DE102010062677A1 - Generatorvorrichtung zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Generatorvorrichtung zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs, welche mit mindestens einem Gleichrichterelement zum Gleichrichten einer von einem Generator bereitgestellten Wechselspannung ausgestattet ist. Das Gleichransistor auf, bei dem Gate, Bodygebiet und Sourcegebiet fest elektrisch miteinander verbunden sind und bei dem das Draingebiet als Kathode dient.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Generatorvorrichtung zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs.
  • Stand der Technik
  • Bei Kfz-Drehstrom- oder Wechselstromgeneratoren (Lichtmaschinen) werden zur Gleichrichtung Wechselstrombrücken (Gleichrichter) verwendet. Als gleichrichtende Elemente werden meist Halbleiterdioden mit einem pn-Übergang aus Silizium eingesetzt. Beispielsweise werden bei einem Drehstromgenerator 6 Halbleiterdioden zu einer B6-Brücke zusammengeschaltet. Gelegentlich werden auch Dioden parallelgeschaltet, beispielsweise werden anstelle von 6 Dioden 12 Dioden verwendet. Bei Wechselstromgeneratoren mit anderer Phasenzahl werden entsprechend angepasste Diodenbrücken eingesetzt. Die Dioden sind für den Betrieb bei hohen Strömen mit Stromdichten bis über 500 A/cm2 und bei hohen Temperaturen mit einer maximalen Sperrschichttemperatur Tj von etwa 225°C ausgelegt. Typischerweise beträgt der Spannungsabfall in Flussrichtung, die Flussspannung UF, bei den verwendeten hohen Strömen ca. 1 Volt. Bei einem Betrieb in Sperrrichtung fließt im Allgemeinen nur ein sehr kleiner Sperrstrom IR bis zu einer Durchbruchsspannung UZ. Ab dieser Spannung steigt der Sperrstrom sehr stark an. Ein weiterer Spannungsanstieg wird deshalb verhindert. Meist finden in diesem Zusammenhang Zenerdioden (Z-Dioden) mit Sperrspannungen – je nach Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs – von ca. 20–40 Volt Verwendung. Z-Dioden können im Durchbruch, kurzzeitig sogar mit sehr hohen Strömen, belastet werden. Sie werden deshalb zur Begrenzung der überschießenden Generatorspannung bei Lastwechseln (Loaddump) eingesetzt. Solche Dioden sind üblicherweise in robusten Einpressdiodengehäusen verpackt, wie es beispielsweise in der DE 195 49 202 B4 beschrieben ist.
  • Ein Nachteil einer derartigen Vorrichtung besteht darin, dass die Flussspannung der pn-Dioden zu Durchlassverlusten und damit zu einer Wirkungsgradverschlechterung des Generators führt. Da bei einer Stromabgabe des Generators im Mittel immer zwei Dioden in Reihe geschaltet sind, betragen die mittleren Durchlassverluste bei einem 100 A-Generator ca. 200 W. Die damit verbundene Aufheizung von Dioden und Gleichrichter muss durch aufwendige Kühlmaßnahmen verringert werden, beispielsweise durch eine Verwendung von Kühlkörpern oder Lüftern.
  • Zu einer Reduktion der Durchlassverluste wird in DE 10 2004 056 663 A1 vorgeschlagen, sogenannte Hocheffizienzdioden (HED) an Stelle von pn-Dioden einzusetzen. Als Hocheffizienz-Dioden (HED) werden Schottky-Dioden bezeichnet, die im Gegensatz zu herkömmlichen Schottky-Dioden keinen durch die Sperrspannung verursachten Barrier-Lowering Effekt (BL) aufweisen und deshalb niedrige Sperrströme haben. Hocheffizienz-Schottky-Dioden (HED) bestehen aus einer monolithisch auf einem Halbleiterchip integrierten Kombination einer herkömmlichen Schottky-Diode (SBD) mit anderen Elementen wie Feldplatten, pn-Übergängen oder unterschiedlichen Barrierenmetallen. Sie sind häufig in Trenchtechnik ausgeführt.
  • Mit Hocheffizienz-Schottky-Dioden (HED) können wesentlich niedrigere Flussspannungen UF realisiert werden, die im Bereich von 0,5 V bis 0,6 V liegen. Durch die geringen Durchlassverluste der Dioden erhöhen sich der Wirkungsgrad und die Abgabeleistung des jeweiligen Generators. Da Schottky-Dioden als Majoritätsträgerbauelemente sehr schnell schalten, verbessert sich zudem die Rundfunkentstörung des Generators in bestimmten Frequenzbereichen um bis zu 10 dB.
  • In Folge der niedrigeren Sperrverlustleistungen kann zudem der Aufwand für die Kühlung der Dioden im Vergleich zu einer Verwendung von pn-Dioden reduziert werden.
  • Eine Herstellung von Hocheffizienz-Schottky-Dioden (HEDs) ist jedoch aufwendig und technisch sehr anspruchsvoll. Neben den sehr feinen Grabenstrukturen mit Messweiten im Bereich unterhalb von 500 nm, die in das Silizium geätzt werden müssen, stellt insbesondere eine kostengünstige Herstellung von geeigneten und stabilen Schottky-Kontakten eine Herausforderung dar. Als Schottky-Kontakte finden bevorzugt Nickelsilicide oder andere geeignete Silicide Verwendung. In modernen Halbleiterwerken, in denen Leistungs-MOSFETs produziert werden, stehen diese Silicidprozesse meist nicht zur Verfügung.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Bei der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, in Gleichrichtern für Kraftfahrzeug-Generatoren speziell hergestellte n-Kanal MOSFETs einzusetzen, bei denen Gate, Bodygebiet und Sourcegebiet fest elektrisch miteinander verbunden sind und bei denen das Draingebiet als Kathode dient. Mit diesen speziellen, auch als Pseudo-Schottky-Dioden (PSD) bezeichneten Gleichrichterelementen können ähnlich wie bei HEDs niedrige Flussspannungen erzielt werden, die kleiner sind als die Flussspannung einer pn-Diode. Vorzugsweise weist ein solches Gleichrichterelement eine Durchlassspannung auf, die kleiner ist als 0,7 V, wenn es von einem Strom mit 500 A/cm2 durchflossen wird. Vorzugsweise liegt diese Durchlassspannung zwischen 0,5 V und 0,7 V. Derartige Gleichrichterelemente enthalten keine Schottky-Kontakte und benötigen deshalb auch keine speziellen Silicidprozesse. Sie können mit leicht modifizierten Standardprozessen für MOSFETs sowohl in Planar- als auch in Trenchtechnologie hergestellt werden. Als Majoritätsträgerbauelemente schalten sie wiederum sehr schnell.
  • Ein Beispiel einer Generatorvorrichtung gemäß der Erfindung ist in der 1 dargestellt. Dabei bezeichnet das Bezugszeichen 10 einen in Sternschaltung betriebenen Drehstromgenerator mit den Phasen bzw. Wicklungen U, V und W und der rotierbaren Erregerwicklung E. Als Generator kann beispielsweise ein im Kraftfahrzeug üblicher Klauenpolgenerator Verwendung finden. Natürlich sind auch eine Verwendung anderer Generatoren und eine Verwendung von Generatoren mit mehr als drei Phasen möglich. Auch eine andere elektrische Verschaltung innerhalb des Generators, wie beispielsweise eine Dreiecksverschaltung, ist möglich. Die Bezugszeichen 20 bezeichnen jeweils als gleichrichtendes Bauelement eine mittels eines selbstsperrenden n-Kanal MOSFETs realisierte Pseudo-Schottky-Diode. Die selbstsperrenden n-Kanal MOSFETs 20 sind dabei so geschaltet, dass Gate, Bodygebiet und Sourcegebiet fest elektrisch miteinander verbunden sind und dass das Draingebiet als Kathode dient. Diese Verschaltung kann grundsätzlich diskret erfolgen, ist aber in besonders vorteilhafter Weise monolithisch im als Pseudo-Schottky fungierenden MOSFET realisiert. Damit erhält man eine zweipolige Anordnung mit einem in der 1 eingezeichneten Anodenanschluss A und einem Kathodenanschluss K.
  • Liegt am Kathodenanschluss K eine positive Spannung gegenüber der Anode A an, sperrt der MOSFET, da sich sein Gate auf Sourcepotential befindet. Abgesehen von einem geringen Sperrstrom ist der Stromfluss unterbunden. In dieser Konfiguration kann der MOSFET sogar als Z-Diode verwendet werden. Damit können Überspannungen im Fehlerfall, beispielsweise bei einem Spannungsanstieg bei plötzlichem Lastabfall – im Load-Dump – begrenzt werden. Steigt die Spannung über die Durchbruchsspannung UZ der Bodydiode an, bricht die Diode durch (Avalanche- bzw. Lawinendurchbruch) und verhindert so einen weiteren Spannungsanstieg.
  • Wird die Spannung umgepolt, wird der Transistor im 3. Quadranten betrieben. Nach Überwindung einer Schwellspannung fließt Strom, da die integrierte Diode, die sogenannte Body-Diode, in Flussrichtung gepolt ist. Es fällt die Flussspannung UF an der Diode ab. Im Gegensatz zu einer Anordnung, bei der das Gate mit dem Drainanschluss des MOSFETs verschaltet ist, ist das Gate nun elektrisch mit dem Sourcekontakt verbunden. In diesem Fall ist die Durchlassspannung UON etwas kleiner als die Flussspannung UF. Bei handelsüblichen MOSFETs ist der Unterschied zwischen diesen beiden Spannungen allerdings sehr gering. Bei einem 60 V Leistungs-MOSFET mit einer Schwellspannung UTH von ca. 1,8 V liegt der Unterschied – gemessen im mA-Bereich – im Bereich von 20 mV. Bei Pseudo-Schottky-Dioden müssen deshalb noch weitere bauteilspezifische Eigenschaften der MOSFETs in geeigneter Weise gegenüber üblichen Transistoren verändert sein.
  • Der prinzipielle Aufbau einer Pseudo-Schottky-Diode (PSD) stimmt weitgehend mit dem Aufbau eines üblichen Leistungs-MOSFETs überein, wie er beispielsweise im Lehrbuch von J. Lutz, Halbleiter-Leistungsbauelemente, Springer Verlag 2006, beschrieben ist. Im Gegensatz zu einem üblichen MOSFET wird aber der Gateanschluss im Regelfall nicht gesondert herausgeführt, sondern direkt mit dem Sourcegebiet verbunden. Allerdings müssen noch weitere Änderungen am als PSD dienenden MOSFET erfolgen, damit eine niedrige Durchlassspannung UON auftritt.
  • Dies wird nachstehend erläutert:
    Eine Funktionsweise bei Betrieb im 3. Quadranten des MOSFETs, der Durchlassrichtung der PSD, kann man auch als Betrieb eines MOSFETs im 1. Quadranten bei vertauschten Source- und Drainanschlüssen S und D betrachten. Dann wird aus dem Sourcegebiet S der Drainanschluss D' und aus dem Draingebiet D der Sourceanschluss S'. Mit dieser Umbenennung wird aus dem Betrieb im 3. Quadranten bei üblicher Bezeichnung ein Betrieb im 1. Quadranten. Das p-dotierte Bodygebiet B, das hoch n-dotierte Draingebiet D' (das ehemalige Sourcegebiet S) und das Gate G befinden sich dann auf Drainpotential UD'. In diesem Fall kann allerdings die Spannung zwischen D' und S' nicht über die Diodenflussspannung UF ansteigen. Anhand dieser Betrachtungen erkennt man, dass wegen UD'S' = UGS' der Transistor immer in der Sättigung betrieben wird und wegen UD'S' = UBS' > 0 das p-dotierte Bodygebiet gegenüber S' positiv vorgespannt ist. Eine positive Spannung am Bodygebiet reduziert aber die Schwellspannung UTH eines MOSFETs. Die durch das positive Potential am Bodygebiet verringerte Raumladung wird durch eine höhere Inversionsladung ausgeglichen.
  • Um eine mit einer HED vergleichbare Durchlassspannung UON zu erhalten, muss bei einem als PSD geeigneten MOSFET sowohl die Schwellspannung UTH sehr niedrig sein als auch eine nennenswerte Reduktion durch den Bodyeffekt aufweisen. Diese beiden Anforderungen widersprechen sich grundsätzlich. So ist es zur Erzielung eines großen Bodyeffekts günstig, Gateoxiddicke und Bodydotierung möglichst hoch zu wählen. Die Bodydotierung wird allerdings bereits durch die gewählte Sperrspannung bestimmt. Dies widerspricht andererseits der Forderung nach einer niedrigen Schwellspannung UTH. Aus diesem Grund muss durch eine zusätzliche Maßnahme die Schwellspannung unabhängig von Bodyeffekt eingestellt werden. Dies kann beispielsweise durch eine Thresholdimplantation mit Donatoren erfolgen. Dadurch wird die p-Dotierung an der Oberfläche des Bodygebietes abgesenkt und dadurch auch die Schwellspannung UTH. Mit diesen Maßnahmen erhält man Pseudo-Schottky-Dioden mit zu einer HED vergleichbaren Flussspannungen, die außerdem noch als Z-Dioden wirken.
  • In der 2 ist ein Beispiel für eine Ausführung einer Pseudo-Schottky-Diode (PSD) im Querschnitt dargestellt. Dabei wird ausschnittsweise nur eine Zelle betrachtet. Auf einem hoch n+-dotierten Halbleiter 1 befindet sich eine n-dotierte Schicht 2, in die p-dotierte Schichten 3 – die Bodygebiete – eingebracht sind. Innerhalb der Bodygebiete 3 befinden sich in einem gewissen Abstand – der Kanallänge L – vom Rand der Bodygebiete 3 entfernte, dünne, sehr hoch n+-dotierte Bereiche 4, die Sourcegebiete S. Auf der Halbleiteroberfläche befindet sich eine dielektrische Schicht 5 beispielsweise aus Siliziumdioxid mit einer Dicke tox im Bereich von etwa 50–200 nm, die die n-dotierten Gebiete 2 zwischen den Bodygebieten 3, die Bodygebiete 3 im Bereich des Kanals L und teilweise auch die Sourcegebiete 4 überlappt. Die dielektrische Schicht 5 ist mit einer hochdotierten Poly-Silizumschicht 6 – der Gateelektrode – überdeckt.
  • Soweit entspricht die Struktur einer üblichen planaren DMOS-Struktur.
  • Im Unterschied zu einer üblichen planaren DMOS-Struktur ist nun aber die Gateelektrode elektrisch nicht von den Source- und Bodygebieten 4 und 3 isoliert, sondern mit ihnen galvanisch verbunden. Oberhalb der Poly-Silizumschicht 6 und den nicht von ihr überdeckten Source- und Bodybereichen 4 und 3 befindet sich eine Metallschicht 7, die die drei Bereiche elektrisch miteinander verbindet. Das Sourcegebiet 4 ist zusätzlich auch direkt mit dem Gebiet 6 verbunden. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich, da der Anschluss auch durch das Metall 7 erfolgt. Die Metallschicht 7 besteht vorzugsweise aus AlSiCu oder AlCu oder aus Kupfer. Oberhalb der Metallschicht 7 und unterhalb des Substrates 1 befindet sich ein Metallschichtsystem 8 und 9, das die ohmsche Kontaktierung des Substrates 1 garantiert und zudem eine lötfähige Vorderseite 8 und Rückseite 9 bildet. Das Metallschichtsystem kann beispielsweise Ti/NiV/Ag sein. Das Bauelement weist nur zwei Anschlüsse auf, den Anodenanschluss A (Gebiet 8) und den Kathodenanschluss K (Gebiet 9). Zur Reduzierung der Schwellspannung sind die p-dotierten Bodygebiete 3 einer PSD an ihrer Oberfläche – zumindest im Kanalbereich – schwächer dotiert. Dieser Bereich ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in der 2 nicht eingezeichnet.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Erfindung wird nunmehr wiederum an Hand von 1 erläutert. Bezeichnungen und Funktionen stimmen mit dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel überein. Wiederum handelt es sich bei den gleichrichtenden Elementen jeweils um einen MOSFET mit kurzgeschlossenen Gate-, Source- und Body-Gebieten, der im 3. Quadranten betrieben wird. Wiederum kann man dies als einen Betrieb in der Sättigung im 1. Quadranten bei vertauschten Source- und Drainanschlüssen S' und D' ansehen. Im Gegensatz zum vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird hier aber weitgehend auf den positiven Einfluss des Bodyeffekts verzichtet. Dagegen wird die Schwellspannung UTH noch wesentlich niedriger gewählt als im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel. Die niedrigen Schwellspannungen UTH werden vorzugsweise dadurch erreicht, dass man sehr dünne Gateoxide, die vorzugsweise Dicken kleiner als 20 nm, beispielsweise 10 nm, haben, verwendet und zusätzlich wieder eine Thresholdimplantation der p-dotierten Basis 6 mit Donatoren durchführt. Statt der üblichen SiO2-Gateoxide können dielektrische Materialen mit höherer Dielektrizitätskonstante, wie beispielsweise HfO2, ZrO2, Si3N4, usw., – sogenannte high K Materialen – verwendet werden. Solche Materialien werden beispielsweise in der US 2010/0078707 beschrieben.
  • Falls die Spannungsbegrenzung im Loaddumpfall durch die PSDs allein nicht ausreichend ist, können im Gleichrichter auch herkömmliche Z-Dioden zu den PSDs parallel geschaltet werden. In diesem Fall muss die Durchbruchsspannung der PSD größer gewählt werden als die der Z-Dioden. Dann übernehmen die PSDs in Vorwärtsrichtung den Strom, während der Durchbruch ausschließlich in den zusätzlichen Z-Dioden stattfindet.
  • Des Weiteren können Strukturen in den PSDs verwendet werden, die beispielsweise zusätzlich einen weiteren pn-Übergang integriert haben, der die Durchbruchsspannung bestimmt.
  • Ferner können Schaltungen zum Einsatz kommen, bei denen jeweils nur die Plusdioden oder alternativ dazu nur die Minusdioden durch PSDs ersetzt sind.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19549202 B4 [0002]
    • DE 102004056663 A1 [0004]
    • US 2010/0078707 [0018]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • J. Lutz, Halbleiter-Leistungsbauelemente, Springer Verlag 2006 [0012]

Claims (14)

  1. Generatorvorrichtung zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs, mit mindestens einem Gleichrichterelement zum Gleichrichten einer von einem Generator bereitgestellten Wechselspannung, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichrichterelement einen n-Kanal MOS-Feldeffekttransistor aufweist, bei dem Gate, Bodygebiet und Sourcegebiet fest elektrisch miteinander verbunden sind und bei dem das Draingebiet als Kathode dient.
  2. Generatorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierung des Bodygebietes zur Schwellspannungsreduktion an der Oberfläche abgesenkt ist.
  3. Generatorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichrichterelement eine Durchlassspannung (UON) aufweist, die kleiner als die Flussspannung einer pn-Diode ist.
  4. Generatorvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichrichterelement eine Durchlassspannung (UON) kleiner als 0,7 V aufweist, wenn es von einem Strom mit 500 A/cm2 durchflossen wird.
  5. Generatorvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichrichterelement eine Durchlassspannung (UON) zwischen 0,5 V und 0,7 V aufweist, wenn es von einem Strom mit 500 A/cm2 durchflossen wird.
  6. Generatorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung von Source- und Gatekontakt monolithisch integriert ist.
  7. Generatorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichrichterelement eine Gateoxiddicke (tox) aufweist, die größer als 50 nm ist.
  8. Generatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichrichterelement eine Gateoxiddicke aufweist, die kleiner ist als 20 nm.
  9. Generatorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichrichterelement eine lötbare Vorder- und Rückseite aufweist.
  10. Generatorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichrichterelement eine integrierte Spannungsbegrenzung (Load-Dump-Schutz) aufweist.
  11. Generatorvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Spannungsbegrenzung durch den Avalanchedurchbruch der Bodydiode erfolgt.
  12. Generatorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der MOSFET als Leistungs-MOSFET in Planar-Technologie oder als Leistungs-MOSFET in Trench-Technologie hergestellt ist.
  13. Generatorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere Gleichrichterelemente aufweist, die jeweils in einem zweipoligen Einpressdiodengehäuse integriert sind.
  14. Generatorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Gleichrichterelementen Elemente zur Spannungsbegrenzung parallel geschaltet sind.
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