DE19522516C1

DE19522516C1 - Schaltungsanordnung zum Abschalten eines Leistungs-MOSFET bei Übertemperatur

Info

Publication number: DE19522516C1
Application number: DE1995122516
Authority: DE
Inventors: Jenoe Dr Tihanyi
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1995-06-21
Filing date: 1995-06-21
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2015-06-22

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Abschalten eines Leistungs-MOSFET bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur eines in thermischen Kontakt mit dem Leistungs-MOSFET stehenden Thy ristors, der in einem vom Halbleiterkörper des Leistungs-MOSFET getrennten Halbleiterkörper angeordnet ist und dessen Anoden-Katodenstrecke zwischen dem Gateanschluß und dem Sourceanschluß des Leistungs-MOSFET angeschlossen ist.

Eine solche Schaltungsanordnung ist z. B. in der EP 0 208 970 A1 beschrieben worden. Der Thyristor kippt bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur von z. B. 180°C mit einer Toleranz von einigen wenigen °C in den leitenden Zustand und schaltet den MOSFET ab. Wegen seiner vom Leistungs-MOSFET völlig verschiedenartigen Prozeßtechnik kann der Thyristor jedoch nur sehr aufwendig in den Halbleiterkörper des verti kalen Leistungs-MOSFET integriert werden. Seine Unterbringung in einem separaten Chip verursacht aber ein verzögertes Ansprechen des Thyristors. Bei schnell ansteigender Tempera tur kann der Leistungs-MOSFET daher bereits zerstört werden, bevor der Thyristor in den Durchlaßzustand kippt.

Aus der DE 43 05 038 A1, vgl. insbesondere Fig. 2 in: Patents Abstracts of Japan, Sect. E, Vol. 13 (1989), Nr. 493 (E-842) ist eine Schaltungsanordnung zum Abschalten eines Leistungs-MOSFET bekannt, bei welcher ein Thyristor (Bezugszeichen 20), welcher durch einen pn-Übergang (z. B. Fotodiode) und einen steuerbaren Widerstand (23) angesteuert wird, bei vorgegebener Temperatur den MOSFET abschaltet. Aus der JP 1-196858 A1 ist es bekannt, eine mit einem Transistor zusammen integrierte Diode (Bezugszeichen 13 in der unteren Figur) zur genauen Temperaturmessung einzusetzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsan ordnung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß eine Zerstö rung des Leistungs-MOSFET auch bei schnell ansteigender Temperatur vermieden werden kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in den Halbleiterkör per des Leistungs-MOSFET eine Diode integriert ist, daß der Sperrstrom der Diode dem Steuereingang eines steuerbaren Widerstands zugeführt wird, daß der steuerbare Widerstand zwischen dem Gateanschluß und dem Sourceanschluß des Leistungs-MOSFET angeschlossen ist und daß der Widerstands wert des steuerbaren Widerstands verringert wird, wenn die Temperatur der Diode einen Wert erreicht, der höher ist als die vorgegebene Temperatur.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran sprüche.

In der EP 0240807 A1 ist eine Schaltungsanordnung beschrieben, bei der die Übertemperatur eines Leistungs-MOSFET mit einem Bipolartransistor erfaßt werden kann, der in thermischem Kontakt mit dem Leistungs-MOSFET steht. Dem Bipolartransistor ist eine Stromquelle in Reihe geschaltet, deren Strom größer ist als der Sperrstrom des Bipolartransistors bei normaler Temperatur. Mit zunehmender Temperatur des Leistungs-MOSFET nimmt der Sperrstrom des Bipolartransistors zu. Übersteigt er den Strom der Stromquelle, so steigt die Spannung an der Stromquelle signifikant an. Dieses Ansteigen wird als Signal für eine Übertemperatur des Leistungs-MOSFET ausgewertet.

Die beschriebene Art der Auswertung funktioniert aber nicht sehr genau, weil der Sperrstrom des Transistors in hohem Maß von seinen Parametern abhängig ist. Ein Abschalten des MOSFET ist außerdem nicht vorgesehen.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Prinzipschaltung der Erfindung,

Fig. 2 den Halbleiterkörper des Leistungs-MOSFET, in den die Diode integriert ist und

Fig. 3 den integrierten Aufbau des weiteren Halbleiterkör pers.

Die Anordnung nach Fig. 1 enthält einen ersten Halbleiter körper 1, auf dem ein Leistungs-MOSFET 2 und eine Bipolar diode 3 integriert sind. Der Katodenanschluß K der Diode 3 ist mit dem Drainanschluß D von 2 verbunden. Beide Anschlüsse sind mit einem Anschluß 10 verbunden. Der Sourceanschluß des Leistungs-MOSFET 2 steht mit einem Anschluß 12 in Verbindung, der Anodenanschluß A der Diode 3 mit einem Anschluß 14.

Die Schaltungsanordnung enthält einen weiteren, vom Halblei terkörper 1 separaten Halbleiterkörper 4, der in thermischem Kontakt mit dem Leistungs-MOSFET 2 steht. Auf dem Halbleiter körper 4 ist ein steuerbarer Widerstand integriert, der z. B. aus einem MOSFET 5, mindestens einer Zenerdiode 6 und einer Stromquelle 7 besteht. Die Zenerdiode 6 ist zwischen Gatean schluß und Drainanschluß des MOSFET 5 angeschlossen, die Stromquelle 7 zwischen Gateanschluß und Sourceanschluß. Der Knoten zwischen Stromquelle und Gateanschluß ist mit einem Anschluß 17 verbunden, der Sourceanschluß des MOSFET 5 mit einem Anschluß 18. Der Drainanschluß des MOSFET 5 ist mit einem Anschluß 16 verbunden. Dem steuerbaren Widerstand ist ein Thyristor 8 parallel geschaltet derart, daß sein Anoden anschluß A mit Anschluß 16 und sein Katodenanschluß K mit Anschluß 18 verbunden ist. Die Anschlüsse 16 und 15 sind miteinander verbunden, ebenso die Anschlüsse 18 mit 12 und 17 mit 14. Die Anschlüsse 16, 15 stehen mit einem Gehäusean schluß 11 in Verbindung, die Anschlüsse 18 und 12 mit einem Gehäuseanschluß 13. Der dritte Gehäuseanschluß wird durch den Anschluß 10 gebildet.

Wird der Leistungs-MOSFET 2 von einem Laststrom durchflossen, so steigt seine Temperatur. Damit nimmt der Sperrstrom durch die integrierte Diode 3 zu. Der Sperrstrom fließt über die Anschlüsse 14, 17 in die Stromquelle 7 und von da über den Anschluß 18 zum Gehäuseanschluß 13. Ist der Sperrstrom klei ner als der eingestellte Strom der Stromquelle 7, so ist die an der Stromquelle abfallende Spannung so gering, daß der MOSFET 5 nicht eingeschaltet wird. Steigt die Temperatur des Leistungs-MOSFET 2 weiter auf eine unterhalb der Zerstörungs temperatur liegende kritische Temperatur von z. B. 260°C an, so reagiert die Diode 3 sehr schnell mit einem Anstieg ihres Sperrstroms. Der Strom der Stromquelle 7 ist derart einge stellt, daß die Spannung an der Stromquelle bei der erwähnten kritischen Temperatur signifikant ansteigt, wodurch der MOSFET 5 leitend wird. Er wird jedoch nicht voll durchgesteu ert. Damit verringert sich die Gate-Sourcespannung des Leistungs-MOSFET 2 und sein Laststrom wird gedrosselt. Damit verlangsamt sich sein Temperaturanstieg.

Nach einer durch den thermischen Widerstand zwischen den Halbleiterkörpern 2 und 4 bestimmten Zeit wird nun der Thy ristor 8 auf eine Temperatur erwärmt, bei der er in seinen leitenden Zustand kippt. Diese Temperatur liegt unter der er wähnten kritischen Temperatur und beträgt z. B. 160°C ± 3°C. Damit sinkt die Gate-Sourcespannung des Leistungs-MOSFET 2 unter seine Einsatzspannung und er wird gesperrt, bevor die Temperatur auf einen Wert steigen kann, bei der er zerstört wird.

Da diejenige Temperatur, bei der der Thyristor 8 in seinen leitenden Zustand kippt, durch Einstellung seiner Stromver stärkungen sehr genau bestimmt werden kann, kann der Leistungs-MOSFET 2 mit einer gewissen Verzögerung nach der Stromreduzierung innerhalb eines eng begrenzten Temperaturbe reichs abgeschaltet werden. Sinkt die Temperatur unter die Kipptemperatur, so sperrt der Thyristor 8 wieder und der Leistungs-MOSFET 2 kann erneut eingeschaltet werden.

Die Integration des Leistungs-MOSFET 2 und der Diode 3 in einen einzigen Halbleiterkörper 1 ist in Fig. 2 gezeigt. Der Halbleiterkörper 1 hat eine z. B. schwach n-dotierte Zone 21, die die Drainzone des Leistungs-MOSFET 2 bildet. Sie bildet außerdem die Katodenzone für die Diode 3. Die Anodenzone der Diode wird durch eine in die Oberfläche der Zone 21 eingebet tete p-dotierte Zone 22 gebildet. Sie ist durch eine Elek trode 27 kontaktiert und mit dem Anschluß 14 verbunden. Der Leistungs-MOSFET 2 hat p-dotierte Basiszonen 23, von denen in Fig. 2 der besseren Übersichtlichkeit halber nur eine einzi ge dargestellt ist. In die Basiszonen 23 sind Sourcezonen 24 eingebettet, sie sind mit einer Elektrode 26 kontaktiert und mit dem Anschluß 12 verbunden. Die Gateelektrode des Leistungs-MOSFET 2 ist mit 25 bezeichnet, sie ist mit dem Anschluß 15 verbunden. An die Unterseite der Zone 21 schließt sich noch eine stärker n-dotierte Zone an, die ihrerseits mit dem Anschluß 10 verbunden ist.

In Fig. 3 ist der Halbleiterkörper 4 mit einer schwach n-dotierten Zone 31 dargestellt, in die der Thyristor 8, der MOSFET 5, die Stromquelle 7 und die Zenerdiode 6 als Lateral strukturen integriert sind. Die Stromquelle ist ein Verarmungs- bzw. Deple tion-FET, dessen Gateanschluß mit dem Sourceanschluß verbun den ist. Der Thyristor 8 besteht aus einer stark p-dotierten Zone 40 (Anodenemitter), einer p-dotierten Zone 42 (Katodenbasis) und einer n⁺-Zone 43 (Katodenemitter). Zur Erzeugung des die Kipptemperatur bestimmenden Nebenschlusses ist die p-Basiszone 42 mit der n-Emitterzone 43 über einen Widerstand 41 verbunden. Die Innenzone des Thyristors ist durch die Zone 31 gebildet.

Der MOSFET 5 und die Stromquelle 7 sind in einer gemeinsamen p-dotierten Wanne 33 angeordnet. Die Sourcezone von 5 ist mit 37 bezeichnet, die Drainzone mit 38. Die Gateelektrode des MOSFET 5 trägt die Bezeichnung 39. Die Stromquelle 7 ist vorzugsweise durch einen Depletion-MOSFET mit der Sourcezone 34 und der Drainzone 35 gebildet. Seine Gateelektrode ist mit 36 bezeichnet. Sie ist mit der Sourcezone 35 verbunden.

Die Zenerdiode 6 besteht aus der schwach n-dotierten Zone 31 des Halbleiterkörpers 4 und einer in die Oberfläche der Zone 31 eingebetteten stark p-dotierten Zone 30. Ihr Anodenkontakt ist eine stark n-dotierte Zone 44 an der gleichen Oberfläche wie die Zone 32.

Entsprechend der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 sind die Zonen 41, 37 und 32 miteinander und mit dem Anschluß 16 verbunden. Ebenso entsprechend sind die Zonen 42 und 34 und die Gateelektrode 39 mit dem Anschluß 17 verbunden. Die Zonen 35, 38 und 44 sind miteinander und mit dem Anschluß 18 ver bunden.

Der Halbleiterkörper 4 steht in thermischem Kontakt mit dem Halbleiterkörper 1. Er kann z. B. auf die Oberseite des Halb leiterkörpers 1 aufgeklebt werden. Er wird elektrisch von diesem durch eine auf die Unterseite des Halbleiterkörpers aufgebrachte Isolierschicht 45 isoliert. Sie kann z. B. aus Siliziumnitrid Si₃N₄ bestehen.

Anstelle der Diode 3 im Halbleiterkörper 1 kann auch ein Bipolartransistor verwendet werden. Dazu muß in die Zone 22 lediglich eine Emitterzone eindiffundiert werden. Dabei wird der Sperrstrom seiner als Diode anzusehenden Basis- und Kollektorzone zur Steuerung des steuerbaren Widerstands benutzt.

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Abschalten eines Leistungs-MOSFET bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur eines in thermischen Kontakt mit dem Leistungs-MOSFET stehenden Thy ristors, der in einem vom Halbleiterkörper (1) des Leistungs-MOSFET (2) getrennten Halbleiterkörper angeordnet ist und dessen Anoden-Katodenstrecke zwischen dem Gateanschluß und dem Sourceanschluß des Leistungs-MOSFET angeschlossen ist dadurch gekennzeichnet, daß in den Halbleiterkörper (1) des Leistungs-MOSFET (2) eine Diode (3) integriert ist, daß der Sperrstrom der Diode dem Steuer eingang eines steuerbaren Widerstands zugeführt wird, daß der steuerbare Widerstand zwischen dem Gateanschluß und dem Sourceanschluß des Leistungs-MOSFET (2) angeschlossen ist und daß der Widerstandswert des steuerbaren Widerstands verrin gert wird, wenn die Temperatur der Diode (3) einen Wert erreicht, der höher ist als die vorgegebene Temperatur.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Widerstand einen weiteren MOSFET (5) enthält, dessen Source-Drainstrecke zwischen dem Gateanschluß und dem Sourceanschluß des Leistungs-MOSFET (2) angeschlossen ist, und daß zwischen dem Gateanschluß und dem Drainanschluß des weiteren MOSFET mindestens eine Zenerdiode (6) und zwischen seinem Gateanschluß und Drainanschluß eine Stromquelle (7) angeschlossen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Widerstand und der Thyristor (8) auf einem einzi gen Halbleiterkörper (4) integriert sind.