DE102011078204B4

DE102011078204B4 - Temperaturregelanordnung und temperaturregelverfahren für einenleistungsschalter

Info

Publication number: DE102011078204B4
Application number: DE102011078204.4A
Authority: DE
Inventors: Markus Ladurner; Robert Illing; Paolo Del Croce; Bernhard Auer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2010-06-28
Filing date: 2011-06-28
Publication date: 2020-03-12
Anticipated expiration: 2031-06-29
Also published as: US8657489B2; US20110316606A1; DE102011078204A1

Abstract

Verfahren zum Steuern eines Leistungsschalters, das aufweist:
Überwachen einer lokalen Temperatur des Leistungsschalters (204), der in einem Halbleiterchip integriert ist;
Überwachen einer Referenztemperatur des Halbleiterchips beabstandet zu dem Leistungsschalter;
Vergleichen der lokalen Temperatur mit der Referenztemperatur;
Vergleichen der lokalen Temperatur mit einer Übertemperaturschwelle;
wenn die lokale Temperatur die Referenztemperatur um mehr als eine Differenztemperatur-Schwelle übersteigt und die Übertemperaturschwelle nicht übersteigt, Aus- und Einschalten des Leistungsschalters gemäß einer Differenztemperatur-Hysterese; und
wenn die lokale Temperatur die Übertemperaturschwelle übersteigt,
(a) Ausschalten des Leistungsschalters und
(b) Deaktivieren des Aus- und Einschaltens gemäß der Differenztemperatur-Hysterese.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Anordnung und ein Verfahren für einen Leistungsschalter, insbesondere eine Anordnung und ein Verfahren zur Temperaturregelung eines Leistungsschalters.
Viele Industriebereiche stellen besondere Anforderungen an elektrische oder elektronische Komponenten. Im Automobilbereich beispielsweise setzt das Automotive Electronics Council (AEC) Anforderungen für Automobilelektronik in verschiedenen Standards fest, wie beispielsweise in dem Standard AEC-Q100. Anordnungen, die diesen Standards genügen, besitzen eine ausreichende Robustheit, um in der rauen Automobilumgebung zuverlässig zu funktionieren.
Bei der immer noch zunehmenden Verwendung elektrischer Komponenten im Automobilbereich überwiegen Leistungsschalter zum Schalten von elektrischen Komponenten. Solche elektrischen Komponenten sind beispielsweise Motoren, Heizelemente, Leuchten, Ventile, Magnete und andere elektrische Aktoren.
Neben anderen Anforderungen, die in AEC-Q100 festgelegt sind, setzt der Standard fest, dass Leistungsschalter in der Lage sein sollten, 100 Stunden in einem dauerhaften Kurzschlusszustand zu überstehen. Ausgehend von zunehmenden Anforderungen durch die Anwendung und durch den Benutzer kann die Anforderung an die Robustheit von Leistungsschaltern in nächsten Produktgenerationen möglicherweise vorsehen, dass die Bauelemente 1000 Stunden oder mehr in dauerhaftem Kurschlusszustand aushalten können.
Die US 2008/0208513 A1 beschreibt eine integrierte Schaltung mit einem Leistungsbauelement und einer Schutzschaltung. Die Schutzschaltung erfasst eine Temperatur des Leistungsbauelements und eine Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Leistungsbauelements und einer Temperatur an einer Position beabstandet zu dem Leistungsbauelement. Die Schutzschaltung schaltet das Leistungsbauelement ab, wenn die Temperatur des Leistungsbauelements über eine vorgegebene Temperaturschwelle ansteigt oder wenn die Temperaturdifferenz über eine vorgegebene Temperaturdifferenzschwelle ansteigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung eines Leistungsschalters, eine Halbleiteranordnung und ein Verfahren zur Regelung der Temperatur in einem Leistungsschalter zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, eine Halbleiteranordnung gemäß Anspruch 6 und ein Verfahren gemäß Anspruch 14 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturregelung in einem Leistungsschalter. Dieses Verfahren umfasst das Überwachen eines Leistungstransistors hinsichtlich eines Differenztemperaturfehlers und das Überwachen des Leistungstransistors hinsichtlich eines Übertemperaturfehlers. Wenn ein Differenztemperaturfehler und kein Übertemperaturfehler detektiert wird, wird der Leistungstransistor gemäß einer Differenztemperatur-Hysterese aus- und wiedereingeschaltet. Wenn ein Übertemperaturfehler detektiert wird, wird der Leistungstransistor ausgeschaltet und ein Aus- und Wiedereinschalten gemäß der Differenztemperatur-Hysterese wird deaktiviert.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Leistungsschalters. Dieses Verfahren umfasst das Überwachen einer lokalen Temperatur des auf einem Halbleiterchip angeordneten Leistungsschalters, das Überwachen einer Referenztemperatur des Halbleiterchips beabstandet zu dem Leistungsschalter, das Vergleichen der lokalen Temperatur mit der Referenztemperatur und das Vergleichen der lokalen Temperatur mit einer Übertemperaturschwelle. Wenn die lokale Temperatur die Referenztemperatur um mehr als eine Differenztemperaturschwelle übersteigt und die Übertemperaturschwelle nicht übersteigt, wird der Leistungsschalter gemäß einer Differenztemperatur-Hysterese aus- und eingeschaltet. Wenn die lokale Temperatur die Übertemperaturschwelle übersteigt, wird der Leistungsschalter ausgeschaltet und das Aus- und Wiedereinschalten gemäß der Differenztemperatur-Hysterese wird deaktiviert.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit einem Leistungstransistor, einem in dem Leistungstransistor oder in der Nähe des Leistungstransistors angeordneten Bauelementtemperatursensor, einen entfernten Temperatursensor, der auf oder in einem Abschnitt eines Halbleitersubstrats beabstandet zu dem Leistungstransistor angeordnet ist, einen Differenztemperatur-Komparator und einen Übertemperatur-Komparator. Der Differenztemperatur-Komparator umfasst einen ersten Eingang, der an den Bauelementtemperatursensor gekoppelt ist, einen zweiten Eingang, der an den entfernten Temperatursensor gekoppelt ist, einen Differenztemperatur-Ausschalt-Ausgang, der an ein Gate des Leistungstransistors gekoppelt ist, und einen Differenztemperatur-Hysterese-Deaktivierungs-Eingang. Der Übertemperatur-Komparator umfasst einen ersten Eingang, der an den Bauelementtemperatursensor gekoppelt ist, einen zweiten Eingang, dem ein Übertemperatur-Referenzschwellenwert zugeführt ist und einen Übertemperatur-Ausschalt-Ausgang, der an das Gate des Leistungstransistors und den Differenztemperatur-Hysterese-Deaktivierungs-Eingang des Differenztemperatur-Komparators gekoppelt ist.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und zum besseren Verständnis von deren Vorteilen wird nun auf die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Die Zeichnungen dienen zur Veranschaulichung des Grundprinzips, so dass lediglich die zum Verständnis des Grundprinzips notwendigen Merkmale dargestellt sind. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht. In den Zeichnungen bezeichnen, sofern nichts anderes angegeben ist, gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale mit gleicher Bedeutung.

1 zeigt einen Zeitverlauf, der die elektrische Auswirkung eines Kurzschlussimpulses in einem Leistungsschalter veranschaulicht;
2 veranschaulicht einen Zeitverlauf, der die thermische Auswirkung eines Kurzschlussimpulses in einem Leistungsschalter veranschaulicht;
3 zeigt eine Kurve, die die Anzahl von Schaltzyklen bis zum Auftraten abhängig von der Differenztemperatur darstellt;
4 zeigt ein Blockschaltbild eines Leistungsschalters, der eine Temperaturregellogik aufweist;
5 zeigt ein Blockdiagramm der Temperaturregellogik gemäß 4;
6 zeigt ein Schaltbild der Temperaturregellogik gemäß 5;
7 zeigt einen Zeitverlauf, der die elektrische Auswirkung eines Kurzschlussimpulses in einem Leistungsschalter veranschaulicht;
8 zeigt einen Zeitverlauf, der die thermische Auswirkung eines Kurzschlussimpulses in einem Leistungsschalter veranschaulicht; und
9 zeigt einen Zeitverlauf, der die thermische Auswirkung eines Kurzschlussimpulses in einem Leistungsschalter nach dem Stand der Technik und einem Leistungsschalter gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.

Die Verwendung und die Realisierung von Ausführungsbeispielen der Erfindung werden nachfolgend im Detail erörtert. Es sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung viele verschiedene erfinderische Konzepte umfasst, die in einem weiten Bereich verschiedener Anwendungsbereiche eingesetzt werden können.
Ausführungsbespiele der Erfindung werden nachfolgend in einem speziellen Zusammenhang erläutert, nämlich im Zusammenhang mit einem intelligenten Leistungsschalter (engl.: smart power switch) in einer Automobilanwendung. Die Erfindung kann selbstverständlich jedoch auch auf andere Leistungsschalter angewendet werden, die in anderen industriellen Anwendungen, kommerziellen Anwendungen oder Endverbraucheranwendungen eingesetzt werden. Leistungsschalter können beispielsweise zum Schalten elektrischer Leistung in Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, Kühlschränken, Klimaanlagen, Schaltverstärkern im Audiobereich, Schaltnetzteilen, und ähnlichem, eingesetzt werden. Zusätzlich zum Schalten einer Last kann ein Leistungsschalter zusätzliche interne Funktionen besitzen, wie beispielsweise einen Kurzschluss- und einen Überlastschutz, eine Stromflussmessung, eine Lastdiagnose, eine Lastregelung oder -steuerung, und ähnliches.
Transistoren können als Schalter in elektrischen Schaltungen eingesetzt werden. Insbesondere kann ein Leistungs-MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor, MetallOxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) als Schalter in einer Lastschaltung zum Koppeln einer Last an eine Quelle, insbesondere eine Spannungs- oder Stromquelle, eingesetzt werden. Der Transistor kann entweder eingeschaltet werden, d.h. in seinen leitenden Zustand geschaltet werden, um dadurch einen Stromfluss durch die Lastschaltung zu ermöglichen, oder der Transistor kann ausgeschaltet werden, d.h. in seinem nichtleitenden Zustand geschaltet werden. Wenn der Transistor eingeschaltet ist, kann die elektrische Last an eine Spannungs- oder Stromquelle gekoppelt sein, um dadurch einen Stromfluss durch die Schaltung, d.h. durch den Transistor und die Last zu ermöglichen. Wenn der Transistor ausgeschaltet wird, trennt der Transistor die Last von der Quelle, so dass der Transistor den Stromfluss durch die Lastschaltung unterbricht.
Ein intelligenter Leistungsschalter kann einen Schalttransistor und eine Ansteuer- oder Steuerschaltung zum Ansteuern des Transistors und zum Bereitstellen einer Schutzfunktion, wie beispielsweise einer thermischen Schutzfunktion oder einer Überstromschutzfunktion, für den Transistor aufweisen. Eine Art von Leistungstransistor ist ein vertikaler diffundierter oder doppelt diffundierter MOSFET (Double-Diffused Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor, DMOSFET). Andere Arten von Leistungstransistoren sind beispielsweise andere Arten von Leistungs-MOSFETs, Leistungs-Bipolartransistoren (Bipolar Junction Transistors, BJT), Leistungs-IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), und ähnliche. Der Leistungstransistor und die Ansteuerschaltung können in demselben Halbleiterchip oder in unterschiedlichen Halbleiterchips integriert sein und können in demselben Gehäuse oder in unterschiedlichen Gehäusen untergebracht sein.
Die Ansteuer- oder Steuerschaltung kann Schutzschaltungen aufweisen, die den Leistungstransistor vor einer thermischen Degradierung oder Zerstörung aufgrund von Überhitzung schützen. Allgemein kann der Temperaturschutz eines Leistungstransistors die Verwendung von zwei Temperatursensoren umfassen. Ein Sensor, der zur Temperaturmessung verwendet wird, kann ein beliebiges Element oder Bauelement sein, das eine temperaturabhängige Eigenschaft besitzt. Das temperaturempfindliche Element kann beispielsweise ein Transistor, ein Widerstand, ein Thermoelement, eine Diode, ein piezoelektrischer Kristall, und ähnliches, sein.
Ein erster Temperatursensor kann benachbart oder nahe des Transistors, wie beispielsweise eines DMOSFET, angeordnet sein oder kann in, benachbart oder in der Nähe des aktiven Bereichs des Transistors angeordnet sein, um beispielsweise die Sperrschichttemperatur des Transistors zu messen. Dieser Sensor kann als Bauelementtemperatursensor, als Elementtemperatursensor oder lokaler Temperatursensor bezeichnet werden. Ein zweiter Temperatursensor ist beabstandet zu dem ersten Sensor, und damit beabstandet zu dem Transistor, wie beispielsweise angrenzend oder in der Nähe eines kältesten Bereichs oder eines der kältesten Bereiche des Chips angeordnet. Dieser Sensor kann als beabstandeter Temperatursensor oder Referenztemperatursensor bezeichnet werden.
Temperaturmessungen der zwei Temperatursensoren können dazu verwendet werden, einen Übertemperaturschutz (OT-Schutz) und einen Differenztemperaturschutz (dT-Schutz) für den Leistungstransistor bereitzustellen. Ein Übertemperaturschutz umfasst das Überwachen des Bauelementtemperatursensors hinsichtlich des Auftretens einer Temperatur, die einer Übertemperaturschwelle entspricht. Der Differenztemperaturschutz umfasst das Überwachen der beiden Temperatursensoren hinsichtlich einer Differenz zwischen den Temperaturen an den beiden Temperatursensoren. D.h., wenn beispielsweise ein Fehlerzustand auftritt, steigt die Temperatur im aktiven Bereich an und eine Temperaturdifferenz zwischen den Temperaturen an den beiden Sensoren kann mit einem Differenztemperaturschwellenwert verglichen werden. Ein Übertemperaturschutz und ein Differenztemperaturschutz haben üblicherweise unterschiedliche Hysteresewerte. Ein Wert einer typischen Übertemperaturhysterese beträgt beispielsweise etwa 10 Kelvin (K), während ein typischer Wert einer Differenztemperaturhysterese etwa 60K beträgt.
Ein Beispiel eines Fehlerzustandes ist ein dauerhafter an dem Leistungsschalter anliegender resistiver Kurzschluss bei einer Umgebungstemperatur von beispielsweise 20°C. Der Transistor heizt sich aufgrund dieses Kurzschlusses auf, was bewirkt, dass die Differenztemperaturschutzschaltung (engl.: delta temperature protection circuit) den Transistor abwechselnd aus- und einschaltet, wenn die Differenz zwischen den zwei Temperaturmessungen zunimmt und abnimmt. Dies kann als Differenztemperatur-Toggling bzw. Differenztemperatur-Aus- und-Einschalten bezeichnet werden. Irgendwann wird die Übertemperaturschutzschaltung übernehmen und den Transistor ein- und ausschalten, wenn die Bauelementtemperatur zunimmt und abnimmt. In einem dauerhaften Kurzschlusszustand wird ein thermisches Gleichgewicht zwischen Leistung und Temperatur in etwa bei einer Chiptemperatur von 130°C erreicht werden. Der Leistungstransistor schaltet unter Kurzschlussbedingungen dauerhaft ein und aus, wobei eine Übertemperatur-Hysterese beispielsweise 10K beträgt, wenn ein resistiver Kurzschluss vorliegt.
Ein weiteres Beispiel eines Fehlerzustandes ist ein dauerhafter induktiver Kurzschluss, dem der Leistungsschalter ausgesetzt ist (wie beispielsweise gemäß dem Load-Short-Circuit-(LCS)-Test in Q100). Wenn der Kurzschluss in einem Schaltkreis mit in einer induktiven Last auftritt, wird der Stromfluss in der Schaltung im Allgemeinen nicht sofort unterbrochen, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet wird. Eine Induktivität in dem Lastkreis wird die darin gespeicherte Energie im Allgemeinen abgeben, so dass der in dem Lastkreis und in dem Transistor fließende Strom über der Zeit abnimmt, wenn die Induktivität entladen wird.
Bei einer induktiven Last schaltet der Schalter üblicherweise nicht mit einer 10K-Übertemperatur-Hysterese, und zwar aufgrund der induktiven Klemmung beim Ausschalten. Die 1 und 2 zeigen Zeitverläufe, die das elektrische und das thermische Verhalten eines Leistungsschalters mit einem Übertemperatur- und einem Differenztemperaturschutz veranschaulichen, wenn ein induktiver Lastkurzschlussimpuls an den Leistungsschalter angelegt wird. Das Diagramm 100 in 1 zeigt Kurven einer Versorgungsspannung 102, einer Eingangsspannung 104, einer Ausgangsspannung 106 und eines Transistorstroms 108 als Funktion der Zeit. Wie anhand der Figur ersichtlich ist, bleiben die Versorgungsspannung 102 und die Eingangsspannung 104 konstant auf ihren jeweiligen Werten von etwa 14V und etwa 5V. Der Kurzschlussimpuls bewirkt, dass der Transistorstrom 108 von 0A bis knapp unter 90A ansteigt, bevor er wieder zurück auf 0A absinkt. In entsprechender Weise bewirkt der Kurzschlussimpuls, dass die Ausgangsspannung 106 von 0V auf etwa 12V springt, eine negative Spitze von etwa -30V und eine positive Spitze von 15V aufweist. Die Ausgangsspannung schwingt dann zwischen abnehmenden negativen und positiven Spannungen bevor sie sich wieder auf 0V einschwingt.
Das thermische Zeitdiagramm 120 in 2 zeigt Kurven eines Differenztemperatursignals 122, eines Übertemperatursignals 124, einer Bauelement- oder Elementtemperatur 126 und einer Referenztemperatur 128 jeweils als Funktion der Zeit. Wie anhand dieser Figur ersichtlich ist, bleibt die Differenztemperatur 128 konstant bei etwa 130°C. Der Kurzschlussimpuls, der den in 1 dargestellten erhöhten Transistorstrom bewirkt, lässt die Transistortemperatur 126 ansteigen, bis die Übertemperaturschwelle erreicht ist. Bei Detektieren der Übertemperaturbedingung wird die Übertemperaturschutzschaltung aktiviert und der Leistungstransistor wird durch das Übertemperatursignal 124 ausgeschaltet. Während der Ausschaltphase tritt ein induktives Klemmen auf, das zu einem hohen Leistungsverbrauch in dem Transistor führt. Dies führt zu einem weiteren Anstieg der Temperatur in dem Transistor bis die Differenztemperaturschwelle erreicht ist. Bei Detektieren der Differenztemperaturbedingung wird die Differenztemperaturschutzschaltung aktiviert und der Transistor wird durch das Differenztemperatursignal 122 ausgeschaltet. Wenn die Differenztemperaturschaltung den Transistor regelt, schaltet der Leistungstransistor mit der 60K-Differenztemperatur-Hysterese anstelle der deutlich geringeren 10K-Übertemperatur-Hysterese ein und aus. Bei einer Simulation mit Differenztemperatur-Hysterese war die maximale Temperaturdifferenz zwischen den kältesten und den heißesten Punkten auf dem Chip 150K.
Ein Ein- und Ausschalten des Transistors mit einer hohen Differenztemperatur-Hysterese ist jedoch nachteilig für den Transistor und reduziert dessen Kurzschluss-Robustheit. Allgemein korreliert die maximale Differenztemperatur, der ein Leistungsschalter unterliegt, direkt mit der Lebensdauer des Schalters. Eine Kurve 140 in 3 zeigt, dass die Lebensdauer eines Leistungsschalters, gemessen in der Anzahl der Zyklusdauern bis zum Auftreten eines Fehlers, direkt beeinflusst ist durch die maximale Temperaturdifferenz, der der Leistungsschalter unterliegt. In anderen Worten: Eine höhere Differenztemperatur während dem Ein- und Ausschalten bewirkt, dass der Transistor schneller, d.h. nach weniger Zyklen, ausfällt. Das Verringern der Differenztemperatur oder der maximalen Temperaturdifferenz zwischen dem kältesten und dem heißesten Punkt auf dem Chip erhöht wesentlich die Robustheit und die Betriebsdauer des Leistungstransistors.
4 veranschaulicht ein Blockschaltbild eines Leistungsschalters 200 mit einer Differenztemperatur-Hysterese-Deaktivierungsfunktion. Insbesondere umfasst der Leistungsschalter 200 eine Schaltung zum Ausschalten der Differenztemperatur-Hysterese, wenn das Übertemperatursignal aktiv ist. Mit anderen Worten: Die Differenztemperatur-Hysterese kann während dem Ein- und Ausschalten aufgrund der Übertemperatur-Hysterese deaktiviert werden, so dass der Transistor der Temperaturdifferenz aufgrund der niedrigeren Übertemperatur-Hysterese anstelle der Temperaturdifferenz aufgrund der höheren Differenztemperatur-Hysterese folgt. Ein Deaktivieren der Differenztemperatur-Hysterese ist gleichbedeutend damit, dass das Durchlaufen von Hysteresezyklen eines nachfolgend noch erläuterten, von der Differenztemperatur abhängigen Differenztmperatur-Ausschaltsignals verhindert bzw. deaktiviert wird.
Der DMOSFET-Leistungstransistor 204 gemäß 4 ist in einem Halbleiterchip integriert und ist als High-Side-Schalter zwischen eine Spannungsversorgung 202 und einen Leistungsschalter-Ausgang 206, der an eine zu versorgende Last angeschlossen sein kann (und die wiederum an Masse angeschlossen sein kann), geschaltet ist. Ein Drainanschluss des DMOSFET 204 kann an die Spannungsversorgung 202 gekoppelt sein und ein Sourceanschluss des DMOSFET 204 kann an den Ausgang 206 und die Last gekoppelt sein. Alternativ kann der Schalter als Low-Side-Schalter zwischen die Last (die an eine Spannungsversorgung angeschlossen ist) und Masse geschaltet sein. In diesem Fall kann ein Drainanschluss des Transistors an die Last angeschlossen sein, während ein Sourceanschluss des Transistors an Masse angeschlossen sein kann.
Ein Bauelementtemperatursensor 208 ist in einem aktiven Gebiet des DMOSFET 204 angeordnet, um die Sperrschichttemperatur des Transistors zu messen. Ein Referenztemperatursensor 210 ist beabstandet zu dem DMOSFET 204 in einem kälteren oder kältesten Bereich des Chips angeordnet. Einer Temperaturschutzlogik 212 sind Temperaturmesswerte von dem Bauelementtemperatursensor 208 und dem Referenztemperatursensor 210 zugeführt. Basierend auf den zwei Messwerten erzeugt die Temperaturschutzlogik ein Ein/Aus-Ausgangssignal an einen Gatetreiber 214, der den MOSFET 204 über dessen Gateanschluss entweder ein- oder ausschaltet.
Insbesondere kann eine Übertemperatur anhand der Messung mittels des Bauelementtemperatursensors 208 ermittelt werden und eine Differenztemperatur kann ermittelt werden anhand der Differenz zwischen Temperaturen, die durch den Bauelementtemperatursensor 208 und den Referenztemperatursensor 210 gemessen werden. Die Temperaturschutzlogik 212 ermittelt ob entweder Übertemperatur- oder Differenztemperaturschwellen erreicht wurden, wobei in diesem Fall die Temperaturschutzlogik 212 ein Ausgangssignal an den Gatetreiber 214 ausgibt, um ein Ausschalten des DMOSFET 204 zu bewirken. Zusätzlich, wenn die Übertemperaturschwelle erreicht wurde, deaktiviert die Temperaturschutzschaltung 212 die Differenztemperatur-Hysterese bzw. ein Ein- und Ausschalten aufgrund der Differenztemperatur-Hysterese, so dass ein Ein- und Ausschalten des Transistors durch die Übertemperatur-Hysterese und nicht die Differenztemperatur-Hysterese bewirkt wird.
5 zeigt ein detailliertes Blockschaltbild der Temperaturschutzschaltung 212 gemäß 4. Ein Bauelement-Temperaturmesssignal 220 von dem Bauelementtemperatursensor (208 in 4) ist einem Übertemperatur-Komparator 224 und einem Differenztemperatur-Komparator 226 zugeführt. Ein Abstand-Temperaturmesssignal oder Referenz-Temperaturmesssignal 222 von dem Referenztemperatursensor (210 in 4) ist dem Differenztemperatur-Komparator 226 zugeführt. Ausgangssignale des Übertemperatur-Komparators 224 und des Differenztemperatur-Komparators 226 sind einem AND-Logikgatter 228 zugeführt, das ein Transistortreiber-Ausschaltsignal 230 erzeugt, wenn ein Temperaturfehler vorliegt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind alle Fehlersignale low-aktiv (active low). Alternativ kann die Logik unter Verwendung einer OR-Funktion mit high-aktiven (active high) Signalen implementiert werden. Das Ausgangssignal des Übertemperatur-Komparators 224 ist zusätzlich dem Differenztemperatur-Komparator 226 an einem Differenztemperatur-Hysterese-Deaktivierungseingang 232 zugeführt. Alternativ kann eine separate Steuerleitung von dem Übertemperatur-Komparator 224 zu dem Differenztemperatur-Komparator 226 verwendet werden.
Im Betrieb vergleicht der Differenztemperatur-Komparator 226 den Bauelement-Temperaturmesswert 220 mit dem Referenz-Temperaturmesswert 222. Wenn die Differenz zwischen dem Bauelement-Temperaturmesswert 220 und dem Referenz-Temperaturmesswert 222 gleich oder größer einer Differenztemperaturschwelle ist, liegt ein Differenztemperaturfehler vor, und der Differenztemperatur-Komparator 226 gibt ein Differenztemperaturfehlersignal an die AND-Logik 228 aus, die ein Treiber-Ausschaltsignal 230 zum Ausschalten des Leistungstransistors erzeugt.
Der Übertemperatur-Komparator 224 vergleicht den Bauelement-Temperaturmesswert 220 mit einem Referenzwert, wie beispielsweise einer Referenzspannung, der den Übertemperatur-Schwellenwert repräsentiert. Wenn der Bauelement-Temperaturmesswert 220 gleich dem Referenzwert oder größer als der Referenzwert ist, liegt ein Übertemperaturfehler vor, und der Übertemperatur-Komparator 224 gibt ein Übertemperaturfehlersignal an die AND-Logik 228 aus, die ein Treiber-Ausschaltsignal 230 zum Ausschalten des Leistungstransistors erzeugt. Zusätzlich bewirkt das Übertemperaturfehlersignal, das dem Differenztemperatur-Komparator 226 an dessen Hysterese-Deaktivierungseingang 232 zugeführt ist, dass der Differenztemperatur-Komparator 226 seine Differenztemperatur-Hysterese ausschaltet oder deaktiviert. Auf diese Weise wird die Differenztemperatur-Hysterese ausgeschaltet, wenn das Übertemperaturfehlersignal aktiv ist, so dass die Übertemperatur-Hysterese das Ein- und Ausschalten des Leistungstransistors steuert bzw. regelt.
6 veranschaulicht ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Temperaturschutzschaltung 212 gemäß 4. Ein Bauelement-Temperaturmesssignal 220 ist dem Übertemperatur-Komparator 224 und dem Differenztemperatur-Komparator 226 zugeführt. Ein Referenz-Temperaturmesssignal oder Abstand- Temperaturmesssignal 222 ist dem Differenztemperatur-Komparator 226 zugeführt. Ausgangssignale des Übertemperatur-Komparators 224 und des Differenztemperatur-Komparators 226 werden kombiniert, um ein Transistortreiber-Ausschaltsignal zu erzeugen, wenn einer der zwei Komparatoren einen Temperaturfehler anzeigt. Das Ausgangssignal des Übertemperatur-Komparators 224 ist zusätzlich dem Differenztemperatur-Komparator 226 an einem Differenztemperatur-Hysterese-Deaktivierungseingang 232 zugeführt.
Während des Betriebs vergleicht der Differenztemperatur-Komparator 226 den Bauelement-Temperaturmesswert 220 mit dem Referenz-Temperaturmesswert 222. Wenn die Differenz zwischen dem Bauelement-Temperaturmesswert 220 und dem Referenz-Temperaturmesswert 222 gleich einem Differenztemperatur-Schwellenwert oder größer als ein Differenztemperatur-Schwellenwert ist, liegt in Differenztemperaturfehler vor und der Differenztemperatur-Komparator 226 gibt ein Differenztemperatur-Fehlersignal aus, um den Leistungstransistor auszuschalten. Der Differenztemperatur-Schwellenwert kann auf eine Temperatur zwischen 10K und 100K, zwischen 100K und 200K oder zwischen 200K und 300K eingestellt werden. Alternativ kann der Differenztemperatur-Schwellenwert auf einen Wert von beispielsweise 60K, 80K oder 100K eingestellt werden.
Der Übertemperatur-Komparator 224 vergleicht den Bauelement-Temperaturmesswert 220 mit einer Referenzspannung 240 als Referenzwert, die einen Übertemperatur-Schwellenwert repräsentiert. Bei diesem Ausführungsbeispiel repräsentiert eine Referenzspannung von etwa 390mV eine Übertemperatur-Schwelle von etwa 175°C. Alternativ kann die Übertemperatur-Schwelle auf eine Temperatur zwischen 100°C und 150°C, zwischen 150°C und 175°C oder zwischen 175°C und 200°C eingestellt werden. Alternativ kann die Übertemperatur-Schwelle auf eine Temperatur von beispielsweise 150°C, 175°C oder 200°C eingestellt werden.
Wenn der Bauelement-Temperaturmesswert 220 gleich der Referenzschwelle oder größer als die Referenzschwelle ist, liegt ein Übertemperaturfehler vor und der Übertemperatur-Komparator 224 gibt ein Übertemperatur-Fehlersignal aus, um den Leistungstransistor auszuschalten. Zusätzlich bewirkt das Übertemperatur-Fehlersignal, dass der Differenztemperatur-Komparator 226, dessen Hysterese-Deaktivierungseingang 232 das Übertemperatur-Fehlersignal zugeführt ist, seine Differenztemperatur-Hysterese ausschaltet oder deaktiviert. Auf diese Weise wird die Differenztemperatur-Hysterese ausgeschaltet, wenn das Übertemperatur-Fehlersignal aktiv ist, so dass die Übertemperatur-Hysterese das Ein- und Ausschalten des Transistors steuert bzw. regelt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Übertemperatur-Hysteresewert beispielsweise so eingestellt, dass er etwa 10K beträgt (was zu einem tatsächlichen Wert von etwa 11,5K führt). Alternativ kann die Übertemperatur-Hysterese auf etwa 20K, etwa 30K, etwa 40K, oder ähnliche, eingestellt werden (was zu tatsächlichen Werten führt, die in etwa den eingestellten Werten entsprechen).
Die 7 und 8 zeigen Zeitverläufe, die die elektrischen und thermischen Auswirkungen eines induktiven Last-Kurzschlussimpulses zeigen, der an einen Leistungsschalter angelegt wird, der einen Übertemperatur- und Differenztemperaturschutz aufweist und der eine Differenztemperatur-Hysterese-Deaktivierungsfunktion besitzt. Das Diagramm 300 in 7 zeigt Kurven einer Versorgungsspannung 302, einer Eingangsspannung 304, einer Ausgangsspannung 306 und eines Transistorstroms 308 als Funktionen der Zeit. Wie anhand der Figur ersichtlich ist, bleiben die Versorgungsspannung 302 und die Eingangsspannung 304 konstant bei ihren jeweiligen Werten von etwa 14V und 5V. Der Kurzschlussimpuls bewirkt, dass der Transistorstrom 308 ausgehend von 0A eine Spannungsspitze von etwa 80A erreicht, bevor er auf 0A zurückkehrt. Entsprechend bewirkt der Kurzschlussimpuls, dass die Ausgangsspannung 306 von etwa 0V auf etwa 12V springt, dann eine negative Spitze bei etwa -30V und anschließend eine positive Spitze von 15V erreicht. Die Ausgangsspannung schwingt dann zwischen abnehmenden negativen und positiven Spannungen bevor sie sich zurück auf 0V einschwingt.
Das thermische Zeitdiagramm 320 in 8 zeigt Kurven des Differenztemperatursignals 322, des Übertemperatursignals 324, der Transistortemperatur 326 und einer Referenztemperatur 328 als Funktionen der Zeit. Wie anhand der Figur ersichtlich ist, bleibt die Referenztemperatur 328 konstant bei etwa 130°C. Der Kurzschlussimpuls, der den in 7 dargestellten ansteigenden Transistorstrom bewirkt, führt zu einem Ansteigen der Transistortemperatur 326 bis die Übertemperaturschwelle bei etwa 180°C erreicht wird. Bei Detektieren der Übertemperaturbedingung wird die Übertemperaturschutzschaltung aktiviert und der Leistungstransistor wird durch das Übertemperatursignal 324 ausgeschaltet.
Die Übertemperaturschutzschaltung deaktiviert auch die Differenztemperatur-Hysterese. Während der Ausschaltphase tritt ein induktives Klemmen auf, das einen hohen Leistungsverbrauch in dem Transistor bewirkt. Dies führt zu einem weiteren Anstieg der Temperatur in dem Transistor bis die Differenztemperaturschwelle erreicht wird. Bei Detektieren der Differenztemperaturbedingung wird die DifferenztemperaturSchutzschaltung aktiviert und der Transistor wird durch das Differenztemperatursignal 322, jedoch ohne Differenztemperatur-Hysterese, ausgeschaltet. Bei ausgeschalteter Differenztemperatur-Hysterese steuert die ÜbertemperaturSchutzschaltung den Transistor und der Leistungstransistor schaltet mit der 10K-Übertemperatur-Hysterese anstelle der wesentlich höheren 60K-Differenztemperatur-Hysterese ein und aus. Bei Simulationen, mit abgeschalteter Differenztemperatur-Hysterese, betrug die maximale Temperaturdifferenz zwischen den kältesten und den heißesten Punkten auf dem Chip etwa 115K. Alternativ kann die Übertemperatur-Hysterese 40K oder weniger, 35K oder weniger, 30K oder weniger, 20K oder weniger, 15K oder weniger, oder 10K oder weniger sein. Weiterhin kann die Differenztemperatur-Hysterese alternativ 40K oder höher, 45K oder höher, 50K oder höher, oder 60K oder höher sein.
9 veranschaulicht ein Zeitdiagramm 400, das das thermische Verhalten eines herkömmlichen Leistungsschalters und eines Leistungsschalters gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. In dem herkömmlichen Leistungsschalter steuert die Differenztemperatur-Hysterese im Allgemeinen das Ein- und Ausschalten, während bei dem Leistungsschalter gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung die Übertemperatur-Hysterese im Allgemeinen das Ein- und Ausschalten steuert. Wie anhand von 9 ersichtlich ist, besitzt die Temperatur 402 des über die Differenztemperatur-Hysterese gesteuerten Transistors einen maximalen Temperaturhub von etwa 150K. Im Gegensatz dazu beträgt ein maximaler Temperaturhub der Temperatur 404 des durch die Übertemperatur-Hysterese gesteuerten Transistors etwa 115K. Daher reduziert im vorliegenden Beispiel die Differenztemperatur-Hysterese-Deaktivierungsfunktion allgemein die maximale Differenztemperatur von etwa 150K auf etwa 115K. Selbstverständlich hängt die tatsächliche Temperaturdifferenz von den verwendeten Bauelementen und der jeweiligen Anwendung ab. Allgemein ist die maximale Temperaturdifferenz eines durch eine Übertemperatur-Hysterese gesteuerten Leistungsschalters wesentlich geringer als die eines durch eine Differenztemperatur-Hysterese gesteuerten Leistungsschalters. Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass bei einem geringeren Temperaturhub die Temperatur-Schwingungszyklen häufiger auftreten können, was zu häufigeren Leistungsstößen (engl.: power surges) in der Übertemperatur-Hysterese-Leistungskurve 408 als bei der Differenztemperatur-Leistungskurve 406 führt.
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel erläutert wurden, auch mit Merkmalen anderer Ausführungsbeispiele kombiniert werden können, selbst wenn dies zuvor nicht explizit erwähnt wurde.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Leistungsschalters, das aufweist: Überwachen einer lokalen Temperatur des Leistungsschalters (204), der in einem Halbleiterchip integriert ist; Überwachen einer Referenztemperatur des Halbleiterchips beabstandet zu dem Leistungsschalter; Vergleichen der lokalen Temperatur mit der Referenztemperatur; Vergleichen der lokalen Temperatur mit einer Übertemperaturschwelle; wenn die lokale Temperatur die Referenztemperatur um mehr als eine Differenztemperatur-Schwelle übersteigt und die Übertemperaturschwelle nicht übersteigt, Aus- und Einschalten des Leistungsschalters gemäß einer Differenztemperatur-Hysterese; und wenn die lokale Temperatur die Übertemperaturschwelle übersteigt, (a) Ausschalten des Leistungsschalters und (b) Deaktivieren des Aus- und Einschaltens gemäß der Differenztemperatur-Hysterese.
Verfahren nach Anspruch 1, das nach einem Ausschalten des Leistungsschalters (204) nachdem die lokale Temperatur die Übertemperaturschwelle überstiegen hat, aufweist: Einschalten des Leistungsschalters gemäß einer Übertemperatur-Hysterese.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem ein Hysteresewert der Übertemperatur-Hysterese 35K oder weniger und ein Hysteresewert der Differenztemperatur-Hysterese 45K oder mehr beträgt.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Hysteresewert der Übertemperatur-Hysterese 10K oder weniger und der Hysteresewert der Differenztemperatur-Hysterese 60K oder mehr beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Leistungsschalter ein Leistungstransistor ist.
Halbleiteranordnung, die aufweist: einen Leistungstransistor (204); einen Bauelementtemperatursensor (208) der in dem Leistungstransistor (204) oder in der Nähe des Leistungstransistors (204) angeordnet ist; einen entfernten Temperatursensor (210), der auf oder in einem Abschnitt eines Halbleitersubstrats beabstandet zu dem Leistungstransistor (204) angeordnet ist; einen Differenztemperatur-Komparator (226), der aufweist: (a) einen ersten Eingang, der an den Bauelementtemperatursensor (208) gekoppelt ist, (b) einen zweiten Eingang, der an den entfernten Temperatursensor (210) gekoppelt ist, (c) einen Differenztemperatur-Ausschalt-Ausgang, der an ein Gate des Leistungstransistors (204) gekoppelt ist; und (d) einen Differenztemperatur-Hysterese-Deaktivierungseingang; und einen Übertemperatur-Komparator (224), der aufweist: (a) einen ersten Eingang, der an den Bauelementtemperatursensor (208) gekoppelt ist; (b) einen zweiten Eingang, dem ein Übertemperatur-Referenzschwellenwert zugeführt ist; und (c) einen Übertemperatur-Ausschalt-Ausgang, der an das Gate des Leistungstransistors (204) und an den Differenztemperatur-Hysterese-Deaktivierungseingang des Differenztemperatur-Komparators (226) gekoppelt ist.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 6, bei der der Leistungstransistor ein MOSFET ist.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 7, bei der der MOSFET ein DMOSFET ist.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 7, bei der ein Drainanschluss des MOSFET an einen Versorgungsspannungseingang gekoppelt ist und ein Sourceanschluss des MOSFET an einen Lastausgang gekoppelt ist.
Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, die weiterhin aufweist: ein AND-Gatter (228) mit einem ersten Eingang, der an den Differenztemperatur-Ausschalt-Ausgang gekoppelt ist, einem zweiten Eingang, der an den Übertemperatur-Ausschalt-Ausgang gekoppelt ist, und einen AND-Ausgang, der an das Gate des Transistors (204) gekoppelt ist.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 10, die weiterhin aufweist: einen Gate-Treiber (230) mit einem Eingang, der an den AND-Ausgang gekoppelt ist, und mit einem Ausgang, der an das Gate des Transistors (204) gekoppelt ist.
Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, bei der der Übertemperatur-Referenzschwellenwert eine Übertemperatur-Referenzschwellenwertspannung ist.
Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, bei der der Bauelementtemperatursensor (208) in einem aktiven Bereich oder in der Nähe eines aktiven Bereichs des Leistungstransistors (204) angeordnet ist.
Verfahren zur Temperaturregelung eines Leistungsschalters, das aufweist: Überwachen des Leistungsschalters hinsichtlich eines Differenztemperaturfehlers; Überwachen des Leistungsschalters hinsichtlich eines Übertemperaturfehlers; wenn ein Differenztemperaturfehler und kein Übertemperaturfehler detektiert wird: Aus- und Wiedereinschalten des Leistungstransistors gemäß einer Differenztemperatur-Hysterese; und wenn ein Übertemperaturfehler detektiert wird: Ausschalten des Leistungstransistor und Deaktivieren eines Aus- und Wiedereinschaltens des Leistungstransistors gemäß der Differenztemperatur-Hysterese.
Verfahren nach Anspruch 14, das nach Auftreten eines ersten Übertemperaturfehlers weiterhin aufweist: Detektieren eines Endes des ersten Übertemperaturfehlers und Einschalten des Leistungsschalters.
Verfahren nach Anspruch 15, das weiterhin aufweist: nach Detektieren eines Endes des ersten Übertemperaturfehlers, Freigeben der Differenztemperatur-Hysterese.
Verfahren nach Anspruch 15, das nach Detektieren des Endes des ersten Übertemperaturfehlers weiterhin aufweist: Detektieren eines zweiten Übertemperaturfehlers und Ausschalten des Leistungsschalters.
Verfahren nach Anspruch 17, das nach Detektieren des zweiten Übertemperaturfehlers weiterhin aufweist: Deaktivieren der Differenztemperatur-Hysterese.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, das weiterhin aufweist: wenn weder ein Differenztemperaturfehler noch ein Übertemperaturfehler detektiert wird, Einschalten des Leistungsschalters.