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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Ziel
oder Problemstellung 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
und die entsprechende Verwendung eines Halbleiterbauelements anzugeben,
wobei ein exakter Strommesswert für den Strom durch den Lasttransistor
ermittelt wird.
Dieses
Ziel wird erfindungsgemäß durch eine
Schaltungsanordnung gemäß den Merkmalen des
Anspruchs 1 und durch ein Verfahren gemäß der Merkmale des Anspruchs
10 sowie durch die Verwendung nach Anspruch 15 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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 Lasttransistors
abhängigen
Strommesssignals zugeführt.
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.
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.
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.
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 Strommesssignal 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.
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.
Die
vorliegenden Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von
Figuren näher erläutert. In
den Figuren zeigt
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),
2 ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
mit einem Lasttransistor und einem ersten und zweiten Stromsensor
sowie einer Auswerteschaltung,
3 Halbleiterbauelement mit einer Vielzahl
gleichartig aufgebauter Transistorzellen, durch die ein Lasttransistor
und zwei Strommesstransistoren gebildet sind,
4 beispielhafte
schematische Darstellung einer Anzahl von Transistorzellen und deren
Unterteilung in drei Gruppen zur Bildung eines Lasttransistors und
zweier Strommesstransistoren.
In
den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen
gleiche Teile, Bauelemente und Strukturbereiche mit gleicher Bedeutung.
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.
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.
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 T2 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.
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 S3 zugeführt.
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.
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 n-leitender
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.
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.
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.
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.
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)
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.
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)
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)
Der
Laststrom I1 ergibt sich aus diesem Strommesssignal S1 durch Division
mit dem Widerstandswert der Strommesswiderstände R1, R2, die vorzugsweise
identisch sind.
Durch
Verwendung von zwei Strommesssensoren 20, 30 mit
jeweils einem Strommesswiderstand T2, T3 und in Kenntnis der Anzahl
der am 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.
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.
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.