DE102015110102A1

DE102015110102A1 - Strommessung in einer Leistungshalbleiter-Anordnung

Info

Publication number: DE102015110102A1
Application number: DE102015110102.5A
Authority: DE
Inventors: Rainald Sander
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2015-06-24
Publication date: 2015-12-31
Also published as: CN105223402B; US9429598B2; CN105223402A; US20150377931A1

Abstract

Eine Halbleiteranordnung kann eine Vielzahl Halbleiterelemente umfassen mit Steuerpfaden und gesteuerten Pfaden, wobei die gesteuerten Pfade steuerbare Leitfähigkeiten haben und parallel zueinander geschaltet sind. Die Halbleiteranordnung kann weiter umfassen eine Stromauswerteschaltung, die ausgebildet ist, die Stärke der in den gesteuerten Pfaden vorhandenen Ströme zu messen und ein Signal, das die Summe der gemessenen Stromstärken repräsentiert, bereitzustellen, und eine Steuerschaltung, die mit den Steuerpfaden verbunden ist und die ausgebildet ist, die Leitfähigkeiten der gesteuerten Pfade gemäß einem Eingangssignal zu steuern, wobei das Signal die Summe der Stromstärken repräsentiert und mindestens ein gesteuerter Pfad so gesteuert wird, dass er eine minimale Leitfähigkeit aufweist, wenn das Signal, das die Summe der Stromstärken repräsentiert, unterhalb eines Schwellenwerts liegt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft Leistungshalbleiter-Anordnungen mit einer Strommessungsschaltung sowie Verfahren zur Strommessung in einer Leistungshalbleiter-Anordnung.
HINTERGRUND
Leistungshalbleiter wie beispielsweise Leistungstransistoren finden breite Verwendung beim Schalten elektrischer Ströme in Kraftfahrzeug- oder Industrieanwendungen. Zum Beispiel können Leistungstransistoren in Schaltnetzteilen jeglicher Art eingesetzt werden, sowie in Ansteuerschaltungen für das Antreiben von Lasten wie etwa Lampen, induktiven Ventile, Motoren, Wechselrichter oder ähnlichem. Um den Strom durch die Last zu regeln oder einfach eine Überlastsituation zu erkennen, ist es in vielen Anwendungen wünschenswert, den Strom, der durch die Transistoren fließt, zu messen.
Bekannt sind verschiedene Konzepte für das Messen eines Laststroms durch einen Transistor. Zu diesen Konzepten zählen, unter anderem, die Verwendung eines Hall-Sensors, die Verwendung eines induktiven Stromsensors oder das Reihenschaltung eines Shunt-Widerstandes und der Laststrecke des Transistors und das Messen der Spannung über dem Widerstand.
Leistungshalbleiter umfassen meistens eine Vielzahl identischer, parallel geschalteter Halbleiterelemente (wie etwa Transistorzellen). Gemäß einem weiteren Konzept, wird mindestens eine solche Transistorzelle (eine Sense-Zelle) verwendet, um den Strom durch die anderen Transistorzellen (Lastzellen) des Transistors zu messen. Die Sense-Zelle wird am selben Arbeitspunkt betrieben wie die Lastzellen (wobei nur der Strom durch die Sense-Zelle gemessen wird), so dass der Strom durch die Sense-Zelle proportional zum Gesamtlaststrom durch die Lastzellen ist. Der Proportionalitätsfaktor ist das Verhältnis zwischen der Zahl der Sense-Zellen und der Zahl der Lastzellen.
Es ist notwendig, den Strom durch einen Leistungstransistor genau und mit möglichst wenigen Messverlusten zu messen.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Halbleiteranordnung umfasst eine Vielzahl Halbleiterelemente, mit Steuerpfaden und gesteuerten Pfaden, wobei die gesteuerten Pfade steuerbare Leitfähigkeiten haben und parallel zu einander geschaltet sind. Eine Stromauswerteschaltung ist ausgebildet, um die Stärken der in den gesteuerten Pfaden vorhandenen Ströme zu messen und ein Signal, das die Summe der gemessenen Stromstärken repräsentiert, bereitzustellen. Eine Steuerschaltung ist mit den Steuerpfaden verbunden und ist ausgebildet, die Leitfähigkeiten der gesteuerten Pfade gemäß einem Eingangssignal zu steuern, wobei das Signal die Summe der Stromstärken repräsentiert und mindestens ein gesteuerter Pfad so gesteuert wird, dass er eine minimale Leitfähigkeit aufweist, wenn das Signal, das die Summe der Stromstärken repräsentiert, unterhalb eines Schwellenwerts liegt.
Eine weitere Halbleiteranordnung umfasst ein Halbleiterelement mit einem Steuerpfad und einem gesteuerten Pfad, wobei der gesteuerte Pfad eine steuerbare Leitfähigkeit hat. Eine Stromauswerteschaltung ist dazu ausgebildet, die Stärke eines in dem gesteuerten Pfad vorhandenen Stroms zu messen und ein Signal, das die gemessene Stromstärke repräsentiert, bereitzustellen, wobei die Stromauswerteschaltung mindestens einen Shunt-Widerstand umfasst, der einen Widerstandswert hat und in Reihe mit dem gesteuerten Pfad geschaltet ist, und wobei eine Spannung über dem mindesten einen Shunt-Widerstand den in dem gesteuerten Pfad vorhandenen Strom repräsentiert. Die Stromauswerteschaltung wertet eine Spannung über dem mindestens einen Shunt-Widerstand aus und eine Steuerschaltung ist dazu ausgebildet, den Widerstand, den der mindestens eine Shunt-Widerstand hat, in Übereinstimmung mit einem Signal, das die Stromstärke repräsentiert, zu steuern.
Ein Verfahren ist dazu ausgebildet, den Strom durch die Halbleiteranordnung, die eine Vielzahl von Halbleiterelementen mit Steuerpfaden und gesteuerten Pfaden umfasst, zu messen. Die gesteuerten Pfade haben steuerbare Leitfähigkeiten und sind parallel zu einander geschaltet. Das Verfahren umfasst das Messen der Stärken in den gesteuerten Pfaden vorhandener Ströme und das Bereitstellen eines Signals, das die Summe der gemessenen Stromstärken repräsentiert. Weiter umfasst das Verfahren das Steuern der Leitfähigkeiten der gesteuerten Pfade in Übereinstimmung mit einem Eingangssignal und einem Signal, das die Summe der Stromstärken repräsentiert, wobei mindestens ein gesteuerter Pfad so gesteuert wird, dass er eine minimale Leitfähigkeit aufweist, wenn das Signal, das die Summe der Stromstärken repräsentiert, unterhalb eines Schwellenwertes liegt.
Ein weiteres Verfahren ist dazu ausgebildet, den Strom durch eine Halbleiteranordnung zu messen, die ein Halbleiterelement mit einem Steuerpfad und einem gesteuerten Pfad umfasst. Der gesteuerte Pfad hat eine steuerbare Leitfähigkeit, wobei mindestens ein Shunt-Widerstand einen Widerstandswert aufweist und in Reihe zu dem gesteuerten Pfad geschaltet ist. Eine Spannung über dem mindestens einen Shunt-Widerstand repräsentiert den in dem gesteuerten Pfad vorhandenen Strom. Das Verfahren umfasst das Messen der Stärke eines in dem gesteuerten Pfad vorhandenen Stroms, das Bereitstellen eines die gemessene Stromstärke repräsentierenden Signals, durch Auswerten einer Spannung über dem mindestens einen Shunt-Winderstand und das Steuern i des Widerstandwertes, den der mindestens eine Shunt-Widerstand hat, in Übereinstimmung mit dem die Stromstärke repräsentierenden Signal.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt in einem schematischen Diagramm eine Leistungshalbleiter-Anordnung für das Schalten eines Stroms durch eine Last.
2 zeigt in einem schematischen Diagramm eine Leistungshalbleiter-Anordnung für das High-Side-Schalten eines Stroms durch eine Last mit einem mehrzelligen p-Kanal Lastwiderstand, einer Antriebssteuerschaltung und einer Messschaltung.
3 zeigt in einem schematischen Schaltplan die in 2 dargestellte beispielshafte Anordnung.
4 zeigt in einem schematischen Diagramm eine Leistungshalbleiter-Anordnung für das High-Side-Schalten eines Stroms durch eine Last mit einem mehrzelligen n-Kanal Lasttransistor, einer Antriebssteuerschaltung und einer Messschaltung.
5 zeigt in einem Ablaufdiagramm ein Verfahren zur Anwendung bei der in 1 gezeigten Anordnung.
6 zeigt in einem Ablaufdiagramm ein Verfahren zur Anwendung bei der in den 2 und 4 gezeigten Anordnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In der folgenden detaillierten Beschreibung wird Bezug auf die begleitenden Zeichnungen genommen. Diese bilden einen Teil der Beschreibung und zeigen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen, der Erfindung. In dieser Hinsicht werden Richtungsbezeichnungen, wie etwa oben, unten, vorne, hinten, führend, folgend, etc. in Bezug auf die Ausrichtung der beschriebenen Figuren verwendet. Da Elemente in einer Vielzahl verschiedener Ausrichtungen aufgestellt werden können, werden diese Richtungsbezeichnungen nur zur Veranschaulichung verwendet und sind in keiner Weise einschränkend. Es ist selbstverständlich, dass andere Ausführungsformenmöglich sind und dass strukturelle bzw. logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne die vorliegende Erfindung zu verlassen. Die folgende detaillierte Beschreibung ist deshalb nicht im Sinne einer Beschränkung zu verstehen und der Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird durch die angehängten Ansprüche definiert. Es ist selbstverständlich, dass die Merkmale der verschiedenen beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen unter einander kombiniert werden können, soweit nicht spezifisch anderweitig angegeben. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgenau. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente.
1 veranschaulicht schematisch einen beispielhaften Leistungstransistor M1, der als elektronischer Schalter verwendet wird, die Last Z auf eine Versorgungsspannung aufzuschalten, um den durch die Last Z fließenden Laststrom IL zu erzeugen. Die Last Z kann jede Art elektrischer Last sein, wie z.B. eine induktive Last, eine ohmsche Last, eine kapazitive Last oder eine Kombination davon. Die Last Z kann eine komplexe elektronische Schaltung mit einer Vielzahl elektronischer Teile umfassen und kann weitere Leistungstransistoren umfassen. In der in 1 gezeigten beispielhaften Anordnung ist der Leistungstransistor M1 als MOSFET realisiert, genauer als P-Typ Verarmungs-MOSFET. Dies ist jedoch nur zum Zwecke der Veranschaulichung. Leistungstransistoren, die als elektronische Schalter verwendet werden, müssen nicht unbedingt MOSFETs vom P-Typ oder MOSFETs vom Verarmungstyp sein. Andere Typen von MOSFETs, wie, z.B. N-Typ MOSFETs vom N-Typ, IGBTs (insulated gate bipolar transistors), Leistungs-JFETs (junction field-effect transistors) oder Leistungs-BJTs (bipolar junction transistors) können stattdessen verwendet werden.
Leistungstransistor M1 ist als High-Side-Schalter verschaltet. Dies bedeutet, dass er zwischen der Last Z und einem Anschluss für High-Side-Potential, wie, z.B. Versorgungs-potential VS, geschaltet ist. Leistungstransistor M1 hat einen Steuerpfad (z.B. ein Steueranschluss), zwei Lastanschlüsse und einen gesteuerten Pfad zwischen den beiden Lastanschlüssen, wobei Gate-Anschluss G der Steueranschluss, Drain-Anschluss D ein Lastanschluss, Source-Anschluss S der andere Lastanschluss und ein Drain-Source-Pfad der gesteuerte Pfad ist. Damit der Laststrom IL durch die Last Z fließt, ist die Laststrecke des Leistungstransistors M1 zwischen den Anschlüssen für das High-Side (positive) Versorgungspotential VS und das Low-Side (negative) Versorgungspotential GND in Reihe mit der Last Z geschaltet. Leistungstransistor M1 kann durch das Anlegen einer geeigneten Antriebsspannung zwischen Steueranschluss G und Lastanschluss S ein- und ausgeschaltet werden. Eingangssignal INP wird dem Gate-Anschluss G bereitgestellt, um die Leitfähigkeit der Halbleiteranordnung zu steuern (z.B. um die Halbleiteranordnung ein- oder auszuschalten).
Eine Stromauswerteschaltung misst die Stärke des in dem gesteuerten Pfad vorhandenen Stroms, d.h. Laststrom IL, und stellt ein Signal bereit, das die Stärke des Laststroms IL repräsentiert. Die Stromauswerteschaltung umfasst den Widerstand R1, der zwischen Versorgungspotential VS und Source-Anschluss S des Leistungstransistors M1 geschaltet ist. Die am Widerstand R1 vorhandene Spannung wird zu einem Eingang des Operations-Verstärkers A1 geführt, dessen anderer Eingang an das Versorgungspotential VS über den Widerstand R2 angeschlossen ist. Ein Knoten zwischen Widerstand R2 und dem anderen Eingang des Operationsverstärkers A1 ist mit dem Source-Anschluss S des Transistors M2 verbunden, dessen Gate-Anschluss G mit dem Ausgang des Operationsverstärkers A1 gekoppelt ist und dessen Drain-Anschluss D mit dem Referenzpotential GND über Widerstand R3 verbunden ist. In der in 1 gezeigten beispielhaften Anordnung ist der Transistor M2 als ein MOSFET realisiert, genauer als ein P-Typ Verarmungs-MOSFET. Jedoch kann jeder andere typ von Transistor genauso verwendet werden.
Widerstand R1, Widerstand R2, Operations-verstärker A1 und Transistor M2 bilden einen Stromspiegel eines bestimmten Typs, jedoch kann auch jede andere Art von Stromspiegel, verwendet werden. Jeder beliebige Stromspiegel stellt den Ausgangsstrom IS, der den Laststrom IL repräsentiert, (dem Widerstand R3, der den Strom IS in eine entsprechende Spannung umwandelt) bereit, wonach IL = k·IS, wobei k ≠ 0.
In dem in 1 gezeigten Stromspiegel, kann k dargestellt werden als k = IL/IS = R2/R1.
Widerstand R1, der auch als Shunt-Widerstand bezeichnet wird, kann als Bonddraht realisiert werden und kann, z.B. einen Widerstand von 1 Ohm haben, wobei Widerstand R2 dazu ausgebildet werden kann, einen Widerstand von 10 Ohm zu haben. Damit wäre k = 10,000. Wie man sehen kann, kann bei kleineren Lastströmen IL die Spannung am Widerstand R1 (welche R1·IL ist), sehr klein sein und Störgeräusche, die an den Ausgängen des Operationsverstärkers A1 vorkommen, können Stromauswertungen von kleineren Lastströmen IL erschweren oder gar unmöglich machen. Der Widerstandswert des Widerstandes R1 kann vergrößert werden, so dass kleinere Lastströme auch genügend Spannung am Widerstand R1 erzeugen. Höhere Widerstände des Widerstandes R1 führen jedoch zu einer ungewollten Erhöhung des Stromverbrauchs von Widerstand R1. Bei größeren Lastströmen IL kann dieser Stromverbrauch von Widerstand R1 zu erheblichen Problemen bei Effizienz und Wärme.
Bei dem in 1 gezeigten Stromspiegel sind die Widerstände R1 und R2 dazu ausgebildet, vom Steuersignal CS gesteuert zu werden, damit der Widerstandswert des Widerstandes R1 an die Stärke des Laststroms IL angepasst wird; d.h. der Widerstandswert des Widerstandes R1 ist höher bei kleineren Lastströmen IL und niedriger bei größeren Lastströmen IL. Um den linearen Ausgangsstrom IS bereitzustellen, wird der Widerstandswert des Widerstandes R2 an den veränderlichen Widerstandswert des Widerstandes R1 angepasst, welcher eine Funktion des Laststroms IL ist, wonach R2 = k·R1(IL).
Das Steuersignal CS kann von der Steuerschaltung CC1 bereitgestellt werden, die dazu ausgebildet ist, in Übereinstimmung mit einem Signal, das die Stärke des Laststroms IL repräsentiert, d.h. Strom IS oder die entsprechende Spannung über Widerstand R3, den Widerstand des Widerstandes R1 oder entsprechend den Widerstand des Widerstandes R2. Alternativ kann anstatt des gemessenen Laststroms IL, Last Z oder Schätzungen des Laststroms IL und/oder der Last Z, als Basis für das Steuersignal CS dienen. Der Widerstandswert der Widerstände R1 und R2 kann geändert werden, zum Beispiel indem man eine Anzahl Widerstände parallel und/oder in Reihe schaltet, wobei die Zahl vom Laststrom IL abhängen kann.
Bezug nehmend auf 2 kann Leistungstransistor M3, der n Transistorelemente M3.1–M3.n mit Steuerpfaden (z.B. Gate-Anschlüsse G) und gesteuerten Pfaden (d.h. der Pfad zwischen Source-Anschluss S und Drain-Anschluss D) aufweist, eingesetzt werden, wobei die gesteuerten Pfade steuerbare Leitfähigkeiten haben und parallel zu einander zwischen Versorgungsspannung VS und Last Z geschaltet sind. Des Weiteren sind n Widerstandelemente R1.1–R1.n zwischen den Source-Anschlüssen S der n Transistorelemente M3.1–M3.n geschaltet und erzeugen die Spannung VS. Im vorliegenden Beispiel haben die n Widerstandelemente R1.1–R1.n denselben Widerstandswert R, so dass, wenn alle n Widerstandelemente R1.1–R1.n parallel geschaltet sind, d.h. wenn alle Transistorelemente M3.1–M3.n eingeschaltet sind (und damit ihre maximale Leitfähigkeit aufweisen), der daraus resultierende Widerstandswert R1 wie folgt ausgedrückt werden kann: 1/R1 = 1/R1.1 + 1/R1.2 + ... 1/R1.n = n/R, wobei R1 = R/n ist.
Wenn nicht alle Transistorelemente M3.1–M3.n eingeschaltet sind, ist der Widerstandswert des Widerstandes R1 verschieden. Zum Beispiel, wenn nur n – 1 Transistorelemente eingeschaltet sind, ist der daraus resultierende Widerstandswert des Widerstandes R1 R1 = R/(n – 1), oder, allgemein R1 = R/j wenn j Transistoren eingeschaltet sind, wobei 0 < j ≤ n.
Um den Laststrom IL auszuwerten, der durch die parallel geschalteten Transistorelemente M3.1–M3.n fließt, können die an den Transistorelementen M3.1–M3.n vorhandenen Spannungen aufsummiert werden. Wenn ein bestimmtes Transistorelement ausgeschaltet ist (minimale Leitfähigkeit), ist die Spannung am entsprechenden Widerstandselement null und trägt dadurch nichts zur Summe bei. Das Summieren kann auch anhand von den Widerstandselementen R4.1–R4.n durchgeführt werden, die denselben Widerstand aufweisen, wobei der Widerstand der Widerstandselemente R4.1–R4.n viel höher als der Widerstand der Widerstandselemente R1.1–R1.n sein kann. Widerstandselemente R4.1–R4.n sind zwischen den Source-Anschlüssen S der Transistorelemente M3.1–M3.n und dem anderen Eingang des Operationsverstärkers A1 geschaltet, um das summierte Signal Vsum dem Operationsverstärker A1 bereitzustellen. Operationsverstärker A1, Widerstand R2, Transistor M2 und Widerstand R3 sind genauso geschaltet wie bei der in 1 gezeigten Anordnung. Die Last Z ist zwischen die gekoppelten Drain-Anschlüsse D der Transistorelemente M3.1–M3.n und das Referenzpotential GND geschaltet. Die Gate-Anschlüsse der Transistorelemente M3.1–M3.n sind mit der Steuerschaltung CC2 verbunden, die das Eingangssignal INP erhält und den Widerstand R2 steuert, um den Widerstand des Widerstandes R2 dem Widerstand des Widerstandes R1 anzugleichen.
Die Spannung am Widerstand R3, die dem Strom IS entspricht, kann dem Komparator CMP, der die Spannung am Widerstand R3 mit der Schwellenspannung VT vergleicht, zugeführt werden. Wenn die Spannung am Widerstand R3 (und dadurch auch Laststrom IL) unter einen gegebenen Schwellenwert fällt, wird mindestens eines der Transistorelemente M3.1–M3.n ausgeschaltet, mit dem Ergebnis, dass der Widerstand des Widerstandes R1 erhöht wird. Der Widerstandswert des Widerstandes R2 wird von der Steuerschaltung CC2 angepasst, um den linearen Ausgangsstrom IS zu erzeugen. Der höhere effektive Widerstandswert des Widerstandes R1 bei kleineren Lastströmen IL ermöglicht eine genauere Auswertung von kleineren Strömen ohne die Notwendigkeit von zusätzlichen Schaltern, um den Widerstandswert des Widerstandes R1 zu steuern, da die für allgemeine Steueraufgaben schon vorhandenen Transistorelemente auch dazu verwendet werden, um den Widerstandswert des Widerstandes R1 zu konfigurieren. Da keine weiteren Schalter benötigt werden, weil Schalter hinzuzufügen dem Lastpfad einen höheren Widerstandswert geben würde, leidet die Effizienz der Schalter nicht (erheblich). Bei größeren Lastströmen IL sind alle Transistorelemente eingeschaltet, so dass die Effizienz der Anordnung und die Genauigkeit der Auswertung maximiert werden.
3 ist ein schematischer Schaltplan einer beispielhaften Anordnung. Transistor M3, der aus den Transistorelementen M3.1–M3.n (z.B. n = 3) besteht, kann eine vertikale Struktur sein, die über ihren hinteren Drain-Anschluss mit dem elektrisch leitfähigen Träger CRR (z.B. einem leitfähigen Träger eines Gehäuses) geschaltet ist, der einen Ausgangsanschluss bilden kann, um Last Z mit dem Drain-Anschluss von Transistor M3 zu schalten. Transistor M3 und die Auswerte- und Steuerschaltung ECC, die auch Steuerschaltung CC2, Widerstand R2, Operationsverstärker A1, Transistor M2 und Komparator CMP umfassen können, sind auf Träger CRR angeordnet. Die Quellen der Schwellenspannung VT1 und des Widerstandes R3 können externe Elemente sein, die nicht im Gehäuse integriert sind. In der in 3 gezeigten beispielhaften Anordnung sind Widerstandselemente R3.1–R3.3 als Bonddrahtstücke realisiert, die Transistor M3 mit der Versorgungsleitung für das Versorgungspotential VS schaltet. Die Auswerte- und Steuerschaltung ECC kann über 4 Bondverbindungen mit Transistor M3 verbunden sein, um Steuersignale den Gates G der Transistorelemente M3.1–M3.3 von Transistor M3 bereitzustellen und um das Summierungssignal Vsum von Transistor M3 zu erhalten. Weiter kann Auswerte- und Steuerschaltung ECC mit Kontaktpads BIN verbunden werden, um verschiedene Eingangssignale zu erhalten und um die Spannung VS über weitere Bondverbindungen zu erzeugen.
Transistor M3 kann eine Halbleiterstruktur umfassen, auf oder in der eine Vielzahl von Gates voneinander isoliert und mit mindestens zwei verschiedenen Gate-Treiberleitungen verbunden sind. Eine Kontaktschicht, die auf der Halbleiterstruktur ausgebildet ist, verbindet eine Vielzahl von Source- und/oder Bodybereichen der Halbleiterstruktur. Die Kontakte zwischen der Source-Kontaktschicht und einer Potential-Messleitung sind unterhalb einer Kontaktoberfläche angeordnet, welche von dem Source-Anschluss des Bonddrahts auf der Source-Kontaktschicht zwischen dem Source-Anschluss und dem Bonddraht geformt wird, wie in dem deutschen Patent DE 103 43 083 B4 detailliert beschrieben ist.
Statt der in den 1 und 2 gezeigten High-Side-Schalterstrukturen können auch Low-Side-Schalterstrukturen verwendet werden. Eine beispielhafte Anordnung mit einer Low-Side-Struktur und einer Vielzahl von Transistorelementen ist in 4 gezeigt. Es kann ein Leistungstransistor M5 verwendet werden, der ein Verarmungs-MOSFET vom N-Typ mit n Transistorelementen M5.1–M5.n sein kann, welche Steuerpfade (z.B. Gate-Anschlüsse G) und gesteuerte Pfade (z.B. einen Pfad zwischen Source-Anschluss S und Drain-Anschluss D) haben, wobei die gesteuerten Pfade steuerbare Leitfähigkeiten haben und parallel zu einander zwischen Referenzpotential GND und Last Z geschaltet sind. Weiterhin sind Widerstandselemente R6.1–R6.n zwischen die Source-Anschlüsse S der n Transistorelemente M5.1–M5.n und Referenzpotential GND geschaltet. Im vorliegenden Beispiel haben die n Widerstandselemente R6.1–R6.n denselben Widerstandswert R, so dass, wenn alle n Widerstandselemente R6.1–R6.n parallel geschaltet sind (d.h. wenn alle Transistorelemente M5.1–M5.n eingeschaltet sind), der daraus resultierende Widerstandswert R6 R/n ist. Wenn nicht alle Transistorelemente M5.1–M5.n eingeschaltet sind, ist der Widerstandswert des Widerstandes gleich R6 R/j, wenn j Transistoren eingeschaltet sind, wobei 0 < j ≤ n.
Um den Laststrom IL, der durch die parallel geschalteten Transistorelemente M5.1–M5.n fließt, auszuwerten, können die an den Transistorelementen M5.1–M5.n vorhandenen Spannungen wieder summiert werden. Wenn ein bestimmtes Transistorelement ausgeschaltet ist, ist die Spannung an dem entsprechenden Widerstandselement null und trägt daher nichts zur Summe bei. Das Summieren kann anhand von Widerstandselementen R6.1–R6.n durchgeführt werden, die denselben Widerstand aufweisen können, wobei der Widerstandswert der Widerstandselemente R6.1–R6.n viel höher als der Widerstandswert der Widerstandselemente R5.1–R5.n sein kann. Widerstandselemente R6.1–R6.n sind zwischen die Source-Anschlüsse S der Transistorelemente M5.1–M5.n und einen Eingang eines Operationsverstärkers A2 geschaltet, um das Summationssignal Vsum dem Operationsverstärker A2 bereitzustellen, dessen anderer Eingang über Widerstand R7 mit dem Referenzpotential GND verbunden ist. Ein Knoten zwischen Widerstand R7 und dem anderen Eingang des Operationsverstärkers A1 ist mit einem Source-Anschluss S eines Transistors M6 geschaltet, dessen Gate-Anschluss G mit dem Ausgang des Operationsverstärkers A2 gekoppelt ist und dessen Drain-Anschluss D mit dem Drain-Anschluss D eines Transistors M7 verbunden ist. Der Gate-Anschluss G des Transistors M7 ist mit dem Gate-Anschluss G des Transistors M8 gekoppelt, dessen Drain-Anschluss D über den Widerstand R3 mit dem Referenzpotential GND verbunden ist. Die Source-Anschlüsse der Transistoren M7 und M8 sind mit der Versorgungsspannung VS verbunden. In der in 4 gezeigten beispielhaften Anordnung ist der Transistor M6 ein Verarmungs-MOSFET vom N-Typ und die Transistoren M7 und M8 sind Verarmungs-MOSFETs vom P-Typ. Transistoren M7 und M8 bilden einen weiteren Stromspiegel.
Last Z ist zwischen die gekoppelten Drain-Anschlüsse D der Transistorelemente M5.1–M5.n und die Versorgungsspannung VS geschaltet. Die Gate-Anschlüsse der Transistorelemente M5.1–M5.n sind mit einer Steuerschaltung CC3 verbunden, die das Eingangssignal INP erhält und den Widerstand R7 steuert, um den Widerstandswert des Widerstandes R7 dem Widerstandswert des Widerstandes R5 anzupassen. Die Spannung am Widerstand R3, die dem Strom IS entspricht, kann der Steuerschaltung CC3, die die Spannung am Widerstand R3 mit den Schwellenspannungen VT1 und VT2 vergleicht, zugeführt werden. Wenn die Spannung am Widerstand R3 (und somit Laststrom IL) unter den höheren Schwellenwert (z.B. Schwellenwert VT1) fällt, wird mindestens eines der Transistorelemente M5.1–M5.n ausgeschaltet mit dem Ergebnis, dass der Widerstand des Widerstandes R5 vergrößert wird. Eine weitere Erhöhung des Widerstandswertes des Widerstandes R5 wird erreicht, auch wenn der Laststrom IL unter einen niedrigeren Schwellenwert (z.B. Schwellenwert VT2) fällt und weitere Transistorelemente M5.1–M5.n ausgeschaltet werden. Der Widerstandswert des Widerstandes R7 wird von der Steuerschaltung CC3 angepasst, um den linearen Ausgangsstrom IS über die verschiedenen Widerstandseinstellungen des Widerstandes R5 bereitzustellen.
Der höhere effektive Widerstandswert des Widerstandes R5 bei kleineren Lastströmen IL ermöglicht eine genauere Auswertung kleinerer Ströme ohne die Notwendigkeit von zusätzlichen Schaltern, um den Widerstand des Widerstandes R5 zu steuern, da die für allgemeine Schaltaufgaben schon vorhandene Transistorelemente auch verwendet werden, um den Widerstand des Widerstandes R5 zu konfigurieren. Da keine weiteren Schalter benötigt werden, weil das Hinzufügen von Schaltern im Lastpfad einen höheren Widerstandswert bewirken würde, leidet die Effizienz der Schalter nicht (erheblich). Bei größeren Lastströmen IL sind alle Transistorelemente eingeschaltet, so dass die Effizienz der Anordnung und die Genauigkeit der Auswertung maximiert werden.
5 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren, die in den in 1 gezeigten Anordnungen angewandt wird, darstellt. Das Verfahren umfasst das Messen der Stärken von in den gesteuerten Pfaden auftretender Ströme (S1.1), das Erzeugen eines Signals, das die Summe der gemessenen Stromstärken repräsentiert (S1.2) und das Steuern der Leitfähigkeiten der gesteuerten Pfade in Übereinstimmung mit einem Eingangssignal und einem Signal, das die Summe der Stromstärken repräsentiert (S1.3), wobei mindestens ein gesteuerter Pfad so gesteuert wird, dass er eine minimale Leitfähigkeit aufweist, wenn das Signal, das die Summe der Stromstärken repräsentiert, unter einem Schwellenwert liegt.
6 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren, das in den in 2 und 4 gezeigten Anordnungen angewandt wird, darstellt. Das Verfahren umfasst das Messen der Stärke eines in dem gesteuerten Pfad auftretenden Stroms (S2.1), das Erzeugen eines Signals, das die gemessene Stromstärke repräsentiert, durch Auswerten einer Spannung über dem mindestens einen Shunt-Widerstand (S2.2) sowie das Steuern des Widerstandes, den der mindestens eine Shunt-Widerstand (S2.3) hat, in Übereinstimmung mit dem Signal, das die Stromstärke repräsentiert.
In den oben beschriebenen beispielhaften Verfahren können die Shunt-Widerstände in Reihe mit Schaltern/Halbleiterelementen geschaltet sein und die Spannungen an den Shunt-Widerständen repräsentieren die Ströme, die durch die Shunt-Widerstände und Schalter/Halbleiterelemente fließen. Weiterhin können die Verfahren umfassen das Summieren der Spannungen an den Shunt-Widerständen, das Bereitstellen eines Ausgangssignals, das die Summe der Spannungen an den Shunt-Widerständen repräsentiert (S1.4, S2.4) und/oder die Anpassung des Signals, das die Summe der Stromstärken repräsentiert, um linear unabhängig zu sein von der Anzahl der gesteuerten Pfade, die so gesteuert werden, dass sie eine minimale Leitfähigkeit aufweisen (S1.5, S2.5). Weiterhin können die Verfahren mindestens einen zusätzlichen Schwellenwert umfassen, wobei die Anzahl der gesteuerten Pfade, die so gesteuert werden, dass sie eine minimale Leitfähigkeit aufzuweisen, abhängig von der Anzahl der Schwellenwerte, die von der Summe der Stromstärken unterschritten werden.
Obwohl verschiedene Ausführungsformen der Erfindung hier beschrieben wurden, ist es für den Durchschnittsfachmann ersichtlich, dass viele weitere Ausführungsformen und Anwendungen im Rahmen dieser Erfindung möglich sind. Folglich soll die Erfindung nicht eingeschränkt außerhalb des Sinns der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10343083 B4 [0030]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

um den linearen Ausgangsstrom IS [0033]

Claims

Halbleiteranordnung mit: einer Vielzahl von Halbleiterelementen mit Steuerpfaden und gesteuerten Pfaden, wobei die gesteuerten Pfaden steuerbare Leitfähigkeiten haben und einander parallel geschaltet sind; einer Stromauswerteschaltung, die dazu ausgebildet ist, Stromstärken von in den gesteuerten Pfaden auftretenden Strömen zu messen und ein Signal, das die Summe der gemessenen Stromstärken repräsentiert, bereitzustellen; und einer mit den Steuerpfaden verbundene Steuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, die Leitfähigkeiten der gesteuerten Pfade in Übereinstimmung mit einem Eingangssignal und dem Signal, das die Summe der Stromstärken repräsentiert, zu steuern, wobei mindestens ein gesteuerter Pfad so gesteuert wird, dass er eine minimale Leitfähigkeit hat, wenn das Signal, das die Summe der Stromstärken repräsentiert, unter einem Schwellenwert liegt.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, zudem aufweisend in Reihe mit den gesteuerten Pfaden geschaltete Shunt-Widerstände, wobei die Spannungen an den Shunt-Widerständen die in den gesteuerten Pfaden auftretenden Ströme repräsentieren und die Spannungen über den Shunt-Widerständen von der Stromauswerteschaltung ausgewertet werden.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, wobei die Stromauswerteschaltung zudem dazu ausgebildet ist, die Spannungen über den Shunt-Widerständen zu summieren und ein Ausgangssignal, das die Summe der Spannungen über den Shunt-Widerständen repräsentiert, bereitzustellen.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, mit zudem mindestens einem zusätzlichen Schwellenwert, wobei die Anzahl der gesteuerten Pfade, die gesteuert werden, um eine minimale Leitfähigkeit aufzuweisen, abhängig ist von der Zahl der Schwellenwerte, die von der Summe der Stromstärken unterschritten wird.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, wobei die Stromauswerteschaltung eine Schaltung aufweist, die dazu ausgebildet ist, das Signal, das die Summe der Stromstärken repräsentiert, so anzupassen, dass es von der Anzahl der gesteuerten Pfade, die gesteuert werden, um eine minimale Leitfähigkeit aufzuweisen, linear unabhängig ist.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, wobei die Shunt-Widerstände Bonddrahtstücke sind.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, wobei die Stromauswerteschaltung mindestens eine Stromspiegelschaltung aufweist, die dazu ausgebildet ist, den in dem gesteuerten Pfad auftretenden Strom oder ein Signal, das den in dem gesteuerten Pfad auftretenden Strom repräsentiert, zu spiegeln.
Die Halbleiteranordnung aus Anspruch 1, wobei das Halbleiterelement ein Transistorelement ist.
Halbleiteranordnung mit: einem Halbleiterelement mit einem Steuerpfad und einem gesteuerten Pfad, wobei der gesteuerte Pfad eine steuerbare Leitfähigkeit hat; einer Stromauswerteschaltung, die dazu ausgebildet ist, die Stromstärke eines in dem gesteuerten Pfad auftretenden Stroms zu messen und ein Signal, das die gemessene Stromstärke repräsentiert, bereitzustellen, wobei die Stromauswerteschaltung mindestens einen Shunt-Widerstand aufweist, der einen Widerstandswert hat und in Reihe mit dem gesteuerten Pfad geschaltet ist, die Spannung über dem mindestens einen Shunt-Widerstand den in dem gesteuerten Pfad auftretenden Strom repräsentiert und die Stromauswerteschaltung eine Spannung über dem mindestens einen Shunt-Widerstand auswertet; und einer Steuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, in Übereinstimmung mit dem Signal, das die Stromstärke repräsentiert, den Widerstand des mindestens einen Shunt-Widerstandes zu steuern.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 9, wobei die Shunt-Widerstände in Reihe mit Schaltern geschaltet sind und die Spannungen über den Shunt-Widerständen die Ströme, die durch die Shunt-Widerstände und die Schalter fließen, repräsentiert, wobei die Spannungen über den Shunt-Widerständen von der Stromauswerteschaltung ausgewertet werden.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 10, wobei die Stromauswerteschaltung weiter ausgebildet ist, um die Spannungen über den Shunt-Widerständen zu summieren und um ein Ausgangssignal, das die Summe der Spannungen über den Shunt-Widerständen repräsentiert, bereitzustellen.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 9, weiterhin mit mindestens einem zusätzlichen Schwellenwert, wobei der Widerstand des mindestens einen Shunt-Widerstandes von der Anzahl der Schwellenwerte, die von der Summe der Stromstärken unterschritten werden, abhängig ist.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 10, wobei die Stromauswerteschaltung eine Schaltung umfasst, die ausgebildet ist, um ein Signal, das die Summe der Stromstärken repräsentiert, so anzupassen, dass es von der Anzahl der gesteuerten Pfade, die gesteuert werden, um eine minimale Leitfähigkeit aufzuweisen, linear unabhängig ist.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 10, wobei die Shunt-Widerstände Bonddrahtstücke sind.
Halbeleiteranordnung nach Anspruch 9, wobei die Stromauswerteschaltung mindestens eine Stromspiegelschaltung umfasst, die dazu ausgebildet ist, den in dem gesteuerten Pfad vorhanden Strom oder ein Signal, das den in dem gesteuerten Pfad vorhanden Strom repräsentiert, zu spiegeln.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 9, wobei das Halbleiterelement ein Transistorelement ist.
Verfahren, das dazu ausgebildet ist, den Strom durch eine Halbleiteranordnung, die eine Vielzahl von Halbleiterelementen mit Steuerpfaden und gesteuerte Pfaden aufweist, zu messen, wobei die gesteuerten Pfade steuerbare Leitfähigkeiten haben und parallel zu einander geschaltet sind, wobei das Verfahren umfasst: Messen der Stromstärken der in den gesteuerten Pfaden auftretenden Strömen und Bereitstellen eines Signals, das die Summe der gemessenen Stromstärken repräsentiert; und Steuern der Leitfähigkeiten der gesteuerten Pfade gemäß einem Eingangssignal und einem Signal, das die Summe der Stromstärken repräsentiert, wobei mindestens ein gesteuerter Pfad so gesteuert wird, dass er eine minimale Leitfähigkeit aufweist wenn das Signal, das die Summe der Stromstärken repräsentiert, unter einem Schwellenwert liegt.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei Shunt-Widerstände in Reihe mit den gesteuerten Pfaden geschaltet sind und die Spannungen an den Shunt-Widerständen die in den gesteuerten Pfaden auftretenden Ströme repräsentieren. Weiter umfasst das Verfahren: Aufsummieren der Spannungen über den Shunt-Widerständen und Bereitstellen eines Ausgangssignals, das die Summe der Spannungen über den Shunt-Widerständen repräsentiert.
Verfahren nach Anspruch 17, das zudem mindestens einen zusätzlichen Schwellenwert umfasst, wobei die Anzahl der gesteuerten Pfade, die gesteuert werden, um eine minimale Leitfähigkeit aufzuweisen, von der Anzahl der Schwellen, die von der Summe der Stromstärken unterschritten werden, abhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 18, das zudem das Anpassen eines Signals, das die Summe der Stromstärken repräsentiert, umfasst, um von der Anzahl der gesteuerten Pfade, die so gesteuert werden, dass sie eine minimale Leitfähigkeit aufweisen, linear unabhängig zu sein.
Verfahren die ausgebildet ist, um den Strom durch eine Halbleiteranordnung zu messen, die ein Halbleiterelement mit einem Steuerpfad und einem gesteuerten Pfad umfasst, wobei der gesteuerte Pfad eine steuerbare Leitfähigkeit aufweist, mindestens ein Shunt-Widerstand einen Widerstand hat und in Reihe mit dem gesteuerten Pfad geschaltet ist und eine Spannung über dem mindestens einen Shunt-Widerstand den in dem gesteuerten Pfad vorhandenen Strom repräsentiert, das Verfahren umfasst weiterhin: Messen der Stromstärke eines in dem gesteuerten Pfad auftretenden Stroms und Bereitstellen eines Signals, das die gemessene Stromstärke repräsentiert, durch Auswerten einer Spannung über dem mindestens einen Shunt-Widerstand; und Steuern, gemäß dem Signal, das die Stromstärke repräsentiert, des Widerstandswertes des mindestens einen Widerstandes.
Verfahren aus Anspruch 21, wobei die Shunt-Widerstände in Reihe mit den Schaltern geschaltet sind und die Spannungen über den Shunt-Widerständen die Ströme, die durch die Shunt-Widerstände und die Schalter fließen, repräsentieren, weiter umfasst das Verfahren das Summieren der Spannungen über den Shunt-Widerständen und das Erzeugen eines Ausgangssignals, das die Summe der Spannungen über den Shunt-Widerständen repräsentiert.
Verfahren nach Anspruch 21, das zudem mindestens einen zusätzlichen Schwellenwert umfasst, wobei die Anzahl der gesteuerten Pfade, die so gesteuert werden, dass sie eine minimale Leitfähigkeit haben, abhängig von der Anzahl der Schwellenwerte ist, die von der Summe der Stromstärken unterschritten werden.
Verfahren nach Anspruch 22, das zudem umfasst: Anpassen eines Signals, das die Summe der Stromstärken repräsentiert, um linear unabhängig von der Anzahl der gesteuerten Pfade zu sein, die gesteuert werden, um eine minimale Leitfähigkeit zu erhalten.