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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft Verbesserungen bei Treiberschaltkreisen für Halbleiterleistungsanwendungen und insbesondere Verbesserungen bei Schutzschaltkreisen zum Ansteuern von Leistungshalbleitervorrichtungen, wie etwa IGBTs.
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HINTERGRUND
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Halbleiterleistungsvorrichtungen werden zum Steuern von Strömen mit mehreren Ampere oder Dutzenden Ampere bei Spannungen bis in den Kilovolt-Bereich verwendet. Beim Kommutieren können die hohen Ströme und Spannungen zu einem Ausfall der Halbleiterleistungsvorrichtungen führen, insbesondere in dem Fall, wenn die Leistung zu einer Last ausgeschaltet wird.
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Treiber werden zum Steuern und Ansteuern der Halbleiterleistungsschalter verwendet, aber auch um zu gewährleisten, dass die Leistungsvorrichtungen nicht durch Überstrom- und/oder Überspannungsbedingungen beschädigt werden. Der Treiber sollte die Leistungsvorrichtung steuern, damit sie vor Schaden geschützt wird, sowohl während eines normalen Betriebs als auch während eines Kurzschlussbetriebs und eines anderen anormalen Betriebs.
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Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) sind eine Art von Halbleiterleistungsvorrichtungen, die weitläufig zum Steuern von elektrischen Strömen mit hoher Leistung verwendet wird. Typische Anwendungen für IGBTs können Induktionserwärmung, Motorantriebe und Elektrofahrzeuge sein.
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Ein IGBT ist gegenüber Überspannungsbedingungen empfindlich. Daher sollte ein Treiber für IGBTs eine Robustheit des resultierenden Systems bezüglich Überspannung gewährleisten.
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Druckschrift
DE 10 2005 022 309 A1 offenbart eine Halbleitervorrichtung, in der ein Gateentladewiderstandselement mit dem Gateanschluss eines IGBT verbunden ist. Der Ausgang einer Zeitschalterschaltung ist mit dem Eingang des Gateentladewiderstandselements und dem Eingang einer Gateansteuerungsschaltung verbunden. Wenn ein EIN-Signal zum Steuern des IGBT in einen EIN-Zustand über eine vorbestimmte Zeitspanne angelegt bleibt, gibt die Zeitschalterschaltung ein H-Pegelsignal an das Gateentladewiderstandselement und an die Gateansteuerungsschaltung ab. Die Gateansteuerungsschaltung steuert den IGBT in dem AUS-Zustand auf der Grundlage des Signals von der Zeitschalterschaltung.
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Druckschrift
US 2016/0079401 A1 offenbart eine Kurzschlussschutzschaltung, die einen Schalter, einen Widerstand, eine Kapazität und optional einen Strompuffer enthält, die einem IGBT ein starkes Pull-Down bereitstellen in Antwort auf ein Erkennen eines Kurzschlussereignisses und die dann eine Rate steuern, um die der Abschaltstrom verringert wird, wodurch eine Spitzenspannung des IGBT minimiert wird.
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Druckschrift
DE 10 2007 050 868 A1 offenbart eine Leistungshalbleitervorrichtung, die mit einer Leiterplatte, mit einem Schaltelement, das an der Leiterplatte angebracht und elektrisch damit verbunden ist, und mit einer integrierten Schaltung versehen ist, die in einer Entfernung von dem Schaltelement an der Leiterplatte angebracht und elektrisch damit verbunden ist. Das Schaltelement schaltet eine Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Hauptelektrode in Reaktion auf ein in eine Steuerelektrode eingegebenes Steuersignal ein/aus. Die integrierte Schaltung besitzt eine Steuerschaltung, die das Schaltelement ein/aus steuert, und ein Rückseitenspannungs-Erfassungselement, das eine Spannung der Rückseite der integrierten Schaltung erfasst.
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Druckschrift
DE 10 2005 010 013 A1 offenbart einen Stromregler mit einem Transistor und einem Messwiderstand. Der Stromregler weist einen ersten Halbleiterkörper mit einem ersten und zweiten Anschlusskontakt, einen Transistor mit einem Steueranschluss und einer Laststrecke, der in dem Halbleiterkörper integriert ist und dessen Laststrecke zwischen den Anschlusskontakten des Halbleiterkörpers verläuft, ein Strommesswiderstand, der wenigstens teilweise durch einen Abschnitt der Laststrecke des Transistors gebildet ist, und eine Auswerte- und Ansteuerschaltung auf, die an den Strommesswiderstand angeschlossen ist und die dazu ausgebildet ist, den Transistor abhängig von einer Spannung über dem Messwiderstand anzusteuern.
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Druckschrift
US 2016/0311327 A1 offenbart eine Schaltsteuervorrichtung, die eine Zenerdiode, die, wenn eine Spannung zwischen einem Drain und einer Source eines Ausgabetransistors, der einen Strom steuert, der durch eine Last fließt, einen spezifizierten Wert übersteigt, Kontinuität zwischen dem Drain und der Source des Ausgabetransistors erlaubt, und eine Stromspiegelschaltung beinhaltet, die, wenn ein Strom durch die Zenerdiode fließt, Kontinuität zwischen dem Drain und einem Gate des Ausgabetransistors erlaubt.
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Druckschrift
US 2012/0286756 A1 offenbart eine Steuerschaltung für einen Aufwärtsschaltregler, der einen Schaltterminal, einen Fehlerverstärker, einen Pulsmodulator, einen Treiber und eine Überspannungserkennungsschaltung beinhaltet. Die Überspannungserkennungsschaltung erzeugt ein Überspannungsschutzsignal, welches angelegt wird, wenn die Spannung an dem Schaltterminal höher wird als eine vorbestimmte Schwellspannung.
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Druckschrift
DE 10 2007 041 784 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung zum Schalten einer induktiven Last, die in Reihenschaltung mit einem ansteuerbaren Schaltelement an den Polen einer Spannungsquelle liegt, wobei eine Schutzbeschaltung zum Schutz des Schaltelements vor zu hohen Abschaltspannungen vorgesehen ist, welche im Falle einer Überschreitung einer vorbestimmten Schutzwelle durch die Abschaltspannung das Schaltelement zwangsweise in einen leitenden Zustand steuert, wobei die Schaltungsanordnung gekennzeichnet ist durch einen Temperatursensor zur Erfassung einer Temperatur im Bereich des Schaltelements und eine Steuereinrichtung zur Absenkung der Schutzschwelle im Falle einer übermäßigen Temperatur.
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KURZDARSTELLUNG
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Ein Beispiel der vorliegenden Offenbarung schlägt die Integration eines Maximums von Funktionalität in einem einzelnen Substrat und insbesondere die Integration eines Überspannungssensors für einen Überspannungsschutz auf demselben Substrat wie die Treiberschaltkreise für eine Halbleiterleistungsvorrichtung vor.
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Dies kann erzielt werden, indem der Sensor als ein Eingang zum Treiber integriert wird, so dass der Treiber eine Stromeingabe oder eine Spannungseingabe vom Sensor als eine Indikation der Spannung, die am Kollektor einer IGBT-Vorrichtung vorhanden ist, empfängt, und wobei der Treiber das Ansteuersignal zum IGBT modifizieren wird, wenn der Sensor detektiert, dass eine Überspannungsbedingung auftritt oder das Risiko besteht, dass diese auftritt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vorrichtung eine Ansteuerschaltung, die einen ersten Anschluss, der für eine Verbindung zu einem ersten Anschluss der Leistungsvorrichtung ausgelegt ist, einen Gate-Anschluss, der zum Bereitstellen eines Ansteuersignals für einen Gate-Anschluss der Leistungsvorrichtung ausgelegt ist, und einen Sensor zum Detektieren von Überspannungsbedingungen am ersten Anschluss der Leistungsvorrichtung umfasst, wobei die Ansteuerschaltung zum Modifizieren des Ansteuersignals ausgelegt ist, wenn der Sensor eine Indikation einer Überspannungsbedingung detektiert, und wobei die Ansteuerschaltung einschließlich des Sensors auf einem einzelnen Substrat integriert ist.
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Figurenliste
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Weitere Ausführungsformen der Erfindung werden mithilfe der Figuren beschrieben.
- 1 stellt eine Überspannungsspitze dar.
- 2a stellt eine einfache aktive Klemmschaltung dar.
- 2b stellt die resultierende Spannung und den resultierenden Strom Vce und Ic dar.
- 3 stellt einen Überblick einer Ansteuerschaltung gemäß der Erfindung dar.
- 4 stellt die Durchbrucheigenschaften einer normalen p-n-Diode und einer Zener-Diode dar.
- 5 stellt eine Implementierung als eine Halbbrücke dar.
- 6 stellt ein vorteilhaftes Layout des Substrats für eine Halbbrücke dar.
- 7 stellt eine Diode dar, die sich für die vorteilhaften Layouts eignet.
- 8a stellt eine Diode als einen Sensor dar.
- 8b stellt einen Kondensator als einen Sensor dar.
- 8c stellt einen Widerstand als einen Sensor dar.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) sind gegenüber Überspannungsbedingungen am Kollektor empfindlich. 1 stellt den Kollektor-Strom Ic und die Kollektor-Emitter-Spannung Vce eines IGBT zwischen einem Kollektor und einem Emitter in einem Verwendungsfall dar, bei dem der IGBT als ein Leistungsschalter verwendet wird. Der IGBT befindet sich zuerst in einem Ein-Zustand (Ic „hoch“, Vce „niedrig“) und wird dann ausgeschaltet (Ic „niedrig“, Vce „hoch“). Während des Prozesses des Ausschaltens tritt eine Überspannungstransiente (101) aufgrund der parasitären Induktivität des IGBT und des Ausschaltens des Stroms Ic auf. Diese Überspannungstransiente hat das Potenzial, IGBT-Vorrichtungen zu beschädigen.
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Ein IGBT ist ein Beispiel einer Halbleiterleistungsvorrichtung, die zum Regulieren von elektrischer Leistung verwendet wird. Der Ausdruck „Halbleiterleistungsvorrichtung“, wie er in dieser Spezifikation verwendet wird, soll eine Halbleitervorrichtung auf einem Einzelchip mit Hochspannungs-Sperr- und/oder Hochstrom-Führungsfähigkeiten beschreiben. Mit anderen Worten ist eine derartige Leistungshalbleitervorrichtung für hohen Laststrom, typischerweise im Ampere-Bereich, z. B. von bis zu mehreren zehn oder hundert Ampere, und/oder für hohe Spannungen, typischerweise von über 5 V, oder über 15 V und noch typischer 400 V und z. B. von bis zu ein paar Kilovolt, konfiguriert.
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Ein Schutz gegen eine Überspannung kann zum Beispiel mit einer geeigneten Gate-Steuerung erzielt werden. Mittels aktiver Klemmung kann Robustheit eingeführt werden, indem die Gate-Spannung, die zum Gate eines IGBT geliefert wird, auf eine derartige Weise gesteuert wird, dass die Kollektor-Emitter-Spannung keine Werte erreicht, die den IGBT beschädigen würden.
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Eine aktive Klemmung kann unter Verwendung einer Zener-Diode zum Messen der Kollektor-Emitter-Spannung Vce während des Betriebs erzielt werden. Eine einfache Lösung besteht darin, eine oder mehrere Zener-Dioden zwischen einem Kollektor und einem Gate zu verbinden, so dass, wenn sich der Kollektor an einer zu hohen Spannung relativ zum Gate befindet, die Zener-Dioden leiten und ermöglichen, dass ein Strom zum Gate fließt, wodurch die Gate-Spannung erhöht wird.
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Die Zener-Diodenkette kann unter Verwendung von diskreten Vorrichtungen implementiert werden, wie etwa einer Leiterplatten(PCB)-Lösung. Es kann wünschenswert sein, dieses aktive Klemmmerkmal in eine einzelne Treibervorrichtung zu integrieren, die eine ähnliche Funktionalität wie die externe Lösung auf einer PCB erzielen kann. Ein einfaches Integrieren der Zener-Diodenkette in einen Treiber-IC kann jedoch drastisch Siliziumfläche verbrauchen, da es schwierig ist, die Verlustleistung, die durch den hohen Zener-Durchbruchstrom (ein Bereich von bis zu mehreren hunderten mA) bewirkt wird, in einer integrierten Treibervorrichtung handzuhaben. Die Leistung ist das Produkt von Spannung und Strom (P = V*I) und mit den hohen Spannungen, die häufig für Leistungsanwendungen verwendet werden, kann selbst ein kleiner Strom zu vielen Watt Verlustleistung führen. Zum Beispiel wird mit einem Spannungsabfall von 1 kV schon ein Strom mit 1 mA 1 Watt von Wärme erzeugen.
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Der Stromfluss durch die Zener-Dioden muss ausreichen, um die Gate-Spannung zu erhöhen, was eine physisch große Vorrichtung zum Abführen von Wärme erfordern kann; die große Komponente kann auch die Systemkosten erhöhen. Zusätzlich dazu kann eine resistive Verbindung zwischen dem Treiber und dem IGBT den Stromfluss durch die Zener-Diode erhöhen, falls der Treiber damit fortfährt, eine Steuerspannung zu liefern, die nicht der Spannung entspricht, die durch den Strom durch die Zener-Diode erzeugt wird. Andere Dioden als eine Zener-Diode können nicht verwendet werden, da sie nicht genügend Strom bereit stellen können, wenn eine Kollektor-Überspannungsindikation erfordert, dass die Gate-Spannung modifiziert wird.
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Eine einfache Schaltung zum Vermeiden von Transienten, wenn Halbleiterleistungsvorrichtungen in elektrischen Leistungsanwendungen verwendet werden, verwendet in Rückwärtsrichtung vorgespannte Zener-Dioden 231 und 232, wie in 2a dargestellt. Diese sind zwischen dem Kollektor und dem Gate einer Halbleiterleistungsvorrichtung 220, wie etwa einem IGBT, verbunden. Es kann bzw. können eine Zener-Diode oder mehrere Zener-Dioden in Reihe vorhanden sein, in Abhängigkeit von der benötigten Durchbruchspannung. Es können auch standardmäßige p-n-Sperrschichtdioden, die in die entgegengesetzte Richtung vorgespannt sind, vorhanden sein, die in Reihe mit den Zener-Dioden eingefügt sind, um einen Stromfluss in Rückwärtsrichtung zu sperren, falls eine Spannung am Gate höher als eine Spannung am Kollektor ist.
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Der Betrieb der Schaltung während eines Abschaltens ist in 2b dargestellt, bei dem, wenn die Gate-Spannung Vge beim Abschalten der Halbleiterleistungsvorrichtung abfällt, eine steigende Vce 252 bewirkt, dass die Zener-Dioden leiten, wodurch die Gate-Spannung Vge 251 erhöht wird. Die Zunahme in der Gate-Spannung bewirkt, dass die Leistungsvorrichtung leitend wird, wodurch Vce 252 beschränkt wird. Auf diese Weise kann ein Schaden an der Leistungsvorrichtung vermieden werden.
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Schaltungen der in 2a dargestellten Art werden häufig in Verbindung mit IGBTs als eine Halbleiterleistungsvorrichtung verwendet. Diese Schaltungen besitzen jedoch gewisse Nachteile. In Anbetracht eines Hauptnachteils der Zener-Diodenketten, wie etwa einer Leiterplatten(PCB)-Lösung in 2a, würde man häufig gerne hoch integrierte Treiber-ICs verwenden, die schon eingeschlossene benötigte Merkmale und Funktionen, die durch die Anwendungen benötigt werden, aufweisen (je höher der Integrationsgrad, desto mehr Kosten und PCB-Fläche können eingespart werden). Falls die aktive Klemmfunktion in die Treiber-IC integriert werden kann, wird dies ein wertvoller Zusatz für Produkte sein.
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Eine der Vorteile der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Integration eines aktiven Klemmmerkmals in eine Treibervorrichtung zu ermöglichen, was eine ähnliche Funktionalität wie eine Lösung einer diskreten Vorrichtung auf einer PCB erzielen kann. Ein einfaches Integrieren der Zener-Diodenkette in eine Treiber-IC würde eine erhebliche Siliziumfläche einnehmen, und es würde schwierig sein, die Verlustleistung des hohen Zener-Durchbruchstroms (ein Bereich von bis zu mehreren hunderten mA) in einer integrierten Treibervorrichtung zu handhaben.
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3 stellt ein Implementierungsbeispiel des erfindungsgemäßen Konzepts dar. Eine Halbleiterleistungsvorrichtung 320 wird über einen Gate-Anschluss 322 gesteuert, der zum zweiten Anschluss 312 der Ansteuervorrichtung 310, die eine Ansteuerschaltung umfasst, gekoppelt ist. Die Halbleiterleistungsvorrichtung kann ein IGBT sein und der Anschluss 322 kann ein Gate-Anschluss eines IGBT sein. Die Ansteuervorrichtung ist auch über einen ersten Anschluss 311 zu einem ersten Anschluss gekoppelt, der der Lastanschluss 321 der Leistungsvorrichtung ist. Der Lastanschluss 321 kann der Kollektor der Leistungsvorrichtung sein, falls die Leistungsvorrichtung ein IGBT ist, oder kann der Drain-Anschluss sein, falls die Leistungsvorrichtung ein MOSFET ist. Der Lastanschluss 321 ist über den ersten Anschluss 311 zur Ansteuervorrichtung und innerhalb der Ansteuervorrichtung zu einem Sensor 330 gekoppelt, der eine Diode oder ein Widerstand oder ein Kondensator sein kann. Es gibt möglicherweise keine Notwendigkeit für jegliche anderen Komponenten, wie etwa Widerstände oder andere Spannungsteiler, zwischen dem Lastanschluss 321 und dem Sensor, und insbesondere gibt es möglicherweise keine Komponenten zwischen dem ersten Anschluss 311 und dem Sensor oder zwischen dem Lastanschluss 321 und dem Sensor. Der Sensor ist im Gegenzug zu einer Ausgabeerzeugungsschaltung 315 gekoppelt, die eine Ausgangsspannung am zweiten Anschluss 312 der Ansteuervorrichtung erzeugt. Gleichermaßen gibt es möglicherweise keine anderen Komponenten, wie etwa Widerstände oder andere Spannungsteiler, zwischen dem Sensor und der Ausgabeerzeugungsschaltung. Die Kopplung vom Anschluss 312 zu 322 kann direkt sein oder kann über einen optionalen Gate-Widerstand (Rg) 340 sein.
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Die Ansteuervorrichtung 310 von 3 kann als eine integrierte Schaltung mit mehreren Transistoren und anderen Komponenten, die auf einem einzelnen Halbleitersubstrat integriert sind, wie etwa Silizium oder Silizium-auf-Isolator (SOI), implementiert sein. Die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Anschluss 311 und dem zweiten Anschluss 312 der Ansteuervorrichtung kann hunderte von Volt oder sogar 1 kV überschreiten, was bedeutet, dass eine Isolierung zwischen Spannungsbereichen auf dem Substrat der Ansteuervorrichtung wichtig ist. Isolationsringe und SOI-Technologie auf dem Substrat wird möglicherweise benötigt, um die gesamte Funktionalität auf ein einzelnes Substrat zu integrieren, während Spannungsbereiche separat gehalten werden, was insbesondere dann der Fall ist, wenn es mehrere Ansteuerschaltungen in einer einzelnen Ansteuervorrichtung gibt, wie im Folgenden in 5 dargestellt. Auf diese Weise kann eine komplexe Funktionalität mit geringerer Fläche, niedrigeren Kosten und höherer Zuverlässigkeit erzielt werden.
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Während des Betriebs liefert der Sensor 330 ein Signal zur Ausgabeerzeugungsschaltung 315, um den Spannungspegel am Lastanschluss 321 anzugeben. Dieses Signal kann ein Spannungspegel sein oder kann ein Strom sein. Falls es eine Spannung ist, wird die Spannung mehrere Größenordnungen geringer als die Spannung am ersten Anschluss 311 sein, und falls es ein Strom ist, wird der Strom mehrere Größenordnungen geringer als der Strom am Lastanschluss 321 sein und auch geringer als der Strom am zweiten Anschluss 312 sein. Der Strom durch den Sensor 330 kann zum Beispiel mindestens eine Größenordnung oder zwei Größenordnungen kleiner als der Strom durch den zweiten Anschluss 312 sein. Es ist vorteilhaft, dass der Strom durch den Sensor eingeschränkt wird, damit keine übermäßige Wärmeabfuhr innerhalb der Ansteuervorrichtung erzeugt wird. Bei einer Ausführungsform kann der Sensorstrom zum Beispiel im Bereich von 1 µA bis 1 mA liegen, wohingegen der Gate-Ansteuerstrom im Bereich von bis zu mehreren Ampere liegen kann.
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Die Ausgabeerzeugungsschaltung muss auf eine Indikation einer Überspannung reagieren, bevor die Überspannung ausreichend ist, um den IGBT zu beschädigen. Dies kann zum Beispiel erzielt werden, indem ein Sensor vorhanden ist, der eine Überspannung misst, die hoch genug ist, um über der normalen Betriebsspannung zu liegen, aber weiterhin niedriger als eine Überspannung ist, die einen Schaden am IGBT bewirken wird. Die Ausgabeschaltung wird dann auf diese Indikation einer Überspannung mit genug Spannungstoleranz und Zeittoleranz reagieren, um den IGBT zu schützen. Eine Auswahl der Kriterien, die in der Ausgabeerzeugungsschaltung verwendet werden, ist wichtig, um sicherzustellen, dass der IGBT auf eine derartige Weise gesteuert wird, dass er normal arbeitet, während er innerhalb des normalen Spannungsbereichs liegt, aber für bevorstehende Überspannungsbedingungen korrigiert, ohne dass ein Schaden am IGBT auftritt. Ein Operationsverstärker mit einer festen oder einer programmierbaren Schwelle könnte zum Beispiel innerhalb der Ausgabeerzeugungsschaltung verwendet werden, um den Sensor zu evaluieren.
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Die Ausgabeerzeugungsschaltung kann ein Spannungssignal oder ein Stromsignal vom Sensor evaluieren, um eine Ausgabe zu erzeugen. Die Ausgabeerzeugungsschaltung kann das Signal vom Sensor in einen digitalen Wert umwandeln und eine Ausgabe zumindest teilweise basierend auf diesem digitalen Wert erzeugen. Die Ausgabeerzeugungsschaltung kann auch das Signal als einen analogen Wert beibehalten und dementsprechend eine Ausgabe zumindest teilweise basierend auf dem Wert erzeugen. Die Ausgabeerzeugungsschaltung kann einen Widerstand, der in Reihe mit dem Ausgang des Senders gekoppelt ist, und einen Komparator zum Messen einer Spannung, die durch einen Strom durch den Sensor und den Widerstand induziert wird, umfassen. Die Spannung über den Widerstand kann primär einem Strom durch den Sensor entsprechen oder kann durch die Handlung eines resistiven Teilernetzwerks oder eines kapazitiven Teilernetzwerks bewirkt werden. Die Ausgabeerzeugungsschaltung kann kombinatorische Logik verwenden, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, oder sie kann einen programmierbaren Prozessor beinhalten, um das Ausgangssignal zu erzeugen.
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Eine p-n-Diode kann als ein Sensor 330 verwendet werden. Die p-n-Diode weist gegenüber einer Zener-Diode den Vorteil auf, dass es während einer Leitung in Rückwärtsrichtung einen langsamen Anstieg im Durchbruchstrom gibt, dessen Anstieg schon durch die Ausgabeerzeugungsschaltung 315 detektiert werden kann, um zu signalisieren, dass die Spannung am Kollektor 321 zu weit, ohne einen wesentlichen Stromfluss durch den Sensor 330, ansteigt. Ein erhöhter Stromfluss durch den Sensor ist nicht wünschenswert, da er eine zusätzliche Verlustleistung in der Ansteuervorrichtung und insbesondere auf dem Substrat, in dem der Sensor integriert ist, bewirkt. Die Stromprofile einer p-n-Diode und einer Zener-Diode sind in den 4a bzw. 4b dargestellt, die Spannung auf der x-Achse und Strom auf der y-Achse zeigen. Die Ausgabeschaltung kann einen ansteigenden Durchbruchstrom bei 401 oder einen ansteigenden Strom bei 402 detektieren. Die Ausgabeschaltung kann dann entsprechend den Anforderungen reagieren, um die Leistungsvorrichtung zu schützen, wie etwa bewirken, dass die Spannung bei 312 oder 322 ansteigt, um die Gate-Spannung und dadurch den Stromfluss durch die Leistungsvorrichtung zu erhöhen.
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Falls eine Diode als ein Sensor gewählt wird, muss die Durchbruchspannung der Diode derart ausgewählt werden, dass die Ausgabeschaltung eine Indikation einer Überspannungsbedingung bestimmen kann, bevor die Überspannung ausreichend ist, um einen Schaden am IGBT oder einer anderen Halbleiterleistungsvorrichtung zu verursachen. Die Diode sollte durchbrechen, bevor der IGBT in einen Durchbruch-Modus eintritt. Ein IGBT mit einer maximalen Spannungsfähigkeit von 1,2 kV könnte zum Beispiel mit einer Diode verwendet werden, die eine nominale Durchbruchspannung von weniger als 1,2 kV, zum Beispiel 900 Volt, aufweist.
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Falls eine Konfiguration mit mehreren Halbleiterleistungsvorrichtungen, die mit einer Ansteuervorrichtung verbunden sind, verwendet wird, wie etwa eine Halbbrückenkonfiguration, dann kann es mehrere Ansteuerschaltungen in einer einzelnen Ansteuervorrichtung geben. Eine derartige Ausführungsform ist in 5 dargestellt. Die Ansteuerschaltungen umfassen mehrere Sensoren und Ausgabeerzeugungsschaltungen.
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Eine Ansteuervorrichtung 510 ist mit Halbleiterleistungsvorrichtungen 520a und 520b verbunden. Die Leistungsvorrichtung 520a kann ein High-Side-IGBT sein und die Leistungsvorrichtung 520b kann ein Low-Side-IGBT sein. Die jeweiligen Gate-Anschlüsse 522a und 522b sind zu Ausgabeerzeugungsschaltungen 515a und 515b gekoppelt, entweder direkt oder über einen Gate-Widerstand 540a, 540b. Die High-Side- und Low-Side-Sensoren 530a, 530b in den jeweiligen Ansteuerschaltungen sind mit den jeweiligen ersten Anschlüssen 521a und 521b der Leistungsvorrichtungen 520a und 520b verbunden. Es kann eine optionale Verbindung 513b zu VSS geben, um eine Massereferenz für die Ausgabeerzeugungsschaltung 515b zu erstellen.
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Die Ansteuerschaltungen innerhalb der Ansteuervorrichtung 510 müssen zweckmäßig isoliert sein, da die Spannungsdifferenzen zwischen den ersten Anschlüssen 511a, 511b und den zweiten Anschlüssen 512a und 512b hunderte von Volt oder sogar größer als 1 kV sein können.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konzepts würde alle aktiven Schaltkreise einer oder mehrerer Ansteuerschaltungen auf einem einzelnen Substrat beinhalten. Bei einer derartigen Konfiguration muss bzw. müssen der Sensor oder die Sensoren auf demselben Substrat wie die Ausgabeerzeugungsschaltung oder -schaltungen und andere Schaltkreise, wie erforderlich, integriert sein. Vorteilhafte Ausführungsformen können eine Substratfläche nutzen, die zur Isolierung zwischen unterschiedlichen Spannungsbereichen verwendet wird, und diese Fläche auch für den Sensor oder die Sensoren verwenden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform kann eine Silizium-auf-Isolator(SOI)-Schicht unter den aktiven Schaltkreisen der Ansteuervorrichtung verwenden. SOI verringert parasitäre Effekte im Substrat und ermöglicht auch eine Entkopplung von Substratrauschen. Für Leistungsanwendungen kann die Verwendung einer Isolierschicht vermeiden, dass eine in Vorwärtsrichtung vorgespannte p-n-Diode zwischen einer aktiven Fläche und z. B. einem p-dotierten Substrat gebildet wird. Ein Beispiel für eine Isolierschicht ist SiO2 oder Siliziumdioxid. Siliziumdioxid weist den Vorteil auf, dass es leicht in siliziumbasierte Halbleiterherstellungsprozesse integriert wird und einen hohen Grad an Isolierung vom Substrat liefert, was parasitäre Effekte minimiert und Rauschen vom Substrat entkoppelt.
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6 stellt ein vorteilhaftes Layout als eine Draufsicht für eine Halbbrückenkonfiguration dar, bei der eine Ansteuervorrichtung zum Steuern von zwei Halbleiterleistungsvorrichtungen verwendet wird, die sich auf separaten Substraten befinden können. Ein erster Sensor für die Low-Side-Leistungsvorrichtung, zum Beispiel eine p-n-Diode, befindet sich vorteilhafterweise im Junction-Termination-Ring 631. Ein zweiter Sensor für die High-Side-Leistungsvorrichtung, zum Beispiel eine p-n-Diode, befindet sich vorteilhafterweise im Randabschlussring 632. Die jeweiligen Sensoren können mit zwei Pads für die High-Side 634 und für die Low-Side 633 verbunden sein, die für weitere Verbindungen, wie etwa Bonddrähte, verwendet werden können. Mit einem derartigen Layout kann die zusätzliche Fläche, die für den Sensor benötigt wird, mit einer geringfügigen zusätzlichen oder sogar gänzlich ohne zusätzliche Fläche des Substrats für die Ansteuervorrichtung erhalten werden.
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7 stellt eine Querschnittsansicht für einen Sensor 730 dar, der als eine p-n-Diode implementiert ist und sich im Junction-Termination-Ring 631 oder im Randabschlussring 632, wie in 6 dargestellt, befinden kann. Eine p+-Zone 731 ist mit der Ausgabeerzeugungsschaltung 715 gekoppelt. Die Ausgabeerzeugungsschaltung 715 kann einen Komparator oder andere Schaltkreise, wie notwendig, zum Evaluieren des Sensors beinhalten. Eine n--Zone 732 bildet einen p-n-Übergang mit der p+-Zone 731. Beide Zonen liegen über einem Si02-Isolator 738. Der p-n-Übergang bildet eine Diode, die zum Erfassen der Spannung an der n+-Fläche 711 verwendet wird, ohne einen hohen Stromfluss zu benötigen, der Wärmeabfuhrprobleme in der Ansteuervorrichtung bewirken würde.
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Die 8a, 8b und 8c stellen drei unterschiedliche Möglichkeiten zum Implementieren des Sensors dar. In 8a ist eine Diode 851 im Übergangsabschlussring 864 positioniert und befindet sich elektrisch zwischen einer hohen Spannung 872 und einer niedrigen Spannung 871. In 8b ist ein Kondensator 853 im Übergangsabschlussring 866 positioniert und befindet sich elektrisch zwischen einer hohen Spannung 874 und einer niedrigen Spannung 873. In 8c ist ein Widerstand 855 im Übergangsabschlussring 868 positioniert und befindet sich elektrisch zwischen einer hohen Spannung und einer niedrigen Spannung. Bei einer Ausführungsform kann der Widerstand hochohmisch sein, damit keine Wärmeabfuhrprobleme bewirkt werden. Ein Sensor kann auch aus einer beliebigen Kombination aus Dioden, Kondensatoren und Widerständen bestehen.
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Im Fall eines Widerstands 855 als ein Sensor, kann der Widerstand bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konzepts in Reihe mit einem weiteren Widerstand mit Masse oder einer anderen Referenz geschaltet sein, so dass das Signal, das zur Ausgabeerzeugungsschaltung geliefert wird, vom Mittelpunkt eines Spannungsteilers zwischen dem ersten Anschluss und der Masse oder einer anderen Referenz kommt. In diesem Fall wird die Ausgabeerzeugungsschaltung möglicherweise keine Ströme, sondern stattdessen Spannungen vom Sensor, die eine Indikation der Spannung am ersten Anschluss angeben, evaluieren. Gleichermaßen, im Fall eines Kondensators 853 als ein Sensor, kann der Kondensator bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konzepts in Reihe mit einem Kondensator oder einem Widerstand geschaltet sein, um einen Spannungsteiler auszubilden.
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Aus der obigen Beschreibung wird ersichtlich, dass verschiedene Techniken zum Implementieren der in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Konzepte verwendet werden können, ohne vom Schutzumfang dieser Konzepte abzuweichen. Darüber hinaus, während die Konzepte mit spezifischem Bezug auf bestimmte Implementierungen beschrieben worden sind, würde ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet erkennen, dass Änderungen in der Form und den Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang dieser Konzepte abzuweichen. Als solches sollen die beschriebenen Implementierungen in allen Hinsichten als veranschaulichend und nicht beschränkend angesehen werden. Es sollte auch verstanden werden, dass die vorliegende Anmeldung nicht auf vorliegend beschriebene, bestimmte Implementierungen beschränkt ist, sondern dass viele Neuanordnungen, Modifikationen und Substitutionen möglich sind, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
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Räumlich relative Begriffe, wie etwa „unter“, „unterhalb“, „niedriger“, „über“, „oberer“ und dergleichen werden der Einfachheit der Beschreibung halber verwendet, um die Positionierung eines Elements relativ zu einem zweiten Element zu beschreiben. Diese Begriffe sollen verschiedene Orientierungen der Vorrichtung zusätzlich zu anderen Orientierungen als den in den Figuren dargestellten Orientierungen einschließen. Ferner werden auch Begriffe wie „erster“, „zweiter“ und dergleichen verwendet, um verschiedene Elemente, Gebiete, Abschnitte usw. zu beschreiben, und es wird auch nicht beabsichtigt, dass diese beschränkend sind. Über die gesamte Beschreibung hinweg verweisen gleiche Begriffe auf gleiche Elemente.
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Wie vorliegend verwendet, sind die Begriffe „aufweisend“, „enthaltend“, „beinhaltend“, „umfassend“ und dergleichen offene Begriffe, die das Vorhandensein der angegebenen Elemente oder Merkmale anzeigen, die aber zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht ausschließen. Es wird beabsichtigt, dass die Artikel „ein“, „eine“, „einer“ und „der/die/das“ sowohl den Plural als auch den Singular beinhalten, es sei denn, dass der Zusammenhang eindeutig etwas anderes angibt.
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Obwohl diese Erfindung unter Bezugnahme auf veranschaulichende Ausführungsformen beschrieben wurde, soll diese Beschreibung nicht in einem beschränkenden Sinn ausgelegt werden. Verschiedene Modifikationen und Kombinationen der veranschaulichenden Ausführungsformen, wie auch anderer Ausführungsformen der Erfindung, werden sich für einen Fachmann unter Bezugnahme auf die Beschreibung ergeben. Es ist daher vorgesehen, dass die angehängten Ansprüche jegliche derartigen Modifikationen oder Ausführungsformen umfassen.
