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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Schaltungsanordnung mit einem Lasttransistor und einer Strommessanordnung
zur Ermittlung eines Laststromes durch den Lasttransistor sowie
ein Verfahren zur Ermittlung des Laststromes durch einen Lasttransistor.
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Zum Ansteuern elektrischer Verbraucher werden
vielfach Leistungstransistoren als Schalter eingesetzt. Beispiele
für den
Einsatz derartiger Leistungstransistoren sind Schaltnetzteile, Lampenvorschaltgeräte, Ansteuerschaltungen
für Motoren
die Innen- und Außenbeleuchtung
in Kraftfahrzeugen usw. Dabei ist es häufig erforderlich, den Strom
durch den Transistor zu ermitteln, um den Transistor beispielsweise
bei Kurzschluss der Last, zum Schutz vor Zerstörung abschalten zu können.
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Zur Erfassung des Laststromes durch
einen Transistor ist es beispielsweise bekannt, einen Shunt-Widerstand
in Reihe zu der Laststrecke des Transistors zu schalten und über die über dem
Widerstand anfallende Spannung und den Widerstandswert dieses Shunt-Widerstandes
nach dem ohmschen Gesetz den Laststrom zu ermitteln. Nachteilig ist
hierbei, dass der Shunt-Widerstand
von dem gesamten Laststrom durchflossen wir, wodurch die Strommessung
nicht unerhebliche Verluste mit sich bringt. Zur Reduzierung dieser
Verluste kann der Widerstandswert des Shunt-Widerstandes verkleinert werden.
Allerdings sind einer beliebigen Verkleinerung dieses Widerstandswertes
Grenzen gesetzt, da sich mit einer zunehmenden Verkleinerung dieses Widerstandswertes
Störeinflüsse überproportional auf
das Messergebnis auswirken.
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Eine weitere Möglichkeit zur Messung des Laststromes
durch einen Leistungstransistor besteht in der Strommessung nach
dem sogenannten Stromsense-Prinzip. Dieses Strommessprinzip beruht
darauf, neben dem Lasttransistor einen Strommesstransistor des selben
Typs wie der Lasttransistor vorzusehen, der eine kleinere Transistorfläche als
der Lasttransistor aufweist, und diesen Strommesstransistor im selben
Arbeitspunkt wie den Lasttransistor zu betreiben. Der den Strommesstransistor
durchfließende
Strom steht dann über
das Verhältnis
der Transistorflächen
des Lasttransistors und des Strommesstransistors in Beziehung zu
dem Laststrom, so dass der Laststrom auf einfache Weise anhand des den
Strommesstransistor durchfließenden
Stromes ermittelt werden kann.
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Schaltungsanordnungen mit einem Lasttransistor
und einer solchen nach dem Stromsense-Prinzip funktionierenden Strommessanordnung
sind beispielsweise in der
DE
43 34 386 A1 und der
DE 40 20 197 C2 beschrieben.
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Leistungstransistoren sind in hinlänglich bekannter
Weise zellenartig aufgebaut. Hierbei sind eine Vielzahl gleichartiger
Transistorzellen vorhanden, die jeweils alle Strukturmerkmale eines
Transistors aufweisen, wobei diese Transistorzellen parallel geschaltet
sind. Bei einem Leistungs-MOSFET sind beispielsweise alle Source-Zonen
der Transistorzellen gemeinsam an einen Source-Anschluss, alle Gate-Elektroden
der Transistorzellen an einen Gate-Anschluss und alle Drain-Zonen
an einen gemeinsamen Drain-Anschluss angeschlossen, wobei bei einem
Drain-Down-Transistor den Transistorzellen ohnehin eine Drain-Zone
gemeinsam ist und eine gitterartige Gate-Elektrode für alle Zellen
vorhanden ist. Der grundsätzliche
Aufbau eines solchen MOSFET ist beispielsweise in Stengl/Tihanyi: „Leistungs-MOS-FET-Praxis", Pflaum Verlag,
München, 1992,
Seiten 32 – 35
beschrieben. Zur Realisierung eines Strommesstransistors für eine Strommessung nach
dem Stromsense-Prinzip ist es bekannt, einige der Transistorzellen
eines solchen Zellenfeldes als Strommesstransistor zu verwenden,
wie in der
DE 199
58 234 A1 beschrieben ist und wie kurz anhand von
1 erläutert
wird.
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1a zeigt
einen Querschnitt durch einen herkömmlichen zellenartig aufgebauten
Leistungs-MOSFET. Der MOSFET umfasst einen Halbleiterkörper 100 mit
einer Vorderseite 101, wobei im Bereich der Vorderseite 101 Source-Zonen 40 eines ersten
Leitungstyps eingebracht sind, die von Kanalzonen bzw. Body-Zonen 30 eines
zweiten Leitungstyps umgeben sind. Im Bereich einer Rückseite 102 des
Halbleiterkörpers
ist eine Drain-Zone 22 des ersten Leitungstyps vorhanden,
wobei ein Halbleiterbereich 21 zwischen der Drain-Zone 22 und
den Body-Zonen 30 ebenfalls vom ersten Leitungstyp ist
und als Driftzone des Halbleiterbauelementes dient. Bei einem n-leitenden
MOSFET sind die Source-Zonen 40, die Drain-Zone 22 und
die Driftzone 21 n-dotiert, während die Kanalzonen 30 p-dotiert
sind. Bei einem IGBT ist die Halbleiterzone 22 an der Rückseite 102 komplementär zu der
Driftzone 21 dotiert. Oberhalb der Vorderseite 101 ist
eine Gate-Elektrode 50 vorhanden, die isoliert gegenüber dem
Halbleiterkörper 100 angeordnet
sind und die bei Anlegen eines Ansteuerpotentials die Ausbildung
eines leitenden Kanals in den Body-Zonen 30 zwischen den
Source-Zonen 40 und
der Driftzone 21 bewirkt.
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1b zeigt
einen Querschnitt durch den Halbleiterkörper 100 gemäß 1a entlang der Schnittebene A-A. wie in 1b beispielhaft dargestellt ist, sind
die Kanalzonen 30 quadratisch und die Source-Zonen 40 entsprechend
ringförmig
in den Kanalzonen 30 angeordnet. Das Halbleiterbauelement gemäß 1 weist eine Vielzahl sich wiederholender Strukturen
auf, wobei diese Strukturen als Transistorzellen Z bezeichnet werden.
Selbstverständlich sind
beliebige weitere Geometrien, beispielsweise in Draufsicht sechseckförmige Kanalzonen 30 und kreisringförmige Source-Zonen 40,
möglich,
um eine derartige Zellenstruktur zu erhalten. Bei dem Halbleiterbauelement
gemäß 1 ist eine Gate-Elektrode 50 allen
Zellen gemeinsam. Des Weiteren ist die Drain-Zone 22 bzw.
die Drain- Elektrode
D allen Transistorzellen gemeinsam. Zur Realisierung eines Lasttransistors
sind die Mehrzahl der Source-Zonen 40 der Transistorzellen
an eine gemeinsame Source-Elektrode 51 mit einem Source-Anschluss
S1 angeschlossen, während
die Source-Zonen 40 einer geringeren Anzahl von Zellen
an eine zweite Source-Elektrode 52 mit einem Source-Anschluss
S2 angeschlossen sind.
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1c zeigt
das elektrische Ersatzschaltbild eines solchen Halbleiterbauelementes
mit einem Lasttransistor TL und einem Strommesstransistor TM, wobei
die Gate-Anschlüsse
des Lasttransistor TL und des Strommesstransistors TM an einen gemeinsamen
Gate-Anschluss G und die Drain-Anschlüsse an einen gemeinsamen Drain-Anschluss
D angeschlossen sind. Allerdings weisen die beiden Transistoren
separate Source-Anschlüsse
S1 bzw. S2 auf, wobei an den Source-Anschluss S1 des Lasttransistors
TL eine Last anschließbar
ist und wobei an dem Source-Anschluss S2 des Strommesstransistors
TM ein Messstrom abgreifbar ist.
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Eine exakte Strommessung mittels
eines in demselben Halbleiterkörper
wie der Lasttransistor integrierten Strommesstransistors setzt voraus,
dass die Transistorzellen des Lasttransistors und die Transistorzellen
des Strommesstransistors identisch aufgebaut sind. Dabei ist zu
beachten, dass das Zellenfeld eines Leistungstransistors grundsätzlich zwei unterschiedliche
Arten von Transistorzellen aufweist: Transistorzellen am Rand des
Zellenfeldes, sogenannten Randzellen, und Transistorzellen im Inneren des
Zellenfeldes. Bei identischer Ansteuerung, d. h. bei identischen
Drain-Source-Spannungen und identischen Gate-Potentialen unterscheiden
sich Randzellen und Zellen im Inneren des Zellenfeldes bezüglich des
pro Zelle fließenden
Drain-Source-Stromes. So ist dieser Strom bei Zellen im Zelleninneren,
die ringsum von weiteren Transistorzellen umgeben sind, beispielsweise
wegen Stromeinschnürungseffekten
durch eng benachbarte Kanalgebiete, JFET-Effekte durch Body-Zonen benachbarter
Transistorzellen usw.
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geringer, als bei Zellen die am Rand
liegen und bei denen sich in wenigstens eine Richtung keine weitere
Transistorzelle anschließt.
Dort steht ein deutlich größerer Halbleiterbereich
der Driftstrecke für
den Stromfluss zur Verfügung,
woraus sich ein „Gießkanneneffekt" ergibt, aus dem
ein höherer Stromfluss
resultiert. 1a zeigt ganz rechts eine solche
Randzelle, die nach rechts einen wesentlich größeren Driftzonenbereich zur
Verfügung
hat, als zwei im Zellenfeldinneren benachbarte Zellen, die sich
einen schmaleren Driftzonenbereich zwischen zwei Body-Zonen 30 teilen,
wobei die benachbarten Body-Zonen 30 zusätzlich einen
Stromeinschnüreffekt
bewirken können.
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Da die Anzahl der für den Strommesstransistor
verwendeten Transistorzellen üblicherweise
wesentlich geringer ist, als die Anzahl der Transistorzellen des
Lasttransistors und da die Strommesstransistoren aus Anschlussgründen bzw.
wegen der Realisierbarkeit der separaten Source-Elektrode häufig am
Rand liegen, wirken sich bei den Strommesstransistoren solche Randzelleneffekte
im Verhältnis
zu dem Lasttransistor überproportional
aus, so dass der den Strommesstransistor durchfließende Strom
tatsächlich
nicht proportional zu dem Strom durch den Lasttransistor ist, auch
wenn der Lasttransistor und der Strommesstransistor im selben Arbeitspunkt
betrieben werden.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist
es, eine Schaltungsanordnung mit einem Lasttransistor und einer
Strommessanordnung zur Ermittlung des Laststromes durch den Lasttransistor
sowie ein Verfahren zur Ermittlung eines Laststromes durch einen
Lasttransistor zur Verfügung
zu stellen, wobei ein exakter Strommesswert für den Strom durch den Lasttransistor
ermittelt wird.
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Dieses Ziel wird durch eine Schaltungsanordnung
gemäß den Merkmalen
des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren gemäß der Merkmale des Anspruchs
11 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst
einen Lasttransistor mit einem ersten und einem zweiten Laststreckenanschluss
und einem Steueranschluss und eine Strommessanordnung zur Ermittlung
eines Laststromes durch den Lasttransistor. Die Strommessanordnung
umfasst einen ersten Stromsensor mit einem ersten Strommesstransistor,
der einen ersten und zweiten Laststreckenanschluss und einen Steueranschluss
aufweist, wobei der erste Laststreckenanschluss an den ersten Laststreckenanschluss
des Lasttransistors und der Steueranschluss and den Steueranschluss
des Lasttransistors angeschlossen ist und wobei der erste Stromsensor
ein erstes Strommesssignal bereitstellt. Die Strommessanordnung
umfasst weiterhin einen zweiten Stromsensor mit einem zweiten Strommesstransistor,
der einen ersten und einen zweiten Laststreckenanschluss und einen
Steueranschluss aufweist, wobei der erste Laststreckenanschluss
an den ersten Laststreckenanschluss des Lasttransistors und der
Steueranschluss an den Steueranschluss des Lasttransistors angeschlossen
ist und wobei der zweite Stromsensor ein zweites Strommesssignal bereitstellt.
Das erste und zweite Strommesssignal sind einer Auswerteschaltung
zur Bereitstellung eines von einem Laststrom des Lasttransistorsabhängigen Strommesssignals
zugeführt.
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Vorzugsweise sind der Lasttransistor
und die Strommesstransistoren in einem Halbleiterkörper integriert,
der eine Vielzahl gleichartig aufgebauter Transistorzellen aufweist,
wobei der Lasttransistor durch eine Anzahl parallel geschalteter
Transistorzellen und die Strommesstransistoren jeweils durch wenigstens
eine Transistorzelle gebildet sind. Vorteilhafterweise umfasst einer
der beiden Strommesstransistoren eine größere Anzahl an parallel geschalteten Transistorzellen
als der andere Strommesstransistor, wobei der Unterschied in der
Anzahl der Transistorzellen des ersten und zweiten Strommesstransistors
vorzugsweise Faktor 2 oder mehr beträgt.
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Zur Bereitstellung des ersten und
zweiten Strommesssignals umfassen die Stromsensoren beispielsweise
jeweils eine Regelschaltung, die während des Betriebs ein Potential
an dem zweiten Laststreckenanschluss des jeweiligen Strommesstransistors
auf einen Wert einstellt, der dem Potential an dem zweiten Laststreckenanschluss
des Lasttransistors entspricht um dadurch sicherzustellen, dass
der Lasttransistor und die beiden Strommesstransistoren im selben
Arbeitspunkt betrieben werden. Zur Erfassung eines die Strommesstransistoren
durchfließenden
Stromes ist beispielsweise jeweils eine Strommessanordnung in Reihe
zu den Strommesstransistoren geschaltet, die das erste bzw. zweite
Strommesssignal bereitstellt. Im einfachsten Fall umfasst diese
Strommessanordnung einen Strommesswiderstand, wobei ein Spannungsabfall über diesen Strommesswiderstand
das erste bzw. zweite Strommesssignal bildet.
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Vorzugsweise berücksichtigt die Auswerteschaltung
neben dem ersten und zweiten Strommesssignal auch Informationen über die
Lage der Transistorzellen der Strommesstransistoren in dem Zellenfeld
bei der Ermittlung des Strommesssignals. Auf diese Weise können beispielsweise
die eingangs erläuterten
Randzelleneffekte bei der Ermittlung des Strommesssignals für den Laststrom
des Lasttransistors aus dem ersten und zweiten Strommesssignal der
Strommesstransistoren berücksichtigt
werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Ermittlung eines von einem Laststrom durch einen Lasttransistor,
der einen und einen zweiten Laststreckenanschluss aufweist, abhängigen Signals
ist vorgesehen, ein erstes und ein zweites Strommesssig- nal bereit
zu stellen und das von dem Laststrom abhängige Strommesssignal anhand
des ersten und zweiten Strommesssignals zu ermitteln. Das erste und
zweite Strommesssignal werden dabei jeweils mittels eines Stromsensors
ermittelt, wobei jeder der Stromsensoren einen Strommesstransistor
mit einem ersten und einem zweiten Laststreckenanschluss sowie einem
Steueranschluss aufweist, wobei die Steueranschlüsse der Strommesstransistoren an
den Steueranschluss des Lasttransistors und die ersten Laststreckenanschlüsse der
Strommesstransistoren an den Steueranschluss des Lasttransistors angeschlossen
ist.
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Zur Bereitstellung des Strommesssignals
ist beispielsweise vorgesehen, die Strommesstransistoren im selben
Arbeitspunkt wie den Lasttransistor zu betreiben und einen die Strommesstransistoren
dann durchfließenden
Messstrom zu ermitteln.
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Die vorliegenden Erfindung wird nachfolgend in
Ausführungsbeispielen
anhand von Figuren näher erläutert. In
den Figuren zeigt
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1 ein
Halbleiterbauelement nach dem Stand der Technik mit einem zellenartig
aufgebauten Lasttransistor und einem zellenartig aufgebauten Strommesstransistor
in Seitenansicht im Querschnitt (1a)
im Querschnitt durch eine Schnittebene A-A in 1a (1b) und dessen elektrisches Ersatzschaltbild
(1c),
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2 ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
mit einem Lasttransistor und einem ersten und zweiten Stromsensor
sowie einer Auswerteschaltung,
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3 Halbleiterbauelement
mit einer Vielzahl gleichartig aufgebauter Transistorzellen, durch die
ein Lasttransistor und zwei Strommesstransistoren gebildet sind,
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4 beispielhafte
schematische Darstellung einer Anzahl von Transistorzellen und deren
Unterteilung in drei Gruppen zur Bildung eines Lasttransistors und
zweier Strommesstransistoren.
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In den Figuren bezeichnen, sofern
nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile, Bauelemente
und Strukturbereiche mit gleicher Bedeutung.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
mit einem Lasttransistor T1 sowie einem ersten und zweiten Stromsensor 20, 30,
die jeweils einen Strommesstransistor T2, T3 aufweisen, und einer
Auswerteschaltung 10. Der Lasttransistor T1 und die Strommesstransistoren
T2, T3 sind vom selben Typ und in 2 beispielhaft
als n-leitende MOSFET dargestellt. Selbstverständlich können der Lasttransistor T2
und die Strommesstransistoren T2, T3 als beliebige andere Transistorbauelemente,
insbesondere als IGBT ausgebildet sein.
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Ein erster Laststreckenanschluss
des Lasttransistors T1 ist in dem Ausführungsbeispiel durch dessen
Drain-Anschluss D1 und ein zweiter Laststreckenanschluss dieses
Transistors T1 ist durch dessen Source-Anschluss S1 gebildet. Der
Gate-Anschluss G1
bildet den Steueranschluss des Lasttransistors T1. Zur Veranschaulichung
der Funktionsweise ist der Lasttransistor T1 in dem Ausführungsbeispiel
in Reihe zu einer Last geschaltet-wobei diese Reihenschaltung an
einer zwischen Versorgungspotential Vdd und Bezugspotential GND
anliegenden Spannung liegt. Die Strommesstransistoren T2, T3 weisen
ebenfalls jeweils einen ersten Laststreckenanschluss auf, der durch
deren Drain-Anschlüsse D2,
D3 gebildet ist. Steueranschlüsse
dieser Strommesstransistoren T2, T3 sind durch deren Gate-Anschlüsse G2,
G3 und zweite Laststreckenanschlüsse sind
durch deren Source-Anschlüsse
S2, S3 gebildet. Die Drain-Anschlüsse D2, D3 der Strommesstransistoren
T2, T3 der Stromsensoren 20, 30 sind an den Drain-Anschluss
D1 des Lasttransistors T1 angeschlossen und die Gate-Anschlüsse G2,
G3 der Strommesstransistoren T2, T3 sind an den Gate-Anschluss G1
des Lasttransistors T1 angeschlossen.
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Zur Strommessung werden der erste
und zweite Strommesstransistor T2, T3 der Stromsensoren 20, 30 im
selben Arbeitspunkt wie der Lasttransistor T1 betrieben. Hierfür umfassen
die Stromsensoren 20, 30 jeweils eine Regelschaltung
mit einem Operationsverstärker
V2, V3 und einem Hilfstransistor TH2, TH3. Die Hilfstransistoren
TH2, TH3 sind in dem Ausführungsbeispiel
ebenfalls als n-leitende MOSFET ausgebildet, deren Drain-Source-Strecken in
Reihe zur Drain-Source-Strecke des zugehörigen Strommesstransistors
T2 bzw. T3 geschaltet sind. Die Operationsverstärker v2, V3 sind jeweils zwischen
den Source-Anschluss S1 des Lasttransistors T1 und den Source-Anschluss S2 bzw.
S3 des zugehörigen
Strommesstransistors T:? bzw. T3 geschaltet, wobei jeder Operationsverstärker V2,
V3 einen der Hilfstransistoren TH2 bzw. TH3 ansteuert. Die Operationsverstärker V2,
V3 vergleichen die Potentiale an dem Source-Anschluss S1 des Lasttransistors T1
mit dem Source-Anschluss
S2 bzw. S3 des jeweiligen Strommesstransistors T2, T3 und stellen
den Hilfstransistor TH2, TH3 jeweils so ein, das diese Potentiale
an den Source-Anschlüssen
S1, S2, S3 übereinstimmen.
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Durch den Lasttransistor T1 fließt bei angeschlossener
Last ein Laststrom I1-, während
der erste Strommesstransistor T2 von einem ersten Messstrom I2 und
der zweite Strommesstransistor T3 von einem zweiten Messstrom I3
durchflossen werden. Zur Erfassung dieser Messströme I2, I3
sind zu den Hilfstransistoren TH2, TH3 jeweils Strommesswiderstände R2 bzw.
R3 in Reihe geschaltet, wobei diese Strommesswiderstände R2,
R3 vorzugsweise den selben Widerstandswert aufweisen. Eine Spannung U2 über dem
Widerstand R1 des ersten Stromsensors 20 ist der Auswerteschaltung 10 als
erstes Strommesssignal S2 zugeführt.
Entsprechend ist der Auswerteschaltung 10 eine Spannung
U3 über
dem Widerstand R3 des zweiten Stromsensors 30 als zweites
Strommesssignal 53 zugeführt.
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Die Strommessanordnung 10 wertet
das erste und zweite Strommesssignal S2, S3 aus, um ein von dem
Laststrom I1 abhängiges
Strommesssignal S1 bereitzustellen, wobei die Auswerteeinheit 10 dabei
das Verhältnis
zwischen der Transistorfläche
des ersten Strommesstransistors T2 zu dem Lasttransistor T1 und
des zweiten Strommesstransistors T3 zu dem Lasttransistor T1 berücksichtigt,
da die Messströme
I2, I3 über
dieses Verhältnis
jeweils annäherungsweise
zu dem Laststrom in Beziehung stehen, wenn der Lasttransistor T1
und die Messtransistoren T2, T3 im selben Arbeitspunkt betrieben
werden.
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Der Lasttransistor T1 und der erste
und zweite Strommesstransistor T2, T3 sind vorzugsweise in einem
Halbleiterkörper
bzw. Chip integriert, was beispielhaft in 3 dargestellt
ist. 3a zeigt in Seitenansicht im
Querschnitt ein Halbleiterbauelement mit einer Vielzahl gleichartig
aufgebauter Transistorzellen, wobei durch jede Transistorzelle ein
nleitender MOSFET gebildet ist. Das Halbleiterbauelement umfasst
einen Halbleiterkörper 100 mit
einer Driftzone 21 eines ersten Leitungstyps, wobei in
dieser Driftzone 21 eine Vielzahl von Kanalzonen bzw. Body-Zonen 30 eines
zweiten Leitungstyps im Bereich einer Vorderseite 101 des
Halbleiterkörpers 100 ausgebildet
ist. In diesen Kanalzonen bzw. Body-Zonen 30 sind jeweils Source-Zonen 40 des
ersten Leitungstyps ausgebildet. Im Bereich der Rückseite
des Halbleiterkörpers 100 schließt sich
an die Driftzone 21 eine Drain-Zone 22 des ersten
Leitungstyps an, die durch eine Drain-Elektrode D kontaktiert ist.
Zur Ausbildung eines leitenden Kanals zwischen den Source-Zonen 40 und
der Driftzone 21, wobei letztere abschnittsweise bis an
die Vorderseite 101 reicht, dient eine Gate-Elektrode 70,
die isoliert gegenüber dem
Halbleiterkörper 100 oberhalb
der Vorderseite 101 in einer Isolationsschicht 60 angeordnet
ist und an einen Gate-Anschluss G angeschlossen ist.
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3b zeigt
einen Querschnitt durch das Bauelement in der in 2a eingezeichneten
Schnittebene A-A. In diesem Ausführungsbeispiel
sind die Body-Zonen 30 in etwa quadratisch und die Source-Zonen 40 sind
in Draufsicht ebenfalls quadratisch und weisen in der Mitte eine
quadratische Aussparung auf. Die Isolationsschicht 60 weist
in dem Ausführungsbeispiel
quadratische Kontaktlöcher 61 auf, die
in 3b gestrichelt dargestellt sind
und in welchen Source-Elektroden 51 bzw. 52 bzw. 53 Source-Zonen 40 und
Body-Zonen 30 kontaktieren. Die Gate-Elektrode G ist allen
Transistorzellen gemeinsam und gitterartig aufgebaut, wobei Aussparungen 72 der
Gate-Elektrode 70 im Bereich der Kontaktlöcher 61 der
Isolationsschicht 60 in 3b strichpunktiert
eingezeichnet sind.
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Die in 3b in
Draufsicht dargestellte Zellenstruktur umfasst eine Vielzahl sich
wiederholender Strukturbereiche, wobei ein solcher sich wiederholender
Strukturbereich in 3b punktiert eingezeichnet
und mit Z bezeichnet ist. Dieser Strukturbereich bildet eine Transistorzelle
in dem Halbleiterkörper 100.
Zur Unterteilung des Zellenfeldes in einen Lasttransistor und zwei
Strommesstransistoren sind drei Source-Elektroden S1, S2, S3 vorhanden,
wobei diese Source-Elektroden
gegeneinander isoliert sind und jeweils eine Anzahl Transistorzellen
kontaktieren. Die Gate-Elektrode 70 und Drift- bzw. Drain-Zone 21, 22 sind
allen Zellen gemeinsam.
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4 zeigt
schematisch das Zellenfeld in dem Halbleiterkörper 100 in Draufsicht,
wobei jede Zelle Z schematisch als Dreieck dargestellt ist. 4 zeigt beispielhaft eine
Unterteilung dieses Zellenfeldes in den Lasttransistor T1 sowie
den ersten Strommesstransistor T2 und den zweiten Strommesstransistor
T3, wobei die Strommesstransistoren T2, T3 jeweils durch Zellen
im Randbereich des Zellenfeldes gebildet sind und sich in der Anzahl
der verwendeten Transistorzellen unterscheiden. Das Bezugszeichen RZ
bezeichnet in 4 beispielhaft
eine Randzelle, also eine Zelle, die nicht voll ständig von
weiteren Transistorzellen umgeben ist. Das Bezugszeichen IZ bezeichnet
demgegenüber
eine Zelle im Inneren des Zellenfeldes, die vollständig von
weiteren Transistorzellen umgeben ist.
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Unter der Annahme, das jede der Transistorzellen,
sofern alle Transistorzellen im selben Arbeitspunkt betrieben werden,
den selben Anteil an dem Gesamtstrom liefert und N1 die Anzahl der
Transistorzellen des Lasttransistors T1, N2 die Anzahl der Transistorzellen
des ersten Strommesstransistors T2 und N3 die Anzahl der Transistorzellen
des zweiten Strommesstransistors T1, würde für den Laststrom I1 gelten: I1=N1/N2·I2=N1/N3·I3. (1)
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Allerdings liefern die Randzellen
RZ einen von den Zellen IZ im Inneren des Zellenfeldes abweichenden
Strom, der mit einem Fehler g gegenüber den Zellen im Inneren des
Zellenfeldes behaftet ist und der erfahrungsgemäß bis zu 30% betragen kann, so
dass für
den ersten Messstrom I2 gilt: I2=(g·r2/N1+i2/N1)·I1, (2) wobei r2
die Anzahl der Randzellen RZ des ersten Strommesstransistors T2
und i2 die Anzahl der Zellen IZ im Inneren des Zellenfeldes des
zweiten Strommesstransistors T2 ist. Entsprechend gilt für den Messstrom
I3: I3=(g·r3/N1+i3/N1)·I1, (3) wobei r3
die Anzahl der Randzellen RZ des zweiten Strommesstransistor T3
und i3 die Anzahl der Zellen IZ im Inneren des Zellenfeldes des
Strommesstransistors T3 ist.
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Aus den obigen beiden Gleichungen
mit dem Laststrom I1 und dem Fehler g, der durch die Randzellen
RZ verursacht wird, als Unbekannten lässt sich anhand einfacher mathematischer
Umformungen der Laststrom I1 wie folgt ermitteln: I1=1/N1·(r3·I2–r2·I3)/(i2-r3-i3·r2) (4)
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Die Auswerteschaltung 10 ist
somit vorzugsweise dazu ausgebildet, das erste Strommesssignal S1
anhand folgender Beziehung aus dem ersten und zweiten Strommesssignal
S2, S3 zu ermitteln: S1=1/N1·(r3·S2–r2·S3)/(i2·r3-i3·r2) (5)
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sDer Laststrom I1 ergibt sich aus
diesem Strommesssignal S1 durch Division mit dem Widerstandswert
der Strommesswiderstände
R1, R2, die vorzugsweise identisch sind.
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Durch Verwendung von zwei Strommesssensoren 20, 30 mit
jeweils einem Strommesswiderstand T2, T3 und in Kenntnis der Anzahl
der äm
Rand des Zellenfeldes liegenden Transistorzellen und der Anzahl
der im Inneren des Zellenfeldes liegenden Transistorzellen der Strommesstransistoren
T2, T3 lässt
sich mittels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
in der oben erläuterten
Weise ein Strommesssignal S1 für
den Laststrom ermitteln, aus dem Randzelleneffekte eliminiert sind.
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Das erfindungsgemäße Strommessprinzip ist auf
beliebige vorzugsweise zellenartig aufgebaute Transistoren, insbesondere
Niedervolttransistoren oder Hochvolttransistoren, Transistoren mit
planarer Gate-Elektrode oder in einem Graben angeordneter Gate-Elektrode,
Transistoren mit konventioneller Driftstrecke oder Driftstrecken
mit Kompensationszonen oder auch auf IGBTs anwendbar.
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Bei den obigen Gleichungen zur Ermittlung des
Laststrome I1 aus den Messströmen
I2, I3 wurde davon ausgegangen, dass sich Randzelleneffekte im wesentlichen
auf die Messströme
I2, I3 auswirken, da die Anzahl der Transistorzellen der Strommess transistoren
T2, T3 in der Regel wesentlich kleiner als die Anzahl der Transistorzellen
des Lasttransistors ist und die Strommesstransistoren üblicherweise
am Rand des Zellenfeldes angeordnet sind, so dass Randzellen in
den Strommesstransistoren im Verhältnis zum Lasttransistor überproportional
vertreten sind. Selbstverständlich
kann bei der Ermittlung des Laststromes aus den beiden Messströmen in der Auswerteschaltung 30 zusätzlich berücksichtigt
werden, wie viele Zellen im Inneren des Zellenfeldes und wie viele
Randzellen der Lasttransistor aufweist, um ein noch exakteres Messergebnis
zu erhalten.
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- 10
- Auswerteeinheit
- 100
- Halbleiterkörper
- 101
- Vorderseite
des Halbleiterkörpers
- 102
- Rückseite
des Halbleiterkörpers
- 20,30
- Stromsensoren
- 21
- Driftzone
- 22
- Drain-Zone
- 30
- Body-Zone
- 40
- Source-Zone
- 51,52,53
- Source-Elektrode
- 60
- Isolationsschicht
- 61
- Kontaktloch
- 70
- Gate-Elektrode
- 71
- Aussparung
der Gate-Elektrode
- D
- Drain-Elektrode
- G
- Gate-Elektrode
- GND
- Bezugspotential
- I1
- Laststrom
- I2,I3
- Messströme
- IZ
- Zelle
im Inneren des Zellenfeldes
- R
- Rand
des Zellenfeldes
- RZ
- Randzelle
- S1,S2,S3
- Source-Elektroden
- S2,S3
- Strommesssignale
- T1
- Lasttransistor
-
-
- T2,T3
- Strommesstransistoren,
- U1,U2
- Spannungen
- V1,V2
- Operationsverstärker
- Vdd
- Versorgungspotential
- Z
- Transistorzelle