DE19742169A1

DE19742169A1 - Halbleiterschalter

Info

Publication number: DE19742169A1
Application number: DE19742169A
Authority: DE
Inventors: Rainald Dipl Phys Sander; Chihao Dr Ing Xu
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1997-09-24
Filing date: 1997-09-24
Publication date: 1999-04-01
Anticipated expiration: 2017-09-25
Also published as: DE19742169C2; US6034448A

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterschalter, insbesondere einen MOS-Highside-Leistungsschalter, mit zumindest einem Leistungstransistor zum Treiben einer Last, und einem Schalt kreis zur Ansteuerung des Leistungstransistors über ein ex ternes Steuersignal durch Aufsteuerung des Leistungs transistors über sein Gate.

Die Problematik bei derartigen Halbleiterschaltern und insbe sondere MOS-Schaltern ist die technologisch bedingt inte grierte Diode im MOS-Leistungstransistor. Im Falle der Verpo lung der Betriebsspannung leitet diese Diode den gesamten Laststrom über den MOS-Leistungstransistor mit mindestens ei ner Diodenspannung. Diese Verlustleistung bei Verpolung im MOS-Leistungstransistor ist wesentlich höher als die Verlust leistung bei richtiger Polung der Betriebsspannung, wenn der MOS-Leistungstransistor aufgesteuert ist und ein Spannungsab fall über diesen Transistor anliegt, der wesentlich kleiner einstellbar ist als die vorstehend genannte Diodenspannung. Die erhöhte Verlustleistung des MOS-Leistungstransistors muß bei der Applikation des MOS-Schalters berücksichtigt werden, d. h. es müssen Maßnahmen getroffen sein, um diese Verlustlei stung abführen zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs ge nannten Halbleiterschalter so auszulegen, daß auch bei Auf treten einer Verpolung eine Verlustleistung vermieden wird, die höher ist als im Fall der richtigen Polung.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un teransprüchen angegeben.

Demnach besteht die erfindungsgemäße Maßnahme zur Vermeidung einer erhöhten Verlustleistung im Fall einer Verpolung darin, daß der MOS-Leistungstransistor über sein Gate auch im Fall einer Verpolung niederohmig aufgesteuert wird. Dadurch wird gewährleistet, daß auch bei Verpolung keine größere Verlust leistung auftritt als bei richtiger Polung.

Zur Aufsteuerung des MOS-Leistungstransistors bei verpolter Stromzuführung dient erfindungsgemäß ein Hilfsschaltkreis, der vorteilhafterweise einen MOS- bzw. einen bipolaren Tran sistor aufweist, der so geschaltet ist, daß er bei Verpolung als Diode arbeitet, die den Ansteuerschaltkreis aktiviert, welche den MOS-Leistungstransistor über dessen Gate aufsteu ert.

Der Ansteuerschaltkreis kann in an sich beliebiger Weise auf gebaut sein. Vorteilhafterweise umfaßt der Ansteuerschalt kreis einen MOS- bzw. einen bipolaren Transistor, der über den Schalter zur Aktivierung des MOS-Leistungstransistors eingeschaltet wird und einen weiteren MOS- bzw. bipolaren Transistor treibt, der mit dem Gate des MOS-Leistungstransi stors verbunden ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zwischen Kollektor/Source des jeweiligen Transistors des An steuerschaltkreises und die Spannungsversorgung ein Wider stand geschaltet, dessen Widerstandswert so gewählt ist, daß bei Verpolung am jeweiligen Kollektor bzw. der jeweiligen Source eine hohe Spannung anliegt. Außerdem hat dieser Wider stand die Funktion, bei einer Verpolung den Strom durch eine technologisch bedingte Diode zu begrenzen, die bei integrier ten Transistoren parallel zu diesen geschaltet ist.

Ferner sind vorteilhafterweise Schutzmaßnahmen für die jewei ligen Transistoren vorgesehen, beispielsweise in Gestalt von Strombegrenzungselementen, die in an sich bekannter Weise als Depletiontransistor oder Widerstand ausgelegt sein können.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der eine einzige Figur enthaltenden Zeichnung beispielhaft näher erläutert, die eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen MOS-Schalters zeigt.

Der MOS-Schalter weist einen MOS-Leistungstransistor M1 auf, der an die positive Versorgungsspannung V_bb angeschlossen ist, und an den ausgangsseitig eine Last Z_L angeschlossen ist, der durch den Transistor M1 ein Strom I_L zugeführt wird.

In dem in der Figur gezeigten Schaltschema sind bei richtiger Polung der Betriebsspannung erhaltene Potentialwerte, bezogen auf eine positive Betriebsspannung von 12 V angegeben. In Klammern sind Potentialangaben bei einer Verpolung angegeben.

Technologisch bedingt ist in den MOS-Leistungstransistor eine Diode D1 integriert, die, wie eingangs erläutert, im Falle einer Verpolung der Versorgungsspannung V_bb den gesamten Laststrom -I_L über den MOS-Leistungstransistor M1 unter zu mindest einer Diodenspannung leitet. Zwischen den Ausgang des MOS-Leistungstransistors und sein Gate ist außerdem eine Zenerdiode D10 als Schutzmaßnahme geschaltet.

Der in der Figur gezeigte MOS-Schalter weist außerdem einen Ansteuerschaltkreis auf, der aus den folgenden Elementen be steht: Einem Umschalter S1 mit Strombegrenzungselement I_S1, das auf Masse liegt; einem Bipolar- oder MOS-Transistor M3 mit Schutzbeschaltungselement D3 (Zenerdiode) und I3 (Stromquelle); einem Bipolar- oder MOS-Transistor M2, eben falls mit Schutzbeschaltungselementen D2 (Zenerdiode) und I2 (Stromquelle) und einer Ladungspumpe LP. Die Stromquellen I3 und I4 können z. B. jeweils als Widerstand ausgebildet sein.

Der Umschalter S1 dient zum Ein- und Ausschalten des MOS-Lei stungstransistors M1 und wird vom Eingang (Input) des MOS-Schalters über ein externes Steuersignal angesteuert. Einge zeichnet ist in der Figur mit durchgezogener Linie der einge schaltete Zustand des Umschalters S1 und strichliert der aus geschaltete Zustand des Umschalters S1. Das Ein- und Aus schalten des MOS-Leistungstransistors M1 erfolgt indirekt über die Transistoren M2 und M3. Wenn der Transistor M3 bei eingeschaltetem Umschalter M1 eingeschaltet ist, schaltet der Transistor M3 seinerseits den Transistor M2 ein. Der Emitter des Transistors M2 liegt am Gate des Transistors M1 an. Zu sätzlich liegt am Gate des Transistors M1 die Ladungspumpe LP, die für den bei einem Highside-Schalter nötige Spannungs überhöhung am Gate des Transistors M1 sorgt, um den Transi stor M1 über das Gate niederohmig zu schalten.

Soweit die Funktionsweise des gezeigten MOS-Schalters, bei richtiger Polung der Versorgungsspannung.

Erfindungsgemäß sind Maßnahmen getroffen, um den Transistor M1 auch bei Verpolung niederohmig schalten zu können.

Hierzu ist in diesem verpolten Betriebszustand eine hohe Ga tespannung am Transistor M1 erforderlich. Diese wird durch einen Hilfsschaltkreis bereitgestellt, der aus einem weiteren Bipolar- oder MOS-Transistor M4 mit einem Schutzschaltungs element I4 (Stromquelle in Form eines Depletiontransistors oder Widerstandes) und einem Widerstand R_bb besteht, der zwi schen die Versorgungsspannung V_bb und den Kollektor des Tran sistors M2 bzw. die Source des Transistors M3 geschaltet ist.

Der Widerstand R_bb hat zwei Funktionen. Zum einen begrenzt er bei Verpolung den Strom durch eine oder mehrere technologisch im integrierten Schaltkreis als IC gebildeten MOS-Schalter integrierte Dioden D_IC, und zum anderen sorgt er bei Verpo lung für eine hohe positive Spannung am Kollektor des Transi stors M2 und der Source des Transistors M3. Das Einschalten des Transistors M3 erfolgt über den Transistor M4 des Hilfs schaltkreises. Der Transistor M4 ist im Fall der Verpolung als MOS-Diode geschaltet und zieht das Gate des Transistors M3 auf niedriges Potential, wobei die Schutzelemente I4 und I3 den Strom zur Masse begrenzen. Dadurch ist der Transistor M1 bei falscher Polung über sein Gate ebenfalls niederohmig aufgesteuert.

Im Normalbetrieb ist der Transistor M4 ausgeschaltet, so daß keine Beeinträchtigungen des MOS-Schalters durch den Hilfs schaltkreis zu befürchten sind. Ist hingegen bei Verpolung der Transistor M3 eingeschaltet, ist auch M2 eingeschaltet und zieht das Gate von M1 zu hohen Potentialen. Dadurch ist der Transistor M1 auch bei Verpolung niederohmig geschaltet und minimiert die Verlustleistung in diesem anormalen Be triebszustand.

Bezugszeichenliste

D1 Diode
D10 Diode
D3 Zenerdiode
D_IC

Integrierte Diode (n)
I₃

Stromquelle
I₄

Stromquelle
I_L

Strom
I_S1

Strombegrenzungselement
LP Ladungspumpe
M1 MOS-Leistungstransistor
M2 Transistor
M3 Transistor
M4 Transistor
R_bb

Widerstand
S1 Umschalter
V_bb

Versorgungsspannung
Z_L

Last

Claims

1. Halbleiterschalter, insbesondere MOS-Highside-Leistungs schalter, mit zumindest einem Leistungstransistor (M1) zum Treiben einer Last (Z_L), und einem Schaltkreis (S1, M2, I2, D2, M3, I3, D3, LP) zur Ansteuerung des Lei stungstransistors (M1) über ein externes Steuersignal durch Aufsteuerung des MOS-Leistungstransistors (M1) über sein Ga te, gekennzeichnet durch einen Hilfsschaltkreis (M4, I4, R_bb) zur Aufsteuerung des MOS-Leistungstransistors (M1) über sein Gate bei verpolter Stromzuführung zum MOS-Schalter.

2. Halbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfs schaltkreis (M4, I4, R_bb) einen MOS- bzw. einen bipolaren Transistor (M4) aufweist, der so geschaltet ist, daß er bei Verpolung als Diode arbeitet, die den Ansteuerschaltkreis (S1, M2, I2, D2, M3, I3, D3, LP) aktiviert, welche den MOS-Leistungstransistor (M1) über sein Gate aufsteuert.

3. Halbleiterschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Transi stor (M4) des Hilfsschaltkreises (M4, I4, R_bb) ein Strombe grenzungselement (I4) zugeordnet ist.

4. Halbleiterschalter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansteuer schaltkreis (S1, M2, I2, D2, M3, I3, D3, LP) einen MOS- bzw. einen bipolaren Transistor (M3) aufweist, der über einen Schalter (S1) eingeschaltet wird und einen weiteren MOS- bzw. bipolaren Transistor (M2) treibt, der mit dem Gate des MOS-Leistungstransistors (M1) verbunden ist.

5. Halbleiterschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansteuer schaltkreis einen Widerstand zwischen der Spannungsversorgung und dem Kollektor bzw. der Source des jeweiligen Transistors aufweist, dessen Widerstandswert so gewählt ist, daß bei Ver polung am jeweiligen. Kollektor bzw. an der jeweiligen Source eine hohe Spannung anliegt.

6. Halbleiterschalter nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß den Transi storen (M2, M3) des Ansteuerschaltkreises (S1, M2, I2, D2, M3, I3, D3, LP) Strombegrenzungselemente (I2, D2, I3, D3) zugeordnet sind.

7. Halbleiterschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lei stungsschalter ein MOS-Leistungsschalter ist.