DE102011051315A1 - Elektronischer Schalter - Google Patents

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Manfred Fuisting
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Schalter, der auf einem Halbleiter mit integriertem Schaltkreis gebildet ist. Der Schalter soll bei geringen Kosten und ohne zusätzlichen Platzbedarf eine hohe Spannungsfestigkeit aufweisen. Dies wird dadure zugeordnet ist, die separat ausgebildet und zum Schutz vor Überspannung parallel zu dem Schalter geschaltet ist, und dass die Suppressordiode ist in das Gehäuse integriert ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen elektronischen Schalter, der auf einem Halbleiter mit integriertem Schaltkreis gebildet ist. Solche Schalter werden auch als Halbleiterschalter benannt.
  • Diese Schalter sind an sich bekannt. Sie werden z.B. in der Automobilindustrie eingesetzt, um elektrische Einrichtungen, z.B. Beleuchtung und Aktoren wie Scheibenwischer, Zentralverriegelung und elektromechanische Servolenkung (EPS), anzusteuern. Sie sind entsprechend in z.B. elektronischen Vorschaltgeräten und Leistungselektroniken eingebaut. Die Schalter umfassen einen Leistungsteil (MOS-FET[Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor]) und einen Logikteil, der als Ansteuerungselektronik auch Selbstschutzfunktionen beinhaltet.
  • Störungen, die eine Lebensdauer des Schalters verkürzen oder diesen sogar zerstören können, treten z.B. in Form von Induktivitäten auf, die durch große Leitungslängen, durch Motore oder durch Spulen entstehen können. Diese Induktivitäten bewirken einen Energieimpuls beim Abschalten des Schalters.
  • Die Selbstschutzfunktionen betreffen z.B. den Abbau des Energieimpulses, also einer zu hohen Spannung, oder eine externe Beschaltung mit Freilaufdioden oder mit Suppressordioden.
  • Bei dem Abbau des Energieimpulses steuert der Schalter selbstständig auf, wird also niederohmig, um einen Spannungsabfall zu begrenzen. Hierbei befindet sich der Leistungsteil in einem Linearbetrieb, in dem er ungeschützt ist. Weiterhin führt der Abbau des Energieimpulses zu einer thermischen Belastung des Schalters, was seine Lebenserwartung reduziert oder im Extremfall zur Zerstörung führt.
  • Die Beschaltung mit Freilaufdioden oder Suppressordioden erfordert zusätzlichen Platz auf einer zugehörigen Leiterplatte, der oft nicht zur Verfügung steht und auch nicht einrichtbar ist. Die Freilaufdioden benötigen für viele Anwendungen außerdem einen zusätzlichen Verpolschutz.
  • Weiterhin ist es bekannt, Schalter mit höherer Energie- und/oder Spannungsfestigkeit herzustellen. Es ist dann aber eine wesentlich größere Halbleiterfläche erforderlich, was erhöhten Platzbedarf und wesentlich größere Kosten bedingt.
  • Die US 6,521,973 B2 beschreibt eine Halbleiter-Vorrichtung mit einem Leistungstransistor und einer Suppressordiode. Die Suppressordiode ist auf der und in die Halbleiter-Vorrichtung integriert und als Verpolungsschutz eingesetzt. Sie ist in Serie mit einer Rückseite des Leistungstransistors gebildet.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen elektronischen Schalter zu schaffen, der bei geringen Kosten und ohne zusätzlichen Platzbedarf eine hohe Spannungsfestigkeit aufweist.
  • Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dem Schalter ist eine Suppressordiode zugeordnet, die separat ausgebildet und zum Schutz vor Überspannung parallel zu dem Schalter geschaltet ist und die in das Gehäuse integriert ist. Der Schalter ist sicher vor Überspannungspulsen, verursacht durch das Abschalten von induktiven Lasten z. B. im Kurzschlussfall, geschützt. Denn die Suppressordiode bewirkt, dass ab einer vorbestimmten Spannung diese umgeleitet wird. Hierbei hat die separate Ausbildung der Suppressordiode den Vorteil, dass sowohl der Schalter als auch die Suppressordiode optimal für ihre Zwecke konstruiert und gefertigt werden können. Wenn also eines der Elemente geändert werden soll oder muss, ist dies einfacher zu bewerkstelligen. Anpassungen an geänderte Anforderungen sind einfacher möglich.
  • Die Integration der Suppressordiode in das Gehäuse vermindert den erforderlichen Platz auf einer zugeordneten Leiterplatte; in vielen Fällen ermöglicht die Integration erst die Anordnung der Suppressordiode, weil der Platz auf der Leiterplatte nicht vorhanden ist und auch nicht geschaffen werden kann.
  • Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.
  • In einer weiteren Ausführung sind ein Leistungskontakt der Suppressordiode und ein Leistungskontakt des Halbleitersubstrats direkt an einen einzigen Pin angeschlossen. Alternativ sind beide Leistungskontakte mittels Bonddrähten an den Pin angeschlossen. In einer weiteren Alternative ist der Leistungskontakt der Suppressordiode direkt und der Leistungskontakt des Halbleiters mittels eines Bonddrahts an den Pin angeschlossen. Diese Alternativen werden je nach Anforderungen und Fertigungsverfahren eingesetzt. Selbstverständlich weisen hierbei die entsprechenden Leistungskontakte dieselbe Polarität auf.
  • Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:
  • 1 ein Schaltbild eines elektronischen Schalters mit Suppressordiode,
  • 2 einen Schnitt durch ein erstes Beispiel des Schalters,
  • 3 einen Schnitt durch ein zweites Beispiel des Schalters und
  • 4 einen Schnitt durch ein drittes Beispiel des Schalters
  • Wie aus der 1 ersichtlich umfasst ein elektronischer Schalter 1, der zur Verdeutlichung gestrichelt eingerahmt ist, einen MOS FET 2. Dieser ist als n-Kanal MOS-FET 2 ausgebildet und umfasst eine Spannungsquelle (Source) 3, ein Gate 4 sowie einen Drain 5. Die Source 3 ist mit einem Leistungseingang verbunden. Parallel zu dem Schalter 1 ist eine Schutzdiode 6 geschaltet. So weit ist der Schalter 1 bekannt. Der Schalter 1 und die Schutzdiode 6 sind auf einem Halbleitersubstrat 10 zusammen mit z.B. weiteren Leistungsteilen und einer Ansteuerungselektronik angeordnet. Das Halbleitersubstrat 10 ist an einem Leistungsanschluss an eine Spannungsversorgung 11 angeschlossen. Dieser Leistungsanschluss kann z.B. über eine Kühlfahne 14 erfolgen.
  • Parallel zu dem Schalter 1 und somit auch zu der Schutzdiode 6 ist weiterhin eine Suppressordiode 7 geschaltet. Diese ist als separates Element ausgebildet, wie aus den 2 bis 4 besonders deutlich wird. Die Suppressordiode 7 schaltet bei einer Spannung ab einer vorbestimmten Größe auf, das heißt, ein Strom, der eine zu hohe Spannung aufweist, kann an dem Schalter 1 vorbei abfließen, ohne diesen zu schädigen.
  • Dem Schalter 1 ist ein Integrierter Schaltkreis (IC) 8 als Ansteuerungselektronik zugeordnet, der eine Ansteuerlogik ausführt und von einer externen Ansteuerung 9 ansteuerbar ist.
  • Eine dem Schalter 1 zugeordnete und von diesem zu schaltende Last 12, hier am Beispiel einer Lampe mit nebengeordneten elektrischen Elementen, ist an einen Masseanschluss des Halbleitersubstrats 10 angeschlossen. Alternativ ist die Last 12 an einem der Spannungsversorgung 11 zugeordneten Anschluss des Halbleitersubstrats 10 angeschlossen.
  • Eine Ausbildung des Schalters 1 als p-Kanal MOS-FET ist analog zu dem oben Beschriebenen.
  • In der 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Bauteils mit dem Halbleitersubstrat 10 und der Suppressordiode 7 dargestellt. Das Bauteil umfasst eine Kühlfahne 14, auf der das Halbleitersubstrat 10 und die Suppressordiode 7 separat aufgelötet sind. Eine elektrische Verbindung des Halbleitersubstrats 10 und der Suppressordiode 7 zu der Leiterplatte erfolgt mittels Pins 15, von denen hier einer dargestellt ist. Die Kühlfahne 14 ist auf einer nicht dargestellten Leiterplatte befestigt, wobei die Pins 15 entsprechend auf der Leiterplatte kontaktiert sind.
  • Der Pin 15 ist hier mit entsprechenden Leistungskontakten gleicher Polarität sowohl des Halbleitersubstrats 10 als auch der Suppressordiode 7 verlötet, also direkt an diesen Leistungskontakten angeschlossen.
  • Das Halbleitersubstrat 10, die Suppressordiode 7 und ein Teil der Pins 15, der über die Kühlfahne 14 ragt, sind von einem Gehäuse 16 umgeben. Das Gehäuse 16 besteht aus einer Vergussmasse, die eine vorbestimmte Höhe aufweist und ebenfalls Teile der Kühlfahne 14 abdeckt. Auf diese Weise ist ein kompaktes, stabiles Bauteil gebildet, das auf der Leiterplatte angelötet werden kann.
  • Ein zweites, in der 3 dargestelltes Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Bauteil dadurch, dass elektrische Verbindungen zwischen den Pins 15 einerseits und dem Halbleitersubstrat 10 und der Suppressordiode 7 andererseits mittels Bonddrähten 17 realisiert sind. Im Übrigen entspricht das Bauteil dem des ersten Ausführungsbeispiels.
  • Ein drittes, in der 4 dargestelltes Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Bauteil dadurch, dass der Pin 15 an der Suppressordiode 7 direkt angeschlossen ist, während zwischen dem Pin 15 und dem Halbleitersubstrat 10 der Bonddraht 17 die elektrische Verbindung gewährleistet. Im Übrigen entspricht das Bauteil dem des ersten Ausführungsbeispiels.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Schalter
    2
    MOS FET
    3
    Source
    4
    Gate
    5
    Drain
    6
    Schutzdiode
    7
    Suppressordiode
    8
    Ansteuerlogik
    9
    Ansteuerung
    10
    Halbleitersubstrat
    11
    Spannungsquelle
    12
    Last
    13
    14
    Kühlfahne
    15
    Pin
    16
    Gehäuse
    17
    Bonddraht
  • 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
    • US 6521973 B2 [0008]

Claims (5)

  1. Elektronischer Schalter, wobei der Schalter auf einem Halbleitersubstrat (10) mit integriertem Schaltkreis gebildet ist, der von einem Gehäuse (16) umschlossen ist, wobei dem Schalter eine Suppressordiode (7) zugeordnet ist, die separat ausgebildet und zum Schutz vor Überspannung parallel zu dem Schalter (1) geschaltet ist, und wobei die Suppressordiode (7) in das Gehäuse (16) integriert ist.
  2. Elektronischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leistungseingangskontakt des Halbleitersubstrats (10) an eine Kühlfahne (14) angeschlossen ist.
  3. Elektronischer Schalter nach nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leistungskontakt der Suppressordiode (7) und ein Leistungskontakt des Halbleitersubstrats (10) direkt an einen einzigen Pin (15) angeschlossen sind.
  4. Elektronischer Schalter nach nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungskontakt der Suppressordiode (7) direkt und der Leistungskontakt des Halbleitersubstrats (10) mittels eines Bonddrahts (17) an den Pin (15) angeschlossen ist.
  5. Elektronischer Schalter nach nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungskontakt der Suppressordiode (7) und der Leistungskontakt des Halbleitersubstrats (10) mittels Bonddrähten (17) an den Pin (15) angeschlossen sind.
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