normalen Pegel, wenn die Temperaturdifferenz ΔT auf die zweite Temperaturdifferenzschwelle ΔTref2, die durch das zweite Temperaturdifferenzschwellensignal S_ΔTref2 repräsentiert ist, absinkt.
In dem in 20 veranschaulichten Beispiel ist der Normalpegel des thermischen Schutzsignals S2 ein niedriger Pegel. Zum Erzeugen dieses Signals ist der erste Komparatoreingang, dem das Temperaturdifferenzsignal S_ΔT zugeführt ist, der nicht-invertierende Eingang des Komparators, und der zweite Komparatoreingang, dem eines der ersten und zweiten Temperaturdifferenzschwellensignale S_ΔTref1 , S_ΔTref2 zugeführt ist, ist der invertierende Eingang des Komparators.

Claims

Verfahren zum Schützen einer Schaltungsanordnung mit einem integrierten, Leistung dissipierenden Bauelement (1), wobei das Leistung dissipierende Bauelement (1) einen Steueranschluss (11) zum Zuführen eines Steuersignals (S6) aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Messen einer Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen Temperaturen (T1, T2) an einer ersten Position (P1) und einer zweiten Position (P2) der Schaltungsanordnung, wobei die zweite Position (P2) beabstandet zu der ersten Position (P1) liegt; Erzeugen eines thermischen Schutzsignals (S2) und Erzeugen des Steuersignals (S6) abhängig von dem thermischen Schutzsignal (S2); wobei das thermische Schutzsignal (S2) einen ersten Signalpegel annimmt, wenn die Temperaturdifferenz (ΔT) auf eine erste Temperaturdifferenzschwelle (ΔTref1) ansteigt, und einen zweiten Signalpegel annimmt, wenn die Temperaturdifferenz (ΔT) auf eine zweite Temperaturdifferenzschwelle (ΔTref2) absinkt, wobei wenigstens eine der ersten und zweiten Temperaturdifferenzschwellen (ΔTref1, ΔTref2) abhängig ist von der Temperatur an der zweiten Position (P2) oder an einer dritten Position (P3) der Schaltungsanordnung, und wobei die zweite Temperaturdifferenzschwelle (ΔTref2) wenigstens für einen vorgegebenen Temperaturbereich mit ansteigender Temperatur ansteigt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei der die Schaltungsanordnung einen Halbleiterkörper (100) aufweist, wobei der Halbleiterkörper (100) ein aktives Gebiet aufweist, in dem das Leistung dissipierende Bauelement (1) zumindest teilweise integriert ist, wobei die erste Position (P1) in dem aktiven Gebiet des Halbleiterkörper (100) liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die zweite Position (P2) eine Position des Halbleiterkörpers (100) ist, die beabstandet zu dem aktiven Gebiet liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem die dritte Position (P3) eine Position des Halbleiterkörpers (100) ist, die beabstandet zu dem aktiven Gebiet liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Schaltungsanordnung außerdem einen Träger (300) aufweist, auf dem der Halbleiterkörper (100) montiert ist.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die zweite Position (P2) oder die dritte Position (P3) eine Position auf dem Träger (300) ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Messen der Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen Temperaturen an der ersten Position (P1) und der zweiten Position (P2) aufweist: Messen der Temperatur an der ersten Position (P1) unter Verwendung eines ersten Temperatursensors, um eine erste Temperatur (T) zu erhalten, und Messen der Temperatur an der zweiten Position (P2) unter Verwendung eines zweiten Temperatursensors, um eine zweite Temperatur (T2) zu erhalten; Berechnen einer Temperaturdifferenz zwischen den ersten und zweiten Temperaturen (T1, T2).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Messen der Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen Temperaturen an der ersten Position (P1) und der zweiten Position (P2) aufweist: Messen der Temperaturdifferenz (ΔT) unter Verwendung eines thermoelektrischen Temperaturdifferenzsensors.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der thermoelektrische Temperaturdifferenzsensor ein Seebeck-Sensor ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Temperaturdifferenzschwelle (ΔTref1) wenigstens für einen vorgegebenen Temperaturbereich mit ansteigender Temperatur abnimmt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Leistung dissipierende Bauelement ein Leistungsschalter oder einen Leistungsverstärker ist.
Schaltungsanordnung, die aufweist: ein integriertes Leistung dissipierendes Bauelement (1) mit einem Steueranschluss (11) zum Zuführen eines Steuersignals (S6) ; eine thermische Schutzschaltung (2), wobei die thermische Schutzschaltung (2) dazu ausgebildet ist, eine Temperaturdifferenz zwischen Temperaturen an einer ersten Position (P1) und einer zweiten Position (P2) der Anordnung zu messen, wobei die zweite Position (P2) beabstandet zu der ersten Position (P1) liegt, und ein thermisches Schutzsignal (S2) zu erzeugen, das einen ersten Signalpegel annimmt, wenn die Temperaturdifferenz (ΔT) auf eine erste Temperaturdifferenzschwelle (ΔTref1) ansteigt, und das eine zweiten Signalpegel annimmt, wenn die Temperaturdifferenz (ΔT) auf eine zweite Temperaturdifferenzschwelle (ΔTref2) absinkt, wobei zweite Temperaturdifferenzschwelle (ΔTref2) wenigstens für einen vorgegebenen Temperaturbereich mit ansteigender Temperatur ansteigt; eine Ansteuerschaltung (6), der das thermische Schutzsignal (S2) zugeführt ist und die dazu ausgebildet ist, das Steuersignal abhängig von dem thermischen Schutzsignal (S2) zu erzeugen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, die weiterhin aufweist: einen Halbleiterkörper (100), wobei der Halbleiterkörper ein aktives Gebiet aufweist, in dem das Leistung dissipierende Bauelement (1) zumindest teilweise integriert ist, wobei die erste Position (P1) in dem aktiven Gebiet des Halbleiterkörpers (100) angeordnet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, bei dem die zweite Position (P2) eine Position des Halbleiterkörpers (100) ist, die beabstandet zu dem aktiven Gebiet liegt.
Schaltung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei der die thermische Schutzschaltung (2) eine Sensoranordnung aufweist, wobei die Sensoranordnung aufweist: einen ersten Temperatursensor (31), der an der ersten Position (P1) angeordnet ist, wobei der erste Temperatursensor (31) dazu ausgebildet ist, ein erstes Temperatursignal (S1₃) zu erzeugen, das repräsentativ ist für eine Temperatur an der ersten Position (P1); eine zweiten Temperatursensor (32), der an der zweiten Position (P2) angeordnet ist, wobei der zweite Temperatursensor dazu ausgebildet ist, ein zweites Temperatursignal (S2₃) zu erzeugen, das repräsentativ ist für eine Temperatur an der zweiten Position (P2); Mittel zum Berechnen einer Differenz zwischen den ersten und zweiten Temperatursignalen (S1₃, S2₃) und zum Erzeugen eines Temperaturdifferenzsignals (S_ΔT).
Schaltungsanordnung nach Anspruch 15, die weiterhin aufweist: einen Referenzsignalgenerator (4), der dazu ausgebildet ist, ein Temperaturdifferenzschwellensignal (S_ΔTref) zu erzeugen, dass abhängig ist von der Temperatur an der zweiten Position (P2); eine Auswerteschaltung (5), der das Temperaturdifferenzsignal (S_ΔT) und das Temperaturdifferenzschwellensignal (S_ΔTref1) zugeführt sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 16, bei dem dem Referenzsignalgenerator (4) das zweite Temperatursignal (S2₃) zugeführt ist und der Referenzsignalgenerator (4) das Temperaturdifferenzschwellensignal (S_ΔTref) abhängig von dem zweiten Temperatursignal (S2₃) erzeugt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 16, bei dem das zweite Sensorelement der Referenzsignalgenerator ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem die thermische Schutzschaltung (2) eine Sensoranordnung aufweist, wobei die Sensoranordnung aufweist: einen Temperaturdifferenzsensor, wobei der Temperaturdifferenzsensor dazu ausgebildet ist, ein Temperaturdifferenzsignal zu erzeugen, das repräsentativ ist für eine Temperaturdifferenz zwischen Temperaturen an den ersten und zweiten Positionen (P1, P2); einen weiteren Temperatursensor, der an der zweiten Position (P2) oder einer dritten Position (P3) angeordnet ist, wobei der zweite Temperatursensor dazu ausgebildet ist, ein weiteres Temperatursignal zu erzeugen, das repräsentativ ist für eine Temperatur an der zweiten oder dritten Position (P2, P3).
Schaltungsanordnung nach Anspruch 19, die weiterhin aufweist: einen Referenzsignalgenerator (4), der dazu ausgebildet ist, ein Temperaturdifferenzschwellensignal (S_ΔTref) zu erzeugen, das abhängig ist von der Temperatur an der zweiten oder dritten Position (P2, P3); eine Auswerteschaltung (5), der das Temperaturdifferenzsignal (S_ΔT) und das Temperaturdifferenzschwellensignal (S_ΔTref) zugeführt sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 19 oder 20, bei der dem Referenzsignalgenerator das weitere Temperatursignal zugeführt sind und bei der der Referenzsignalgenerator das Temperaturdifferenzschwellensignal abhängig von dem weiteren Temperatursignal erzeugt.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, bei dem der weitere Temperatursensor der Referenzsignalgenerator ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 22, bei dem das Leistung dissipierende Bauelement ein Leistungsschalter oder Leistungsverstärker ist.