DE102022208825A1

DE102022208825A1 - Vorrichtung, Herstellungsverfahren und Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung mit einem Gatetreiber und zumindest einem angebundenen Leistungshalbleiter

Info

Publication number: DE102022208825A1
Application number: DE102022208825.5A
Authority: DE
Inventors: Tobias Richter; Tim Bruckhaus
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-08-25
Filing date: 2022-08-25
Publication date: 2024-03-07
Also published as: WO2024041776A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Gatetreiber (10) und zumindest einem ersten Leistungshalbleiter (12a), welcher über eine erste Leiterbahn (14a) an dem Gatetreiber (10) angebunden ist, wobei die Vorrichtung eine Überspannungserkennungseinrichtung (18) aufweist, welche so an zumindest der ersten Leiterbahn (14a) elektrisch angebunden und derart ausgebildet ist, dass mittels der Überspannungserkennungseinrichtung (18) eine an der ersten Leiterbahn (14a) anliegende erste Spannung (U1) abgreifbar und mit einer der Überspannungserkennungseinrichtung (18) aktuell vorgegebenen oder an der Überspannungserkennungseinrichtung (18) eingestellten ersten Spannungsschwelle vergleichbar ist, und, sofern die erste Spannung (U1) die erste Spannungsschwelle übersteigt, mittels der Überspannungserkennungseinrichtung (18) mindestens ein erstes Ausgangssignal ausgebbar ist, mittels welchem mindestens ein Gatetreiber-externes und/oder Gatetreiber-internes Schutzelement (20) derart ansteuerbar ist, dass mittels des mindestens einen von dem mindestens einen ersten Ausgangssignal angesteuerten Schutzelements (20) ein jeweiliges Gate des ersten Leistungshalbleiters (12a) mit einem Bezugspotential des ersten Leistungshalbleiters (12a) kurgeschlossen ist, wodurch die an der ersten Leiterbahn (14a) anliegende erste Spannung (U1) reduziert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Gatetreiber und zumindest einem Leistungshalbleiter, welcher über eine Leiterbahn an dem Gatetreiber angebunden ist. Ebenso betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine Vorrichtung mit einem Gatetreiber und zumindest einem angebundenen Leistungshalbleiter. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung mit einem Gatetreiber und zumindest einem angebundenen Leistungshalbleiter.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik, wie beispielsweise der DE 10 2014 221 124 A1 , sind Vorrichtungen bekannt, welche mit je einem Gatetreiber und je zumindest einem Leistungshalbleiter, welcher über eine Leiterbahn an dem zugeordneten Gatetreiber angebunden ist, ausgestattet sind.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Herstellungsverfahren für eine Vorrichtung mit einem Gatetreiber und zumindest einem angebundenen ersten Leistungshalbleiter mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung mit einem Gatetreiber und zumindest einem angebundenen ersten Leistungshalbleiter mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft vorteilhafte Möglichkeiten, um eine Zerstörung oder eine Beschädigung eines Gatetreibers im Falle eines Defektes eines damit angesteuerten Leistungshalbleiters zu verhindern. Insbesondere kann mittels einer Nutzung der vorliegenden Erfindung verhindert werden, dass im Falle eines Defektes eines Leistungshalbleiters vergleichsweise hohe Spannungen und Ströme auf einen Treiberausgang eines zum Ansteuern des defekten Leistungshalbleiters genutzten Gatetreibers gelangen. Stattdessen bewirkt die vorliegende Erfindung im Falle des Defektes des angesteuerten Leistungshalbleiters ein Kurzschließen eines jeweiligen Gates des defekten Leistungshalbleiters, und damit eine ausreichend frühzeitige Reduzierung einer an einer Leiterbahn, über welche der defekte Leistungshalbleiter an seinem zugeordneten Gatetreiber angebunden ist, anliegenden Spannung , wodurch eine unerwünschte Zerstörung oder Beschädigung des Gatetreibers verlässlich verhindert ist. Dies trägt zur Steigerung einer Lebensdauer des Gatetreibers, bzw. der damit ausgebildeten Vorrichtung, bei. Des Weiteren ist mittels der vorliegenden Erfindung sicherstellbar, dass der Gatetreiber auch bei einem Defekt des damit angesteuerten Leistungshalbleiters noch Aufgaben, insbesondere sicherheitsrelevante Aufgaben, erfüllen kann. Die vorliegende Erfindung kann somit besonders vorteilhaft für Anwendungsfälle, bei welchen ein Ausfall eines Gatetreibers der jeweiligen Vorrichtung kritisch wäre, verwendet werden. Vor allem im Automotive-Bereich kann die vorliegende Erfindung vorteilhaft eingesetzt werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist eine erste Sicherung in der ersten Leiterbahn angeordnet, welche mittels des kurzgeschlossenen Gates des ersten Leistungshalbleiters auslösbar ist. Durch das Auslösen der in der ersten Leiterbahn angeordneten ersten Sicherung kann der defekte erste Leistungshalbleiter von dem zu seiner Ansteuerung verwendeten Gatetreiber elektrisch getrennt/abgekoppelt werden. Dies trägt zur Verbesserung eines Sicherheitsstandards der hier beschriebenen Ausführungsform der Vorrichtung im Falle eines Defektes des ersten Leistungshalbleiters bei.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist die erste Leiterbahn über eine erste Verbindungsleiterbahn an einer Versorgungsleiterbahn des Gatetreibers elektrisch angebunden, wobei eine erste Schutzdiode in der ersten Verbindungsleiterbahn angeordnet und/oder mindestens ein Pufferkondensator an der ersten Verbindungsleiterbahn elektrisch angebunden sind. Über die erste Schutzdiode kann in diesem Fall ein durch den Defekt an dem ersten Leistungshalbleiter ausgelöster Fehlerstrom vergleichsweise schnell auf die Verbindungsleiterbahn abgeleitet werden. Vorzugsweise ist mittels des angesteuerten Schutzelements das Gate des ersten Leistungshalbleiters gegen einen Source-Anschluss oder einen Emitter-Anschluss des ersten Leistungshalbleiters als dem Bezugspotential des ersten Leistungshalbleiters kurzgeschlossen ist. Somit kann eine Komponente des ersten Leistungshalbleiters als sicheres Bezugspotential (mit-)genutzt werden.
Als vorteilhafte Weiterbildung kann die Vorrichtung mindestens einen weiteren Leistungshalbleiter, dessen Gate über je eine weitere Leiterbahn an mindestens einem weiteren Gatetreiber-Ausgang des Gatetreibers elektrisch angebunden ist, umfassen und eine Gesamtanzahl Z der Leistungshalbleiter der Vorrichtung kann größer-gleich 2 sein, wobei, für 1 < n ≤ Z, die Überspannungserkennungseinrichtung zusätzlich so an einer n-ten Leiterbahn elektrisch angebunden und derart ausgebildet ist, dass mittels der Überspannungserkennungseinrichtung die an der n-ten Leiterbahn jeweils anliegende n-te Spannung abgreifbar und mit der ersten Spannungsschwelle oder einer jeweils zugeordneten und der Überspannungserkennungseinrichtung aktuell vorgegebenen oder an der Überspannungserkennungseinrichtung eingestellten n-ten Spannungsschwelle vergleichbar ist, und, sofern die n-te Spannung die erste Spannungsschwelle oder die jeweils zugeordnete n-te Spannungsschwelle übersteigt, mittels der Überspannungserkennungseinrichtung mindestens ein weiteres Ausgangssignal ausgebbar ist, mittels welchem mindestens ein weiteres Gatetreiber-externes und/oder Gatetreiber-internes Schutzelement derart ansteuerbar ist, dass mittels des mindestens einen angesteuerten weiteren Schutzelements das Gate des an der n-ten Leiterbahn elektrisch angebundenen n-ten Leistungshalbleiters gegen ein Bezugspotential des n-ten Leistungshalbleiters kurgeschlossen ist, wodurch die an der n-ten Leiterbahn jeweils anliegende n-te Spannung reduziert ist. Die hier beschriebene Weiterbildung der Vorrichtung kann somit trotz ihrer Ausstattung mit mehreren Leistungshalbleitern vorteilhaft auf einen Defekt an einem ihrer Leistungshalbleiter reagieren.
Alternativ kann, wenn die Vorrichtung mindestens einen weiteren Leistungshalbleiter, dessen Gate über je eine weitere Leiterbahn an mindestens einem weiteren Gatetreiber-Ausgang des Gatetreibers elektrisch angebunden ist, umfasst und eine Gesamtanzahl Z der Leistungshalbleiter der Vorrichtung größer-gleich 2 ist, für 1 < n ≤ Z, die Überspannungserkennungseinrichtung zusätzlich so an einer n-ten Leiterbahn elektrisch angebunden und derart ausgebildet sein, dass mittels der Überspannungserkennungseinrichtung die an der n-ten Leiterbahn jeweils anliegende n-te Spannung abgreifbar und mit der ersten Spannungsschwelle oder einer jeweils zugeordneten und der Überspannungserkennungseinrichtung aktuell vorgegebenen oder an der Überspannungserkennungseinrichtung eingestellten n-ten Spannungsschwelle vergleichbar ist, und, sofern die n-te Spannung die erste Spannungsschwelle oder die jeweils zugeordnete n-te Spannungsschwelle übersteigt, mittels der Überspannungserkennungseinrichtung mindestens ein weiteres Ausgangssignal ausgebbar ist, mittels welchem das einzige Schutzelement der Vorrichtung derart ansteuerbar ist, dass mittels des angesteuerten Schutzelements das Gate des an der n-ten Leiterbahn elektrisch angebundenen n-ten Leistungshalbleiters gegen ein Bezugspotential des n-ten Leistungshalbleiters kurgeschlossen ist, wodurch die an der n-ten Leiterbahn jeweils anliegende n-te Spannung reduziert ist. Die in dem vorausgehenden Absatz beschriebenen Vorteile können somit auch mittels des einzigen Schutzelements realisiert werden.
Beispielsweise kann das mindestens eine Schutzelement mindestens einen Thyristor und/oder mindestens ein Thyristor-ähnliches Schaltungselement umfassen. Somit können vergleichsweise kostengünstige Schaltungselementtypen für/als das mindestens eine Schutzelement eingesetzt werden.
Die vorausgehend beschriebenen Vorteile werden auch sichergestellt durch ein Ausführen eines entsprechenden Herstellungsverfahrens für eine Vorrichtung mit einem Gatetreiber und zumindest einem angebundenen ersten Leistungshalbleiter.
Des Weiteren schafft auch ein Ausführen eines korrespondierenden Verfahrens zum Betreiben einer Vorrichtung mit einem Gatetreiber und zumindest einem angebundenen ersten Leistungshalbleiter die oben erläuterten Vorteile. Vorteilhafterweise kann die erste Spannungsschwelle mittels einer Referenzspannung aktuell vorgegeben werden. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das Herstellungsverfahren und das Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung mit einem Gatetreiber und zumindest einem angebundenen ersten Leistungshalbleiter gemäß den oben erläuterten Ausführungsformen der Vorrichtung weitergebildet werden können.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung;
2 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für eine Vorrichtung mit einem Gatetreiber und zumindest einem angebundenen ersten Leistungshalbleiter; und
3 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben einer Vorrichtung mit einem Gatetreiber und zumindest einem angebundenen ersten Leistungshalbleiter.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung.
Die in 1 schematisch wiedergegebene Vorrichtung weist einen Gatetreiber 10 und zumindest einen ersten Leistungshalbleiter 12a mit einem Gate und einem Bezugspotential auf. Das Gate des ersten Leistungshalbleiters 12a ist über eine erste Leiterbahn 14a an einem ersten Gatetreiber-Ausgang 16a des Gatetreibers 10 elektrisch angebunden. Optionaler Weise kann die Vorrichtung noch mindestens einen weiteren Leistungshalbleiter 12b mit je einem Gate und je einem Bezugspotential haben, wobei das jeweilige Gate des mindestens einen weiteren Leistungshalbleiters 12b über je eine weitere Leiterbahn 14b an mindestens einem weiteren Gatetreiber-Ausgang 16b des Gatetreiber 10 elektrisch angebunden ist. Das mindestens eine Bezugspotential kann insbesondere ein Source-Anschluss oder ein Emitter-Anschluss des jeweiligen Leistungshalbleiters 12a oder 12b sein. Die in 1 schematisch wiedergegebene Gesamtanzahl Z von genau zwei Leistungshalbleitern 12a und 12b ist nur beispielhaft zu interpretieren.
Der Gatetreiber 10 kann beispielsweise eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC, Application-Specific Integrated Circuit) sein. Unter dem mindestens einen Leistungshalbleiter 12a und 12b der Vorrichtung kann ein in der Leistungselektronik verwendbares/einsetzbares Halbleiterbauelement verstanden werden. Der mindestens eine Leistungshalbleiter 12a und 12b der Vorrichtung kann z.B. ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT, Insulated-Gate Bipolar Transistor) und/oder ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET, Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor), wie insbesondere ein Si-MOSFET und/oder ein SiC-MOSFET, sein.
Der mindestens eine Leistungshalbleiter 12a und 12b der Vorrichtung wird durch den Gatetreiber 10 angesteuert. Dazu kann der mindestens eine Leistungshalbleiter 12a und 12b beispielsweise über je eine direkte DC-Verbindung als die jeweilige Leiterbahn 14a oder 14b an dem jeweils zugeordneten Gatetreiber-Ausgang 16a oder 16b des Gatetreibers 10 elektrisch angebunden sein. Eine Ansteuerung des mindestens einen Leistungshalbleiters 12a und 12b durch den Gatetreiber 10 kann insbesondere über einen (nicht skizzierten) Gate-Vorwiderstand des jeweiligen Leistungshalbleiters 12a oder 12b erfolgen.
Außerdem weist die hier beschriebene Vorrichtung noch eine Überspannungserkennungseinrichtung 18 auf, welche so an zumindest der ersten Leiterbahn 14a elektrisch angebunden ist und derart ausgebildet ist, dass mittels der Überspannungserkennungseinrichtung 18 eine an der ersten Leiterbahn 14a anliegende erste Spannung U₁ abgreifbar ist. Die an der ersten Leiterbahn 14a abgegriffene erste Spannung U₁ ist mittels der Überspannungserkennungseinrichtung 18 mit einer ersten Spannungsschwelle vergleichbar. Die erste Spannungsschwelle kann eine an der Überspannungserkennungseinrichtung 18 (fest) eingestellte Spannungsschwelle sein. Alternativ kann die erste Spannungsschwelle der Überspannungserkennungseinrichtung 18 auch eine, z.B. mittels einer Referenzspannung U_ref, aktuell vorgegebene Spannungsschwelle sein. Bei der Ausführungsform der 1 ist die Überspannungserkennungseinrichtung 18 ein Komparator 18. Damit kann ein kostengünstiges Bauteil für die Überspannungserkennungseinrichtung 18 eingesetzt werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausbildbarkeit der Überspannungserkennungseinrichtung 18 nicht auf ein derartiges Bauteil limitiert ist.
Im Falle eines Defektes des ersten Leistungshalbleiters 12a, wie beispielsweise bei einem niederohmigen Gate des ersten Leistungshalbleiters 12a oder bei einem Kurzschluss seines Gates mit seinem Drain oder seinem Kollektor, treten in der Regel eine vergleichsweise hohe erste Spannung U₁ und ein relativ hoher Fehlerstrom in der ersten Leiterbahn 14a auf. Mittels des Vergleichs der an der ersten Leiterbahn 14a anliegenden ersten Spannung U₁ mit der ersten Spannungsschwelle kann die Überspannungserkennungseinrichtung 18 darum das sehr wahrscheinliche Vorliegen des Defekts an dem ersten Leistungshalbleiter 12a verlässlich erkennen/detektieren. Damit kann ein kostengünstiges Bauteil, wie speziell der Komparator 18, zur verlässlichen Erkennung/Detektion des Defekts an dem ersten Leistungshalbleiter 12a als Teil der Vorrichtung genutzt werden.
Des Weiteren ist die Überspannungserkennungseinrichtung 18 derart ausgebildet, dass, sofern die erste Spannung U₁ die erste Spannungsschwelle übersteigt, mittels der Überspannungserkennungseinrichtung 18 mindestens ein erstes Ausgangssignal ausgebbar ist/ausgegeben wird, mittels welchem mindestens ein Schutzelement 20 ansteuerbar ist/angesteuert wird. Die Ansteuerung des mindestens einen Schutzelements 20 mittels des mindestens einen ersten Ausgangssignals erfolgt derart, dass das Gate des ersten Leistungshalbleiters 12a mittels des mindestens einen angesteuerten Schutzelements 20 gegen das Bezugspotential des ersten Leistungshalbleiters 12a kurzgeschlossen ist/wird, wodurch die an der ersten Leiterbahn 14a anliegende erste Spannung U₁ mittels des mindestens einen angesteuerten Schutzelements 20 reduziert ist/wird.
Nach der Erkennung/Detektion des Defekts an dem ersten Leistungshalbleiter 12a
kann die Überspannungserkennungseinrichtung 18 mittels der Ansteuerung des mindestens einen Schutzelements 20 durch das Kurzschließen des jeweiligen Gates des ersten Leistungshalbleiters 12a und durch das Reduzieren der an der ersten Leiterbahn 14a anliegenden ersten Spannung U₁ den Gatetreiber 10 vor unerwünschten Folgen des Defekts schützen. Sowohl das Kurzschließen des Gates des ersten Leistungshalbleiters 12a als auch die frühzeitige Reduzierung der an der ersten Leiterbahn 14a anliegenden ersten Spannung U₁ gewährleisten einen verlässlichen Schutz des Gatetreibers 10 vor Beschädigung oder Zerstörung durch Überspannung oder Fehlerströme im Falle des defekten ersten Leistungshalbleiters 12a.
Der Gatetreiber 10 befindet sich darum auch im Falle eines Defekts an dem ersten Leistungshalbleiter 12a noch in seinem (nahezu) voll funktionsfähigen Zustand und kann seine Aufgaben weiterhin verlässlich erfüllen. Insbesondere kann der Gatetreiber 10 trotz des Defektes an dem ersten Leistungshalbleiter 12a auch sicherheitsrelevante Aufgaben, wie speziell eine Sicherstellung einer galvanischen Isolation und/oder ein Einstellen eines sicheren Systemzustands, noch übernehmen. Das vorteilhafte Zusammenwirken der Überspannungserkennungseinrichtung 18 mit dem mindestens einen Schutzelement 20 verlängert damit nicht nur eine Lebensdauer des Gatetreibers 10, bzw. der damit ausgestatteten Vorrichtung, sondern steigert auch seine/ihre Funktionsfähigkeit und vergrößert seine/ihre Anwendungsmöglichkeiten.
Sofern die Vorrichtung zusätzlich zu dem ersten Leistungshalbleiter 12a noch den mindestens einen weiteren Leistungshalbleiter 12b aufweist und die Gesamtanzahl Z der Leistungshalbleiter 12a und 12b der Vorrichtung größer-gleich 2 ist, kann, für 1< n ≤ Z, die Überspannungserkennungseinrichtung 18 auch an einer n-ten Leiterbahn 14b so elektrisch angebunden und derart ausgebildet sein, dass eine an der n-ten Leiterbahn 14b jeweils anliegende n-te Spannung abgreifbar ist. Die n-te Spannung ist/wird in diesem Fall mittels der Überspannungserkennungseinrichtung 18 mit der ersten Spannungsschwelle oder einer jeweils zugeordneten n-ten Spannungsschwelle vergleichbar/verglichen. Auch die n-te Spannungsschwelle kann der Überspannungserkennungseinrichtung 18 aktuell vorgegeben oder an der Überspannungserkennungseinrichtung 18 (fest) eingestellt sein. Damit ist mittels der Überspannungserkennungseinrichtung 18 auch ein Defekt an dem mindestens einen weiteren Leistungshalbleiter 12b erkennbar/detektierbar.
Sofern die n-te Spannung die erste Spannungsschwelle oder die jeweils zugeordnete n-te Spannungsschwelle übersteigt, ist vorzugsweise mittels der Überspannungserkennungseinrichtung 18 mindestens ein weiteres Ausgangssignal ausgebbar, mittels welchem das einzige Schutzelement 20 der Vorrichtung oder mindestens ein weiteres Schutzelement der Vorrichtung derart ansteuerbar ist/angesteuert wird, dass mittels des mindestens einen angesteuerten Schutzelements 20 das Gate des an der n-ten Leiterbahn 14b elektrisch angebundenen n-ten Leistungshalbleiters 12b gegen das Bezugspotential des n-ten Leistungshalbleiters 12b kurgeschlossen ist/wird, wodurch die an der n-ten Leiterbahn jeweils anliegende n-te Spannung reduziert ist/wird. Auch bei einer Ausstattung der Vorrichtung mit mindestens zwei Leistungshalbleitern 12a und 12b kann mittels der vorteilhaften Ansteuerung des mindestens einen Schutzelements 20 durch Kurzschließen des jeweiligen Gates des defekten Leistungshalbleiters 12a und 12b und durch die Reduzierung der an der jeweiligen Leiterbahn, über welche der defekte Leistungshalbleiter 12a und 12b an dem Gatetreiber 10 elektrisch angebunden ist, anliegenden Spannung der Schutz des Gatetreibers 10 aufrechterhalten werden. Insbesondere kann trotz der Ausstattung der Vorrichtung mit mindestens zwei Leistungshalbleitern 12a und 12b ein einziges Schutzelement 20 ausreichend zum Schutz des Gatetreibers 10 sein. Ein verlässlicher Schutz des Gatetreibers 10 ist damit auch bei einer Miniaturisierung der Vorrichtung noch möglich.
Die erste Spannungsschwelle und/oder die mindestens eine weitere Spannungsschwelle liegen vorzugsweise oberhalb einer normalerweise in der ersten Leiterbahn 14a und/oder in der mindestens einen weiteren Leiterbahn 14b auftretenden Versorgungsspannung. Außerdem wird es bevorzugt, wenn die erste Spannungsschwelle und/oder die mindestens eine weitere Spannungsschwelle unterhalb einer Zerstörgrenze des Gatetreibers 10, d.h. unterhalb einer mit einer hohen Wahrscheinlichkeit zum Zerstören/Beschädigen zumindest eines Teils des Gatetreibers 10 führenden Zerstörspannung, liegen. Damit ist eine Auslöseschwelle der Überspannungserkennungseinrichtung 18, bei welcher die Überspannungserkennungseinrichtung 18 das mindestens eine erste Ausgangssignal und/oder das mindestens eine weitere Ausgangssignal ausgibt, so festgelegt, dass gegebenenfalls verlässlich von einem Vorliegen eines Defektes an dem jeweiligen Leistungshalbleiter 12a oder 12b ausgegangen werden kann.
Das mindestens eine Schutzelement 20 kann mindestens ein Gatetreiber-externes Schutzelement 20 und/oder mindestens ein (nicht dargestelltes) Gatetreiber-internes Schutzelement sein. Unter dem mindestens einen Schutzelement 20 ist jeweils ein Schaltelement zu verstehen, mittels welchem eine an der jeweiligen Leiterbahn 14a oder 14b, über welche der defekte Leistungshalbleiter 12a oder 12b an dem Gatetreiber 10 elektrisch angebunden ist, das jeweilige Gate des defekten Leistungshalbleiters 12a oder 12b (nach Masse) kurzschließbar ist und anliegende Spannung reduzierbar ist. Unter dem mindestens einen Schutzelement 20 kann ein Schaltelement mit Selbsthaltung oder Latch verstanden werden. Das mindestens eine Schutzelement 20 kann beispielsweise mindestens ein Thyristor 20 und/oder mindestens ein Thyristor-ähnliches Schaltungselement umfassen/sein. Der mindestens eine Thyristor 20 kann als Einzelbauteil oder diskret aus Transistoren aufgebaut sein. Alternativ kann auch mindestens ein Schaltelement des Gatetreibers 10, welches in der Regel zum regulären Ausschalten des jeweils zugeordneten Leistungshalbleiters 12a oder 12b genutzt ist, als das mindestens eine Gatetreiber-interne Schaltelement eingesetzt werden. Das mindestens eine Schaltelement des Gatetreibers 10 ist meistens nicht nach Masse, sondern zu einer negativen Versorgung geschaltet. Oft weist der Gatetreiber 10 mindestens ein derartiges Schaltelement auf, dessen Belastbarkeit für eine hinreichende Dauer zur Verwendung als das mindestens eine Schaltelement 20 ausreichend ist. Bevorzugter Weise weist das mindestens eine Schutzelement 20 eine Stromtragfähigkeit auf, welche derart hoch ist, dass bei Auftreten des relativ hohen Fehlerstroms (aufgrund des Defekts des jeweiligen Leistungshalbleiters 12a oder 12b) die resultierende Spannung in der jeweiligen Leiterbahn 14a oder 14b unterhalb der Zerstörgrenze des Gatetreibers 10 liegt.
Als vorteilhafte Weiterbildung weist die Vorrichtung der 1 noch eine erste Sicherung 22a in der ersten Leiterbahn 14a auf, wobei die erste Sicherung 22a mittels des kurzgeschlossenen Gates des ersten Leistungshalbleiters 12a auslösbar ist/ausgelöst wird. Entsprechend kann noch je eine weitere Sicherung 22b in der mindestens einen weiteren Leiterbahn 14b der Vorrichtung derart angeordnet sein, dass die jeweilige Sicherung 22b durch Kurzschließen des Gates des an der damit bestückten Leiterbahn 14b elektrisch angebundenen Leistungshalbleiters 12b auslösbar ist/ausgelöst wird. Mittels der jeweiligen Sicherung 22a oder 22b kann das defekte Gate des benachbarten Leistungshalbleiters 12a oder 12b vom Gatetreiber 10 elektrisch getrennt werden, was den Schutz des Gatetreibers 10 vor hohen Fehlerströmen verbessert. Die mindestens eine Sicherung 22a und 22b der Vorrichtung kann eine Leiterbahnsicherung, eine definierte Engstelle in der jeweiligen Leiterbahn 14a oder 14b oder ein oberflächenmontiertes Bauelement (SMD, Surface-Mounted Device) sein.
Als weitere vorteilhafte Ergänzung ist bei der Vorrichtung der 1 noch die erste Leiterbahn 14a über eine erste Verbindungsleiterbahn 24a an einer Versorgungsleiterbahn 26 des Gatetreibers 10 elektrisch angebunden. In der ersten Verbindungsleiterbahn 24a ist eine erste Schutzdiode 28a angeordnet. Außerdem ist mindestens ein Pufferkondensator 30 an der ersten Verbindungsleiterbahn 24a elektrisch angebunden. Die Anbindung der ersten Leiterbahn 14a über die erste Schutzdiode 28a an die Versorgungsleiterbahn 26 des Gatetreibers 10 und der mindestens eine Pufferkondensator 30 gewährleistet einen verlässlichen Schutz vor kurzzeitigen Spannungsspitzen, insbesondere während einer Ansprechzeit der Überspannungserkennungseinrichtung 18, während einer Ansprechzeit des mindestens einen Schutzelements 20 und/oder bei Auslösen der Sicherung 22a. Selbst ein hoher Fehlerstrom kann vergleichsweise schnell über die erste Schutzdiode 28a (gegen positive und/oder negative Versorgungsspannungen Vcc) abgeleitet werden.
Entsprechend kann auch die mindestens eine weitere Leiterbahn 14b über je eine weitere Verbindungsleiterbahn 24b oder je eine Verbindungsleiterbahn 24b und zumindest einen Teilabschnitt der ersten Verbindungsleiterbahn 24a (siehe 1) an der Versorgungsleiterbahn 26 elektrisch angebunden sein. Auch in der mindestens einen weiteren Verbindungsleiterbahn 24b kann je eine weitere Schutzdiode 28b angeordnet sein. Evtl. kann auch an der mindestens einen weiteren Verbindungsleiterbahn 24b mindestens ein Pufferkondensator 30 elektrisch angebunden sein. Damit können die vorausgehend beschriebenen Vorteile auch für die mindestens eine weitere Leiterbahn 14b erweitert werden.
Die vorausgehend beschriebene Vorrichtung eignet sich aufgrund des gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Schutzes ihres Gatetreibers 10 gut zur Verwendung in bezüglich eines Ausfalls/einer Funktionsbeeinträchtigung des Gatetreibers 10 kritischen Bereichen, wie beispielsweise im Automotive-Bereich. Außerdem ist die Vorrichtung der 1 mit einem vergleichsweise geringen Bauraumbedarf und relativ kostengünstig herstellbar. Die Vorrichtung der 1 benötigt auch keine großen Gatetransformatoren und keine großen Koppelkapazitäten mit hoher Spannungsfestigkeit und hoher Pulsbelastbarkeit.
Auch dies trägt vorteilhaft zur Steigerung einer Verwendbarkeit der Vorrichtung der 1 bei.
2 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für eine Vorrichtung mit einem Gatetreiber und zumindest einem angebundenen ersten Leistungshalbleiter.
In einem Verfahrensschritt S1 des Herstellungsverfahrens wird zumindest ein Gate des ersten Leistungshalbleiters über seine erste Leiterbahn an einem ersten Gatetreiber-Ausgang des Gatetreibers elektrisch angebunden. Evtl. kann auch noch ein Gate mindestens eines weiteren Leistungshalbleiters über je eine weitere Leiterbahn an mindestens einem weiteren Gatetreiber-Ausgang des Gatetreibers elektrisch angebunden werden. Beispiele für den Gatetreiber und den mindestens einen Leistungshalbleiter sind oben schon aufgezählt.
In einem weiteren Verfahrensschritt S2 eine an zumindest der ersten Leiterbahn elektrisch angebundene Überspannungserkennungseinrichtung der Vorrichtung derart ausgebildet, dass mittels der Überspannungserkennungseinrichtung eine an der ersten Leiterbahn anliegende erste Spannung abgreifbar und mit einer der Überspannungserkennungseinrichtung aktuell vorgegebenen oder an der Überspannungserkennungseinrichtung eingestellten ersten Spannungsschwelle vergleichbar ist. Außerdem wird die Überspannungserkennungseinrichtung auch dazu ausgelegt, dass, sofern die erste Spannung die erste Spannungsschwelle übersteigt, mittels der Überspannungserkennungseinrichtung mindestens ein erstes Ausgangssignal ausgebbar ist, mittels welchem mindestens ein Gatetreiber-externes und/oder Gatetreiber-internes Schutzelement derart ansteuerbar ist/angesteuert wird, dass mittels des mindestens einen von dem mindestens einen ersten Ausgangssignal angesteuerten Schutzelements das Gate des ersten Leistungshalbleiters gegen ein Bezugspotential des ersten Leistungshalbleiters kurgeschlossen ist/wird, wodurch die an der ersten Leiterbahn anliegende erste Spannung reduziert ist/wird. Bezüglich möglicher Ausführungsbeispiele für die Überspannungserkennungseinrichtung und das mindestens eine Schutzelement wird auf die oberen Erläuterungen verwiesen. Als vorteilhafte Weiterbildung kann die Überspannungserkennungseinrichtung auch zu einer entsprechenden Fehlerdetektion an dem mindestens einen weiteren Leistungshalbleiter und zur korrespondierenden Reaktion darauf ausgelegt werden.
Optionaler Weise umfasst das Herstellungsverfahren auch einen Verfahrensschritt S3, in welchem eine erste Sicherung in der ersten Leiterbahn angeordnet wird, welche mittels des kurzgeschlossenen Gates des ersten Leistungshalbleiters auslösbar ist/ausgelöst wird. Entsprechend kann auch in der mindestens einen weiteren Leiterbahn je eine weitere Sicherung angeordnet werden. Beispiele für die mindestens eine Sicherung sind oben schon aufgezählt.
Alternativ oder ergänzend kann in einem (optionalen) Verfahrensschritt S4 auch die erste Leiterbahn über eine erste Verbindungsleiterbahn an einer Versorgungsleiterbahn des Gatetreibers elektrisch angebunden werden, wobei eine erste Schutzdiode in der ersten Verbindungsleiterbahn und/oder mindestens ein Pufferkondensator an der ersten Verbindungsleiterbahn elektrisch angebunden werden. Zusätzlich kann die mindesten eine weitere Leiterbahn über je eine weitere Schutzdiode an der ersten Verbindungsleiterbahn elektrisch angebunden werden.
Auch ein Ausführen des hier beschriebenen Herstellungsverfahrens schafft die oben aufgezählten Vorteile. Dabei können seine Verfahrensschritte S1 bis S4 in beliebiger Reihenfolge, zeitlich überschneidend oder gleichzeitig ausgeführt werden.
3 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben einer Vorrichtung mit einem Gatetreiber und zumindest einem angebundenen ersten Leistungshalbleiter.
In einem Verfahrensschritt S10 wird eine an einer ersten Leiterbahn, über welche ein Gate des ersten Leistungshalbleiters an einem ersten Gatetreiber-Ausgang des Gatetreibers elektrisch angebunden ist, anliegenden ersten Spannung mit einer vorgegebenen ersten Spannungsschwelle vergleichen. Die erste Spannungsschwelle kann insbesondere mittels einer Referenzspannung aktuell vorgegeben sein. Damit kann die erste Spannungsschwelle auch unter Berücksichtigung von mindestens einem aktuellen Parameter variiert sein/werden.
Sofern die erste Spannung die erste Spannungsschwelle übersteigt, wird in einem Verfahrensschritt S11 mindestens ein Gatetreiber-externes und/oder Gatetreiber-internes Schutzelement derart mittels mindestens eines ersten Ausgangssignals angesteuert, dass mittels des mindestens einen von dem mindestens einen ersten Ausgangssignal angesteuerten Schutzelements das Gate des ersten Leistungshalbleiters gegen ein Bezugspotential des ersten Leistungshalbleiters kurgeschlossen wird, wodurch die an der ersten Leiterbahn anliegende erste Spannung reduziert wird. Damit bewirkt auch das hier erläuterte Verfahren einen verlässlichen Schutz des Gatetreibers bei einem Defekt an dem ersten Leistungshalbleiter.
Sofern die Vorrichtung noch mindestens einen weiteren Leistungshalbleiter, dessen Gate über je eine weitere Leiterbahn an mindestens einem weiteren Gatetreiber-Ausgang des Gatetreibers elektrisch angebunden ist, aufweist, können den Verfahrensschritten S10 und S11 entsprechende weitere Verfahrensschritte zusätzlich ausgeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014221124 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung mit: einem Gatetreiber (10) mit zumindest einem ersten Gatetreiber-Ausgang (16a); und zumindest einem ersten Leistungshalbleiter (12a) mit einem Gate und einem Bezugspotential, wobei das Gate des ersten Leistungshalbleiters (12a) über eine erste Leiterbahn (14a) an dem ersten Gatetreiber-Ausgang (16a) des Gatetreibers (10) elektrisch angebunden ist; gekennzeichnet durch eine Überspannungserkennungseinrichtung (18), welche so an zumindest der ersten Leiterbahn (14a) elektrisch angebunden und derart ausgebildet ist, dass mittels der Überspannungserkennungseinrichtung (18) eine an der ersten Leiterbahn (14a) anliegende erste Spannung (U₁) abgreifbar und mit einer der Überspannungserkennungseinrichtung (18) aktuell vorgegebenen oder an der Überspannungserkennungseinrichtung (18) eingestellten ersten Spannungsschwelle vergleichbar ist, und, sofern die erste Spannung (U₁) die erste Spannungsschwelle übersteigt, mittels der Überspannungserkennungseinrichtung (18) mindestens ein erstes Ausgangssignal ausgebbar ist, mittels welchem mindestens ein Gatetreiber-externes und/oder Gatetreiber-internes Schutzelement (20) derart ansteuerbar ist, dass mittels des mindestens einen von dem mindestens einen ersten Ausgangssignal angesteuerten Schutzelements (20) das Gate des ersten Leistungshalbleiters (12a) gegen das Bezugspotential des ersten Leistungshalbleiters (12a) kurgeschlossen ist, wodurch die an der ersten Leiterbahn (14a) anliegende erste Spannung (U₁) reduziert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine erste Sicherung (22a) in der ersten Leiterbahn (14a) angeordnet ist, welche mittels des kurzgeschlossenen Gates des ersten Leistungshalbleiters (12a) auslösbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Leiterbahn (14a) über eine erste Verbindungsleiterbahn (24a) an einer Versorgungsleiterbahn (26) des Gatetreibers (10) elektrisch angebunden ist, und wobei eine erste Schutzdiode (28a) in der ersten Verbindungsleiterbahn (24a) angeordnet und/oder mindestens ein Pufferkondensator (30) an der ersten Verbindungsleiterbahn (24a) elektrisch angebunden sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels des angesteuerten Schutzelements (20) das Gate des ersten Leistungshalbleiters (12a) gegen einen Source-Anschluss oder einen Emitter-Anschluss des ersten Leistungshalbleiters (12a) als dem Bezugspotential des ersten Leistungshalbleiters (12a) kurzgeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung mindestens einen weiteren Leistungshalbleiter (12b), dessen Gate über je eine weitere Leiterbahn (14b) an mindestens einem weiteren Gatetreiber-Ausgang (16b) des Gatetreibers (10) elektrisch angebunden ist, umfasst und eine Gesamtanzahl Z der Leistungshalbleiter (12a, 12b) der Vorrichtung größer-gleich 2 ist, und wobei, für 1 < n ≤ Z, die Überspannungserkennungseinrichtung (18) zusätzlich so an einer n-ten Leiterbahn (14b) elektrisch angebunden und derart ausgebildet ist, dass mittels der Überspannungserkennungseinrichtung (18) die an der n-ten Leiterbahn (14b) jeweils anliegende n-te Spannung abgreifbar und mit der ersten Spannungsschwelle oder einer jeweils zugeordneten und der Überspannungserkennungseinrichtung (18) aktuell vorgegebenen oder an der Überspannungserkennungseinrichtung (18) eingestellten n-ten Spannungsschwelle vergleichbar ist, und, sofern die n-te Spannung die erste Spannungsschwelle oder die jeweils zugeordnete n-te Spannungsschwelle übersteigt, mittels der Überspannungserkennungseinrichtung (18) mindestens ein weiteres Ausgangssignal ausgebbar ist, mittels welchem mindestens ein weiteres Gatetreiber-externes und/oder Gatetreiber-internes Schutzelement derart ansteuerbar ist, dass mittels des mindestens einen angesteuerten weiteren Schutzelements das Gate des an der n-ten Leiterbahn (14b) elektrisch angebundenen n-ten Leistungshalbleiters (12b) gegen ein Bezugspotential des n-ten Leistungshalbleiters (12b) kurgeschlossen ist, wodurch die an der n-ten Leiterbahn (14b) jeweils anliegende n-te Spannung reduziert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Vorrichtung mindestens einen weiteren Leistungshalbleiter (12b), dessen Gate über je eine weitere Leiterbahn (14b) an mindestens einem weiteren Gatetreiber-Ausgang (16b) des Gatetreibers (10) elektrisch angebunden ist, umfasst und eine Gesamtanzahl Z der Leistungshalbleiter (12a, 12b) der Vorrichtung größer-gleich 2 ist, und wobei, für 1 < n ≤ Z, die Überspannungserkennungseinrichtung (18) zusätzlich so an einer n-ten Leiterbahn (14b) elektrisch angebunden und derart ausgebildet ist, dass mittels der Überspannungserkennungseinrichtung (18) die an der n-ten Leiterbahn (14b) jeweils anliegende n-te Spannung abgreifbar und mit der ersten Spannungsschwelle oder einer jeweils zugeordneten und der Überspannungserkennungseinrichtung (18) aktuell vorgegebenen oder an der Überspannungserkennungseinrichtung (18) eingestellten n-ten Spannungsschwelle vergleichbar ist, und, sofern die n-te Spannung die erste Spannungsschwelle oder die jeweils zugeordnete n-te Spannungsschwelle übersteigt, mittels der Überspannungserkennungseinrichtung (18) mindestens ein weiteres Ausgangssignal ausgebbar ist, mittels welchem das einzige Schutzelement (20) der Vorrichtung derart ansteuerbar ist, dass mittels des angesteuerten Schutzelements (20) das Gate des an der n-ten Leiterbahn (14b) elektrisch angebundenen n-ten Leistungshalbleiters (12b) gegen ein Bezugspotential des n-ten Leistungshalbleiters (12b) kurgeschlossen ist, wodurch die an der n-ten Leiterbahn (14b) jeweils anliegende n-te Spannung reduziert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Schutzelement (20) mindestens einen Thyristor (20) und/oder mindestens ein Thyristor-ähnliches Schaltungselement umfasst.
Herstellungsverfahren für eine Vorrichtung mit einem Gatetreiber (10) und zumindest einem angebundenen ersten Leistungshalbleiter (12a), mit dem Schritt: Elektrisches Anbinden des Gates des ersten Leistungshalbleiters (12a) über eine erste Leiterbahn (14a) an einem ersten Gatetreiber-Ausgang (16a) des Gatetreibers (10)(S1); gekennzeichnet durch den Schritt: Ausbilden einer an zumindest der ersten Leiterbahn (14a) elektrisch angebundenen Überspannungserkennungseinrichtung (18) der Vorrichtung derart (S2), dass mittels der Überspannungserkennungseinrichtung (18) eine an der ersten Leiterbahn (14a) anliegende erste Spannung (U₁) abgreifbar und mit einer der Überspannungserkennungseinrichtung (18) aktuell vorgegebenen oder an der Überspannungserkennungseinrichtung (18) eingestellten ersten Spannungsschwelle vergleichbar ist, und, sofern die erste Spannung (U₁) die erste Spannungsschwelle übersteigt, mittels der Überspannungserkennungseinrichtung (18) mindestens ein erstes Ausgangssignal ausgebbar ist, mittels welchem mindestens ein Gatetreiber-externes und/oder Gatetreiber-internes Schutzelement (20) derart ansteuerbar ist, dass mittels des mindestens einen von dem mindestens einen ersten Ausgangssignal angesteuerten Schutzelements (20) das Gate des ersten Leistungshalbleiters (12a) gegen ein Bezugspotential des ersten Leistungshalbleiters (12a) kurgeschlossen ist, wodurch die an der ersten Leiterbahn (14a) anliegende erste Spannung (U₁) reduziert ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, wobei eine erste Sicherung (22a) in der ersten Leiterbahn (14a) angeordnet wird, welche mittels des kurzgeschlossenen Gates des ersten Leistungshalbleiters (12a) auslösbar ist (S3).
Herstellungsverfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die erste Leiterbahn (14a) über eine erste Verbindungsleiterbahn (24a) an einer Versorgungsleiterbahn (26) des Gatetreibers (10) elektrisch angebunden wird, und wobei eine erste Schutzdiode (28a) in der ersten Verbindungsleiterbahn (24a) und/oder mindestens ein Pufferkondensator (30) an der ersten Verbindungsleiterbahn (24a) elektrisch angebunden werden (S4).
Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung mit einem Gatetreiber (10) und zumindest einem angebundenen ersten Leistungshalbleiter (12a), gekennzeichnet durch die Schritte: Vergleichen einer an einer ersten Leiterbahn (14a), über welche ein Gate des ersten Leistungshalbleiters (12a) an einem ersten Gatetreiber-Ausgang (16a) des Gatetreibers (10) elektrisch angebunden ist, anliegenden ersten Spannung (U₁) mit einer vorgegebenen ersten Spannungsschwelle (S10); und, sofern die erste Spannung (U₁) die erste Spannungsschwelle übersteigt, Ansteuern mindestens eines Gatetreiber-externen und/oder Gatetreiberinternen Schutzelements (20) derart mittels mindestens eines ersten Ausgangssignals, dass mittels des mindestens einen von dem mindestens einen ersten Ausgangssignal angesteuerten Schutzelements (20) das Gate des ersten Leistungshalbleiters (12a) gegen ein Bezugspotential des ersten Leistungshalbleiters (12a) kurgeschlossen wird, wodurch die an der ersten Leiterbahn (14a) anliegende erste Spannung (U₁) reduziert wird (S11).
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die erste Spannungsschwelle mittels einer Referenzspannung (U_ref) aktuell vorgegeben wird.