DE10209021A1

DE10209021A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des Laststromes durch ein Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE10209021A1
Application number: DE2002109021
Authority: DE
Inventors: Christian Arndt; Jean-Philippe Boeschlin
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-03-01
Filing date: 2002-03-01
Publication date: 2003-10-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Laststromes durch ein Halbleiterbauelement, wobei vorgesehen ist, eine interne Temperatur des Halbleiterbauelements zu erfassen und einen Einschaltwiderstand anhand der ermittelten Temperatur und anhand eines bei einer internen Referenztemperatur ermittelten Referenz-Einschaltwiderstandes zu bestimmen, wobei zusätzlich eine Laststreckenspannung des Halbleiterbauelements erfasst und aus der erfassten Laststreckenspannung und dme bestimmten Einschaltwiderstand der Laststrom ermittelt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Laststromes durch ein Halbleiterbauelement, insbesondere ein mittels Feldeffekt gesteuerten Halbleiterbauelement.

Zur Ermittlung des Laststromes durch ein Halbleiterbauelement, insbesondere einen MOS-Transistor, sind verschiedene Vorgehensweisen bekannt.

Bei einem bekannten Konzept wird ein Stromsensor in Reihe zu dem Halbleiterbauelement geschaltet. Ein derartiger Stromsensor kann ein Shunt-Widerstand sein, wobei anhand eines bekannten Widerstandswertes dieses Shunt-Widerstandes und anhand einer über dem Shunt-Widerstand abgegriffenen Spannung der Laststrom ermittelt wird. Weiterhin besteht die Möglichkeit, einen Hall-Sensor als Stromsensor bei einem Halbleiterbauelement einzusetzen.

Ein weiteres bekanntes Konzept betrifft die Strommessung nach dem sogenannten Stromsense-Prinzip. Bei diesem Prinzip macht man sich zu Nutze, dass Leistungs-MOS-Transistoren eine Vielzahl gleichartig aufgebauter Transistorzellen, die jeweils die Funktion eines MOS-Transistor aufweisen und die normalerweise parallel geschaltet sind, aufweisen. Für Messungen nach dem Stromsense-Prinzip wird ein Anteil der Gesamtzahl der Zellen des Bauelements für die Strommessung genutzt, wozu diese Zellen üblicherweise einen separaten Source-Anschluss erhalten. Anhand des ermittelten Stromes kann dann über das Verhältnis der Anzahl der zur Strommessung verwendeten Zellen und der Anzahl der zur Versorgung einer Last zur Verfügung stehenden Zellen der Laststrom ermittelt werden.

Nachteilig bei diesen bekannten Konzepten ist, dass ein schaltungstechnischer Mehraufwand für die Strommessung erforderlich ist, der ausschließlich der Strommessung dient.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Laststromes durch ein Halbleiterbauelement zur Verfügung zu stellen, das/die einfach und günstig zu implementieren ist, so dass insbesondere die oben genannten Probleme nicht auftreten.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung des Laststromes durch ein mittels Feldeffekt gesteuertes Halbleiterbauelement sieht vor, eine interne Temperatur des Halbleiterbauelements zu erfassen und einen Einschaltwiderstand anhand der ermittelten Temperatur und anhand eines bei einer internen Referenztemperatur ermittelten Referenz-Einschaltwiderstandes zu bestimmen. Zusätzlich wird eine Laststreckenspannung des Halbleiterbauelements erfasst und der Laststrom anhand der ermittelten Laststreckenspannung und des bei der internen Temperatur bestimmten Einschaltwiderstandes bestimmt.

Die Erfindung macht sich zu Nutze, dass der Einschaltwiderstand eines Halbleiterbauelements, insbesondere eines MOS- Transistors, temperaturabhängig ist, wobei ein definierter Zusammenhang zwischen Einschaltwiderständen bei unterschiedlichen Temperaturen besteht, so dass in Kenntnis der momentanen Temperatur, üblicherweise der Sperrschichttemperatur bei MOS-Transistoren, und in Kenntnis eines Referenz- Einschaltwiderstandes bei einer Referenztemperatur auf den momentanen Einschaltwiderstand geschlossen werden kann.

Bei MOS-Transistoren genügt das Verhältnis zwischen dem Einschaltwiderstand bei einer Temperatur und dem Referenz- Einschaltwiderstand bei einer Referenztemperatur der folgenden Beziehung:

Ron(T2) = Ron(T1).(1 + α/100)^(T2-T1) (1),

wobei Ron(T2) der Einschaltwiderstand bei der Temperatur T2, Ron(T1) der Referenz-Einschaltwiderstand bei der Referenztemperatur T1 und α eine vom verwendeten Halbleitermaterial, von der zur Herstellung des Bauelements verwendeten Technologie und von der maximalen Spannungsfestigkeit des Bauelements abhängige Größe ist.

Ausgehend von dem Einschaltwiderstand bei der ermittelten Temperatur und der ermittelten Laststreckenspannung kann anhand des ohmschen Gesetzes wie folgt auf den Laststrom geschlossen werden:

Ids = Uds/Ron(T2) (2),

wobei Ids der Laststrom und Uds die Laststreckenspannung des Halbleiterbauelements ist.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens während des Einsatzes des Halbleiterbauelements genügt es, die interne Temperatur des Halbleiterbauelements, das heißt die Sperrschichttemperatur bei MOS-Transistoren, und die Laststreckenspannung zu erfassen. Die übrigen zur Bestimmung des Laststromes aus der Temperatur und der Laststreckenspannung erforderlichen Größen, nämlich der Referenz-Einschaltwiderstand bei einer Referenztemperatur, kann beispielsweise werkseitig ermittelt und in einer Verarbeitungseinheit, die die Berechnung des Laststromes aus den genannten Werten übernimmt, gespeichert werden.

Der Referenz-Einschaltwiderstand kann dabei für jedes gefertigte Halbleiterbauelement separat ermittelt oder anhand eines Halbleiterbauelements stellvertretend für eine Anzahl von Halbleiterbauelementen, die dieselben Fertigungsprozesse durchlaufen und vom selben Typ sind, ermittelt werden.

Temperatursensoren zur exakten Ermittlung der Sperrschichttemperatur sind bei zahlreichen sogenannten Smart-FET, insbesondere bei solchen, die einen integrierten Temperaturschutz aufweisen, bereits vorhanden. Als Beispiel seien hier MOSFET der OptiMOS®-Familie der Anmelderin genannt. Außerdem weisen derartige Halbleiterbauelemente häufig auch Verarbeitungseinheiten auf, die in demselben Gehäuse wie der Leistungstransistor integriert sind. Diese Verarbeitungseinheiten können ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand zur Abspeicherung der Referenz-Einschalttemperatur und zur Bestimmung des Laststromes aus der Laststreckenspannung, der ermittelten Temperatur und dem Referenz-Einschaltwiderstand herangezogen werden.

Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist ein mittels Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement, insbesondere einen Feldeffekttransistor auf, das einen internen Temperatursensor und einen Temperaturausgang aufweist, wobei an dem Temperaturausgang ein von einer internen Temperatur abhängiges Temperatursignal abgreifbar ist. Weiterhin ist eine Spannungsmessanordnung vorhanden, die dazu verschaltet ist, eine Laststreckenspannung über einer Laststrecke des Halbleiterbauelements zu ermitteln und die einen Ausgang aufweist, an dem ein von der Laststreckenspannung abhängiges Spannungssignal abgreifbar ist, wobei das Temperatursignal und das Spannungssignal einer Auswerteschaltung zugeführt sind, die eine Ausgangsklemme aufweist, an der ein von einem Laststrom abhängiges Laststromsignal abgreifbar ist. Die Auswerteschaltung weist Schaltungsmittel auf, die dazu ausgebildet sind, das Laststromsignal aus dem Spannungssignal, dem Temperatursignal und einem abgespeicherten von einem Referenz-Einschaltwiderstand oder mehreren Referenz-Einschaltwiderständen abhängigen Referenzwiderstandssignal zu bestimmen.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in den beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ein als MOS-Transistor T ausgebildetes Halbleiterbauelement mit einem integrierten Temperatursensor TS auf, wobei das Bauelement einen Temperaturausgang Tout aufweist, an dem ein von einer internen Temperatur, insbesondere der Sperrschichttemperatur des MOS-Transistors T abhängiges Temperatursignal anliegt. Der Temperatursensor TS ist dazu in hinlänglich bekannter Weise in dem selben Halbleiterkörper wie der MOS-Transistor integriert und vorzugsweise als PTC-Widerstand ausgebildet.

Der MOS-Transistor ist in Reihe zu einer Last zwischen ein Versorgungspotential V+ und Bezugspotential GND geschaltet. Zum Schutz des MOS-Transistors T oder der Last ist es bei vielen Anwendungen erforderlich, einen Laststrom Ids, im vorliegenden Fall den Drain-Source-Strom, bei angesteuertem MOS- Transistor zu ermitteln. Eine Ansteuerschaltung zur Ansteuerung des MOS-Transistors T, die an den Gate-Anschluss G angeschlossen ist, ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in den Figuren nicht dargestellt.

Zur Ermittlung des Laststromes Ids beziehungsweise eines davon abhängigen Wertes ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, neben der Temperatur in dem Halbleiterbauelement eine Laststreckenspannung, im vorliegenden Fall die Drain- Source-Spannung Uds, zu erfassen und anhand dieser gemessenen Werte und anhand eines bei einer Referenz-Sperrschichttemperatur ermittelten Referenz-Einschaltwiderstandes den Laststrom Ids beziehungsweise den davon abhängigen Wert zu ermitteln.

Dabei wird zunächst anhand der oben bereits erläuterten Gleichung (1) aus einer ermittelten Sperrschichttemperatur T2 während des Einsatzes des Halbleiterbauelements und aus einem zuvor, beispielsweise werkseitig, bei einer Referenztemperatur T1 ermittelten Einschaltwiderstand Ron(T1) ein Einschaltwiderstand Ron(T2) bei der Temperatur T2 ermittelt. Ein von der Temperatur T2 abhängiges Signal wird in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 dazu einer ersten Verarbeitungseinheit 10 zugeführt, an welche Speichermittel 12, 14 angeschlossen sind, in welchen die prozessabhängige für jedes Halbleiterbauelement konstante Größe α und der Referenz- Einschaltwiderstand Ron(T1) abgespeichert sind. Am Ausgang der ersten Verarbeitungseinheit 10 steht dann ein Signal zur Verfügung, welches von dem Einschaltwiderstand Ron(T2) bei der Temperatur T2 abhängig ist.

Aus diesem Einschaltwiderstand bei der Temperatur T2 wird in einer der ersten Verarbeitungseinheit 10 nachgeschalteten Verarbeitungseinheit 20 aus der Laststreckenspannung Uds das von dem Laststrom Ids abhängige Ausgangssignal gemäß der oben erläuterten Gleichung (2) ermittelt.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung des Laststromes Ids durch ein Halbleiterbauelement T. Bei dieser Schaltungsanordnung weist die Ansteuerschaltung AS eine Prozessoreinheit 30 auf, die an eine Speichereinheit 32 angeschlossen ist. Der Prozessoreinheit werden dabei ein von der Laststreckenspannung Uds abhängiges Signal und das von der Temperatur T2 abhängige Signal zugeführt, wobei die Prozessoreinheit auf die Speichereinheit 32 zugreift, um die ihr zugeführten Werte in der Speichereinheit 32 abzulegen und um in der Speichereinheit 32 abgespeicherte Werte, wie der zuvor ermittelte und fest abgespeicherte Referenz-Einschaltwiderstand und die prozessabhängige Größe α, für die Ermittlung des Laststromes abzurufen.

Die Prozessoreinheit 30 bestimmt dabei, das von dem Laststrom Ids abhängige Ausgangssignal anhand der oben erläuterten Gleichungen (1) und (2), wobei ein Programm zur Durchführung der Berechnungen in der Speichereinheit 32 abgespeichert sein kann. Bezugszeichenliste AS Ansteuerschaltung
D Drain-Anschluss
Di Diode
G Gate-Anschluss
GND Bezugspotential
Ids Laststrom
OUT Ausgang der Ansteuerschaltung
S Source-Anschluss
T MOS-Transistor
Tout Temperatursignalausgang
TS Temperatursensor
Uds Laststreckenspannung
V+ positives Versorgungspotential
10 erste Verarbeitungseinheit
12, 14 Speichereinheiten
20 zweite Verarbeitungseinheit
30 Prozessoreinheit

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung des Laststromes durch ein Halbleiterbauelement (T), wobei das Verfahren folgende Merkmale aufweist:

- Erfassen einer internen Temperatur (T2) des Halbleiterbauelements und Bestimmen des Einschaltwiderstandes (Ron(T2)) anhand der ermittelten Temperatur (T2) und anhand eines bei einer internen Referenztemperatur (T1) ermittelten Referenz- Einschaltwiderstandes (Ron(T1)),

- Erfassen einer Laststreckenspannung (Uds) des Halbleiterbauelements (T) und Bestimmen des Lastromes (Ids) anhand der ermittelten Laststreckenspannung (Uds) und des bei der Temperatur (T2) bestimmten Einschaltwiderstandes (Ron(T2)).

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zur Ermittlung des Referenz-Einschaltwiderstandes (Ron(T1)) eine vorgegebene Laststreckenspannung an eine Laststrecke (D-S) des Halbleiterbauelements (T) angelegt und der Laststrom ermittelt wird, um auf den Einschaltwiderstand zu schließen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die interne Referenztemperatur (T1) und die interne Temperatur (T2) jeweils Sperrschichttemperaturen des Halbleiterbauelements (T) sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Einschaltwiderstand (Ron(T2)) bei der Temperatur (T2) anhand folgender Beziehung ermittelt wird:
Ron(T2) = Ron(T1).(1 + α/100)^(T2-T1),
wobei
T1 die Referenztemperatur,
Ron(T1) der Widerstand bei der internen Referenztemperatur,
T2 die Temperatur und
a eine vom verwendeten Halbleitermaterial, von der zur Herstellung des Bauelements verwendeten Technologie und von der maximalen Spannungsfestigkeit des Bauelements abhängige Größe ist.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Halbleiterbauelement (T) ein MOS-Transistor ist, dessen Drain-Source-Strecke (D-S) die Laststrecke zum Anlegen der Laststreckenspannung (Uds) ist.

6. Schaltungsanordnung, die folgende Merkmale aufweist:

- ein Halbleiterbauelement (T), das einen internen Temperatursensor (TS) und einen Temperaturausgang (Tout) aufweist, wobei an dem Temperaturausgang (Tout) ein von einer internen Temperatur (T2) abhängiges Temperatursignal abgreifbar ist,

- eine Spannungsmessanordnung, die dazu verschaltet ist, eine Laststreckenspannung (Uds) über einer Laststrecke (D-S) des Halbleiterbauelements (T) zu ermitteln und die einen Ausgang aufweist, an dem ein von der Laststreckenspannung (Uds) abhängiges Spannungssignal abgreifbar ist,

- eine Auswerteschaltung (AS), der das Temperatursignal und das Spannungssignal zugeführt sind und die eine Ausgangsklemme (OUT) aufweist, an der ein von einem Laststrom (Ids) abhängiges Laststromsignal abgreifbar ist, und wobei die Auswerteschaltung (AS) Schaltungsmittel (10, 20) aufweist, die dazu ausgebildet sind, das Laststromsignal aus dem Spannungssignal, dem Temperatursignal und einem abgespeicherten von einem Referenz-Einschaltwiderstand (Ron(T1)) abhängigen Referenzwiderstandssignal zu bestimmen.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, bei der die Schaltungsmittel (10, 20) zum Bestimmen des Lastromsignals Schaltungsmittel (10) zum Bestimmen eines von einem Einschaltwiderstand (Ron(T2)) abhängigen widerstandssignal aus dem Temperatursignal und dem Referenzwiderstandssignal und Schaltungsmittel (20) zum Bestimmen des Laststromsignals aus dem bestimmten Widerstandsignal und dem Spannungssignal aufweisen.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, bei dem die Schaltungsmittel zur Bestimmung des Widerstandssignals das Widerstandssignal aus dem Referenzsignal und dem Temperatursignal anhand folgender Beziehung ermitteln:
Ron(T2) = Ron(T1).(1 + α/100)^(T2-T1),
wobei
T1 die Referenztemperatur,
Ron(T1) der Einschaltwiderstand bei bei der internen Referenztemperatur,
T2 die Temperatur und
α eine vom verwendeten Halbleitermaterial, von der zur Herstellung des Bauelements verwendeten Technologie und von der maximalen Spannungsfestigkeit des Bauelements abhängige Größe ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, bei der die Schaltungsmittel zum Bestimmen des Laststromsignals aus dem bestimmten Widerstandssignal und dem Spannungssignal das Laststromsignal anhand folgender Beziehung ermitteln:
Ids = Vds/R2(T2),
wobei
Ids der Laststrom und
Vds das Laststreckenspannung
ist.

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei der die Auswerteschaltung (AS) Speichermittel (12, 14) zur Speicherung der Referenztemperatur und des Parameters α aufweisen.

11. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Halbleiterbauelement (T) ein mittels Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement ist.