DE102010064253B4

DE102010064253B4 - Halbleiterbauelement mit Detektion thermisch bedingter Fehler

Info

Publication number: DE102010064253B4
Application number: DE102010064253.3A
Authority: DE
Inventors: Alberto Zanardi; Erich Scheikl; Robert Illing; Herbert Hopfgartner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2009-12-30
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2020-03-12
Anticipated expiration: 2030-12-29
Also published as: US8296093B2; US20110156799A1; DE102010064253A1

Abstract

Ein Halbleiterbauelement, das aufweist:
einen Halbleiterchip umfassend einen aktiven Bereich, der durch einen Laststrompfad eines im Halbleiterchip integrierten Halbleiterschalters (T_S) gebildet wird;
eine Temperatursensoranordnung (10), die ein Messsignal (S_dT) abhängig von einer Temperatur (T₁) in oder nahe dem aktiven Bereich bereitstellt;
eine Auswerteschaltung (20), die dazu ausgebildet ist, das Messsignal (S_dT) mit einem ersten Schwellenwert zu vergleichen und eine Übertemperatur zu signalisieren, wenn das Messsignal (S_dT) den ersten Schwellenwert überschreitet, und die weiter dazu ausgebildet ist, die Anzahl der Überschreitungen des ersten Schwellenwerts zu zählen und zu signalisieren, wenn eine maximale Anzahl von Überschreitungen erreicht ist; und
eine Steuerschaltung (30), die dazu ausgebildet ist:
ein Treibersignal (VG) zu generieren, um den Schaltzustand des Halbleiterschalters (Ts) nach Maßgabe eines Eingangssignals (IN) einzustellen,
den Halbleiterschalter (Ts) zu deaktivieren oder dessen Aktivierung zu verhindern, solange die Auswerteschaltung (20) eine Übertemperatur signalisiert, und
den Halbleiterschalter (Ts) zu deaktivieren oder dessen Aktivierung zu verhindern, wenn die Auswerteschaltung (20) signalisiert, dass die maximale Anzahl von Überschreitungen des ersten Schwellenwerts erreicht ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Halbleiterbauelemente und Verfahren zum Betrieb derartiger Bauelemente, und, in speziellen Ausführungsbeispielen, Leistungshalbleiterbauelemente umfassend die Fähigkeit einer Fehlererkennung zur Detektion von fehlerhaften Betriebszuständen (wie beispielsweise von Kurzschlüssen), welche zu einer Überhöhung der Temperatur im Halbleiterbauelement führen können.
Die Publikation US 2003/0158696 A1 beschreibt einen Controller für die Temperaturüberwachung, wobei eine Vielzahl von Temperaturmesswerten mit einer entsprechenden Anzahl von Schwellenwerten verglichen werden. Die Publikation US 5 798 667 A betrifft eine Schaltung zur Steuerung der Verlustleistung einer CPU, wobei temperaturabhängig der CPU-Takt angepasst werden kann. Die Publikation US 2008/0208513 A1 betrifft eine Übertemperaturschutzschaltung für ein Leistungsbauelement.
Halbleiterbauelemente, insbesondere Leistungshalbleiterbauelemente wie z.B. Leistungshalbleiterschalter umfassen häufig eine Temperaturmessfunktionalität zum Erkennen fehlerhafter oder unerwünschter Betriebszustände, in denen unerwünscht hohe Temperaturen auftreten können. Solche fehlerhaften oder unerwünschten Betriebszustände können u.a. eine Überlast oder ein Kurzschluss sein.
Leistungshalbleiterschalter, welche zur Detektion einer Übertemperatur, einer Überlast, eines Kurzschlusses, etc. geeignet sind, werden häufig als „smart power switches“ (intelligente Leistungsschalter) bezeichnet. In bekannten Anwendungen wird häufig die Temperatur an zwei Positionen im Chip gemessen. Ein Temperatursensor misst dabei die Temperatur in oder nahe dem aktiven Bereich des Leistungshalbleiterbauelements (z.B. des DEMOS-Schalters) und ein weiterer Temperatursensor misst die Temperatur in oder nahe dem kältesten Bereich des Chips. Die Differenz zwischen jenen beiden Temperaturmessungen kann verwendet werden, um den Zustand des Halbleiterbauelements auszuwerten und zu beurteilen. D.h. wenn die Temperaturdifferenz einen vordefinierten Schwellenwert überschreitet oder, wenn eine Temperaturmessung einen zulässigen Höchstwert überschreitet, dann wird das Halbleiterbauelement abgeschaltet, um eine Schädigung des Bauelements zu vermeiden. Die erwähnte Temperaturdifferenz zwischen dem aktiven Bereich und einem „cold spot“ (einem „kühlen“ Punkt abseits des aktiven Bereichs) des Chips wird auch als „relative Temperatur“ bezeichnet und in Kelvin gemessen.
In manchen Anwendungen kann jedoch der erwähnte Schwellwert, der für die Vermeidung einer Schädigung des Bauelements notwendig ist, zu gering sein im Vergleich zu den hohen (relativen) Temperaturen, welche von den verhältnismäßig hohen Einschalt- bzw. Anlaufströmen her rühren, welche während einer Einschaltphase des Bauelements auftreten können, und folglich würde eine Übertemperaturabschaltung indirekt durch die unvermeidbaren Anlauf- bzw. Einschaltströme ausgelöst.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Halbleiterbauelement mit einem Übertemperaturschutz bereitzustellen, der hohe Anlauf- bzw. Einschaltströme nach dem Einschalten des Bauelements berücksichtigt.
Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelements gemäß Anspruch 8 gelöst. Beispielhafte Ausführungsformen sowie Weiterentwicklungen der gegenwärtigen Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Im Folgenden wird ein Halbleiterbauelement offenbart. Das Bauelement umfasst einen Halbleiterchip mit einem aktiven Bereich, der durch einen Laststrompfad eines im Halbleiterchip integrierten Halbleiterschalters gebildet wird. Eine Temperatursensoranordnung stellt ein Messsignal bereit, welches von der Temperatur in oder nahe dem aktiven Bereich abhängt. Eine Auswerteschaltung ist dazu ausgebildet, das Messsignal mit einem ersten Schwellenwert zu vergleichen und eine Übertemperatur zu signalisieren, wenn das Messsignal den ersten Schwellenwert überschreitet. Die Auswerteschaltung ist weiter dazu ausgebildet, die Anzahl der Überschreitungen des ersten Schwellenwerts zu zählen und zu signalisieren, wenn eine maximale Anzahl von Überschreitungen erreicht ist. Das Halbleiterbauelement umfasst weiter eine Steuerschaltung, die dazu ausgebildet ist: ein Treibersignal zu generieren, um den Schaltzustand des Halbleiterschalters nach Maßgabe eines Eingangssignals einzustellen; den Halbleiterschalter zu deaktivieren oder dessen Aktivierung zu verhindern, solange die Auswerteschaltung eine Übertemperatur signalisiert; und den Halbleiterschalter zu deaktivieren oder dessen Aktivierung zu verhindern, wenn die Auswerteschaltung signalisiert, dass die maximale Anzahl von Überschreitungen des ersten Schwellenwerts erreicht ist.
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelements umfassend einen Halbleiterschalter mit einem aktiven Bereich offenbart. Das Verfahren umfasst: das Bereitstellen eines Messsignals abhängig von der Temperatur in oder nahe dem aktiven Bereich; das Vergleichen des Messsignals mit einem ersten Schwellenwert; das Signalisieren einer Übertemperatur, solange das Messsignal den ersten Schwellenwert überschreitet; das Zählen der Anzahl der Überschreitungen des ersten Schwellenwertes sowie das Signalisieren, wenn eine maximale Anzahl von Überschreitungen erreicht ist; das Deaktivieren oder das Verhindern einer Aktivierung des Halbleiterschalters, solange eine Übertemperatur signalisiert wird; und das Deaktivieren oder das Verhindern einer Aktivierung des Halbleiterschalters, wenn die maximale Anzahl von Überschreitungen des ersten Schwellenwerts erreicht ist.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die folgenden Abbildungen näher erläutert. Die in den Abbildungen dargestellten Komponenten sind nicht notwendigerweise als Einschränkung zu verstehen, vielmehr wird Wert darauf gelegt, das Prinzip der Erfindung zu illustrieren. In den Abbildungen zeigt:

1 einen intelligenten Leistungsschalter anhand eines Schaltplans als ein erstes Beispiel für ein Halbleiterbauelement gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ein Beispiel der Auswerteschaltung gemäß 1 entsprechend einem Beispiel der Erfindung;
3 anhand von Zeitdiagrammen die Funktion der Auswerteschaltung gemäß 1 und 2.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten bzw. Signale mit gleicher oder ähnlicher Bedeutung.
Wie im einleitenden Teil diskutiert wurde, können hohe Anlauf- bzw. Einschaltströme nach der Aktivierung des betrachteten Halbleiterbauelements auftreten. Das Halbleiterbauelement kann z.B. ein Halbleiterschalter sein, welcher den Schaltzustand einer Glühlampe steuert. Wenn eine kalte Glühlampe eingeschaltet wird, können die Einschalt- bzw. Anlaufströme ein Vielfaches des Nennlaststromes betragen. Eine kurze Zeitspanne nach dem Einschalten der Glühlampe wird folglich die Temperatur im aktiven Bereich des Halbleiterschalters über eine Grenze (d.h. einen vordefinierten Temperaturschwellwert) ansteigen, was für eine längere Zeitspanne unakzeptabel wäre, da derartig hohe Temperaturen letztendlich zur thermischen Zerstörung des Bauelements führen würden.
In den meisten Anwendungen sowie in dem oben erwähnten Beispiel (mit einer Glühlampe verbundener Halbleiterschalter) sind die Temperaturschwellwerte vordefinierte Konstanten und können für eine bestimmte Anwendung fix gewählt sein, d.h. sind während des Betriebs nicht veränderbar. Das Halbleiterbauelement wird abgeschaltet, z.B. dann, wenn die gemessene relative Temperatur einen ersten Schwellenwert von z.B. 60 Kelvin überschreitet. Wenn die betrachtete relative Temperatur unter einen zweiten Schwellenwert fällt (z.B. 50K), wird das Halbleiterbauelement wieder aktiviert. Im Falles eines hohen Laststromes, welcher zu einer Übertemperatur führt, verursacht solch ein Steuermechanismus ein Verhalten, das als „toggling“ (d.h. fortwährendes Ein- und Abschalten) bezeichnet wird. Das heißt, das Bauelement wird aufgrund einer Übertemperatur abgeschaltet. Als Konsequenz dessen kühlt das Bauelement ab und wird reaktiviert, was wiederum zu einer Überhitzung des Bauelements führt und der Kreislauf (Toggling-Zyklus) beginnt von vorn.
Das oben erwähnte Toggling stellt nicht immer einen unerwünschten Betriebszustand des Halbleiterbauelements dar. Tatsächlich kann es für eine bestimmte Zeitspanne akzeptabel sein, dass das Halbleiterbauelement in einem Toggling-Modus betrieben wird, um eine ansonsten notwendige Überdimensionierung des Bauelements zu vermeiden. In dem erwähnten Beispiel werden Halbleiterbauelemente als Leistungshalbleiterschalter verwendet, um den Schaltzustand von Lasten wie z.B. Glühlampen (aber auch Elektromotoren, etc.) zu steuern. Wenn eine kalte Glühbirne eingeschaltet wird, kann ein verhältnismäßig hoher Einschaltstrom auftreten. Das Halbleiterbauelement ist derart ausgelegt, dass während (und nur während) einer Einschaltzeitspanne, in der hohe Einschaltströme auftreten, ein Betriebszustand, in dem Toggling auftritt, erreicht wird. Solch ein Design ermöglicht einerseits eine günstige Auslegung des Bauelements und vermeidet überdimensionierte Halbleiterschalter, andererseits ist es jedoch nicht möglich, zwischen einer Einschaltphase, einer „normalen“ Last, wie z.B. einer Glühlampe von einer tatsächlichen Überlast, wie z.B. einem Kurzschluss zu unterscheiden, da in beiden Fällen Überströme (welche eine Übertemperatur verursachen) zumindest für eine bestimmte Zeitspanne auftreten.
In dem oben erwähnten Fall eines intelligenten Leistungsschalters, der den Schaltzustand einer Glühlampe steuert, verursacht der Übertemperaturschutz ein Toggling des Schalters für z.B. 15 Zyklen, bevor die transiente Einschaltzeitspanne vorbei ist und der Laststrom seinen Nennwert erreicht hat. Der Nennstrom hat Temperaturen unterhalb des Schwellwertes, der ein Toggling auslöst, zur Folge.
Wenn der intelligente Leistungsschalter - statt mit einer Glühlampe verbunden - kurzgeschlossen ist, führt der Kurzschlussstrom zu einer Übertemperatur und löst folglich den Übertemperaturschutzmechanismus aus. Folglich wird der Leistungsschalter beginnen zu toggeln (d.h. er wird ständig ein- und wieder ausgeschaltet) wie während der oben beschriebenen Einschaltphase der Glühlampe. Im Gegensatz zum Fall mit der Glühlampe, stoppt das Toggling nicht nach Ablauf auf transienten Einschaltzeitspanne, vielmehr wird das Toggling ad infinitum fortgesetzt, wenn es nicht durch eine „intelligente“ Kurzschlusserkennung beendet wird. Eine solche wird im Folgenden diskutiert.
Entsprechend einem Beispiel der vorliegenden Erfindung wird die Anzahl der Toggling-Zyklen gezählt und, wenn eine maximale Anzahl von Toggling-Zyklen erreicht ist, wird eine automatische Reaktivierung des Halbleiterbauelements verhindert, solange der Zähler nicht zurückgesetzt wird. Das Halbleiterbauelement kann z.B. dann deaktiviert werden, wenn der zweiunddreißigste Toggling-Zyklus auftritt, und solange deaktiviert bleiben, bis der Zähler, welcher die Toggling-Zyklen zählt, zurückgesetzt wird und die Temperatur unterhalb des vordefinierten Schwellwertes liegt. In diesem Beispiel wird das Einschalten einer Lampe, was wie oben beschrieben ein fünfzehnmaliges Ein- und Ausschalten (Toggling) des Schalters zur Folge hat, nicht als Kurzschluss erkannt, wohingegen ein tatsächlicher Kurzschluss nach dem einunddreißigsten Toggling-Zyklus (Ein-/Ausschaltzyklus) erkannt wird. Selbstverständlich ist die oben erwähnte Anzahl von Toggling-Zyklen lediglich als Beispiel zu verstehen.
Eine beispielhafte Schaltung, welche die oben diskutierte Kurzschlusserkennung implementiert, ist in den 1 und 2 dargestellt und wird im Folgenden ausführlich beschrieben.
In 1 ist anhand eines Schaltplans ein Beispiel eines Halbleiterbauelements mit einer Kurzschlusserkennung dargestellt. Das in 1 gezeigte Halbleiterbauelement umfasst einen Halbleiterschalter T_S , der in einem Halbleiterchip integriert ist. Der Halbleiterchip umfasst einen aktiven Bereich. Dieser aktive Bereich bildet den Strompfad zwischen den Lastelektroden (z.B. Drain-Elektrode und Source-Elektrode) des Halbleiterschalters. In anderen Worten ist der aktive Bereich jene Region, in der elektrische Leistung dissipiert und in Wärme umgesetzt wird, was zu einer (lokalen) Erhöhung der Temperatur während des Betriebs des Halbleiterbauelements führt. Der Halbleiterschalter T_S ist als DMOS-Transistor dargestellt. Es kann jedoch auch jeder beliebige andere Typ eines elektronischen Schalters verwendet werden.
Das Halbleiterbauelement umfasst weiter eine Temperatursensoranordnung 10, die ein Messsignal S_dT bereitstellt, welches von der Temperatur T_S in oder nahe dem aktiven Bereich des Halbleiterchips abhängt. Das Halbleiterbauelement umfasst auch eine Auswerteschaltung 20, die dazu ausgebildet ist, ein binäres 1-Bit-Ausgangssignal EN bereitzustellen (d.h. ein sogenanntes Ausgangs-Flag EN), welches durch einen entsprechenden Logik-Pegel signalisiert, ob eine Übertemperatur oder ein Kurzschluss detektiert wurde. In den Fällen einer Übertemperatur oder eines Kurzschlusses kann das Ausgangs-Flag EN dazu verwendet werden, das Halbleiterbauelement zu deaktivieren, um eine thermische Zerstörung des Bauelements zu vermeiden.
Entsprechend einem Beispiel der Erfindung kann die Temperatursensoranordnung 10 zwei Temperatursensoren umfassen. Ein erster Temperatursensor 11 ist derart angeordnet, dass er ein erstes Temperatursignal S_T1 bereitstellt, welches eine Temperatur T₁ repräsentiert, die in oder nahe dem aktiven Bereich herrscht, wohingegen ein zweiter Temperatursensor 12 derart angeordnet ist, dass er ein zweites Temperatursignal S_T2 bereitstellt, welches eine Chiptemperatur T₂ repräsentiert, welche abseits von dem aktiven Bereich des Halbleiterchips herrscht (quasi eine mittlere Chiptemperatur). Die Temperatursensoren können in demselben Halbleiterchip integriert sein wie der Transistor T_S (und folglich der aktive Bereich). Jedoch können einer der Temperatursensoren 11, 12 sowie auch andere Teile der in 1 gezeigten Schaltung in einem oder mehreren separaten Chips integriert sein, insbesondere wenn eine Chip-on-Chip- oder eine Chip-by-Chip-Technologie verwendet wird. Die Temperatursensoranordnung 10 kann des Weiteren eine Subtrahierereinheit 13 (z.B. einen Differenzverstärker) umfassen, die dazu ausgebildet ist, als Messsignal S_dT ein Signal bereitzustellen, welches eine Differenz dT=T₂-T₁ zwischen der ersten und der zweiten Temperatur T₁ , T₂ repräsentiert. In diesem Fall kann das Messsignal S_dT als „relative Temperatur“ im Bezug auf die Chiptemperatur T₂ , welche durch den zweiten Temperatursensor 12 bereitgestellt wird, interpretiert werden.
In den meisten Fällen kann der erste Temperatursensor 11 in dem gleichen Halbleiterchip integriert sein, wie der Transistor T_S und möglichst nahe dem aktiven Bereich. Beispielsweise kann im Falle eines MOSFETs als Halbleiterschalter T_S eine parasitäre Diode oder ein parasitärer Bipolartransistor des MOSFETs (welche aufgrund von Besonderheiten des Herstellungsprozesses vorliegen können) als Temperatursensor verwendet werden. Jedoch kann auch der Temperaturkoeffizient von Silizium zur Temperaturmessung ausgenutzt werden. Der zweite Temperatursensor 12 ist derart angeordnet, dass er eine durchschnittliche Chiptemperatur misst. Er muss daher abseits des aktiven Bereichs nahe dem kühlsten Teil des Chips angeordnet sein. Dieser Sensor 12 kann, wie oben beschrieben, auch in dem separaten Chip integriert sein.
Um das Halbleiterbauelement und andere damit verbundene Bauelemente vor einer Beschädigung zu schützen, kann eine Steuereinheit 30 vorgesehen sein, welche dazu ausgebildet ist, das Halbleiterbauelement zu deaktivieren und/oder abzuschalten in dem Falle, dass die Auswerteeinheit 20 das Messsignal S_dT als „unnormal“ beurteilt und folglich der Steuereinheit 30 durch das Ausgangs-Flag EN einen fehlerhaften Betriebszustand (d.h. eine Übertemperatur oder einen Kurzschluss) signalisiert. Im vorliegenden Beispiel, bei dem das betrachtete Halbleiterbauelement ein intelligenter Leistungsschalter ist, kann die Steuerschaltung 30 einen Gate-Treiber 31 umfassen, um ein Treibersignal V_G zu erzeugen, welches einer Steuerelektrode (z.B. einer Gate-Elektrode) des Halbleiterschalters zugeführt wird. Das Treibersignal V_G wird nach Maßgabe eines Eingangssignals IN, welches der Steuerschaltung 30 und somit dem Gate-Treiber 31 zugeführt ist, generiert. Um die oben erwähnte Funktion des Deaktivierens oder Abschaltens zu gewährleisten, kann eine Gatterschaltung 32 dazu verwendet werden, das Eingangssignal IN auszutasten und folglich die Treiberschaltung 31 dazu zu zwingen, ein Treibersignal V_G zu erzeugen, welches ein Ausschalten des Transistors T_S zur Folge hat. Im vorliegenden Beispiel wird das Eingangssignal IN ausgetastet als Reaktion auf ein Enable-Signal (Freigabe-/Sperr-Signal) mit einem logischen Wert „0“, das eine Übertemperatur oder einen Kurzschluss signalisiert. Das Enable-Signal (Freigabe-/Sperr-Signal) kann durch die Auswerteschaltung 20 (siehe 2) bereitgestellt werden und entspricht dem oben erwähnten Ausgangs-Flag EN.
In 2 ist die Auswerteschaltung 20 aus 1 detaillierter dargestellt. 2 zeigt auch die Details der oben bezeichneten Kurzschluss-Detektion. Entsprechend dem dargestellten Beispiel der Erfindung ist die Auswerteschaltung 20 dazu ausgebildet, das Messsignal S_dT mit einem ersten Schwellenwert zu vergleichen und eine Übertemperatur zu signalisieren, wenn das Messsignal S_dT den ersten Schwellwert überschreitet. Die Auswerteschaltung 20 ist weiter dazu ausgebildet, die Anzahl der Überschreitungen des ersten Schwellenwertes zu zählen und zu signalisieren, wenn (sobald) eine maximale Anzahl von Überschreitungen erreicht ist. Jede Überschreitung des ersten Schwellenwertes zeigt einen neuen Toggling-Zyklus an. Wenn die maximale Anzahl von Überschreitungen des ersten Schwellenwertes (d.h. die maximale Anzahl von Toggling-Zyklen) erreicht ist, wird das Halbleiterbauelement als „kurzgeschlossen“ beurteilt. Zur Durchführung des oben erwähnten Vergleichs kann die Auswerteschaltung 20 einen Komparator 21 mit Hysterese umfassen, d.h. der Komparator 21 kann einen ersten und einen zweiten Schwellwert (als Schaltschwelle) aufweisen. Folglich wird ein (binäres) Übertemperatursignal OT gesetzt, wenn das Messsignal S_dT über den ersten Schwellwert steigt und somit eine Übertemperatur anzeigt. Um ein sofortiges Rücksetzen des Übertemperatursignals OT zu vermeiden, wird das Übertemperatursignal OT nicht zurückgesetzt, bevor das Messsignal S_dT unter den zweiten Schwellwert, der niedriger ist als der erste Schwellenwert, gefallen ist. In anderen Worten, wenn die relative Temperatur dT des aktiven Bereichs eine vordefinierte Grenze (repräsentiert durch den ersten Schwellwert) überschreitet, wird unter Verwendung des Übertemperatursignals OT eine Übertemperatur signalisiert, und wenn die relative Temperatur eine weitere vordefinierte Grenze (repräsentiert durch den zweiten Schwellwert) wieder unterschreitet, wird das Übertemperatursignal OT zurückgesetzt und keine Übertemperatur mehr signalisiert. Das Übertemperatursignal OT ist dabei ein 1-Bit-Binärsignal und kann folglich auch als Übertemperatur-Flag gesehen werden.
Zur Durchführung der oben erwähnten Zählung der Überschreitungen des ersten Schwellenwertes oder, in anderen Worten, zur Durchführung der Zählung der Toggling-Zyklen des Komparators 21 kann die Auswerteschaltung 20 einen Zähler 22 umfassen, dem an seinem Takteingang CLK das Übertemperatursignal OT, welches vom Komparator 21 bereitgestellt wird, zugeführt ist. Im vorliegenden Beispiel ist der Zähler 22 ein einfacher 6-Bit-Zähler mit einem Zähl-Register, welches (beginnend von Null nach einem Reset) jedes Mal dann inkrementiert wird, wenn eine steigende Flanke an seinem Takteingang CLK auftritt, d.h. jedes Mal, wenn eine Übertemperatur durch den Komparator 21 signalisiert wird. Das 6-Bit-Zählerausgangssignal Q = (Q₀, Q₁,..., Q₅) repräsentiert den gegenwärtigen Zustand des Zählerregisters. Die fünf am Wenigsten signifikanten Bits Q₀ bis Q₄ (least significant bits, LSB) des Zählerausgangssignals sind nicht kontaktiert, wohingegen das am Meisten signifikante Bit Q₅ (most significant bit, MSB) des Zählerausgangssignals als Überlaufsignal OF verwendet wird (auch bezeichnet als Überlauf-Flag). Folglich kann, beginnend von Null, der Zähler einunddreißig (Q=011111) Überschreitungen des ersten Schwellenwertes zählen, bevor das Überlauf-Flag OF gesetzt wird. Wenn die zweiunddreißigste Überschreitung (Q=100000) des ersten Schwellwertes durch das Temperaturmesssignal gezählt wird, dann wird das am meisten signifikante Bit des Zählerausgangs (welches als Überlauf-Flag OF verwendet wird) von Null auf Eins gesetzt und signalisiert folglich einen Zählerüberlauf aufgrund des fortwährenden Togglings des Komparators 21, was als Kurzschluss interpretiert wird.
Durch die Verwendung eines Flags (eines binären 1-Bit-Ausgangssignals) kann die Aufgabe zu signalisieren, wann eine maximale Anzahl von Überschreitungen des ersten Schwellenwertes erreicht ist, effizient implementiert werden. Jedoch gibt es auch viele andere Optionen eine derartige Funktionalität mit Hilfe von digitalen Elektronikkomponenten zu implementieren. Die gewünschte Funktion der Schaltung aus 2 kann z.B. mit Hilfe von diskreten digitalen Elektronikkomponenten (wie z.B. Zählern, Komparatoren, Gattern etc.) implementiert werden, jedoch auch durch die (zusätzliche oder alternative) Verwendung von Mikroprozessoren mit einer geeigneten Software.
In der Schaltung aus 2 wird eine Übertemperatur durch das Übertemperatursignal OT (Übertemperatur-Flag) signalisiert, und das Ereignis, dass eine maximale Anzahl von Toggling-Zyklen erreicht wurde, wird durch das Überlauf-Signal OF (Zählerüberlauf-Flag) signalisiert. Diese zwei Signale können z.B. mit Hilfe eines NOR-Gatters 23 kombiniert werden, wobei das NOR-Gatter 23 an seinem Ausgang das erwähnte Enable-Signal EN bereitstellt. Dieses Enable-Signal EN nimmt (nur dann) einen logischen Wert „1“ (EN=1) an, wenn das Übertemperatursignal OT anzeigt: „keine Übertemperatur“ (OT=0) und das Zählerüberlaufsignal OF anzeigt: „kein Überlauf“ (OF=0). Sobald eines der Signale OT und OF eine Übertemperatur (OT=1) bzw. einen Zählerüberlauf (OF=1) signalisiert, dann nimmt das Enable-Signal EN einen niedrigen Logikpegel (EN=0) an was einem logischen Wert von „0“ entspricht. Das Signal EN kann zur Deaktivierung des Halbleiterbauelements verwendet werden, um eine thermische Zerstörung des Bauelements zu verhindern.
Sobald ein Zählerüberlauf OF aufgetreten ist, wird das Enable-Signal EN solange auf dem Wert „0“ bleiben, bis der Zähler 22 zurückgesetzt wird. Es existieren viele anwendungsabhängige Strategien betreffend die Frage, wann der Zähler nach einem Überlauf (d.h. nach der Erkennung eins Kurzschlusses) zurückgesetzt werden soll. Im Beispiel der 2 wird der Zähler als Reaktion auf einen niedrigen Logikpegel (RES=0) des Reset-Signals RES zurückgesetzt. Der dazugehörige Eingang des Zählers 22 ist daher mit „NOT RES“ beschriftet. In einer einfachen Anwendung kann das Eingangssignal IN (siehe 1) auch der Auswerteschaltung 20 zugeführt und als Reset-Signal RES verwendet werden. In diesem Fall wird der Zähler jedes Mal dann zurückgesetzt, wenn das Eingangssignal IN einen niedrigen Pegel (Low-Pegel) annimmt und folglich das Halbleiterbauelement von extern deaktiviert (d.h. ausgeschaltet) wird. In diesem Beispiel ist das Zählerregister Null, wenn das Eingangssignal IN (wieder) auf einen hohen Logikpegel (High-Pegel) wechselt, um das Halbleiterbauelement zu aktivieren. Gemäß einem weiteren Beispiel kann der logische Zustand des Übertemperatursignals OT und/oder des Überlaufsignals OF durch eine externe Steuerung (nicht gezeigt) abgefragt werden, z.B. über einen SPI-Bus (abgekürzt für seriell peripheral interface bus), welcher von vielen Standardmikrokontrollern unterstützt wird. Dieses Abfragen wird auch als „Polling“ bezeichnet. Gemäß einem solchen Beispiel kann das Reset-Signal RES auch als Reaktion auf einen entsprechenden Reset-Befehl erzeugt werden, welches über den SPI-Bus von der externen Steuerung empfangen wird.
3 zeigt anhand von Zeitdiagrammen das Verhalten der Auswerteschaltung 20 wie in den 1 und 2 dargestellt im Falle eines kurzgeschlossenen Halbleiterbauelements. Das Halbleiterbauelement wird als Reaktion auf einen geeigneten Logik-Pegel eines Eingangssignals IN (siehe 1) aktiviert (d.h. der Leistungstransistor T_S wird eingeschaltet). In dem Beispiel eines intelligenten Leistungsschalters, der in DMOS-Technologien integriert ist, wird das Gate des DMOS-Schalters geladen, um den Stromfluss des Laststroms durch die kurzgeschlossene Last zu ermöglichen. Aufgrund des Kurzschlusses beginnt der Laststrom sowie die relative Temperatur des aktiven Bereichs des Halbleiterbauelements unmittelbar nach der Aktivierung des Halbleiterbauelements zu steigen. Die Temperatur (repräsentiert durch das Messsignal S_dT ) überschreitet schnell den ersten Schwellenwert und die Auswerteschaltung 20 erzeugt ein entsprechendes Übertemperatursignal (OT=1), inkrementiert den Registerwert des Zählers 22 und setzt das Enable-Signal EN auf einen niedrigen Logikpegel (EN=0). Als Resultat wird das Halbleiterbauelement deaktiviert, der Laststromfluss wird gestoppt und die relative Temperatur des aktiven Bereichs fällt unter den zweiten Schwellenwert. Als Reaktion darauf erzeugt die Auswerteschaltung 20 ein korrespondierendes Übertemperatursignal (OT=0) und setzt das Enable-Signal EN auf einen hohen Logikpegel (EN=1), und folglich wird das Halbleiterbauelement wieder aktiviert und der Zyklus beginnt von vorne, wobei der Registerwert des Zählers 22 in jedem Zyklus inkrementiert wird.
Wenn das Messsignal S_dT den ersten Schwellenwert überschreitet und folglich das Übertemperatursignal OT zum zweiunddreißigsten Mal auf „1“ gesetzt wird (im vorliegenden Beispiel ist die maximale Anzahl von Überschreitungen 32), dann wird das Überlaufsignal OF auf „1“ gesetzt und folglich das Enable-Signal EN auf „0“ gesetzt unabhängig von der Temperatur und solange, bis der Zähler 22 auf Null zurückgesetzt wird. Das Überlaufsignal OF wird als Indikator für einen Kurzschluss angesehen und folglich wird als Reaktion auf das Überlaufsignal OF das Halbleiterbauelement bedingungslos durch die Steuerschaltung 30 (siehe 1) abgeschaltet, um Schaden an dem Bauelement oder damit verbundenen Komponenten zu vermeiden.
Die Aufgaben, die durch die Auswerteschaltung 32 erfüllt werden können wie folgt zusammengefasst werden:

(1) Zurücksetzen des Zählers 22 als Reaktion auf ein Reset-Signal RES;
(2) Empfangen des Messsignals S_dT ;
(3) Vergleichen des Messsignals S_dT mit einem ersten Schwellenwert, welcher eine Temperaturobergrenze repräsentiert;
(4) Signalisieren (im vorliegenden Beispiel durch eine steigende Flanke in dem Signal OT), wann der erste Schwellenwert überschritten wird;
(5) Inkrementieren des Zählers 22 als Reaktion auf die Erkennung einer Überschreitung des ersten Schwellenwerts;
(6) Signalisieren (im vorliegenden Beispiel durch eine steigende Flanke in dem Signal OF), wann eine maximale Anzahl von Überschreitungen des ersten Schwellenwerts erkannt wird und folglich Signalisieren eines Kurzschlusses.

Um den Halbleiterchip als Reaktion auf eine Übertemperatur oder einen Kurzschluss zu Deaktivieren, werden die folgenden Aufgaben durchgeführt:

(7) Setzen eines Enable-Signals EN auf einen ersten Logik-Pegel, der einen fehlerhaften Betriebszustand des Halbleiterbauelements anzeigt, als Reaktion auf eine detektierte Übertemperatur oder, wenn die maximale Anzahl von Überschreitungen des ersten Schwellenwerts detektiert wurde, und Zuführen des Enable-Signals EN an eine Steuerschaltung 30;
(8) Signalisieren (im vorliegenden Beispiel durch eine fallende Flanke im Signal OT) wenn das Messsignal unter einen zweiten Schwellenwert sinkt;
(9) Zurücksetzen des Enable-Signals EN auf einen zweiten Logikpegel, der einen fehlerfreien Zustand des Halbleiterbauelements anzeigt, wenn weder eine Übertemperatur detektiert wird noch die maximale Anzahl von Überschreitungen des ersten Schwellenwerts erreicht wurde.

Claims

Ein Halbleiterbauelement, das aufweist: einen Halbleiterchip umfassend einen aktiven Bereich, der durch einen Laststrompfad eines im Halbleiterchip integrierten Halbleiterschalters (T_S) gebildet wird; eine Temperatursensoranordnung (10), die ein Messsignal (S_dT) abhängig von einer Temperatur (T₁) in oder nahe dem aktiven Bereich bereitstellt; eine Auswerteschaltung (20), die dazu ausgebildet ist, das Messsignal (S_dT) mit einem ersten Schwellenwert zu vergleichen und eine Übertemperatur zu signalisieren, wenn das Messsignal (S_dT) den ersten Schwellenwert überschreitet, und die weiter dazu ausgebildet ist, die Anzahl der Überschreitungen des ersten Schwellenwerts zu zählen und zu signalisieren, wenn eine maximale Anzahl von Überschreitungen erreicht ist; und eine Steuerschaltung (30), die dazu ausgebildet ist: ein Treibersignal (VG) zu generieren, um den Schaltzustand des Halbleiterschalters (Ts) nach Maßgabe eines Eingangssignals (IN) einzustellen, den Halbleiterschalter (Ts) zu deaktivieren oder dessen Aktivierung zu verhindern, solange die Auswerteschaltung (20) eine Übertemperatur signalisiert, und den Halbleiterschalter (Ts) zu deaktivieren oder dessen Aktivierung zu verhindern, wenn die Auswerteschaltung (20) signalisiert, dass die maximale Anzahl von Überschreitungen des ersten Schwellenwerts erreicht ist.
Das Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1, wobei die Auswerteschaltung (20) einen Komparator (21) aufweist, der dazu ausgebildet ist, ein Übertemperatursignal (OT) auf einen ersten Logikpegel zu setzen, wenn das Messsignal (S_dT) über den ersten Schwellenwert steigt und folglich eine Übertemperatur signalisiert; und das Übertemperatursignal (OT) auf einen zweiten Logikpegel zurückzusetzen, wenn das Messsignal (S_dT) unter einen zweiten Schwellenwert sinkt.
Das Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 2, wobei die Auswerteschaltung (20) weiter einen Zähler (22) umfasst, dem das Übertemperatursignal (OT) zugeführt ist und der dazu ausgebildet ist, die Anzahl der Übergänge von einem Reset-Zustand auf einen Set-Zustand in dem Übertemperatursignal (OT) zu zählen.
Das Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 3, wobei der Zähler (22) weiter dazu ausgebildet ist, ein Überlaufsignal (OF) auf einen ersten Logikpegel zu setzen, wenn ein Zählerstand einen vordefinierten Maximalwert erreicht hat, und das Überlaufsignal (OF) auf einen zweiten Logikpegel zurückzusetzen als Reaktion auf ein Reset-Signal (RES).
Das Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 4, wobei die Auswerteschaltung (20) weiter eine Gatter-Schaltung (23) umfasst, der das Übertemperatursignal (OT) und das Überlauf-Signal (OF) zugeführt ist, und die ein Freigabe-/Sperr-Signal (EN) bereitstellt, welches durch einen entsprechenden Logikpegel eine Übertemperatur und/oder einen Überlauf des Zählers anzeigt.
Das Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, das weiter eine Steuerschaltung (30) aufweist, die dazu ausgebildet ist, ein Treibersignal (VG) zu generieren, um den Schaltzustand des Halbleiterschalters (TS) nach Maßgabe eines Eingangssignals (IN) einzustellen.
Das Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 6, wobei die Steuerschaltung (30) dazu ausgebildet ist, das Eingangssignal (IN) auszutasten und folglich eine Aktivierung des Halbleiterschalters (TS) zu verhindern als Reaktion auf ein Übertemperatursignal und/oder wenn eine maximale Anzahl von Überschreitungen des ersten Schwellenwertes erreicht ist.
Ein Verfahren zum Betreiben eines Halbleiterbauelements umfassend einen Halbleiterschalter (Ts) mit einem aktiven Bereich, das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Messsignals (S_dT) abhängig von der Temperatur (T₁) in oder nahe dem aktiven Bereich; Vergleichen des Messsignals (S_dT) mit einem ersten Schwellenwert; Signalisieren einer Übertemperatur, solange das Messsignal (S_dT) den ersten Schwellenwert überschreitet; Zählen der Anzahl der Überschreitungen des ersten Schwellenwertes und Signalisieren, wenn eine maximale Anzahl von Überschreitungen erreicht ist; Deaktivieren oder Verhindern einer Aktivierung des Halbleiterschalters (T_S), solange eine Übertemperatur signalisiert wird; und Deaktivieren oder Verhindern einer Aktivierung des Halbleiterschalters (T_S), wenn die maximale Anzahl von Überschreitungen des ersten Schwellenwerts erreicht ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei das Bereitstellen des Messsignals (S_dT) umfasst: Messen einer ersten Temperatur, welche eine Temperatur (T₁) in oder nahe dem aktiven Bereich darstellt; Messen einer Chiptemperatur (T₂) abseits von dem aktiven Bereich des Halbleiterschalters (TS); und Bereitstellen eines Signals (S_dT), welches die Differenz (dT) zwischen der ersten Temperatur (T₁) und der Chiptemperatur (T₂) als Messsignal (S_dT) repräsentiert.
Das Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei das Signalisieren einer Übertemperatur umfasst: Setzen eines Übertemperatursignals (OT) auf einen ersten Logikpegel, wann das Messsignal (S_dT) den ersten Schwellenwert überschreitet und folglich eine Übertemperatur anzeigt; und Zurücksetzen des Übertemperatursignals (OT) auf einen zweiten Logikpegel, wann das Messsignal (S_dT) unter einen zweiten Schwellenwert fällt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 10, das weiter aufweist: Kombinieren des Übertemperatursignals (OT) mit einem Überlaufsignal (OF), welches anzeigt, dass die maximale Anzahl von Überschreitungen des ersten Schwellenwerts erreicht ist.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, weiter aufweisend, das Deaktivieren des Halbleiterschalters (T_S) als Reaktion auf ein Freigabe-/Sperr-Signal (EN), welches anzeigt, dass entweder eine Übertemperatur oder die maximale Anzahl von Überschreitungen des ersten Schwellenwertes erreicht ist.