DE112016007127T5 - Integrierter schaltkreis für schnelle temperatur-wahrnehmung einer halbleiterschaltvorrichtung - Google Patents

Integrierter schaltkreis für schnelle temperatur-wahrnehmung einer halbleiterschaltvorrichtung Download PDF

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Abstract

Ein integrierter Schaltkreis (IC) zum Wahrnehmen eines Temperaturanstiegs in einer Leistungstransistorvorrichtung, wobei der Temperaturanstieg durch einen Stromfluss in der Leistungstransistorvorrichtung verursacht wird. Die Leistungstransistorvorrichtung und ein Sense-FET sind auf einem Substrat angeordnet. Der Sense-FET nimmt einen Bruchteil des Stromflusses wahr und gibt ein Stromsignal aus. Der Drain eines JFET ist mit dem Drain der Leistungstransistorvorrichtung verbunden. Das Gate des JFET ist mit der Source der Leistungstransistorvorrichtung verbunden, sodass, wenn die Leistungstransistorvorrichtung eingeschaltet ist, der JFET ebenfalls eingeschaltet ist, und ein Drainspannungssignal der Leistungstransistorvorrichtung an einem zweiten Knoten des JFET ausgegeben wird. Ein Detektionsschaltkreis empfängt das Drainspannungssignal und das Stromsignal und gibt ein Alarmsignal aus, wenn der Widerstand zwischen Drain und Source der Leistungstransistorvorrichtung einen kombinierten Schwellenwert überschreitet.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Patentanmeldung betrifft allgemein Schaltkreise zur Temperaturfeststellung in Halbleitervorrichtungen; insbesondere Schaltungen zum Wahrnehmen von Temperaturänderungen in einem integrierten Leistungs-MOSFET-Schaltkreis.
  • HINTERGRUND
  • Zum Schutz von Leistungs-Halbleiterschaltvorrichtungen ist es wichtig, Temperaturanstiege schnell direkt im Inneren des Schalters (Sperrschichttemperatur) festzustellen, und nicht auf Temperaturmessungen der Steuerung angewiesen zu sein. Beispielsweise kann, wenn der Leistungsschalter (MOSFET) und die Steuerung auf verschiedenen Halbleiter-Dies liegen, eine lange Wärmeübertragungs- und Wärmegleichgewichtverzögerung zwischen dem Leistungsschalter und der Steuerung vorliegen. Dies kann einen Totalausfall des Leistungs-MOSFET verursachen, bevor eine Reaktion vonseiten der Schutzschaltung der Steuerung erfolgt.
  • Frühere Ansätze zum Wahrnehmen der Temperatur umfassen das Wahrnehmen der Temperatur an einem Wärmeableiter, der an der Leistungsschaltvorrichtung angebracht ist. Ein anderes bekanntes Verfahren zum Wahrnehmen der Temperatur erfolgt über eine elektrisch isolierte Polysilicium-Diode, die in unmittelbarer Nähe der Sperrschicht des Leistungs-MOSFET angeordnet ist. Der Durchlassspannungsabfall der Sense-Diode weist einen negativen Temperaturkoeffizienten auf, sodass der Durchlassspannungsabfall umgekehrt proportional zur Sperrschichttemperatur des MOSFET ist. Ein weiterer früherer Ansatz stützt sich auf einen spannungsvariablen widerstand, der eine lineare Widerstandsänderung mit der Temperatur aufweist.
  • In einem Typ der Leistungs-MOSFET-Technologie ist das Halbleitersubstrat gewöhnlich auf das Drain-Potential bezogen. Dies ist die hauptsächliche Wärmeverbindung der Vorrichtung. Steuerungen, die mit dem MOSFET verwendet werden, sind gewöhnlich Low-Side-verbundene Steuerungen, und als solche haben sie ihre Bezugsspannung mit dem Source-Potential des MOSFET gemeinsam. Da das Source-Potential des MOSFET nicht die hauptsächliche Wärmeverbindung mit der Vorrichtung ist, ist es schwierig, durch gemeinsames Nutzen einer Source-Verbindung eine gute Wärmekopplung mit der Vorrichtung zu erhalten. Bei einem vorherigen Ansatz wird in einem Beispiel einer Halbbrückenschaltkonfiguration die Wärmeverbindung über den High-Side-Treiber erhalten, der selbst auf die Source des High-Side-MOSFET bezogen ist, der auch die Drain des Low-Side-MOSFET ist. Somit kann der High-Side-Treiber eine angemessen gute Wärmeverbindung mit der Drain des Low-Side-MOSFET erzielen und als solche die Temperatur des Low-Side-MOSFET überwachen.
  • Die vorgenannte Konfiguration weist bedeutende Nachteile auf. Erstens wird die Wärmefeststellung auf dem potentialfreien High-Side-Treiber vorgenommen und daher ist die einzige Möglichkeit für den High-Side-Treiber eine speichernde Abschaltung, wenn die Wärmeschwelle überschritten wird. Zweitens reicht, während die Wärmekopplung vom Low-Side-MOSFET zum High-Side-Treiber für den stationären Zustand und langsam wechselnde Temperaturen akzeptabel ist, bei einer plötzlichen, schnellen und großen Temperaturänderung am Leistungs-MOSFET Wärmekopplung nicht aus, um der Temperaturänderung schnell zu folgen. Von daher kann unter instationären Bedingungen die beabsichtigte Höchsttemperatur auf dem Leistungs-MOSFET leicht überschritten werden, bevor der HIGH-Side-Treiber das Problem festgestellt hat.
  • Ein weiterer Nachteil ist, dass der Kunde unter gewissen Umständen die Fähigkeit der Hysteresewärmeabschaltung wünscht. Dies ist jedoch nicht möglich, wenn kein kommunizierendes Signal von der Low-Side-Steuerung zum Wärmedetektionsschaltkreis vorhanden ist.
  • Figurenliste
  • Nicht einschränkende und nicht erschöpfende Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die folgenden Figuren beschrieben, wobei sich, soweit nicht anders angegeben, gleiche Bezugsnummern auf gleiche Abschnitte in den verschiedenen Ansichten beziehen. Es zeigen:
    • 1A und 1B Diagramme eines beispielhaften vertikalen MOSFET, die die Änderung des On-Widerstand zwischen Drain und Source RDS(on) bezüglich des Drainstroms (ID) und der Sperrschichttemperatur (Tj) darstellen.
    • 2A und 2B beispielhafte Schaubilder von Leistungswandlern, die vorteilhaft Temperaturdetektion und Übertemperaturschutz nutzen können.
    • 3 ein schematisches Schaubild eines beispielhaften Schaltkreises zum Wahrnehmen augenblicklicher Werte eines/r Leistungs-MOSFET-Drainstroms und Drainspannung.
    • 4 ein schematisches Schaubild eines beispielhaften Schaltkreises, der die Schaltungen von 3 verwendet, um Temperatur festzustellen.
  • Einander entsprechende Bezugszeichen bezeichnen in den mehreren Ansichten der Zeichnungen einander entsprechende Komponenten. Der Fachmann erkennt, dass Elemente in den Figuren der Einfachheit und Deutlichkeit willen dargestellt sind und nicht unbedingt im richtigen Größenverhältnis gezeichnet wurden. Beispielsweise können die Dimensionen mancher Elemente in den Figuren im Vergleich zu anderen Elementen übertrieben sein, um zu einem besseren Verständnis verschiedener Ausführungsformen der offenbarten Vorrichtungen zu verhelfen. Auch werden übliche und gut verstandene Elemente, die in einer gewerblich machbaren Ausführungsform nützlich und notwendig sind, oft nicht dargestellt, um eine freiere Sicht auf diese verschiedenen offenbarten Ausführungsformen zu erleichtern.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • In der folgenden Beschreibung werden spezielle Einzelheiten wie Vorrichtungstypen, Spannungen, Komponentenwerte, Schaltkreiskonfigurationen usw. dargelegt, um ein gründliches Verständnis der beschriebenen Ausführungsformen zu bieten. Der Durchschnittsfachmann erkennt jedoch, dass diese speziellen Einzelheiten nicht unbedingt notwendig sind, um die beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen. Es versteht sich ferner, dass gut bekannte Schaltkreisstrukturen und -elemente nicht im Detail beschrieben wurden, oder in Form von Blockschaubildern gezeigt wurden, um die Undurchschaubarkeit der beschriebenen Ausführungsformen zu vermeiden.
  • Bezug in dieser Beschreibung auf „eine Ausführungsform“ oder „ein Beispiel“ bedeutet, dass eine bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft, die im Zusammenhang mit der Ausführungsform oder dem Beispiel beschrieben wurden, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten sind. Daher bezieht sich das Vorkommen der Sätze „in einer Ausführungsform“ oder „ein Beispiel“ an verschiedenen Stellen in dieser Beschreibung nicht unbedingt alle auf die gleiche Ausführungsform oder das gleiche Beispiel. Außerdem können die bestimmten Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften in beliebigen geeigneten Kombinationen und/oder Teilkombinationen in einer oder mehreren Ausführungsformen oder Beispielen kombiniert werden. Bestimmte Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften können in einem integrierten Schaltkreis, einem elektronischen Schaltkreis, einem Kombinationslogikschaltkreis oder anderen geeigneten Komponenten enthalten sein, die die beschriebenen Funktionen bereitstellen. Außerdem versteht es sich, dass die hier bereitgestellten Figuren Erklärungszwecken für den Durchschnittsfachmann dienen.
  • Zum Zweck dieser Offenbarung bezieht sich „Masse“ oder „Massenpotential“ auf eine Bezugsspannung oder ein Potential gegenüber denen alle anderen Spannungen oder Potentiale eines elektronischen Schaltkreises oder integrierten Schaltkreises (IC) definiert oder gemessen werden.
  • Im Zusammenhang mit der vorliegenden Patentanmeldung leitet ein Transistor im Wesentlichen keinen Strom, wenn sich der Transistor im „Off-Zustand“ befindet oder „aus“ ist. Umgekehrt kann ein Transistor im Wesentlichen Strom leiten, wenn der Transistor in einem „On-Zustand“ befindet oder „ein“ ist. Beispielsweise kann ein Leistungstransistor einen N-Kanal-Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (NMOS) mit eine Hochspannung umfassen, die zwischen dem ersten Kontakt, einer Drain und dem zweiten Kontakt, einer Source, unterstützt wird. Der Leistungs-MOSFET kann einen Leistungsschalter umfassen, der von einem integrierten Steuerschaltkreis getrieben wird, um einer Last bereitgestellte Energie zu regulieren.
  • In einer Ausführungsform wird ein Gerät und ein Verfahren zum Feststellen der Temperatur von Halbleiterschaltvorrichtungen, wie gesteuerten Schaltern oder Dioden (z. B. Schottky-Dioden), bereitgestellt. Obwohl bestimmte nachstehend gezeigte und beschriebene Beispiele eine MOSFET-Schaltvorrichtung umfassen, versteht es sich, dass gemäß der Lehre dieser Offenbarung andere Schaltvorrichtungen verwendet werden können.
  • In einem Beispiel weist eine Leistungs-MOSFET-Schaltvorrichtung ein Substrat auf, das auf das Drain-Potential bezogen ist, wobei die Drain die hauptsächliche Wärmeverbindung der Vorrichtung ist. Eine Steuerung zum Steuern des Schaltens der Vorrichtung kann eine Low-Side-verbundene Steuerung sein, und als solche hat sie ihre Bezugsspannung mit dem Source-Potential der vertikalen Leistungs-MOSFET-Schaltvorrichtung gemeinsam. Die Steuerung kann zusammen im gleichen integrierten Schaltkreis-Die wie die Leistungs-MOSFET-Schaltvorrichtung integriert sein oder sie kann getrennt in einem anderen integriertes Schaltkreis-Die angeordnet sein. Die Leistungs-MOSFET-Schaltvorrichtung und die Steuerung können in dem gleichen Paket enthalten oder in getrennten Paketen untergebracht sein.
  • In einer Ausführungsform ist ein Gerät und ein Verfahren zum Feststellen der Temperatur in einer Halbleiterschaltvorrichtungen über einen Low-Sideverbundenen Schaltkreis mit bereitgestellt. Die Temperaturdetektion tritt direkt auf, wobei elektrische Signale verwendet werden, die auf der Leistungs-Halbleiterschaltvorrichtung (z. B. MOSFET) gemessen werden, und nicht durch indirekte Die-zu-Die-Wärmekopplung. Infolgedessen wird eine augenblickliche Wärmedetektion ermöglicht und somit vor instationären Bedingungen geschützt, bei denen ein schneller instationärer Temperaturanstieg stattfindet. Außerdem stellt der Low-Side-Bezug die Fähigkeit für Merkmale einer Hysteresewärmeabschaltung bereit.
  • 1A ist ein allgemeines Diagramm für eine Halbleiterschaltvorrichtung (in einem beispielhaften MOSFET), das die Änderung des On-Widerstands zwischen Drain und Source, RDS(on) , in Bezug auf Drainstrom bei einer unveränderbaren Sperrschichttemperatur (Tj) und für verschiedene Gate-Source-Spannungswerte als einen Parameter darstellt. 1B zeigt das Diagramm des normalisierten On-Widerstands zwischen Drain und Source, RDS(on) , in Abhängigkeit von der Sperrschichttemperatur (1). In einem typischen MOSFET kann der gemessene RDS(on) den Kanal, die Anreicherungsschicht des gebildeten JFET und parasitische Wirkungen von der Metallisierung, Bonddrähten und Gehäuse umfassen. In einem Hochspannungs-Leistungs-MOSFET dominiert der Widerstand von Kanal/Drift-Region den RDS(on) .
  • In den Diagrammen 100 in 1A ist die Änderung des RDS(on) (z. B. RDS(on)1 , RDS(on)2 , RDS(on)3 , ..., in Ohm) auf der vertikalen Achse 120 im Abhängigkeit vom Drainstrom (z. B. ID1, ID2, ID3, ...., in Ampere) auf der horizontalen Achse 110 aufgetragen. In einem numerischen Beispiel für verschiedene MOSFET-Typen kann dieses Diagramm ungefähr 10 % direkte Wirkung des Drainstroms ID auf den RDS(on) für einen Drainstrombereich bis zu 100 A zeigen. Die Diagramme 100 in 1A werden für verschiedene Beispiele von Gate-Source-Spannungen VGS1 131, VGS2 132 and VGS3 133 dargestellt, wobei Ausdruck 130 VGS3 > VGS2 > VGS1 vorgibt und die Diagramme für eine unveränderbare Sperrschichttemperatur Tj(Fix) 135 gelten. Die vertikale Linie ID(Fix) 134 stellt einen unveränderbaren Drain-Schwellenstrom dar, der zum Messen des On-Widerstands zwischen Drain und Source RDS(on) für die Änderungen mit der Temperatur verwendet werden kann.
  • Andererseits zeigen in den Diagrammen 150 in 1B die normalisierten Werte von RDS(on) auf der vertikalen Achse 170 eine starke Beziehung in Abhängigkeit von der Sperrschichttemperatur Tj (z. B. in Grad Celsius ° C) auf der horizontalen Achse 160, die sich von -50 °C bis 150 °C verändert. Zwei beispielhafte Diagramme werden für Gate-Source-Spannungen VGS1 181 und VGS2 182 vorgestellt, wobei Ausdruck 180 VGS2 > VGS1 vorgibt. Der normalisierte Wert RDS(on)=1) 175 gibt den On-Widerstand zwischen Drain und Source der Schaltvorrichtung bei der Bezugstemperatur (Tj =25°C) 165 vor. Wie aus 1B ersichtlich ist, verdoppelt sich der RDS(on) für einen Temperaturanstieg von Tj =25°C auf Tj =125°C von Punkt A 184 zu Punkt B 186, der auf dem Diagramm von VGS2 182 gemessen wird, nahezu. Der Temperaturkoeffizient von RDS(on) ist der Anstieg der Kurve in Diagrammen in 1B, der aufgrund der Nur-Majoritätsträger immer positiv ist. Der positive RDS(on) Temperaturkoeffizient kann den Leitungsverlust bei ansteigender Temperatur erhöhen. Der positive RDS(on) Temperaturkoeffizient ist beim Parallelschalten der MOSFETs ein vorteilhaftes Merkmal. Da der Sense-FET parallel zum Haupt-FET ist, kann die Wärmestabilität selbst bei einer unausgeglichenen Stromverteilung sichergestellt werden.
  • Der On-Widerstand zwischen Drain und Source RDS(on) in einem wie vorstehend erläuterten vertikalen MOSFET ist eine Funktion des Halbleitermaterials, der Kanalgröße, der Betriebsbedingung (Drainstrom und Spannung) und hängt stark von der Sperrschichttemperatur ab. Wenn andere Faktoren wie die Gatespannung (VGS ) und der Drainstrom (IDS ) konstant gehalten werden, kann die direkte Beziehung zwischen dem On-Widerstand RDS(on) und der Sperrschichttemperatur (Tj ) in 1B dazu verwendet werden, den Temperaturanstieg bei jedem normalen Betrieb oder unter Fehlerbedingungen im Vergleich zu einem kalibrierten RDS(on) bei einer bekannten Temperatur (z.B. bei 25 °C Umgebung) direkt festzustellen.
  • 2A und 2B sind Beispiele für Leistungswandlertopologien, die eine Schaltvorrichtung umfassen, für die Temperaturdetektion und Übertemperaturschutz über RDS(on) -Überwachung nach den offenbarten Ausführungsformen vorteilhaft sein kann. 2A zeigt einen WS-/GS-Boost-Leistungsfaktorkorrekturwandler (PFC-Wandler) 200 mit einer Schaltvorrichtung M 221 mit Steuerung 231, die auf die Low-Side-Bezugsmasse 201 bezogen ist. Der Steuerblock 231 empfängt einige Steuersignale 233, die ein Feedback-Steuersignal (FB-Steuersignal) umfassen und erzeugt das Steuersignal 223, um das Schalten der Schaltvorrichtung zu steuern und das Übertragen von Energie an die Ausgangslast 251 über die Ausgangsspannung VD 252 und den Ausgangsstrom ID 253 des Leistungswandlers zu regulieren. In einem Beispiel können die Eingangskontakte des Leistungswandlers mit einem sinusförmigen Eingangssignal VAC 205 verbunden sein, das über einen Gleichrichter und Eingangsschaltung 210 gleichgerichtet und gefiltert werden kann, um ein Eingangsspannungssignal Vin 215 auf die Boost-Komponenten anzuwenden. Die hauptsächlichen Boost-Komponenten umfassen einen Boost-Induktor LB 218, eine Boost-Schaltvorrichtung 221 und den Steuerblock 231, die in einer Ausführungsform beide in einen einzigen IC 230 integriert sind, wobei die hierin offenbarte Temperaturdetektionsschaltung in den Steuerblock 231 einbezogen werden kann.
  • Der Fachmann erkennt, dass die zerhackte Spannung über die Schaltvorrichtung 221 durch das Gleichrichtermodul 240 gleichgerichtet wird, wodurch die regulierte Ausgangsspannung Vo 252 und der Ausgangsstrom ID 253 auf die Last 250 erzeugt wird.
  • 2B ist eine weitere beispielhafte Topologie einer Halbbrücken-Schaltvorrichtung 270, für die Temperaturdetektionsschaltung der vorliegenden Offenbarung vorteilhaft sein kann, die entweder zum Low-Side-Steuerblock 261 oder zum High-Side-Steuerblock 262 hinzugefügt wird. Der in 2B gezeigte Leistungswandler empfängt das gleichgerichtete und durch elektromagnetische Interferenz (EMI) gefilterte Eingangsspannungssignal Vin 215 vom Eingangsgleichrichter und Eingangsschaltungsblock 210, das über die Halbbrücken-Schaltvorrichtung 260 angewendet wird. Wie gezeigt, umfasst die Schaltvorrichtung 260 einen Low-Side-Schalter M1 271 mit Low-Side-Steuerblock 261, der über die Verbindung 277 auf die Niedrigpotentialseite (z. B. Source) von Schalter M1 271 bezogen ist, und High-Side-Schalter M2 272 mit High-Side-Steuerblock 262, der über Verbindung 276 auf die Niedrigpotentialseite (z. B. Source) von Schalter M2 272 bezogen ist. Der Low-Side-Steuerblock 261 und der High-Side-Steuerblock 262 können beide zusätzliche Steuersignale 263 bzw. 264 empfangen. Steuersignale 263 und 264 können das Feedback (FB)-Steuersignal 268 vom Ausgang des Wandlers umfassen. Die Steuerblöcke 261 und 262 erzeugen Steuersignale 273 und 274 für Low-Side- und High-Side-Schalter 271 bzw. 272. Der Low-Side-Steuerblock 261 und High-Side-Steuerblock 262 können durch eine Kommunikationsverbindung 265 funktionell synchronisiert werden.
  • In einer Ausführungsform ist das Mittelpunkt-Potential VA 278 der Halbbrücken-Schaltvorrichtung 270 mit einem Energiewandlungsblock 280 (der eine isolierte oder eine nicht isolierte Konfiguration aufweisen kann), der die Ausgangsspannung Vo 252 und den Ausgangsstrom IO 253 über die Last 250 herstellt/erzeugt.
  • Es versteht sich, dass die hierin offenbarte Wärmedetektionsschaltung zum Low-Side-Steuerblock 231 in 2A oder dem Low-Side-Steuerblock 261 oder dem High-Side-Steuerblock 262 in 2B hinzugefügt werden kann. Es versteht sich ferner, dass die offenbarten Ausführungsformen nicht auf die beispielhaften Topologien von 2A und 2B beschränkt sind; das heißt, dass die hierin offenbarte Temperaturdetektionsschaltung für eine Reihe verschiedener Schaltungswandler, die eine Low-Side-Steuerung verwenden, und Leistungs-Halbleiterschaltvorrichtungsanwendungen nützlich sein kann.
  • In einer Halbbrückenkonfiguration liegt beispielsweise ein Low-Side-MOSFET-Schalter und ein High-Side-MOSFET-Schalter vor. Es versteht sich, dass das hierin beschriebene Temperaturfeststellungsverfahren mit einem beliebigen dieser MOSFET-Schalter verwendet werden könnte, beispielsweise wenn sie an einem Potential potentialfrei sind, das nicht Null ist. Wie oben erörtert, versteht es sich, dass im Fall eines MOSFET-Schalters die Steuerung auf die Source (oder das Nicht-Substrat) des MOSFET bezogen ist. Ähnlich versteht sich für High-Side-Schalter M2 272 und Steuerblock 262, dass für einen MOSFET-Schalter die Steuerung auf die Source (oder das Nicht-Substrat) des MOSFET bezogen ist. Somit können sie in beiden Fällen als auf die MOSFET-Source bezogene Steuerung bezeichnet werden.
  • In einer Ausführungsform weist der RDS(on) einer Leistungs-MOSFET-Schaltvorrichtung einen definierten positiven Temperaturkoeffizienten auf. Bei konstanten VGS - and IDS -Bedingungen kann durch Messen des On-Widerstands zwischen Drain und Source unter betriebswirksamen Schaltbedingungen bei einer unbekannten Temperatur RDS(on)Tx und Vergleichen dieser mit einem gespeicherten kalibrierten Wert bei einer bekannten Temperatur (z. B. 25°C) RDS(on)T25 für die gleiche Vorrichtung unter den gleichen Bedingungen/Parametern die Temperatur im MOSFET relativ zur kalibrierten Temperatur genau und schnell abgeleitet werden.
  • In einer Ausführungsform wird der On-Widerstandswert zwischen Drain und Source einer MOSFET-Vorrichtung während der Herstellungsprüfung bei einer bekannten Temperatur (z. B. 25°C) RDS(on)T25 gemessen und während dem Kalibrieren gespeichert. Somit kann, wenn sich RDS(on) mit dem Temperaturanstieg während des normalen oder instationären Betriebs ändert, die Steuerung das Verhältnis der augenblicklichen Widerstandänderung im Vergleich zum kalibrierten Wert messen und den Temperaturanstieg berechnen, was für den Wärmeschutz der MOSFET-Vorrichtung nützlich ist.
  • In einer Umsetzung werden die Drainspannung und der Drainstrom der Leistungs-MOSFET-Schaltvorrichtung in jedem Schaltzyklus gemessen. In einem Beispiel wird die Drainspannung unter Verwendung eines Sperrschicht-Feldeffekttransistors (JFET) gemessen, dessen Drain mit der Drain des Leistungs-MOSFET verbunden ist, wobei das Gate des JFET mit der Source des Leistungs-MOSFET verbunden ist. Wenn der Leistungs-MOSFET eingeschaltet ist, folgt der Spannungswert des JFET-Source-Knotens dem des MOSFET-Drains, wodurch eine genaue Anzeige der Drainspannung während der On-Zeit bereitgestellt wird.
  • In einer Ausführungsform wird der MOSFET-Drainstrom über ein Sense-FET erhalten, der eine vorgegebene Fraktion von Strom misst, der im Haupt-Leistungs-MOSFET fließt. Feststellen des Sense-Stroms bietet daher ein Maß für den Leistungs-MOSFET-Drainstrom (IDS ) in jedem Schaltzyklus. Daher kann durch Verwenden von Signalen, die die Drainspannung und den Drainstrom der Leistungs-MOSFET-Schaltvorrichtung darstellen, festgestellt werden, wenn der RDS(on) -Wert einen bestimmten Schwellenbetriebswert überschritten hat, der wiederum in direkter Beziehung zu einer vorgegebenen Zieltemperaturgrenze für das schaltende Leistungs-MOSFET steht.
  • 3 zeigt ein schematisches Schaubild einer beispielhaften Schaltung zum Wahrnehmen augenblicklicher Werte einer Schaltvorrichtung für Leistungs-MOSFET-Drainstrom und Drainspannung. In Schaltung 305 wird der Drainstrom vom Ausgangssignal UIsns 346 über einen Sense-FET Q2 343 wahrgenommen. Drainspannung wird vom Ausgangssignal UVsns 366 über ein JFET 361 wahrgenommen. Wie gezeigt, ist Knoten VA 328 der Kopplungspunkt mit einem Leistungswandler-Energieübertragungselement, der den Knoten VA 228 in 2A und V A 278 in 2B entspricht (d. h. äquivalent ist). Der Schaltkreis 305 umfasst eine Halbleiterschaltvorrichtung (ein Haupt-Leistungs-MOSFET) Q1 321 und einen Sense-FET Q2 341 von fraktioneller Größe. Es ist anzumerken, dass der jeweilige Größenunterschied zwischen dem Haupt-MOSFET Q1 321 und dem Sense-FET 341 durch das Verhältnis K:1 gegeben ist. Das Größenverhältnis kann durch die Anzahl der Zellen in jedem FET vorgegeben sein, das wiederum ein umgekehrtes Verhältnis zum On-Widerstand zwischen Drain und Source aufweist und ein direktes Verhältnis (proportional) zum Strom in jedem FET aufweist, wie durch die folgenden Gleichungen gezeigt wird: K = N Q1 − cells /N Q 2 − cells = R DS ( on ) Q2 /R DS ( on ) Q1 = I 1 /I 2 ;
    Figure DE112016007127T5_0001
     I 2 = I 2sns = ( 1 /K ) I 1 ;
    Figure DE112016007127T5_0002
     V D = I 1 R DS ( on ) Q1 = I 1 R DS ( on ) Q 2 = ( I 1 /K ) R DS ( on ) Q2
    Figure DE112016007127T5_0003
  • Wie gezeigt, sind die Drain des Haupt-MOSFET Q1 321 und die Drain des Sense-FET Q2 341 mit der gleichen Bus-Spannung VD 327 gekoppelt. Das Ansteuerungssignal 323 für den Haupt-MOSFET Q1 321 und das Ansteuerungssignal 343 für den Sense-FET Q2 341 werden von dem gleichen Steuersignal Vdrive 333 bereitgestellt. Dies erfüllt die Bedingungen zum Aufrechterhalten eines konstanten VGS für sowohl den Sense-FET als auch den Haupt-MOSFET. Infolgedessen bleibt die Stromdichte im Haupt-MOSFET Q1 321 und Sense-FET Q2 341 gleich. Das Stromverhältnis von ID 325 der durch den Haupt-MOSFET Q1 321 fließt, und Isns 342, der durch den Sense-FET Q2 341 fließt, ist proportional zu deren Größe K:1. Es versteht sich, dass die Messung des Widerstands zwischen Drain und Source des Sense-FET Q2 341 im Vergleich zum Haupt-MOSFET Q1 321 aufgrund des größeren On-Widerstands zwischen Drain und Source genauer ist (weniger Fehler aufweist).
  • Ein Sense-Widerstand 344 wird von der Source des Sense-FET Q2 341 zur Masse 301 gekoppelt gezeigt. Der Sense-Strom Isns 342, der durch den Sense-Widerstand 344 fließt, erzeugt das Signal UIsns 346, das eine Darstellung des Stroms ID 325 ist, der durch den Haupt-MOSFET Q1 321 fließt.
  • In der Ausführungsform von 3 wird die Drainspannung VD 327 über ein JFET 361 wahrgenommen, der mit dem Drain-Bus VD 327 gekoppelt ist. Gate 363 des JFET 361 ist mit der Source des Haupt-MOSFET Q1 321 gekoppelt. Das Gate von JFET 361 wird mit dem Massepotential verbunden gezeigt (Nullspannung). Wenn der Haupt-MOSFET Q1 321 eingeschaltet wird, wird die Gate-Source-Spannung des JFET 361 nahezu null und ist höher als die Abschnürspannung (VP ) des JFET 361. Daher wird der JFET 361 ebenfalls eingeschaltet, der die Drainspannung VD 327 mit einem Abzweigkontakt (JFET-Source) 365 zum Wahrnehmen des On-Spannungsabfall des Drain beim Signal UVsns 366 koppelt. Wenn der Haupt-MOSFET Q1 321 ausgeschaltet ist, geht das Gate 363 des JFET 361 unter die Abschnürspannung (VP ) des JFET 361. Somit ist der JFET 361 in einem AusZustand, wodurch die Drainspannung VD 327 vom Abzweigkontakt 365 gesperrt wird. Daher erkennt der praktische Fachmann, dass der augenblickliche Strom zur On-Zeit und der augenblickliche Spannungsabfall zur On-Zeit über den Widerstand zwischen Drain und Source des Leistungs-MOSFET über die Signale UIsns 346 und UVsns 366 bereitgestellt werden.
  • 4 ist ein schematisches Schaubild eines beispielhaften Schaltkreises eines Schwellendetektionsschaltkreises 410, der die Schaltung von 3 verwenden kann, um einen Temperaturanstieg festzustellen, der eine vorgegebene Grenze überschreitet. Die Ausgangssignale UIsns 346 und UVsns , die an den Kontakten 365 bzw. 345 bereitgestellt werden, werden als Eingaben in den Schwellendetektionsschaltkreis 410 gezeigt. Der Detektionsschaltkreis 410 umfasst einen ersten Komparator 450, der das Stromsignal UIsns 346 an seinem positiven Eingang 454 empfängt. Das Stromsignal UIsns 346 wird mit einem Bezugsstromsignal Iref 456 verglichen, das auf den negativen Eingang des Komparators 450 angewendet wird. Wenn das Signal UIsns 446 höher als das Bezugsstromsignal Irer456 steigt, geht die Ausgabe 458 des Komparators 450 zu einem logisch hohen Wert über. In einer Ausführungsform ist das Bezugsstromsignal Iref 456 ein vorgegebener Kalibrierungsstromschwellenwert. Wenn das Stromsignal UIsns 346 den vorgegeben Kalibrierungsstromschwellenwert überschreitet, geht die Ausgabe 458 des Komparators 450 zu „hoch“ über.
  • Der Detektionsschaltkreis 410 umfasst auch einen zweiten Komparator 460, der einen positiven Eingang 464 aufweist, der zum Empfangen des Signals UUsns 366 gekoppelt ist. Das Signal UVsns 366 wird mit einer Bezugsspannung Vref 466 verglichen, die auf den negativen Eingang des Komparators 460 angewendet wird. Der Bezug Vref 466 stellt einen Schwellenwert für den RDS(on) des Leistungs-MOSFET dar, der in direkter Beziehung mit seiner Sperrschichttemperatur steht. Wenn das Signal UVsns 466 höher als die Bezugsspannung Vref 466 steigt, geht die Ausgabe 468 des Komparators 460 zu einem hohen logischen Wert über.
  • Die Ausgabe 468 des Komparators 460 ist mit dem Dateneingang D 471 eines Flipflops 470 des D-Typs gekoppelt, und die Ausgabe 458 des Komparators 450 ist mit dem Takteingang 472 des Flipflops 470 gekoppelt. Die Ausgabe des Komparator 460 wird logisch hoch, wenn die Drainspannung die Bezugsspannungsschwellen überschreitet, die eingerichtet wurde, um anzuzeigen, dass der RDS(on) bei einem kalibrierten Strom einen vordefinierten/vorgegeben Schwellenwert der Drainspannung als Indikator der Temperaturgrenze überschritten hat.
  • In Fortsetzung des Beispiels von 4 wird die Ausgabe des Komparators 450 mit dem Takteingang des Flipflops 470 des D-Typs („D“-Flipflop) gekoppelt gezeigt. Somit wird das D-Flipflop 470 von der Ausgabe vom Stromkomparator 450 getaktet. Das D-Flipflop 470 erfasst den Wert der D-Eingabe 471 an einem bestimmten Abschnitt des Taktzyklus (etwa der steigenden Flanke des Takts). Der erfasste Wert wird die Q-Ausgabe 473. Zu anderen Zeitpunkten ändert sich die Q-Ausgabe 473 nicht. Die D-Eingabe 471 ist die Ausgabe 468 vom Drainspannungskomparator 460. Infolgedessen geht die Q-Ausgabe 473 zu einem logisch hohen Wert über, wenn die vom Signal 366 bereitgestellte Drainspannung die Spannungsschwelle 466 in dem Moment überschreitet, zu dem das Stromsignal 346 die Stromkalibrierungsschwelle 456 überschreitet. Infolgedessen erkennt der praktische Fachmann, dass die Q-Ausgabe 473 des D-Flipflops 470 auf einen logischen hohen Wert eingestellt wird, wenn der RDS(on) des Leistungs-MOSFET einen kombinierten Schwellenwert überschreitet. Mit anderen Worten wird der RDS(on) der Leistungs-MOSFET-Schaltvorrichtung zu dem Zeitpunkt gemessen oder festgestellt, zu dem der durch den Leistungs-MOSFET fließende Strom die Kalibrierungsschwelle erreicht oder überschritten hat.
  • Wie vorstehend erörtert, ist der Widerstand zwischen Drain und Source RDS(on) des Leistungs-MOSFET eine direkte Funktion seiner Sperrschichttemperatur; daher zeigen Veränderungen des RDS(on) direkt die augenblickliche Temperaturänderung der Leistungs-MOSFET-Vorrichtung an. Auf diese Weise kann ein logisch hoher Wert am Q-Ausgang 473 verwendet werden, um eine Alarmbedingung anzuzeigen, bei der eine empfohlenen oder vorgeschriebene Wärmeschwelle der Leistungs-MOSFET-Schaltvorrichtung überschritten wird.
  • Es muss verstanden werden, dass in anderen Ausführungsformen mehr als eine Schwellenebene festgestellt werden kann. Das heißt, dass mehrere Schwellenspannungsebenen für verschiedene Temperaturdetektionstypen oder andere Steuerungsschutztypen definiert werden können. Es können mehrere Gruppen von Komparatoren und Flipflops eingesetzt werden, um die verschiedenen Ausgangssignale zur Temperaturdetektion und/oder zum Steuerungsschutz zu erzeugen. Beispielsweise kann eine erste Schutzebene verwendet werden, um einen oder mehrere Steuerparameter der Leistungs-MOSFET-Schaltvorrichtung zu ändern (z. B. eine Stromgrenze, eine Schalthäufigkeit, eine Pulsbreite oder zum vorübergehenden Anhaltendes Schaltens). Eine zweite Schutzebene kann verwendet werden, um den Fall eines katastrophalen Transienten oder Temperaturanstiegs zu verhindern, wobei ein Alarmsignal verwendet wird, um ein Latch-Up oder permanentes Abschalten der Vorrichtung herbeizuführen.
  • Der Fachmann versteht, dass der offenbarte Gegenstand durch verschiedene Versionen und Arten von Halbleitermaterialien umgesetzt werden kann. Beispielsweise kann die Leistungs-MOSFET-Schaltvorrichtung aus diskreten oder integrierten Si-, SiC-, GaN-Halbleiterschaltern oder anderen Halbleiterschaltertypen mit hoher Elektronenmobilität bestehen.
  • Die vorstehende Beschreibung von dargestellten beispielhaften Ausführungsformen, einschließlich der Beschreibung in der Zusammenfassung, soll nicht erschöpfend sein oder eine Einschränkung der präzisen offenbarten Formen oder Strukturen darstellen. Während bestimmte Ausführungsformen und Beispiele des hierin beschriebenen Gegenstands Darstellungszwecken dienen, sind verschiedene gleichwertige Abwandlungen möglich, ohne vom weiteren Geist und Rahmen der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich tatsächlich, dass die bestimmten beispielhaften Ströme, Spannungen, Widerstände, Vorrichtungstypen und Größen usw. zu Erläuterungszwecken bereitgestellt werden, und dass andere Werte in anderen Ausführungsformen und Beispielen gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können.

Claims (28)

  1. Integrierter Schaltkreis (IC) zum Wahrnehmen eines Temperaturanstiegs in einer Leistungstransistorvorrichtung, wobei der Temperaturanstieg durch einen Stromfluss in der Leistungstransistorvorrichtung verursacht wird, der IC umfassend: ein Substrat, wobei die Leistungstransistorvorrichtung auf dem Substrat angeordnet ist; einen Sense-Feldeffekttransistor (Sense-FET), der auf dem Substrat angeordnet ist, wobei der Sense-FET einen Bruchteil des Stromflusses wahrnimmt und an einem ersten Knoten ein Stromsignal ausgibt; einen Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET), wobei der Drain des JFET mit dem Drain der Leistungstransistorvorrichtung verbunden ist, wobei das Gate des JFET ist mit der Source der Leistungstransistorvorrichtung verbunden ist, sodass, wenn die Leistungstransistorvorrichtung eingeschaltet ist, der JFET ebenfalls eingeschaltet ist, und ein Drainspannungssignal der Leistungstransistorvorrichtung an einem zweiten Knoten ausgegeben wird; einen Detektionsschaltkreis, der zum Empfangen des Drainspannungssignals und des Stromsignals gekoppelt ist, wobei der Detektionsschaltkreis ein Alarmsignal ausgibt, wenn das Drainspannungssignal ein Bezugsspannungssignal überschreitet und das Stromsignal ein Bezugsstromsignal überschreitet, was anzeigt, dass ein Widerstand zwischen Drain und Source der Leistungstransistorvorrichtung einen kombinierten Schwellenwert überschreitet.
  2. IC nach Anspruch 1, wobei das Alarmsignal anzeigt, dass der Temperaturanstieg eine Wärmeschwelle der Leistungstransistorvorrichtung überschreitet.
  3. IC nach Anspruch 1, wobei das Bezugsstromsignal auf einen Wert eingestellt ist, an dessen Punkt der Stromfluss in der Leistungstransistorvorrichtung eine Kalibrierungsstromschwelle erreicht hat.
  4. IC nach Anspruch 1, wobei das Bezugsspannungssignal auf einen Wert eingestellt ist, an dessen Punkt der Widerstand zwischen Drain und Source eine Kalibrierungsschwelle des Drainspannungssignals erreicht hat, das die Temperaturgrenze der Leistungstransistorvorrichtung anzeigt.
  5. IC nach Anspruch 1, wobei der Detektionsschaltkreis umfasst: einen ersten Komparator, der einen ersten Eingang, der zum Empfangen des Drainspannungssignals gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang aufweist, der zum Empfangen des Bezugsspannungssignals gekoppelt ist, wobei der erste Komparator ein erstes Logiksignal ausgibt, wenn das Drainspannungssignal das Bezugsspannungssignal überschreitet; und einen zweiten Komparator, der einen ersten Eingang, der zum Empfangen des Stromsignals gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang aufweist, der zum Empfangen des Bezugsstromsignals gekoppelt ist, wobei der zweite Komparator ein zweites Logiksignal ausgibt, wenn das Stromsignal das Bezugsstromsignal überschreitet.
  6. IC nach Anspruch 5, wobei der Detektionsschaltkreis ferner ein Flipflop umfasst, das einen Eingang, der zum Empfangen des ersten Logiksignals gekoppelt ist, einen Takteingang, der zum Empfangen des zweiten Logiksignals gekoppelt ist, aufweist, wobei das Flipflop das Alarmsignal als Reaktion auf das erste und das zweite Logiksignal ausgibt.
  7. IC nach Anspruch 6, wobei das Flipflop ein Flipflop des D-Typs ist.
  8. IC nach Anspruch 1, der ferner einen Sense-Widerstand umfasst, der zwischen dem ersten Knoten und einem Massepotential gekoppelt ist.
  9. IC nach Anspruch 1, wobei der erste Knoten die Source des Sense-FET umfasst und der zweite Knoten die Source des JFET ist.
  10. IC nach Anspruch 1, wobei das Gate des JFET und die Source der Leistungstransistorvorrichtung beide mit einem Massepotential verbunden sind.
  11. IC nach Anspruch 1, wobei der Drain der Leistungstransistorvorrichtung mit einem Leistungswandler-Energieübertragungselement gekoppelt ist.
  12. IC nach Anspruch 1, wobei das Alarmsignal verwendet wird, und die Leistungstransistorvorrichtung abzuschalten.
  13. IC nach Anspruch 1, wobei der Detektionsschaltkreis das Spannungssignal und das Stromsignal bei eine vorgegebenen Gate-Source-Spannung und einem vorgegebenen Strom, Fluss in der Leistungstransistorvorrichtung empfängt.
  14. Integrierter Schaltkreis (IC) zum Wahrnehmen eines Temperaturanstiegs in einer Schaltvorrichtung, wobei der Temperaturanstieg durch einen Stromfluss in der Schaltvorrichtung verursacht wird, der IC umfassend: eine Stromwahrnehmungsvorrichtung, die einem Bruchteil des Stromflusses wahrnimmt und an einem ersten Knoten ein Stromsignal ausgibt; eine Spannungswahmehmungsvorrichtung, die mit der Schaltvorrichtung gekoppelt ist, sodass, wenn die Schaltvorrichtung eingeschaltet ist, die Spannungswahrnehmungsvorrichtung ebenfalls eingeschaltet ist, und ein Spannungssignal der Schaltvorrichtung an einem zweiten Knoten ausgegeben wird; und einen Detektionsschaltkreis, der zum Empfangen des Spannungssignals und des Stromsignals gekoppelt ist, wobei der Detektionsschaltkreis ein Alarmsignal ausgibt, wenn das Spannungssignal ein Bezugsspannungssignal überschreitet und das Stromsignal ein Bezugsstromsignal überschreitet.
  15. IC nach Anspruch 14, wobei das Alarmsignal anzeigt, dass der Temperaturanstieg eine Wärmeschwelle der Schaltvorrichtung überschreitet.
  16. IC nach Anspruch 14, wobei das Bezugsstromsignal auf einen Wert eingeslelll ist, an dessen Punkt der Stromfluss in der Schaltvorrichtung eine Kalibrierungsstromschwelle erreicht hat.
  17. IC nach Anspruch 14 wobei die Stromwahrnehmungsvorrichtung ein Sense-Feldeffekttransistor (Sense-FET) ist, und die Spannungswahrnehmungsvorrichtung ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET) ist.
  18. IC nach Anspruch 14, wobei der Detektionsschaltkreis umfasst: einen ersten Komparator, der einen ersten Eingang, der zum Empfangen des Spannungssignals gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang aufweist, der zum Empfangen des Bezugsspannungssignals gekoppelt ist, wobei der erste Komparator ein erstes Logiksignal ausgibt, wenn das Spannungssignal das Bezugsspannungssignal überschreitet; einen zweiten Komparator, der einen ersten Eingang, der zum Empfangen des Stromsignals gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang aufweist, der zum Empfangen des Bezugsstromsignals gekoppelt ist, wobei der zweite Komparator ein zweites Logiksignal ausgibt, wenn das Stromsignal das Bezugsstromsignal überschreitet; und ein Flipflop, das einen Eingang, der zum Empfangen des ersten Logiksignals gekoppelt ist, einen Takteingang, der zum Empfangen des zweiten Logiksignals gekoppelt ist, aufweist, wobei das Flipflop das Alarmsignal als Reaktion auf das erste und das zweite Logiksignal ausgibt.
  19. IC nach Anspruch 14, der ferner einen Sense-Widerstand umfasst, der zwischen dem ersten Knoten und einem Massepotential gekoppelt ist.
  20. IC nach Anspruch 17, wobei der erste Knoten die Source des Sense-FET umfasst.
  21. IC nach Anspruch 14, wobei die Schaltvorrichtung eine Leistungstransistorvorrichtung ist.
  22. IC nach Anspruch 14, wobei die Schaltvorrichtung eine oder mehrere Dioden umfasst.
  23. IC nach Anspruch 14, wobei der Detektionsschaltkreis das Spannungssignal und das Stromsignal bei einer vorgegebenen Schwellenbetriebsbedingung der Schaltvorrichtung empfängt.
  24. Verfahren zum Wahrnehmen eines Temperaturanstiegs in einer Halbleiterschaltvorrichtung eines integrierten Schaltkreises (IC), wobei der Temperaturanstieg von einem Stromfluss in der Schaltvorrichtung verursacht wird, das Verfahren umfassend: Wahrnehmen eines Bruchteils des Stromflusses durch die Halbleiterschaltvorrichtung, wobei ein Stromsignal als Reaktion darauf an einem ersten Knoten ausgegeben wird; Wahrnehmen eines Spannungsabfalls an der Schaltvorrichtung, wenn die Schaltvorrichtung eingeschaltet wird, wobei ein Spannungssignal der Schaltvorrichtung als Reaktion darauf an einem zweiten Knoten ausgegeben wird; und Ausgeben eines Alarmsignals durch einen Detektionsschaltkreis, der zum Empfangen des Spannungssignals und des Stromsignals gekoppelt ist, wobei der Detektionsschaltkreis das Alarmsignal ausgibt, wenn das Spannungssignal ein Bezugsspannungssignal überschreitet und das Stromsignal ein Bezugsstromsignal überschreitet.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Alarmsignal anzeigt, dass der Temperaturanstieg eine Wärmeschwelle der Halbleiterschaltvorrichtung überschreitet.
  26. Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Bezugsstromsignal auf einen Wert eingestellt ist, an dessen Punkt der Stromfluss in der Halbleiterschaltvorrichtung eine Kalibrierungsstromschwelle erreicht hat.
  27. Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Bezugsspannungssignal auf einen Wert eingestellt ist, an dessen Punkt das Spannungssignal eine Kalibrierungsschwelle der Halbleiterschaltvorrichtung erreicht hat.
  28. Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Alarmsignal ausgegeben wird, wenn der Detektionsschaltkreis das Spannungssignal und das Stromsignal bei einer vorgegebenen Schwellenbetriebsbedingung der Schaltvorrichtung empfängt.
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