DE19606100C2 - Integrierte Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines Leistungs-MOSFET mit sourceseitiger Last, insbesondere geeignet für die Verwendung im Kraftfahrzeugbereich - Google Patents

Integrierte Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines Leistungs-MOSFET mit sourceseitiger Last, insbesondere geeignet für die Verwendung im Kraftfahrzeugbereich

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Schaltungsan­ ordnung zum Ansteuern eines durch Feldeffekt steuerbaren Leistungs-Halbleiterbauelements mit sourceseitiger Last.
Solche Schaltungsanordnungen sind Bestandteil sogenannter "SMART-FET". Diese sind im Handel erhältlich, ihre Spezifika­ tion und ihr Aufbau ist den einschlägigen Datenbüchern zu entnehmen. Der prinzipielle Aufbau einer solchen Schaltungs­ anordnung ist in Fig. 4 dargestellt, die prinzipielle Inte­ gration in Fig. 5. Anhand dieser Figuren wird die der Erfin­ dung zugrundeliegende Aufgabe erläutert.
In Fig. 4 ist das Leistungs-Halbleiterbauelement ein Lei­ stungs-MOSFET 1. Ihm ist sourceseitig eine Last 2 in Reihe geschaltet, der ein Generator 3 parallel geschaltet ist. Die Reihenschaltung aus 1, 2 bzw. 3 liegt an einer Betriebsspannung Vbb derart, daß der Drainanschluß D auf dem Potential Vbb liegt.
Leistungs-MOSFET mit sourceseitiger Last benötigen zum Ein­ schalten bekanntlich ein Gatepotential, das höher ist als das Drainpotential. Dieses Potential wird z. B. durch eine La­ dungspumpe 7 erzeugt, die Teil einer integrierten Steuer­ schaltung 4 ist, die zum Ansteuern des Leistungs-MOSFET 1 dient. Da das Bezugspotential für die Steuerschaltung im all­ gemeinen Masse ist, muß die Ladungspumpe 7 eine Spannung er­ zeugen, die höher ist als die Spannung Vbb. Die Gate-Source­ spannung UGS von 1 ist zwischen dem Gateanschluß G und dem Sourceanschluß S im allgemeinen mindestens durch eine Zener­ diode 8 begrenzt. Die Steuerschaltung 4 hat einen Steuerein­ gang mit den Anschlüssen 5, 6. Durch Anlegen einer Eingangs­ spannung Uin an die Anschlüsse 5, 6 wird die Ladungspumpe 7 in Betrieb gesetzt und der Leistungs-MOSFET 1 wird leitend gesteuert.
Beim Betrieb eines Bordnetzes z. B. in KFZ erzeugt üblicher­ weise der Generator 3 einen Strom für die Last 2 und zum Auf­ laden der Batterie auf die Betriebsspannung Vbb. Die vom Ge­ nerator erzeugte Spannung muß daher größer sein als Vbb. Die Batterie kann aber nur dann aufgeladen werden, wenn der Lei­ stungs-MOSFET 1 leitend gesteuert bleibt. Ein Aufladen durch die dem Leistungs-MOSFET 1 antiparallel geschaltete parasi­ täre Diode ist nicht erwünscht, da hier hohe Verluste auf­ grund der hohen Schwellenspannung eintreten würden. Auf der an­ deren Seite ist aber auch nicht sichergestellt, daß der Lei­ stungs-MOSFET 1 mit Hilfe der Ladungspumpe 7 der integrierten Schaltung 4 eingeschaltet bleibt, da auch die integrierte Steuerschaltung 4 mindestens eine parasitäre Diode aufweist, die mit 9 bezeichnet ist. Sie ist über einen Ausgang der Steuerschaltung mit dem Sourceanschluß und über einen Versor­ gungsspannungsanschluß der Steuerschaltung mit dem Drainan­ schluß des Leistungs-MOSFET 1 verbunden.
Wird im Generatorbetrieb das Sourcepotential größer als das Drainpotential, so beginnt die parasitäre Diode 9 zu leiten. Sie schaltet einen parasitären Bipolartransistor ein, der zwischen Gateanschluß G und Drainanschluß D des Leistungs- MOSFET 1 angeschlossen ist. Das Einschalten des parasitären Bipolartransistors verhindert, daß das Gatepotential größer als das Drainpotential wird. Der Leistungs-MOSFET 1 kann da­ her bei Generatorbetrieb nicht eingeschaltet werden.
In Fig. 5 ist die integrierte Version der Steuerschaltung nach Fig. 4 dargestellt. In einem schwach n-dotierten Halb­ leiterkörper 11 ist eine p-dotierte Wanne 12 eingebettet, in die wiederum eine stark n-dotierte Zone 17 eingebettet ist. Die Zone 17 bildet die Kathodenzone der Schutzdiode 8, die pa­ rasitäre Diode 9 ist durch die p-Wanne 12 und die n-dotierte Zone 11 gebildet. Die Zone 17 ist analog der Schaltung nach Fig. 4 über einen Kontakt mit dem Ausgang der Ladungspumpe 7 verbunden und mit dem Gateanschluß des Leistungs-MOSFET 1. Dieser ist üblicherweise in den gleichen Halbleiterkörper in­ tegriert und hat eine p-dotierte Basiszone 14 und darin ein­ gebettete Sourcezonen 15. Die Zonen 14 und 15 sind kontak­ tiert und über einen Kontakt mit der Wanne 12 verbunden. Die Wanne 12 liegt damit auf Sourcepotential. Ist der Generator nicht in Betrieb, ist das Drainpotential des MOSFET 1 höher als sein Sourcepotential. Die parasitäre Diode 9 ist damit gesperrt, ebenso ist der parasitäre, aus den Zonen 17, 12 und 11 gebildete Bipolartransistor 13 gesperrt. Im Generatorbe­ trieb ist wie erwähnt das Sourcepotential höher als das Drainpotential, damit leitet die parasitäre Diode 9 und der parasitäre Bipolartransistor 13 wird eingeschaltet. Damit fließt ein Strom zwischen der Zone 17 und der Zone 11, d. h. zwischen der Ladungspumpe 7 und dem Anschluß Vbb. Die Span­ nung am Gate des Leistungs-MOSFET 1 sinkt daher und er kann nicht mehr eingeschaltet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsan­ ordnung der beschriebenen Art so weiterzubilden, daß ein sicheres Leitendsteuern des Leistungs-MOSFET auch dann noch möglich ist, wenn das Sourcepotential höher wird als das Drainpotential, wobei die Verlustleitung genug ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der parasitären Diode eine weitere Diode in Antiserie geschaltet ist.
Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Er­ findung wird anhand zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 das Prinzip der Erfindung,
Fig. 2 eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung,
Fig. 3 die integrierte Version eines Teils der Schaltung nach Fig. 2,
Fig. 4 und 5 den eingangs erläuterten Stand der Technik. Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 unterscheidet sich vom in Verbindung mit Fig. 4 beschriebenen Stand der Technik da­ durch, daß der parasitären Diode 9 eine weitere Diode 10 in Antiserie geschaltet ist. Die Diode 10 kann so mit der Diode 9 verbunden sein, daß entweder ihre Anodenzonen oder ihre Ka­ todenzonen miteinander verbunden sind. Sie kann in die Steu­ erschaltung integriert oder diskret ausgebildet sein. Wird nun das Sourcepotential des MOSFET 1 größer als das Drainpo­ tential, so kann durch die Diode 9 kein Strom fließen. Damit kann auch der in Fig. 5 dargestellte parasitäre Bipolartran­ sistor 13 nicht eingeschaltet werden. Der Leistungs-MOSFET 1 bleibt damit auch bei Umkehr der Spannung an seiner Drain- Sourcestrecke eingeschaltet. Der Generator 3 kann damit die Batterie über den MOSFET 1 niederohmig aufladen, so daß nur geringe Verluste entstehen.
Die weitere Diode 10 kann, wie in Fig. 3 dargestellt, durch eine in die Wanne 12 integrierte stark n-dotierte Zone 26 realisiert werden. Die Zone 26 bildet die Kathodenzone der Diode 10, die Wanne 12 die Anodenzone.
Ist die weitere Diode 10 in die Steuerschaltung integriert, kann sie unter bestimmten Voraussetzungen ebenfalls parasi­ täre Bipolarstrukturen einschalten. Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 kann daher wie in Fig. 2 dargestellt weiterge­ bildet werden. Die Steuerschaltung 4 enthält einen Depletion- FET 20, der der Diode 10 parallel geschaltet ist. Der Gatean­ schluß von 20 ist über einen Anschluß 25 und einen Widerstand mit dem Ausgang eines Komparators 21 verbunden. Der Kompara­ tor 21 hat einen ersten Eingang 23, der mit dem Drainanschluß von 1 verbunden ist und einen zweiten Eingang 24, der mit dem Sourceanschluß von 1 verbunden ist. Dar Depletion-MOSFET 20 wird vom Komparator 21 dann leitend gesteuert, wenn die Span­ nung am Eingang 23 größer ist als die Spannung am Eingang 24 des Komparators 21, d. h. wenn das Drainpotential höher ist als das Sourcepotential des Leistungs-MOSFET 1. Wird das Sourcepotential höher als das Drainpotential, so tritt am Ausgang des Komparators 21 eine Spannung auf, die den MOSFET 20 sperrt. Damit kann durch die parasitäre Diode 9 kein Strom fließen und der Leistungs-MOSFET 1 bleibt über die Ladungs­ pumpe 7 sicher eingeschaltet. Zur Einstellung des Ar­ beitspunktes des Depletion-FET 20 ist dessen Gateanschluß mit dem Sourceanschluß über eine Diode 19 verbunden.
In der integrierten Schaltung nach Fig. 3 ist der Deple­ tion-FET 20 ein Lateral-FET, dessen Drainzone dessen Drainzone die Zone 26 ist. Im Abstand davon ist eine stark n-dotierte Sour­ cezone 27 angeordnet. Drain- und Sourcezone sind durch eine schwach n-dotierte Kanalzone 28 miteinander verbunden. Die Sourcezone 27 ist über einen ohmschen Kontakt an die p-do­ tierte Wanne 12 angeschlossen. Die Gateelektrode des MOSFET 20 ist über einen Anschluß 25 mit dem Ausgang des Komparators 21 (Fig. 2) verbunden. Im übrigen entspricht die integrierte Struktur nach Fig. 3 der nach Fig. 5.

Claims (5)

1. Integrierte Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines durch Feldeffekt steuerbaren Leistungs-Halbleiterbauelementes (1) mit sourceseitiger Last (2), mit einer zwischen dem Gatean­ schluß (G) und dem Sourceanschluß (S) des Leistungs- Halbleiterbauelementes (1) angeschlossenen Steuerschaltung (4), die den Gateanschluß (G) des Leistungs-Halbleiterbauele­ mentes(1) mit einem Gatepotential ansteuert, das höher ist als dessen Drainpotential, wobei
  • a) die Steuerschaltung (4) in eine Wanne (12) vom ersten Lei­ tungstyp integriert ist,
  • b) die Wanne (12) in eine Zone (11) eines Halbleiterkörpers vom zweiten Leitungstyp eingebettet ist,
  • c) die Zone (11) mit dem Drainanschluß (D) des Leistungs- Halbleiterbauelements (1) verbunden ist und mit der Wanne (12) einen pn-Übergang (16) bildet,'
  • d) die Wanne (12) elektrisch mit dem Sourceanschluß (S) des Leistungs-Halbleiterbauelements (1) verbunden ist,
  • e) mit einer in der Steuerschaltung angeordneten parasitären Diode (9), die durch die Wanne (12) und die Zone (11) gebildet ist und die zwischen Drainanschluß (D) und Sourceanschluß (5) des Leistungs-Halbleiterbauelements (1) angeschlossen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der para­ sitären Diode (9) eine weitere Diode (10) in Antiserie ge­ schaltet ist.
2. Integrierte Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wei­ teren Diode (10) ein steuerbarer Schalter (20) parallel geschaltet ist, der leitend gesteuert ist, wenn das Drainpotential des Leistungs-Halbleiterbauelements (1) näher ist als sein Sour­ cepotential und der gesperrt ist, wenn das Sourcepotential des Leistungs-Halbleiterbauelements höher ist als sein Drain­ potential.
3. Integrierte Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der steu­ erbare Schalter ein MOSFET (20) ist, dessen Gateanschluß mit dem Ausgang eines Komparators (21) verbunden ist und daß der eine Eingang (23) des Komparators mit dem Drainanschluß und der andere Eingang (24) des Komparators mit dem Sourcean­ schluß des Leistungs-Halbleiterbauelements verbunden ist.
4. Integrierte Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der MOS­ FET ein Depletion-FET ist, dessen Drainzone (26) durch die Kathodenzone der integrierten Diode gebildet ist und daß seine Sourcezone (27) mit der Wanne (12) elektrisch verbunden ist.
5. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die Wanne (12) eine Schutzdiode (17) integriert ist, die zwischen Gateanschluß und Sourceanschluß des Leistungs-Halbleiterbau­ elementes (1) angeschlossen ist.
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