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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung, die auf eine Last-Ansteuerschaltung angewendet wird, die eine Konfiguration aufweist, bei der ein Schaltelement zwischen eine positive Elektrode einer Stromversorgung und eine Last geschaltet wird, und betrifft insbesondere eine Halbleitervorrichtung derart, dass das Schaltelement in einem Zustand geschützt wird, in dem die Stromversorgung verpolt angeschlossen ist.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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Eine Schaltungsvorrichtung zur Fahrzeugstromversorgung, die zum Beispiel in
JP-A-2005-19532 beschrieben wird, ist als eine Halbleitervorrichtung dieser Art vorgeschlagen worden.
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Dieses bisher bekannte Beispiel umfasst einen Leistungschip 101, der eine Stromzuführung von einer fahrzeugseitig montierten Stromversorgung 103 zu einer Last 104 zwischen einem Durchlasszustand und einem Sperrzustand umschaltet, wie in 7 und 8 gezeigt. Das bisher bekannte Beispiel weist eine interne Schaltung 105 auf, die das Einschalten und Ausschalten des Leistungschips 101 steuert, und umfasst einen Steuerchip 102, der separat vom Leistungschip 101 konfiguriert ist. Eine Fahrzeug-Stromversorgungssteuervorrichtung 110 in der Art, dass eine Steuerung der Stromversorgung zur Last 104 möglich ist, wird konfiguriert, indem der Leistungschip 101 durch die interne Schaltung 105 in einem Zustand gesteuert wird, in dem der Leistungschip 101 und der Steuerchip 102 mit der fahrzeugseitig montierten Stromversorgung 103 parallel geschaltet sind. Ferner umfasst der Steuerchip 102 einen Verarmungs-MOSFET 107, wobei eine Source-Klemme 171 mit einer Stromversorgungsklemme 121 oder einer Masseklemme 122 des Steuerchips 102 verbunden ist, während eine Drain-Klemme 172 mit der internen Schaltung 105 verbunden ist.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Ferner sieht das bisher bekannte, in
JP-A-2005-19532 beschriebene Beispiel vor, dass der Verarmungs-MOSFET
107 mit der positiven Elektrodenseite der fahrzeugseitig montierten Stromversorgung
103 des Steuerchips
102 verbunden ist, der Verarmungs-MOSFET
107 als ein Konstantstromelement funktioniert, wenn die fahrzeugseitig montierte Stromversorgung
103 verpolt angeschlossen ist, und die Spannung, die notwendig ist, um einen Strom desselben Werts, wie der durch den Verarmungs-MOSFET
107 fließende Strom, fließen zu lassen, an die interne Schaltung
105 angelegt ist und die übrige Spannung an den Verarmungs-MOSFET
107 angelegt ist.
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Wird die fahrzeugseitig montierte Stromversorgung 103 in Durchlassrichtung angeschlossen, ist der Spannungsabfall gering, da ein niederohmiger Bereich, der ein Merkmal des Verarmungs-MOSFETs 107 ist, verwendet wird.
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Das bisher bekannte Beispiel ist jedoch dergestalt, dass es erforderlich ist, einen Verarmungs-MOSFET an den Steuerchip 102 anzuschließen, und ein zusätzlicher Fertigungsschritt notwendig ist, um einen normalen MOSFET, der kein Verarmungstyp ist, und einen Verarmungs-MOSFET zu integrieren, und ein ungelöstes Problem dahingehend besteht, dass sich die Anzahl der Arbeitsstunden erhöht und sich die Kosten aufgrund eines Abfalls der Ausbringung erhöhen.
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Da zudem in der internen Schaltung 105 keine Schaltung gezeigt wird, die ein an das Gate des Leistungschips zu übermittelndes Signal erzeugt, besteht zusätzlich ein ungelöstes Problem darin, dass Schwierigkeiten dergestalt auftreten können, dass ein Transistor in der internen Schaltung 105, der eigentlich eingeschaltet sein sollte, wenn die fahrzeugseitig montierte Stromversorgung 103 verpolt angeschlossen ist, tatsächlich abgeschaltet ist und der Ausgang einer OUT-Klemme 125 hochohmig ist. Aus diesem Grund besteht ein ungelöstes Problem darin, dass es notwendig ist, eine Schaltung festzulegen, die einen problemlosen Betrieb selbst dann gewährleistet, wenn eine fahrzeugseitig montierte Stromversorgung verpolt angeschlossen ist.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, die mit Ausrichtung auf die ungelösten Probleme des bisher bekannten Beispiels entwickelt wurde, eine Halbleitervorrichtung derart bereitzustellen, dass es möglich ist, einen durch einen Steuerchip fließenden Strom ohne Verwendung eines Verarmungs-MOSFETs zu unterdrücken, wenn eine Stromversorgung verpolt angeschlossen ist, und ein Schaltelement eines Leistungschips zuverlässig in einen Durchlasszustand zu schalten und somit Wärmeentwicklung zu unterdrücken.
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Um die bisher beschriebene Aufgabe zu lösen, umfasst ein Aspekt einer erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung einen Leistungschip mit einem Schaltelement, das eine Stromzufuhr von einer Stromversorgung zu einer Last zwischen einem Durchlasszustand und einem Sperrzustand umschaltet, einen Steuerchip, in dem eine Steuerschaltung integriert ist, die das Schaltelement des Leistungschips steuert, und eine in dem Steuerchip vorgesehene Verpolungsschutzschaltung, die das Schaltelement des Leistungschips in einen Durchlasszustand steuert, wenn die Stromversorgung verpolt angeschlossen ist, wobei die Verpolungsschutzschaltung Schutzwiderstände aufweist, die zwischen die Steuerschaltung und die positive Elektrodenseite der Stromversorgung geschaltet sind, und eine Steuerspannungsbildungsschaltung, in die eine Zwischenspannung der Schutzwiderstände eingegeben wird und die eine Steuerspannung bildet, die das Schaltelement des Leistungschips in einen Durchlasszustand steuert, wenn die Stromversorgung verpolt angeschlossen ist.
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Ferner ist ein Aspekt der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung dergestalt, dass die Schutzwiderstände eine Konfiguration aufweisen, bei der die Steuerschaltungsseite an das Steuerchipsubstrat angeschlossen ist und ein Substratpotenzial bereitgestellt wird.
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Ferner ist ein Aspekt der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung dergestalt, dass die Steuerspannungsbildungsschaltung dergestalt ist, dass die Zwischenspannung der Spannungsteilerwiderstände der Gate-Klemme zugeführt wird, und sie ein Spannungssteuerungs-Halbleiterelement umfasst, in dessen Eingangsseitenklemme das durch die Schutzwiderstände gebildete Substratpotenzial eingegeben wird.
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Ferner ist ein Aspekt der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung dergestalt, dass die Steuerspannungsbildungsschaltung eine Konfiguration aufweist, bei der eine Rückstrom-Sperrdiode in Reihe mit dem Spannungssteuerungs-Halbleiterelement geschaltet ist.
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Ferner ist ein Aspekt der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung dergestalt, dass die Steuerspannungsbildungsschaltung eine Konfiguration aufweist, bei der ein zweites Spannungssteuerungs-Halbleiterelement eines Kanals, der sich von dem des Spannungssteuerungs-Halbleiterelements unterscheidet, in Reihe mit dem Spannungssteuerungs-Halbleiterelement geschaltet ist.
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Ferner ist ein Aspekt der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung dergestalt, dass das zweite Spannungssteuerungs-Halbleiterelement eine Konfiguration aufweist, bei der die Gate-Klemme und Eingangsseitenklemme kurzgeschlossen sind, und die Back-Gate-Klemme an der Ausgangsklemmenseite eines dritten Spannungssteuerungs-Halbleiterelements angeschlossen ist, dessen Schalten durch ein Steuersignal gesteuert wird.
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Ferner ist ein Aspekt der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung dergestalt, dass die Verpolungsschutzschaltung so konfiguriert ist, dass sie eine Ladungspumpenschaltung aufweist, in die die von dem Spannungssteuerungs-Halbleiterelement der Steuerspannungsbildungsschaltung ausgegebene Steuerspannung eingegeben wird und die Ausgabe der Ladungspumpenschaltung dem Leistungschip zugeführt wird.
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Es ist erfindungsgemäß möglich, eine Steuerspannung zu liefern, die ausreichend ist, um das Schaltelement des Leistungschips in einen Durchlasszustand zu schalten, während gleichzeitig, ohne einen Verarmungs-MOSFET an den Steuerchip anzuschließen, eine Wärmeentwicklung im Steuerchip durch Unterdrücken des durch den Steuerchip fließenden Stroms unterdrückt wird, wenn die Stromversorgung verpolt angeschlossen ist, und es ist somit möglich, das Schaltelement des Leistungschips zuverlässig in einen Durchlasszustand zu schalten und dabei eine Wärmeentwicklung im Leistungschip zu unterdrücken.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Schaltplan, der eine spezifische Konfiguration einer Halbleitervorrichtung zeigt, die eine erste Ausführungsform der Erfindung darstellt;
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2 ist eine Schnittansicht, die eine Elementstruktur der Halbleitervorrichtung von 1 zeigt;
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3 ist eine Kennlinienzeichnung, die ein Beispiel einer an einen Leistungschip angelegten Spannung zeigt, wenn in der ersten Ausführungsform eine Stromversorgung verpolt angeschlossen ist;
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4 ist ein Schaltplan, der eine spezifische Konfiguration einer Halbleitervorrichtung zeigt, die eine zweite Ausführungsform der Erfindung darstellt;
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5 ist ein Schaltplan, der eine spezifische Konfiguration einer Halbleitervorrichtung zeigt, die eine dritte Ausführungsform der Erfindung darstellt;
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6 ist eine Schnittansicht, die eine Elementstruktur einer Halbleitervorrichtung zeigt, die eine vierte Ausführungsform der Erfindung darstellt;
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7 ist ein Schaltplan, der ein bisher bekanntes Beispiel zeigt; und
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8 ist eine Schnittansicht, die eine Elementstruktur der Halbleitervorrichtung von 7 zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Nachfolgend wird im Zusammenhang mit den Zeichnungen eine Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung gegeben.
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1 ist ein Schaltplan, der eine spezifische Konfiguration einer Halbleitervorrichtung zeigt, die eine erste Ausführungsform der Erfindung darstellt, während 2 eine Schnittansicht ist, die eine Elementstruktur der Halbleitervorrichtung von 1 zeigt.
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In 1 ist das Bezugszeichen 1 eine Motor-Ansteuerschaltung, und die Motor-Ansteuerschaltung 1 weist eine Gleichstromversorgung 2 auf, wie etwa eine fahrzeugseitig montierte Batterie. Die negative Elektrodenseite der Gleichstromversorgung 2 ist geerdet, während die positive Elektrodenseite an einen Leistungschip 10 und einen Steuerchip 20 angeschlossen ist.
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Der Leistungschip 10 umfasst einen als Schaltelement wirkenden n-Kanal-MOSFET 11, wobei der Drain des MOSFETs 11 an eine Eingangsklemme ti1 angeschlossen ist, die an die positive Elektrodenseite der Gleichstromversorgung 2 angeschlossen ist. Ferner ist die Source des MOSFETs 11 an eine Ausgangsklemme to1 angeschlossen, die an das andere Ende eines als Last wirkenden Elektromotors 31 angeschlossen ist, wobei eines seiner Enden geerdet ist. Des Weiteren ist das Gate des MOSFETs 11 an eine Gate-Signal-Eingangsklemme tg1 angeschlossen. Das Bezugszeichen 12 ist eine parasitäre Diode.
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Der Steuerchip 20 umfasst eine Eingangsklemme ti2, die an die positive Elektrodenseite der Gleichstromversorgung 2 angeschlossen ist, eine Ausgangsklemme to2, die an Masse angeschlossen ist, eine Antriebssteuersignal-Eingangsklemme ts2, in die ein Antriebssteuersignal eingegeben wird, eine Gate-Signal-Ausgangsklemme tg2, die ein Gate-Signal an den Leistungschip 10 ausgibt, und eine Ausgangsklemme to3, die an eine Anschlussstelle des Leistungschips 10 und des Elektromotors 31 angeschlossen ist.
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Der Steuerchip 20 umfasst ferner eine Steuerschaltung 21, die eine Gate-Spannung VG bildet, die den Durchlasszustand und den Sperrzustand des MOSFET 11 des Leistungschips 10 steuert, eine Verpolungsschutzschaltung 22, die den Leistungschip 10 und den Steuerchip 20 schützt, wenn die Gleichstromversorgung verpolt angeschlossen ist, und eine Gate-Signalbildungsschaltung 23, die ein an den MOSFET 11 des Leistungschips 10 zu sendendes Gate-Signal bildet.
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Die Steuerschaltung 21 umfasst eine vertikale Diffusionsdiode 24 zum Schutz gegen elektrostatische Entladungen, die in einem an der Oberseitenfläche eines n-Substrats 41 gebildeten p-Kanalbereich ausgebildet ist, wie in 2 gezeigt, wobei die Anode der vertikalen Diffusionsdiode 24 an die Ausgangsklemme to2 angeschlossen ist, während die Kathode an die Verpolungsschutzschaltung 22 im n-Substrat 41 angeschlossen ist. Ferner zeigen P-MOS und M-MOS in 2 ein die Steuerschaltung 21 darstellendes gemeinsames Paar eines p-Kanal-MOSFETs und eines n-Kanal-MOSFETs an, das verwendet wird, wenn die Steuerschaltung 21 aus einem CMOS gebildet wird.
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Die Verpolungsschutzschaltung 22 umfasst Spannungsteilerwiderstände R1 und R2 als Schutzwiderstände, die zwischen der Eingangsklemme ti2 und der Kathode der vertikalen Diffusionsdiode 24 angeschlossen sind, sowie eine Steuerspannungsbildungsschaltung 25. Von der Verpolungsschutzschaltung 22 ist nur der die Reihenschaltung der Widerstände R1 und R2 darstellende Widerstand in 2 gezeigt, während der andere Teil der Verpolungsschutzschaltung 22 (der der Steuerspannungsbildungsschaltung entsprechende Teil) in der Zeichnung weggelassen ist.
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Die Steuerspannungsbildungsschaltung 25 umfasst einen p-Kanal-MOSFET 26, in dessen Gate-Klemme eine von einer Zwischenanschlussstelle der Spannungsteilerwiderstände R1 und R2 ausgegebene Zwischenspannung Vdiv eingegeben wird, und zwei Rückstrom-Sperrdioden 27a und 27b, die zwischen den Drain des p-Kanal-MOSFETs 26 und eine Anschlussstelle eines Widerstands R3 und eines Widerstands R5 einer an eine Ausgangsklemme der Steuerschaltung 21 angeschlossenen Gate-Spannungsleitung 21a geschaltet sind. Die Source des p-Kanal-MOSFETs 26 ist an eine Anschlussstelle der Spannungsteilerwiderstände R2 und der Kathode der vertikalen Diffusionsdiode 24 angeschlossen.
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Die Gate-Signalbildungsschaltung 23 umfasst einen Widerstand R4, von dem ein Ende an eine Anschlussstelle der Widerstände R3 und R5 der an die Ausgangsklemme der Steuerschaltung 21 angeschlossenen Gate-Spannungsleitung 21a angeschlossen ist, einen n-Kanal-MOSFET 28, dessen Drain an das anderen Ende des Widerstands R4 angeschlossen ist, und eine Rückstrom-Sperrdiode 29, deren Anode an die Source des N-Kanal-MOSFETs 28 angeschlossen ist, während die Kathode an die Ausgangsklemme to3 angeschlossen ist.
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Die Gate-Signalbildungsschaltung 23 ist dergestalt, dass wenn ein an das Gate des n-Kanal-MOSFETs 28 gesendetes Steuersignal 51 einen geringen Pegel aufweist, schaltet der n-Kanal-MOSFET 28 in einen Sperrzustand, und da die Gate-Spannung der Gate-Spannungsleitung 21 über den Widerstand R5 an das Gate des n-Kanal-MOSFETs 11 des Leistungschips 10 angelegt wird, wird der n-Kanal MOSFET 11 in einen Durchlasszustand gesteuert.
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Umgekehrt schaltet der n-Kanal-MOSFET 28 bei einem an das Gate des n-Kanal-MOSFETs 28 gesendeten Steuersignal S1 mit hohem Pegel in einen Durchlasszustand, die Gate-Spannung der Gate-Spannungsleitung 21a wird heruntergezogen, und der n-Kanal-MOSFET 11 des Leistungschips 10 wird in einen Sperrzustand gesteuert. Da ferner zu diesem Zeitpunkt eine Ladungspumpe 21 im Innern der Steuerschaltung 21 deaktiviert wird, ist es möglich, den n-Kanal-MOSFET 11 des Leistungschips 10 zuverlässig in einen Sperrzustand zu steuern.
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Neben der bisher beschriebenen Konfiguration kann die Motoransteuerschaltung 1 auch eine Überhitzungsdetektorschaltung, eine Überstromdetektorschaltung, eine Last-Kurzschlussdetektorschaltung und dergleichen umfassen, obwohl diese nicht in den Zeichnungen gezeigt werden, und die Motoransteuerschaltung 1 weist auch eine Ladungspumpenschaltung auf, die an die High-Side-Schaltung und dergleichen zugeführte Spannung erzeugt, obwohl dies nicht in den Zeichnungen gezeigt wird.
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Als nächstes wird eine Beschreibung eines Betriebsablaufs der ersten Ausführungsform gegeben.
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Hier wird aufgrund dessen, dass das Steuersignal S1, das an den n-Kanal-MOSFET 28 der Gate-Signalbildungsschaltung 23 des Leistungschips 20 gesendet wird, einen niedrigen Pegel aufweist, wenn die Gleichstromversorgung 2 in Durchlassrichtung angeschlossen ist, wie in 2 gezeigt, die von der Steuerschaltung 21 ausgegebene Gate-Spannung VG an das Gate des n-Kanal-MOSFETs 11 des Leistungschips 10 angelegt, der n-Kanal-MOSFET 11 schaltet gegebenenfalls in einen Durchlasszustand, und eine Versorgungsspannung VB der Gleichstromversorgung 2 wird über den n-Kanal-MOSFET 11 an den Elektromotor 31 zugeführt, wodurch der Elektromotor 31 rotierend angetrieben wird. In diesem Fall ist, da die Spannung der invertierenden Gate-Klemme (da der p-Kanal-MOSFET 26 eingeschaltet ist, wenn der Spannungseingang in die Gate-Klemme auf einem niedrigen Pegel ist, wird die Gate-Klemme als invertierende Gate-Klemme bezeichnet) des p-Kanal-MOSFETs 26 hochgezogen ist, der p-Kanal-MOSFET 26 in einem Sperrzustand.
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Indem das an den n-Kanal-MOSFET 28 der Gate-Signalbildungsschaltung 23 gesendete Steuersignal S1, in einem Zustand, in dem der Elektromotor 31 rotierend angetrieben wird, auf einen hohen Pegel geändert wird, wird die Gate-Spannung VG der Gate-Spannungsleitung 21a heruntergezogen und der n-Kanal-MOSFET 11 des Leistungschips 10 schaltet in einen Sperrzustand, wodurch die Versorgung der Gleichstromversorgung an den Elektromotor 31 unterbrochen wird.
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Als nächstes wird eine Beschreibung eines Falls gegeben, in dem ein Verpolungszustand eingenommen wird, wenn die Gleichstromversorgung 2 an die Motoransteuerschaltung 1 angeschlossen wird, wobei die negative Elektrodenseite der Gleichstromversorgung 2 an die Eingangsklemme ti1 des Leistungschips 10 und die Eingangsklemme ti2 des Steuerchips 20 angeschlossen ist, während die positive Elektrodenseite geerdet ist.
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Wenn sich die Gleichstromversorgung 2 in diesem Verpolungszustand befindet, wird die Gleichstromversorgung, die die Versorgungsspannung VB (zum Beispiel 16 V) ist, in die Ausgangsklemme to2 des Steuerchips 20 eingegeben, und die Gleichstromversorgung wird über den Elektromotor 31 in die Ausgangsklemme to1 des Leistungschips 10 eingegeben, wie durch die dicken Pfeile in 1 gezeigt.
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Da Strom durch die parasitäre Body-Diode 12 und die vertikale Diffusionsdiode 24 in dem Leistungschip 10 und dem Steuerchip 20 fließt, ist es normalerweise nicht möglich, diesen Strom zu steuern. Da die parasitäre Body-Diode 12 und die vertikale Diffusionsdiode 24 nicht unter der Voraussetzung vorgesehen werden, dass sie ständig leitfähig sein werden, tritt das Problem der thermischen Zerstörung aufgrund von Wärmeerzeugung oder Überhitzung auf, wenn Strom kontinuierlich veranlasst wird durch die parasitäre Body-Diode 12 und die vertikale Diffusionsdiode 24 zu fließen.
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In dieser Ausführungsform ist jedoch die Verpolungsschutzschaltung 22 zwischen die vertikale Diffusionsdiode 24 des Steuerchips 20 und die Eingangsklemme ti2 geschaltet. Die Spannungsteilerwiderstände R1 und R2 sind zwischen der Kathode der vertikalen Diffusionsdiode 24 und der Eingangsklemme ti2 in der Verpolungsschutzschaltung 22 angeschlossen. Dadurch ist der Strompfad des Steuerchips 20 dergestalt, dass, um dies mit Hilfe der die Elementstruktur zeigenden 2 zu beschreiben, von der verpolt angeschlossenen Gleichstromversorgung 2 zugeführter Strom durch die vertikale Diffusionsdiode 24 und einer aus dem Back-Gate des N-MOS und dem n-Substrat 41 konfigurierten Diode BG in das n-Substrat 41 fließt und durch einen hochkonzentrierten n-Bereich 42 in der Zeichnung in die Spannungsteilerwiderstände R1 und R2 fließt. Folglich ist es unter Verwendung der Spannungsteilerwiderstände R1 und R2 möglich, den durch den Steuerchip 20 fließenden Strom zu steuern, und es ist somit möglich, Wärmeerzeugung zu unterdrücken, wenn die Stromversorgung des Steuerchips verpolt angeschlossen ist.
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Bezüglich des Potenzials eines jeden Teilbereichs des Steuerchips 20 zu diesem Zeitpunkt ist das Potenzial die Versorgungsspannung VB (= 16 V) der Gleichstromversorgung 2 an der Ausgangsklemme t02, wie in 1 gezeigt, und unter der Annahme, dass eine Durchlassspannung Vf des p-n-Übergangs des n-Substrats 41 der Einfachheit halber 0,6 V ist, dann ist ein Substratpotenzial (Sub-Potenzial) VDD, das die vertikale Diffusionsdiode durchlaufen hat, dergestalt, dass VDD = VB – Vf = 15,4 V.
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Wenn weiterhin der Widerstandswert der Spannungsteilerwiderstände R1 und R2 beispielsweise 100 Ω beträgt, dann ist eine Zwischenspannungsausgabe Vdiv von einer Anschlussstelle der Spannungsteilerwiderstände R1 und R2 dergestalt, dass Vdiv = VDD × (1/2) = 7,7 V, was die Hälfte des Substratpotenzials VDD ist. Da die Zwischenspannung Vdiv der invertierenden Gate-Klemme des p-Kanal-MOSFETs 26 zugeführt wird, schaltet der p-Kanal-MOSFET 26 in einen Durchlasszustand. Hierdurch fließt Strom durch den p-Kanal-MOSFET 26 und die Rückstrom-Sperrdioden 27a und 27b zur Gate-Spannungsleitung 21a.
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Wenn zu diesem Zeitpunkt der Durchflusszustands-Widerstand Ron des p-Kanal-MOSFETs ausreichend gering ist und die Widerstandswerte des in der Gate-Spannungsleitung 21a zwischengeschalteten Widerstands R3 und des Widerstands R4 der Gate-Signalbildungsschaltung 23 ausreichend hoch sind, dann ist die Gate-Spannung VG der Gate-Spannungsleitung 21a dergestalt, dass VG = VB – 3Vf = 14,2 V, und bei an dem Gate des n-Kanal-MOSFETs 11 des Leistungschips 10 angelegter Spannung VG wird der n-Kanal-MOSFET 11 zuverlässig in einen Durchlasszustand gesteuert. Hierdurch ist es möglich, Wärmeerzeugung im Leistungschip 10 zu unterdrücken.
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In einem bisher bekannten Strompfad kommen verschiedene Impedanzen im n-Kanal-MOSFET 28 und der Steuerschaltung 21 vor, jedoch ist durch eine Einstellung derart, dass der p-Kanal-MOSFET 28 und der Rückstrom-Sperrdioden 27a und 27b eine ausreichend niedrige Impedanz in Bezug auf die Widerstände R3 und R4 bilden, eine Vereinfachung der Konstruktion möglich.
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Die Rückstrom-Sperrdioden 27a und 27b dienen hier der Verhinderung eines Rückstroms des aufgeladenen Gate-Potenzials zum p-Kanal-MOSFET 26 während des Normalbetriebs. Da in dieser Ausführungsform der n-Kanal-MOSFET 11 in einer High-Side-Konfiguration verwendet wird, wird das Gate des Leistungschips mit einer Spannung gesteuert, die durch eine Ladungspumpe oder dergleichen auf die Versorgungsspannung oder höher erhöht wird, um den n-Kanal-MOSFET 11 des Leistungschips 10 während eines Normalbetriebs vollständig in einen Durchlasszustand zu schalten.
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Aus diesem Grund werden die Rückstrom-Sperrdioden 27a und 27b angeordnet, um einen Rückstrom erhöhter Spannung zur Substratspannung VDD oder dergleichen zu verhindern. Daher kann, wenn die Durchschlagspannung der Rückstrom-Sperrdioden 27a und 27b ausreichend hoch in Bezug auf die erhöhte Spannung ist, die Rückstrom-Sperrdiode eine Einstufen-Konfiguration aufweisen. In diesem Fall ist die Gate-Spannung VG bei vorliegendem verpoltem Anschluss ungefähr dergestalt, dass VG = VB – 2Vf.
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3 zeigt die Ergebnisse einer Simulation der Versorgungsspannung und der entsprechenden Gate-Spannung VGD, wenn in dieser Ausführungsform ein verpolter Anschluss vorliegt. Wie aus 3 auch ersichtlich ist, kann festgestellt werden, dass eine Gate-Spannung von VGD = VB – 3 × Vf an den n-Kanal-MOSFET 11 des Leistungschips 10 angelegt ist.
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Wenn der Versorgungsstrom (Verbrauchsstrom) der Steuerschaltung 21 während eines Normalbetriebs 1 mA beträgt, dann liegt der Spannungsabfall bei einem Widerstandswert der Spannungsteilerwiderstände R1 und R2 von 200 Ω im Bereich von 0,2 V, was kein Problem für den Normalbetrieb ist. Zudem ist die Gate-Spannung des p-Kanal-MOSFETs 26 um 0,1 V höher als die Source-Spannung des p-Kanal-MOSFETs 26. Es kommt deshalb nicht vor, dass der p-Kanal-MOSFET 26 während eines Normalbetriebs in einem Durchflusszustand ist. Da es zudem nur bei verpolt angeschlossener Spannungsversorgung vorkommt, dass ein hoher Gleichstrom, wie eine Spannung, an die Spannungsteilerwiderstände R1 und R2 angelegt wird, sind verschiedene Steuerungen mit deren Zwischenspannung Vdiv möglich.
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Als nächstes wird anhand von 4 eine Beschreibung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gegeben.
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In der zweiten Ausführungsform werden die Rückstrom-Sperrdioden 27a und 27b der Verpolungsschutzschaltung 22 weggelassen und stattdessen ein n-Kanal-MOSFET 51 angeschlossen.
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In der zweiten Ausführungsform wird, da die Gate-Klemme und Drain-Klemme des n-Kanal-MOSFETs 51 kurzgeschlossen sind und die Back-Gate-Klemme an eine Anschlussstelle des n-Kanal-MOSFETs 28 der Gate-Signalbildungsschaltung 23 und der Rückstrom-Sperrdiode 29 angeschlossen ist, der n-Kanal-MOSFET 51 zum Rückstromsperren verwendet.
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Auch in der zweiten Ausführungsform können dieselben betrieblichen Vorteile erzielt werden wie in der ersten Ausführungsform, da die Rückstrom-Sperrdioden 27a und 27b der Verpolungsschutzschaltung 22 einfach durch den n-Kanal-MOSFET 51 ersetzt werden.
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Als nächstes wird anhand von 5 eine Beschreibung einer dritten Ausführungsform der Erfindung gegeben.
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In der dritten Ausführungsform ist die erste Ausführungsform dergestalt, dass indem eine Anschlussstelle des p-Kanal-MOSFETs 26 und der Rückstrom-Sperrdiode 27a der Verpolungsschutzschaltung 22 an eine Ladepumpenschaltung 60 angeschlossen ist und der Ausgang der Ladepumpenschaltung 60 an die Gate-Spannungsleitung 21a angeschlossen ist, die Gate-Spannung VG auch erhöht werden kann, wenn die Gleichstromversorgung 2 verpolt angeschlossen ist. Dadurch ist es möglich, den Abfall der Gate-Spannung VGD bei einer in 3 gezeigten niedrigen Versorgungsspannung zu verhindern.
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Die Ladepumpenschaltung 60 weist eine Schaltungskonfiguration auf, die nur arbeitet, wenn die Gleichstromversorgung 2 verpolt angeschlossen ist. Daher ist es leicht möglich, eine Detektorschaltung oder dergleichen herzustellen, die bei gleicher Verwendungsweise nur dann arbeitet, wenn die Gleichstromversorgung 2 verpolt angeschlossen ist.
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Bei der ersten bis dritten Ausführungsform wurde eine Beschreibung eines Falls gegeben, in dem der Steuerchip 20 aus dem n-Substrat 41 ausgebildet wird, wobei es auch möglich ist, ohne dass dies einschränkend ist, ein p-Substrat 70 anzuwenden, wie in 6 gezeigt. In diesem Fall wird ein hochkonzentrierter p-Bereich 71, dem Strom zugeführt wird, wenn die Gleichstromversorgung 2 verpolt angeschlossen ist, beispielsweise auf der rechten Seite des p-Substrats 70 gebildet, und die Steuerschaltung 21 (6 zeigt die Steuerschaltung 21 dargestellt durch ein gemeinsames Paar eines P-MOS (p-Kanal-MOSFET) und eines N-MOS (n-Kanal-MOSFET), das verwendet wird, wenn die Steuerschaltung 21 aus einem CMOS gebildet wird) und eine vertikale Diffusionsdiode 24 sind nacheinander auf der linken Seite des hochkonzentrierten p-Bereichs 71 ausgebildet. Ferner wird, wenn die Gleichstromversorgung 2 verpolt angeschlossen ist, der Strom veranlasst zu den Widerständen R1 und R2 entlang eines Pfads des hochkonzentrierten p-Bereichs 71, des p-Substrats 70 und der vertikalen Diffusionsdiode 24 (VZD) zu fließen. Andere Konfigurationen und Betriebsabläufe sind die gleichen wie in den bisher beschriebenen Ausführungsformen.
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Da es zudem nicht erforderlich ist, die Widerstandswerte der Spannungsteilerwiderstände R1 und R2 gleichzusetzen, ist es möglich, beliebige Werte einzustellen, vorausgesetzt dass es möglich ist, den p-Kanal-MOSFET 26 in einen Durchlasszustand zu schalten.
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Zudem wurde in der ersten bis dritten Ausführungsform eine Beschreibung eines Falles gegeben, in dem das Schaltelement des Leistungschips 10 aus einem MOSFET ausgebildet ist, wobei es jedoch möglich ist, ein anderes spannungssteuerndes Halbleiterelement anzuwenden, wie etwa einen IGBT.
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Zudem wurde in der ersten bis dritten Ausführungsform eine Beschreibung eines Falles gegeben, in dem der Elektromotor 31 als die Last angelegt wird, wobei es jedoch möglich ist, ohne dass dies einschränkend ist, eine Last einer anderen beliebigen Konfiguration, wie eine Lampe, anzulegen.
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Merkmale, Bauteile und spezifische Einzelheiten der Strukturen der oben beschriebenen Ausführungsformen können ausgetauscht oder kombiniert werden, um weitere für die jeweilige Anwendung optimierte Ausführungsformen zu bilden. Soweit diese Abänderungen ohne weiteres für einen Fachmann erkennbar sind, sind diese durch die obenstehende Beschreibung vorbehaltlos offenbart, ohne aus Gründen der Prägnanz der vorliegenden Erfindung ausdrücklich jede mögliche Kombination festzulegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2005-19532 A [0002, 0004]
