DE19523010A1 - Schaltungsanordnung aus einem Leistungshalbleiter und einer Ansteuerschaltung dafür - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einer Schaltungsanordnung bestehend aus einem Leistungshalbleiter zum Schalten großer Ströme und einer Ansteuerschaltung dafür, welche sich in einem anwendungsspezifischen, integrierten Schaltkreis (ASIC) befindet, welcher zusammen mit dem Leistungshalbleiter auf einer ge­ meinsamen Schaltungsträgerplatte angeordnet ist.

In moderner Schaltungstechnik wird zum Ansteuern eines Leistungsschalters, sei es ein elektromechanisches Relais oder ein Leistungshalbleiter, z. B. ein Power- MOSFET-Transistor, ein ASIC entwickelt, der die gesamte Ansteuerschaltung enthält. Setzt man zum Schalten größerer Ströme anstelle eines elektromecha­ nischen Relais einen Leistungshalbleiter ein, dann muß man sich besondere Gedanken über einen unter allen Betriebsbedingungen zuverlässigen Schutz des Halbleiters vor Überlastung machen, denn Leistungshalbleiter sind gegenüber einer thermischen Überlastung durch einen zu hohen Laststrom viel empfindli­ cher als elektromechanische Relais. Will man den Leistungshalbleiter vor Zer­ störung schützen, muß eine thermische Überlastung durch einen zu hohen Laststrom zuverlässig erkannt werden, um dann den Laststrom abzuschalten.

Sich selbst schützende Leistungshalbleiter, die die Chip-Temperatur des Halbleit­ ers erfassen, auswerten und den Laststrom bei Überschreiten einer Tempera­ turschwelle abschalten, sind bereits Stand der Technik, z. B. der Leistungshalbleiter Omnifet-VNP 35 N07 von SGS - Thomson. Solche sich selbst schützenden Leistungshalbleiter sind aber erheblich teurer als vergleichbare ungeschützte Mosfet′s, z. B. der Leistungshalbleiter STP 50 N06 vom selben Hersteller: Der sich selbst schützende Leistungshal­ bleiter ist mit ca. DM 2,60 im Vergleich zu DM 1,00 des ungeschützten Leistung­ shalbleiters um 160% teurer. Damit ist der elektronische Schalter im Vergleich zu einem elektromechanischen Relais viel zu teuer, wenn es um Schaltungsanord­ nungen für Massenartikel geht, bei welchen mit dem Pfennig kalkuliert werden muß.

Aus der EP-0 246255 B2 ist es bekannt, daß man elektronische Bauelemente gegen thermische Überlastung durch einen Bimetallschalter schützen kann welcher auf einer keramischen Trägerplatte (Substrat) aufgebaut ist, welche zugleich Träger des elektronischen Bauelements ist. Durch einen solchen Schutzschalter kommt man jedoch auf einen ähnlichen Preis wie bei Verwendung eines sich selbst schützenden Leistungshalbleiters.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie Leistungshalbleiter, die in Massenprodukten zum Einsatz kommen sollen, preiswerter gegen thermische Überlastung geschützt werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung bietet eine Lösung für Anwendungsfälle, in denen die Geräte, in welchen die Leistungshalbleiter arbeiten sollen, in so großer Stückzahl gebaut werden, daß es sich lohnt, für die Ansteuerung der Leistungshalbleiter einen an­ wendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) zu entwickeln. In diesen Fällen kann in den ASIC problemlos ein Temperaturfühler zusammen mit einer Auswerteschaltung integriert werden, welche die vom Temperaturfühler gelieferte Meßgröße erfaßt, mit einer vorgegebenen Schwelle vergleicht und bei Über­ schreiten der Schwelle ein Steuersignal erzeugt, welches an den Leistungshal­ bleiter übermittelt wird, um dessen Laststrom abzuschalten oder mindestens zu begrenzen.

Die Integration eines Temperaturwächters in den ASIC ist aber nur ein Teil der Erfindung. Die Integration eines Temperaturwächters in den ASIC wird er­ findungsgemäß damit kombiniert, daß der ASIC und der Leistungshalbleiter auf einer gemeinsamen Schaltungsträgerplatte angeordnet werden, welche eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat, nämlich auf eine vorwiegend metallische Schaltung­ strägerplatte, auf welcher sich eine lediglich dünne elektrisch isolierende Schicht befindet, welche ihrerseits in an sich bekannter Weise die erforderlichen Leiter­ bahnen trägt. Die isolierende Schicht kann dünn sein, weil nicht sie, sondern die metallische Platte für die erforderlich mechanische Stabilität der Schaltung­ strägerplatte verantwortlich ist. Die isolierende Schicht bietet dem Wärmestrom vom Leistungshalbleiter auf die Metallplatte deshalb einen hinreichend niedrigen Widerstand, so daß die im Leistungshalbleiter erzeugte Verlustwärme relativ ungehindert vom Leistungshalbleiter über die metallische Platte auf den ASIC und damit auf den Temperaturwächter übertragen wird. Vorzugsweise ist die isolierende Schicht lediglich 50 µm bis 100 µm dick, wohingegen die Metallplatte vorzugsweise zwischen 1 mm und 5 mm dick ist; die untere Grenze der Dicke der Metallplatte wird wesentlich durch die gewünschte mechanische Stabilität bes­ timmt, die obere Grenze der Dicke der Metallplatte durch die gewünschte Wär­ mekapazität. Bei niedrigerer Wärmekapazität der Metallplatte spricht der Temperaturwächter schneller an, bei höherer Wärmekapazität langsamer. Eine höhere Wärmekapazität hat den Vorteil, daß Temperaturanstiege infolge eines langsameren, vorübergehenden Ansteigens des Laststromes abgepuffert werden können und nicht zu einem unnötigen Abschalten des Leistungshalbleiters führen. Muß man jedoch mit steileren Anstiegen des Laststromes und damit der Temperaturbelastung des Leistungshalbleiters rechnen, dann wird es günstiger sein, eine dünne Metallplatte zu wählen und den ASIC dicht neben dem Leistung­ shalbleiter anzuordnen, vorzugsweise in seiner unmittelbaren Nachbarschaft. Weiterhin wird es bevorzugt, den Leistungshalbleiter nicht nur auf die Schaltung­ strägerplatte aufzulöten, sondern ihn mittels einer Druckfeder auf die Schaltung­ strägerplatte zu drücken, um für einen dauerhaft guten Wärmeübergang vom Gehäuse des Leistungshalbleiters auf die Schaltungsträgerplatte zu sorgen.

Die mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Lösung ist sehr preiswert. Metallische Schaltungsträgerplatten stehen als Alternative zu Schaltungsträger­ platten aus Pertinax, Epoxidharz oder Aluminiumoxid handelsüblich zur Ver­ fügung. Der ASIC verteuert sich durch die Integration eines Temperaturwächters nur unwesentlich, da er einen prinzipiell einfachen Aufbau hat.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in der beigefügten Zeich­ nung dargestellt, welche die Anordnung eines Leistungshalbleiters 1 und eines ASIC 2 nebeneinander auf einer gemeinsamen Schaltungsträgerplatte 3 zeigt welche aus einer zwischen 1 mm und 5 mm dicken Metallplatte 4 besteht, welche einseitig mit einer ungefähr 70 µm dicken Isolierschicht 5 aus einem Kunststoff oder aus einer Keramik bedeckt ist, welche in an sich bekannter Weise Leiter­ bahnen 6 aus Kupfer trägt, welche typisch 35 µm dick sind. Der Leistungshalb­ leiter 1 hat an der Unterseite seines Gehäuses in an sich bekannter Weise eine metallische Platte 7, welche die Verlustwärme des Leistungshalbleiters aufnimmt und in die Schaltungsträgerplatte 3 überträgt. Eine Blattfeder 8, welche an ihrem einen Ende mit der Schaltungsträgerplatte 3 verschraubt ist, liegt mit ihrem an­ deren, freien Ende auf der Gehäuseoberseite des Leistungshalbleiters 1 und drückt diesen zur Erzielung eines guten und dauerhaften Wärmeübergangs gegen die Schaltungsträgerplatte 3.

In entsprechender Weise könnte auch der ASIC, welcher den Temperaturwächter enthält, gegen die Schaltungsträgerplatte gedrückt werden. Der Betrieb des ASIC verfälscht die Temperaturmessung nicht, da der ASIC als reiner Steuerschaltkreis praktisch keine Verlustwärme erzeugt.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung bestehend aus einem Leistungshalbleiter (1) zum Schalten großer Ströme und einer Ansteuerschaltung dafür, welche sich in einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC 2) befindet, welcher mit dem Leistungshalbleiter (1) auf einer gemeinsamen Schaltung­ strägerplatte (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schal­ tungsträgerplatte (3) aus einer Metallplatte (4) besteht, welche mit einer elektrisch isolierenden Schicht (5) versehen ist, die wesentlich dünner als die Metallplatte (4) ist und ihrerseits elektrische Leiterbahnen (6) trägt, und daß in den ASIC (2) ein Temperaturwächter integriert ist, welcher den Leistungshalbleiter (1) bei Auftreten einer thermischen Überlastung abschal­ tet oder seine Leistung begrenzt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte (4) zwischen 1 mm und 5 mm dick ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Schicht (5) zwischen 50 µm und 100 µm dick ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Leistungshalbleiter (1) auf die Schaltung­ strägerplatte (3) drückende Feder (8) vorgesehen ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der ASIC (2) in unmittelbarer Nachbarschaft des Leis­ tungshalbleiters (1) angeordnet ist.