DE10243570B3 - Diodenschaltungsanordnung, z.B. für Netzteile - Google Patents

Abstract

Zum Schutz einer Diode (Z), einer Diodenschaltungsanordnung (10), welche zwischen einem Strompfadeingang (IE) und einem Strompfadausgang (IA) angeschlossen ist, wird vorgeschlagen, parallel zur Diode (Z) eine Feldeffekttransitoreinrichtung (T) zu schalten, durch welchen im Überstrombetrieb der Diodenschaltungsanordnung (10) die eigentliche Diode (Z) entlastet wird, indem durch die Feldeffekttransistoreinrichtung (T) eine geeignete Diodenfunktion bereitstellbar ist. Dadurch kann die Diode (Z) vor thermischer Überlastung geschützt werden.

Description

• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Diodenschaltungsanordnung zu schaffen, bei welcher die vorgesehene Diodeneinrichtung auf besonders einfache Art und Weise und gleichwohl zuverlässig gegen eine thermische Überlastung geschützt werden kann.
• Gelöst wird die Aufgabe bei einer Diodenschaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Diodenschaltungsanordnung sind jeweils Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.
• Die erfindungsgemäße Diodenschaltungsanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Feldeffekttransistoreinrichtung zur Diodeneinrichtung parallel geschaltet ist, dass der Drainanschluss der Feldeffekttransistoreinrichtung mit dem Diodeneingangsanschluss verbunden ist, dass der Sourceanschluss und der Gateanschluss der Feldeffekttransistoreinrichtung miteinander kurzgeschlossen und mit dem Diodenausgangsanschluss verbunden sind und dass die Feldeffekttransistoreinrichtung als invers sperrfähige Feldeffekttransistoreinrichtung ausgebildet ist. Dadurch wird erreicht, dass im Normalbetrieb der Diodenschaltungsanordnung und insbesondere der Diodeneinrichtung der Betrieb und die Funktion der Diodeneinrichtung von der Feldeffekttransistoreinrichtung unbeeinflusst sind, dass aber im Überstrombetrieb der Diodenschaltungsanordnung und insbesondere der Diodeneinrichtung durch die Feldeffekttransistoreinrichtung eine geeignete Diodenfunktion bereitstellbar ist, so dass dadurch die Diodeneinrichtung vor thermischer Überlastung schützbar ist.
• Es ist somit eine Kernidee der vorliegenden Erfindung, durch Parallelschalten einer Feldeffekttransistoreinrichtung zur vorgesehenen Diodeneinrichtung die Diodeneinrichtung dadurch zu entlasten, dass im Überstrombetrieb die Diodenfunktion von der Diodeneinrichtung auf die Feldeffekttransistoreinrichtung übergeht und von dieser übernommen wird.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Diodenschaltungsanordnung wird die Diodeneinrichtung von einer Diode gebildet, wobei der Diodeneingangsanschluss der Diode durch den Anodenbereich der Diode und der Diodenausgangsanschluss der Diode vom Kathodenbereich der Diode gebildet wird.
• Vorzugsweise ist die Diode als Schottky-Diode, als unipolare Diode oder als Diode mit geringer Überstromfestigkeit ausgebildet.
• Die Feldeffekttransistoreinrichtung kann als PMOS- oder als NMOS-Transistor ausgebildet sein.
• Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die Feldeffekttransistoreinrichtung derart angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass der Basis-, Substrat- oder Bodyanschluss der Feldeffekttransistoreinrichtung offen oder floatend ausgebildet ist. Zusätzlich oder alternativ ist es vorgesehen, dass die Feldeffekttransistoreinrichtung virtuell keine Bodydiode aufweist oder eine Bodydiode, deren Durchlassspannung im Vergleich zu der der Diodeneinrichtung oder Diode höher oder hoch ausgebildet ist.
• In Bezug auf die Verwendbarkeit von PMOS- und NMOS-Transistoren ist anzumerken, dass die Sperrfähigkeit eines P-Kanal-Transistors bei offener Basis aufgrund der niedrigen Ionisationskoeffizienten für positive Ladungsträger nur wenig reduziert ist, wogegen bei NMOS-Transistoren sich eine Einschrän kung des Betriebs aufgrund der reduzierten Sperrfähigkeit bei offener Basis ergibt.
• Bevorzugt ist die Feldeffekttransistoreinrichtung als Kompensationsbauelement oder als Super-Junction-Bauelement angeordnet und/oder aufgebaut.
• Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Einsatzspannung der durch die Feldeffekttransistoreinrichtung bereitstellbaren Diodenfunktion über die Dotierung und/oder über die Dotierungskonzentration des Bodygebiets der Feldeffekttransistoreinrichtung definiert ist. Dadurch lassen sich beliebige Diodencharakteristika bereits vor dem Betrieb modellieren.
• Bevorzugt ist, dass die Feldeffeekttransistoreinrichtung eine Gate-Source-Einsatzspannung oder Gate-Source-Schwellenspannung aufweist, welche an die Durchlassspannung der Diode angepasst ausgebildet ist.
• Vorteilhafterweise sind die Diodeneinrichtung und/oder die Feldeffekttransistoreinrichtung als integrierte Bauelemente in einem Halbleitersubstrat ausgebildet, vorzugsweise in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat. Dadurch ergibt sich eine besonders Platz sparende Anordnung der zueinander parallel zu schaltenden Bauelemente.
• Diese und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich auch anhand der nachstehenden Bemerkungen: Aufgrund des positiven Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstandes besitzen insbesondere unipolare Schottky-Dioden eine eingeschränkte Überstromtragfähigkeit. Mit zunehmender Strombelastung erhöht sich der Spannungsabfall so stark, dass ab einer charakteristischen Stromdichte eine thermische Rückkopplung einsetzt. Das Bauelement wird dann aufgrund der begrenzten, abführbaren Verlustwärme thermisch weglaufen und zerstört.
• Im Allgemeinen treten in der Applikation diese Betriebsfälle eher selten auf, wie z.B. beim Einschalten oder Unterbrechen der Versorgungsspannung. Sie müssen jedoch im Design der Applikation berücksichtigt werden und limitieren daher den maximalen Nutzungsgrad einer unipolaren Diode. Dieses ist insbesondere dann von Nachteil, wenn es sich bei der eingesetzten Diode um ein teures Produkt, wie z.B. einer Diode aus Siliziumkarbid handelt.
• Von Seiten der Applikation können Überströme beim Einschalten durch eine einfache Mitbenutzung der Schutzdiode der Eingangsdrossel vermieden werden. Gegen Überströme, die statistisch durch Fehlverhalten oder Fehlfunktionen ausgelöst werden können, hilft jedoch nur ein spezielles Design des Ansteuerbausteines mit einem sogenannten „soft Start" oder eine Verringerung des Kurzschlussstromes.
• Bei der Integration einer größeren Überstromtragfähigkeit in die Diode, die beispielsweise bei einer so genannten Merged-Struktur angewandt wird, ist zusätzlich Chipfläche notwendig, die insbesondere bei aufwändigen Technologien, wie z.B. Dioden aus Siliziumkarbid, nicht rentabel erscheint.
• Die Erfindung schlägt daher ein neuartiges Schaltungskonzept mit Parallelschaltung eines MOS-Transistors parallel zur Diode vor, der aufgrund seiner höheren Einsatzspannung im Normalbetrieb die Schalteigenschaften der Diode nicht beeinflusst, aber im Überstromfall und mit höherem Spannungsabfall die Diodenfunktion übernimmt.
• Da der MOS-Transistor jedoch in Inversrichtung im Sperrbetrieb arbeiten muss, darf seine Bodyschicht nicht angeschlossen sein, d.h. sie muss floaten. Damit reduziert sich aufgrund der offenen Basis die Sperrfähigkeit des Transistors, so dass N-Kanal-Transistoren zwar grundsätzlich möglich, aber nur eingeschränkt verwendet werden können.
• Sinnvollerweise werden daher P-Kanal-Transistoren vorgeschlagen, bei denen die Sperrfähigkeit trotz der Transistorverstärkung mit offener Basis aufgrund des niedrigeren Ionisationskoeffizienten für positive Ladungsträger nur wenig reduziert ist. Um gleichzeitig die Diodenfunktion sicher zu stellen, werden Gate- und Sourceelektrode ohne zusätzliche Spannungsquelle verbunden.
• Die Einsatzspannung der so gebildeten „Schutzdiode" kann effektiv und leicht durch die Bodydosis eingestellt werden. Durch die variabel einstellbare Schwellenspannung eignet sich der Transistor ebenfalls als einzelne Diode. Somit kann jede beliebige, auch eine sehr niedrige Diodenschwelle eingestellt werden.
• Neben herkömmlichen Transistorstrukturen mi nahezu gleichförmigem Aufbau des Driftgebietes eignen sich ebenfalls Kompensationsstrukturen, wie sie von so genannten Super-Junction-Bauelementen bekannt sind.
• Eine erfinderische Idee liegt also in der Entwicklung eines Schaltungskonzeptes durch Kombination eines rückwärts sperrfähigen P-Kanal-Transistors mit hoher Durchlassspannung und einer schnellen Diode, um die Überstromtragfähigkeit der schnellen Diode zu erhöhen. Durch die Verbindung von Source- und Drainkontakt des Transistors verhält sich die Struktur an ihren äußeren Klemmen wie eine Diode. Es können N- oder P- Kanaltransistoren verwendet werden, wobei ein P-Kanal-Transistor bei gleicher Dimensionierung die größere Sperrfähigkeit besitzt und damit vorteilhafter ist.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung auf der Grundlage bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
• 1 zeigt ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Diodenschaltungsanordnung.
• 2 zeigt eine herkömmliche Diodenschaltungsanordnung.
• 3, 4 zeigen Feldeffekttransistoreinrichtungen, welche im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
• 5 zeigt eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Diodenschaltungsanordnung.
• 6 zeigt eine andere Ausführungsform einer herkömmlichen Diodenschaltungsanordnung.
• Nachfolgend werden gleiche oder gleich wirkende Elemente in Bezug auf alle Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, und es wird nicht in jedem Fall ihres Auftretens eine detaillierte Beschreibung gegeben.
• 1 zeigt in Form eines schematischen Schaltbildes eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Diodenschaltungsanordnung 10. Zwischen einem Strompfadeingang IE und einem Strompfadausgang IA, zwischen welchen ein elektrischer Strom I aufgrund einer elektrischen Potenzialdifferenz ΔU fließt, ist eine einzelne Diode Z angeordnet, wobei der Diodeneingangsanschluss ZE oder die Anode A der Diode Z mit dem Strompfadeingang IE und der Diodenausgangsanschluss ZA oder die Kathode K der Diode Z mit dem Strompfadausgang IA verbunden sind. Zur Diode Z ist eine Feldeffekttransistoreinrichtung T derart parallel geschaltet, dass der Drainanschluss D mit dem Diodeneungangsanschluss ZE oder der Anode A der Diode Z verbunden ist. Der Sourceanschluss S und der Gateanschluss G der Feldeffekttransistoreinrichtung T sind kurzgeschlossen und mit dem Diodenausgangsanschluss ZA oder der Kathode K der Diode Z verbunden.
• Wesentlich ist hier, dass die Feldeffekttransistoreinrichtung T virtuell keine Bodydiode aufweist oder eine Bodydiode, deren Durchlassspannung im Vergleich zu der der Diodeneinrichtung oder Diode Z höher oder hoch ausgebildet ist.
• Im Gegensatz zu der in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Diodenschaltungsanordnung 10 fehlt bei der herkömmlichen Diodenschaltungsanordnung 100 der 2 eine parallel geschaltete Feldeffekttransistoreinrichtung, so dass im Überstromfall bei der in 2 gezeigten konventionellen Anordnung 100 die gesamte thermische Last an der Diode Z anfällt.
• Die 3 und 4 zeigen in geschnittener Seitenansicht einen in einem Halbleitersubstrat 20 ausgebildeten P-Kanal-Transistor T beziehungsweise einen in einem Halbleitersubstrat 20 ausgebildeten N-Kanal-Transistor, diese können bei der erfindungsgemäßen Diodenschaltungsanordnung 10 verwendet werden.
• Bei dem in 3 gezeigten P-Kanal-Transistor ist ein P⁺dotiertes Draingebiet unterhalb eines P^-dotierten Bodygebiets B als Driftzone eingebracht. Es schließen sich ein Wannenbereich in N-dotierter Form sowie der Sourcebereich S in P⁺-dotierter Form an. Oberhalb des Gatebereichs G ist ein Gateoxidbereich GOX vorgesehen. Die Gate- und Sourceanschlüsse sind kurzgeschlossen.
• Der Aufbau des in 4 gezeigten N-Kanal-Transistors ist in Bezug auf die Dotierungen invertiert, aber ansonsten ähnlich strukturiert. An den N⁺-dotierten Drainbereich D schließt sich ein N^–-dotierter Bodybereich an, gefolgt von einem P-dotierten Wannenbereich und einem N⁺-dotierten Sourcebereich S. Auch hier sind der Sourceanschluss und der Gateanschluss kurzgeschlossen.
• Durch den Kurzschluss der jeweiligen Source- und Gate-anschlüsse wird im Überstromfall die Hilfsdiodenfunktion realisiert.
• Die 5 und 6 zeigen eine Anwendung der erfindungsgemäßen Diodenschaltungsanordnung 10 und der herkömmlichen Diodenanordnung 100 in einem typischen Fall, nämlich eines so genannten Leistungsfaktorwandlers oder -konverters.
• Die Diode Z ist hier jeweils als Boostdiode oder Hochsetzdiode zwischen einem Gleichrichter GL und einer Transformatoreinrichtung L2 vorgesehen. Beim Hochfahren, bei Lastkurzschlüssen oder auch bei Fehlerfällen der Anordnungen 10 und 100 aus den 5 bzw. 6 kann bei entladenem Zwischenkreiskondensator C zwischen dem Strompfadeingang IE und dem Strompfadausgang IA unter Umständen ein erheblicher Lade- oder Initialisierungsstrom fließen, was auch mit den Induktionsspitzen der Drossel L1 im Zusammenhang steht.
• Auch hier ist in beiden Fällen deutlich zu erkennen, dass die jeweilige Diode Z mit ihrem Diodeneingangsanschluss ZE oder ihrer Anode A mit dem Strompfadeingang IE und mit ihrem Dio denausgangsanschluss ZA oder ihrer Kathode K mit dem Strompfadausgang IA verbunden ist. Im Gegensatz zur erfindungsgemäßen Diodenschaltungsanordnung 10 der 5, bei welcher parallel zur Diode Z die Feldeffekttransistoreinrichtung T vorgesehen ist, fehlt ein derartiger Schutzmechanismus bei der herkömmlichen Ausführungsform der 6, so dass auch hier wieder die gesamte thermische Last an der Diode Z anfällt.

10

erfindungsgemäße Diodenschaltungsanordnung, PEC

20

Halbleitersubstrat

100

herkömmliche Diodenschaltungsanordnung, PFC

A

Anode in der Diode Z

B

Bodybereich, Basisbereich, Substratbereich

C

Zwischenkreiskondensator

D

Drainbereich, Drain

G

Gatebereich, Gate

GL

Gleichrichter

GOX

Gateoxid, Gateisolation

IA

Strompfadausgangsbereich, Strompfadausgang

IE

Strompfadeingangsbereich, Strompfadeingang

K

Kathode der Diode Z

L1

Drossel

L2

Transformator

Z

Diodeneinrichtung, Diode

ZA

Diodenausgangsanschluss

ZE

Diodeneingangsanschluss

Claims (10)

1. Diodenschaltungsanordnung ^` – mit einem Strompfadeingang (IE) und einem Strompfadausgang (IA) und – mit einer Diodeneinrichtung (Z), – wobei die Diodeneinrichtung (Z) mit ihrem Diodeneingangsanschluss (ZE) mit dem Strompfadeingang (IE) und mit ih rem Diodenausgangsanschluss (ZA) mit dem Strompfadausgang (IA) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, – dass eine Feldeffekttransistoreinrichtung (T) zur Diodeneinrichtung (Z) parallel geschaltet ist, – dass der Drainanschluss (D) der Feldeffekttransistoreinrichtung (T) mit dem Diodeneingangsanschluss (ZE) verbunden ist, – dass der Sourceanschluss (S) und der Gateanschluss (G) der Feldeffekttransistoreinrichtung (T) miteinander kurzgeschlossen und mit dem Diodenausgangsanschluss (ZA) verbunden sind und – dass die Feldeffekttransistoreinrichtung (T) als invers sperrfähige Feldeffekttransistoreinrichtung angeordnet und/oder ausgebildet ist, – so dass im Normalbetrieb der Diodenschaltungsanordnung (10) und der Diodeneinrichtung (Z) der Betrieb und die Funktion der Diodeneinrichtung (Z) von der Feldeffekttransistoreinrichtung (T) unbeeinflusst sind und – dass im Überstrombetrieb der Diodenschaltungsanordnung (10) und der Diodeneinrichtung (Z) durch die Feldeffekttransistoreinritung (T) eine geeignete Diodenfunktion bereitgestellt ist, – so dass dadurch die Diodeneinrichtung (Z) vor thermischer Überlastung geschtützt ist.
2. Diodenschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass die Diodeneinrichtung (Z) gebildet ist von einer Diode (Z), – dass der Diodeneingangsanschluss (ZE) gebildet ist, von dem Anodenbereich (A) der Diode (Z) und – dass der Diodeneingangsanschluss (ZA) gebildet ist von dem Kathodenbereich (K) der Diode (Z).
3. Diodenschaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode (Z) als Schottky-Diode, als unipolare Schottky-Diode oder als Diode mit geringer Überstromfestigkeit ausgebildet ist.
4. Diodenschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldeffekttransistoreinrichtung (T) als NMOS-Transistor ausgebildet ist.
5. Diodenschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dass die Feldeffekttransistoreinrichtung (T) als PMOS-Transistor ausgebildet ist.
6. Diodenschaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, – dass der Basis-, Substrat- oder Bodyanschluss (B) der Feldeffekttransistoreinrichtung (T) offen oder floatend ausgebildet ist und/oder – dass die Feldeffekttransistoreinrichtung (T) virtuell keine Bodydiode aufweist oder eine Bodydiode, deren Durchlassspannung im Vergleich zu der der Diodeneinrichtung oder Diode (Z) höher oder hoch ausgebildet ist.
7. Diodenschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldeffekttransistoreinrichtung (T) als Kompensationsbauelement oder als Super-Junction-Bauelement ausgebildet ist.
8. Diodenschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzspannung der Diodenfunktion der Feldeffekttransistoreinrichtung (T) über die Dotierung und/oder die Dotierungskonzentration des Bodybereichs (B) der Feldeffekttransistoreinrichtung (T) definiert ist.
9. Diodenschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldeffekttransistoreinrichtung (T) eine Gate-Source-Einsatzspannung (V_GS(th)) oder Gate-Source-Schwellenspannung aufweist, welche an die Durchlassspannung (V_F) der Diode (Z) angepasst ausgebildet ist.
10. Diodenschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diodeneinrichtung (Z) und/oder die Feldeffekttransistoreinrichtung (T) in einem Halbleitersubstrat (20) integriert ausgebildet sind, insbesondere in einem gemeinsamen Halbleitersubsstrat (20).