DE19618915C1 - Schaltungsanordnung zur Übertemperaturerfassung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Übertemperaturerfassung.

Bei der Entwicklung preiswerter Kleinschaltnetzgeräte besteht eine Möglichkeit einer kostengünstigen Realisierung darin, die Laststrecken eines normalen Hochspannungs-MOSFET-Tran­ sistors und die Laststrecke eines intelligenten Leistungs­ transistors parallel zu schalten. Dabei besitzt die inte­ grierte Schaltung im intelligenten Leistungshalbleiter alle notwendigen Ansteuerschutzfunktionen.

Aus der IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 23, No. 2, April 1988, S. 442-449 ist eine Treiberschaltung für einen Flüssigkristall-Bildschirm bekannt, bei der eine Schaltungs­ anordnung zur Übertemperaturerfassung und eine Kaskodenschal­ tung mit einem ersten Halbleiterelement entnehmbar sind, des­ sen Laststrecke in Reihe zur Laststrecke eines zweiten Halb­ leiterelementes geschaltet ist, wobei der Steuereingang des ersten Halbleiterelements mit einer im wesentlichen konstan­ ten Spannung versorgt wird.

Eine bei einem TEMPFET vorhandene Schaltungsanordnung mit einem Sensorchip zur Übertemperaturerfassung eines Halblei­ terbauelements und mit einer Steuerschaltung, welche im Kurz­ schlußfall das Halbleiterbauelement sperrt, ist aus der Zeit­ schrift Siemens Components 27 (1989) Heft 6, S. 228-232 be­ kannt.

Eine intelligente integrierte Schaltung weist zwar Schutzfunktionen für Kurzschluß der gesamten Anordnung sowie verschiedener spezifischer Schutzfunktionen auf, die sich auf den mit integrierten in Reihe geschalteten Leistungshalbeiter beziehen, bestimmte Parameter des Hochspannungs-MOSFET-Tran­ sistors können jedoch mit dieser integrierten Schaltung nicht überwacht werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine weitere Über­ temperaturerfassungsschaltung für eine Kaskoden­ schaltung bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch den Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind Kennzeichen der Un­ teransprüche.

Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, daß bei stei­ gender Temperatur eines Halbleiterbauelementes der Sperrstrom erhöht wird. Erfindungsgemäß wird dieser Sperrstrom dann er­ faßt und daraus die Temperatur abgeleitet.

Vorteilhafterweise kann diese Sperrstromerfassung durch einen parallel zum zweiten MOSFET geschalteten MOSFET erfaßt wer­ den, welcher eine Stromerfassungseinrichtung ansteuert. Das Aktivieren dieser Stromerfassungseinrichtung kann vorteilhaf­ terweise in der Sperrphase des in Reihe geschalteten MOSFET erfolgen.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn das so erzeugte Über­ temperatursignal der Steuerschaltung für den in Reihe ge­ schalteten Steuer-MOSFET zugeführt wird und diese bei Über­ temperatur ein Leitendschalten des in Reihe geschalteten zweiten MOSFET verhindert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von drei Figuren ner erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Sperrstromerfassungs­ schaltung, und

Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf verschiedener Signale gemäß Fig. 1 und 2.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Hochspannungs-MOSFET-Transistor be­ zeichnet, der drainseitig mit einer Anschlußklemme 3 verbun­ den ist. Der Sourceanschluß ist über die Laststrecke eines zweiten MOSFET 2 mit einem Bezugspotential, z. B. Masse, ver­ bunden. Der Gateanschluß des Hochspannungs-MOSFET-Transistors ist mit einer Anschlußklemme 4 verbunden. Diese ist ebenfalls mit einem ersten Eingang einer Steuerschaltung 6 und mit ei­ nem ersten Eingang einer Stromerfassungsschaltung 5 verbun­ den. Die Stromerfassungsschaltung 5 ist des weiteren mit Masse verschaltet und weist einen weiteren Eingang auf, der mit dem Knotenpunkt der Reihenschaltung der Laststrecken des Hochspannungs-MOSFET-Transistors 1 und des zweiten MOSFET 2 verbunden ist. Die Sperrstromerfassungseinrichtung 5 erzeugt ein Ausgangssignal U_x, welches der Steuereinrichtung 6 zuge­ führt wird. Die Steuereinrichtung 6 ist mit Masse verbunden und erzeugt ein Ausgangssignal U_A, welches dem Gateanschluß des zweiten MOSFET 2 zugeführt wird.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform der Sperrstromerfassungs­ einrichtung 5 dargestellt. Das Gate des MOSFET 1 ist über ei­ nen steuerbaren Schalter 7 und eine in Flußrichtung nachge­ schaltete Diode 8 mit dem Sourceanschluß des Hochspan­ nungs-MOSFET-Transistors 1 verbunden. Die Laststrecke eines p-Ka­ nal-MOSFET 9 ist sourceseitig mit dem Knotenpunkt der Reihen­ schaltung der Laststrecken der beiden Transistoren 1 und 2 verbunden und drainseitig über eine Meßeinrichtung 10 mit Masse verschaltet. Die Meßeinrichtung 10 kann im einfachsten Fall ein Widerstand sein, an dem die zu messende Spannung ab­ fällt. Selbstverständlich sind auch Realisierungen mit Kompa­ ratoren möglich. Der Gateanschluß des p-Kanal-MOSFET 9 ist mit dem Gateanschluß des Hochspannungs-MOSFET-Transistors 1 verschaltet. Die Meßeinrichtung 10 kann ein Ausgangssignal U_x erzeugen, welches der Steuereinrichtung 6 zuführbar ist.

Zur Erfassung der Temperaturerhöhung des Transistors 1 wird der Sperrstrom insbesondere im Kurzschlußfall ermittelt. In Fig. 1 ist dann ein Kurzschluß dargestellt, wenn angenommen wird, daß an der Klemme 3 die Versorgungsspannung V_b ohne Zwischenschaltung einer Last anliegt. Über die Klemme 4 wird der Transistor 1 mit einer konstanten Spannung versorgt. Die Steuereinrichtung 6 leitet aus dieser Spannung ein pulswei­ tenmoduliertes Signal A zur Ansteuerung des Transistors 2 ab. Wird der Transistor 2 durch das Signal U_A leitend geschaltet, so fließt ein limitierter Kurzstrom durch beide Transistoren 1 und 2. Der Schalter 7 ist in diesem Zustand ausgeschaltet. Die zugehörigen Spannungsverläufe sind hier in Fig. 3 näher dargestellt. Hierbei ist U_A der Spannungsverlauf am Gate des Transistors 2 und U_B der Spannungsverlauf der Steuerspannung des Schalters 7. Mit I_C durch den Transistor 2 und mit I_D der Strom durch den Transistor 1 dargestellt. U_E bezeichnet die Spannung am Knotenpunkt der Reihenschaltung der Laststrecken der beiden Transistoren 1 und 2.

Nach dem Zeitpunkt t₁ sind beide Transistoren leitend ge­ schaltet und es fließt der Kurzschlußstrom I_D, der den Tran­ sistor 1 erhitzt. Als Reaktion auf den Kurzschluß sperrt die Steuerschaltung 6 kurz darauf den Transistor 2. Danach wird der Schalter 7 über das Steuersignal U_D eingeschaltet und es fließt ein Strom über den Transistor 9 in den Stromdetektor 10, der bei Erhöhung um einen vorgegebenen Wert ein Ausgangs­ signal U_x, welches eine Übertemperatur des Transistors 1 an­ zeigt. Der p-Kanal-MOSFET 9 läßt nur den Sperrstrom des Tran­ sistors 1 und diesen auch nur im abgeschalteten Zustand durch.

Die Streuinduktivitäten und die Abschalttransienten wurden, der Einfachheit halber, außer Acht gelassen, weil sie, im Vergleich zur Abschaltperiode, kurz sind und so unterdrückt werden können.

Wenn der gemessene Sperrstrom die Reaktionsgrenze überschrei­ tet und das Ausgangssignal U_x erzeugt wird, so sperrt die Steuereinrichtung 6 für die nächste Einschaltperiode den Transistor 2. Hierzu kann in der Steuereinrichtung 6 eine ge­ eignete Logik auf einfache Weise realisiert werden. Der Schalter 7 kann zweckmäßigerweise z. B. ein MOSFET sein und die Diode 8 kann z. B. eine MOS-Diode sein. Zur Realisierung des Stromdetektors 10 kann z. B. ein Depletion-Transistor mit einem nachgeschalteten Komparator verwendet werden.

Anstelle eines Hochspannungs-MOSFET-Transistors kann selbst­ verständlich auch ein Hochspannungs-IGBT oder ein anderes ge­ eignetes Halbleiterbauelement verwendet werden. Der zweite MOSFET 2 muß lediglich eine Spannungsfestigkeit kleiner 50 V besitzen und kann zusammen mit der Steuerschaltung 6 auf ei­ nem Chip integriert sein oder mittels einer Zwei-Chip-Lösung in einem Gehäuse integriert werden.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zur Übertemperaturerfassung eines er­ sten Halbleiterbauelements (1), dessen Laststrecke in Reihe zur Laststrecke eines zweiten Halbleiterbauelements (2) ge­ schaltet ist, wobei der Steuereingang (4) des ersten Halblei­ terbauelements mit einer im wesentlichen konstanten Spannung versorgt wird, mit einer Steuerschaltung (6) zur Ansteuerung des zweiten Halbleiterbauelements, welches im Kurzschlußfall das zweite Halbleiterbauelement sperrt, wobei eine Anordnung (5) zur Erfassung des Sperrstroms des ersten Halblei­ terbauelements (1) vorgesehen ist, welche den Sperrstrom des ersten Halbleiterbauelements (1) erfaßt, wenn das zweite Halbleiterbauelement (2) gesperrt wird, wobei der Sperrstrom ein Maß für die Temperatur des ersten Halbleiterbauelements (1) ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem Steueranschluß des ersten Halbleiterbauelements (1) und dem Knotenpunkt der Reihenschaltung der Laststrecken des er­ sten Halbleiterbauelements (1) und des zweiten Halbleiter­ bauelements (2) eine Reihenschaltung aus einem steuerbaren Schalter (7) und einer Diode (8) in Flußrichtung geschaltet ist,
und daß ein MOSFET (9) von anderem Leitungstyp als dem der beiden Halbleiterbauelemente (1, 2) vorgesehen ist, dessen Laststrecke einerseits mit dem Knotenpunkt und andererseits mit einer Strommeßeinrichtung (10) verbunden ist und dessen Gateanschluß mit der Steuerelektrode des ersten Halbleiter­ bauelements (1) verschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Strommeßeinrichtung (10) ein Steuersignal erzeugt, das der Steuerschaltung (6) zugeführt wird und die Steuerschaltung (6) bei Übertemperatur ein Leitendschalten des zweiten Halb­ leiterbauelements (2) unterbindet.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strommeßeinrichtung (10) ein Depletion-MOSFET mit nachge­ schaltetem Komparator ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Halbleiterbauelement ein Hochspannungs-MOSFET-Transistor ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Halbleiterbauelement ein IGBT ist.