DE19745040C2

DE19745040C2 - Anordnung und Verfahren zum Messen einer Temperatur

Info

Publication number: DE19745040C2
Application number: DE19745040A
Authority: DE
Inventors: Peter Hille
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1997-02-10
Filing date: 1997-02-10
Publication date: 2003-03-27
Anticipated expiration: 2017-02-11
Also published as: WO1998035440A1; US6504697B1; WO1998035441A1; EP0958656A1; DE19745040A1; JP2000513816A

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum Messen einer Temperatur, insbesondere für Hochleistungshalbleiter.

Es ist bekannt, elektrische Verbraucher mit hoher Leistung durch Elemente wie mechanische Relais zu schalten. Diese sind jedoch nur bedingt zuverlässig und besonders gegenüber mechanischen Belastungen empfindlich. In zunehmendem Maße werden integrierte Halbleiterschalter zum Schalten von elektrischen Verbrauchern mit hoher Leistung eingesetzt, da diese Halbleiterschalter eine höhere Zuverlässigkeit und eine geringe Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Erschütterungen aufweisen. Der Nachteil liegt jedoch darin, daß diese Bauelemente ihrer p/n-Sperrschichten wegen gegenüber elektrischer und/oder thermischer Überlastung erheblich empfindlicher sind als mechanische Relais.

Dauerhafter Betrieb bei hohen Temperaturen nahe der maximal zulässigen Sperrschichttemperatur beschleunigt die Degradation des Halbleiter-Bauelements, zudem ist die Empfindlichkeit gegenüber anderen Überlastbedingungen erhöht. Überstrom gefährdet das Halbleiter-Bauelement auf zwei Arten. Einerseits kann es durch Überschreiten der zulässigen Stromdichten zur Schädigung der Metallisierung und/oder des Bondsystems kommen. Andererseits besteht die Gefahr, daß der Überstrom zu einer extrem stark ansteigenden Verlustleistung und damit das Überschreiten der maximalen Sperrschichttemperatur zum Bauelementausfall führt.

Überlastschutzeinrichtungen für Leistungshalbleiter sind in verschiedenen Varianten bekannt. Der Schutz konzentriert sich im wesentlichen auf die Überwachung der Sperrschichttemperatur (on-Chip-Temperaturmessung), wie in DE 41 22 653 C2 offenbart oder die Überwachung des Laststroms des Leistungshalbleiters, wie aus DE 43 20 021 A1 bekannt ist.

Bei monolithisch integrierten Leistungshalbleiterschaltern, sogen. Smart-Power- Schaltkreisen, findet häufig eine Temperaturüberwachung mit einem Sensor Verwendung, der in thermischem Kontakt zu der den Hauptstrom schaltenden Halbleitersperrschicht steht. In der Patentschrift DE 41 22 653 C2 ist offenbart, einige der Schaltzellen der Schalteinrichtung besonders schwach zu dimensionieren und dort deren Sperrschichttemperatur direkt zu messen, so daß an diesen künstlich erzeugten Schwachstellen die höchste Bauelementtemperatur gemesssen wird. Bei Überschreiten einer maximalen lokalen Bauelementtemperatur wird der Schalter abgeschaltet, ohne daß die anderen Schaltzellen des Schalters thermisch überlastet werden. Diese Anordnung stellt jedoch erhebliche Anforderungen an die Technologie dar und erfordert z. B. zusätzliche Kontaktanschlüsse für den Temperatursensor. Die Alternative, die Bauelementtemperatur sperrschichtfern, z. B. am Gehäuse, zu bestimmen, führt wegen der großen räumlichen Distanz zu etwaigen thermisch belasteten Sperrschichten zu nicht tolerierbaren Zeitverzögerungen bei einem plötzlichen Temperaturanstieg und damit letzlich zur Zerstörung der Sperrschicht.

Aus Patent Abstracts of Japan JP 1-196858 A ist ein Transistor mit Sperrschichttemperaturüberwachung bekannt.

Eine Anordnung zum Überlastschutz von Halbleiterbauelementen mit den Merkmalen entsprechend des Oberbegriffs des unabhängi gen Anspruchs ist aus der DE 38 21 460 C2 bekannt. Aus diesem Dokument ist hauptsächlich eine Anordnung zum Überlastschutz eines integrierten Halbleiterbauelementes bekannt, das einen Schalter enthält, an welchen ein Last- und Steuerkreis ange schlossen ist. Weiterhin hat dabei der integrierte Temperatursensor seinen Temperaturmesspunkt unter anderem auch an einem elektrischen Anschluss des Schalters und dieser elekt rische Anschluss dient ebenfalls gleichzeitig der elektrischen Kopplung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Außentemperatur eines Bauelements, insbesondere eines kontaktlosen Schalters, auf einfache Weise zu messen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterführende und vorteilhafte Ausgestaltungen sind den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen. Durch die Erfindung ist es möglich, die Bauelementttemperatur mit weniger Aufwand zu ermitteln und zu überwachen.

Die Erfindung geht davon aus, bei einem Schalter, welcher Last- und Steuerkreis aufweist, durch die Kombination von Restspannungsüberwachung und Temperaturüberwachung die aktive, zu steuernde Zone J bzw. die aktiven, zu steuernden Zonen J des Schalters vor Überlastung zu schützen. Durch die erfindungsgemäße Anordnung zur Temperaturmessung und ein vorteilhaftes Kompensationsverfahren wird der Überlastschutz weiter verbessert.

Der Steuerkreis wird so dimensioniert, daß zur Begrenzung des maximalen, im Schalter fließenden Laststroms die thermischen Widerstände berücksichtigt werden, welche den Wärmeabfluß zwischen der und/oder den aktiven Zonen J im Innern des Schalterkörpers, die durch Verlustleistung besonders in Mitleidenschaft gezogen sind und einem Temperatursensor an der Außenwelt des Schalterkörpers behindern. Damit wird erreicht, daß die maximal zulässige Temperatur an der aktiven, zu steuernden Zone J des Schalters nicht überschritten werden kann.

Die Erfindung kann bevorzugt für Schalter eingesetzt werden, welche mit Verlustleistung behaftet sind, besonders bevorzugt für MOSFET-Schalter.

Vorteilhaft ist, daß durch die Dimensionierung derartige Schalter in einem weiteren Leistungsbereich ausgenutzt werden können als üblich. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist die Dimensionierung nicht mehr eine "Worst-Case"-Abschätzung. Der maximale Laststrom im Schalter wird zuverlässig begrenzt. Daher ist es möglich, den Schalter im Dauerbetrieb nahe der Maximaltemperatur zu betreiben, ohne daß kurze, nicht oder nur verzögert erkennbare Temperaturspitzen eine aktive, zu steuernde Zone J im Schalterkörper zerstören können. Es entfällt die Notwendigkeit einer schnellen Temperaturmessung zur Temperaturüberwachung, insbesondere von Temperaturspitzen an der aktiven Zone J, so daß zweckmäßigerweise preiswerte, einfache und auch langsamere Temperaturmeßverfahren eingesetzt werden können.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß es durch die Dimensionierung des Schalter- Steuerkreises möglich wird, die Temperatur des Schalters nicht sperrschichtnah, sondern zweckmäßigerweise gehäusenah zu messen, was die Meßanordnung vereinfacht. Erfindungsgemäß wird dabei zur Temperaturmessung ein Bipolar-Transistor oder eine Diode eingesetzt.

Erfindungsgemäß wird einer der elektrischen Kontakte des Temperatursensors sowohl elektrisch als auch thermisch zumindest mittelbar am Schalter und/oder am Schaltergehäuse anzuordnen. Besonders geeignet sind Transistoren oder Dioden, zweckmäßigerweise mit im wesentlichen flächigen Kontakten, die eine besonders gute thermische Ankopplung an den Schalter ermöglichen. Eine ganz besonders bevorzugte Anordnung ist die direkte Verbindung des Kollektoranschlusses eines vorzugsweise verwendeten Bipolar-Transistors mit dem Drain eines vorzugsweise verwendeten MOSFET-Schalters. Zusammen mit der erfindungsgemäßen Dimensionierung des Schalter-Steuerkreises stellt diese einfache und billige Temperaturmeßanordnung eine weitere Vereinfachung und Verbesserung der Überlastüberwachung dar.

Der Temperaturmeßpunkt kann z. B. durch eine Leiterbahn, eine Sperrschicht, ein Gehäuse oder dergl. eines oder mehrerer zu überwachender Schalter gebildet sein. Diese vorteilhafte Art der Temperaturmessung ist für verschiedene Bauelemente geeignet und nicht auf die Anwendung bei Halbleiterschaltern beschränkt.

Eine besonders vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung besteht darin, die Temperaturabhängigkeit der Schaltschwelle des Schalter-Steuerkreises zu kompensieren. Die Temperatur kann dabei sperrschichtnah oder sperrschichtfern gemessen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher vorteilhaft nicht nur bei der bevorzugten Anordnung, sondern auch bei Schaltern, insbesondere Halbleiterschaltern, eingesetzt werden, bei denen zumindest mittelbar die Sperrschichttemperatur selbst überwacht wird.

Im folgenden sind die Merkmale, soweit sie für die Erfindung wesentlich sind, eingehend erläutert und anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Anordnung zum Überlastschutz mit Restspannungs- und Temperaturüberwachung,

Fig. 2 einen Schalter mit aktiver Zone und Laststrom,

Fig. 3 den Querschnitt durch eine Anordnung mit lokalen Temperaturen und Wärmewiderständen,

Fig. 4 den Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung mit Temperatursensor und zugehörigen Wärmewiderständen,

Fig. 5 eine bevorzugte Schaltungsanordnung,

Fig. 6 eine bevorzugte Schaltungsanordnung,

Fig. 7 eine bevorzugte Schaltungsanordnung,

Fig. 8 eine Aufsicht und den Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung,

Fig. 9 die Abhängigkeit der Basis-Emitterspannung eines Transistors von der Temperatur,

Fig. 10 die Abhängigkeit des Einschaltwiderstands eines Transistors von der Temperatur,

Fig. 11 eine bevorzugte Schaltungsanordnung zur Kompensation der Schaltschwelle des Steuerkreises eines Schalters,

Fig. 12 eine bevorzugte Schaltungsanordnung zur Kompensation der Schaltschwelle des Steuerkreises eines Schalters,

Fig. 13 eine Beschaltung einer bevorzugte Schaltungsanordnung zur Kompensation der Schaltschwelle des Steuerkreises eines Schalters.

Eine Anordnung zum Überlastschutz ist modellhaft am Beispiel einer Anordnung mit einem MOSFET-Schalter in Fig. 1 dargestellt. Die Erfindung ist nicht auf diese einfache Anordnung beschränkt, sie eignet sich vielmehr für Schalter, welche im Betrieb eine Restspannung und somit eine Verlustleistung aufweisen. Bevorzugt weist der Schalter einen Lastkreis und einen Steuerkreis mit lastkreisseitigen und steuerseitigen elektrischen Eingängen und/oder Ausgängen auf. Ein Schalter M1 wird bei Überschreiten einer Schwellspannung U_R im Steuerkreis und/oder bei Überschreiten einer Grenztemperatur T_max des Schalters M1 zumindest mittelbar vorzugsweise über eine Logik L und einen Gatetreiber G abgeschaltet. Bevorzugt ist der Schalter M1 aus einem Leistungs-MOSFET gebildet. Die Temperatur T wird mit einem Sensor T erfaßt. Ein Komparator im Steuerkreis vergleicht die Restspannung am Schalter, insbesondere den lastkreisseitigen aktuellen Spannungsabfall U_DS am MOSFET M1, mit einer Komparatorschwelle U_R.

In Fig. 2 ist schematisch ein Schalter M1 mit einer im Schalterkörper angeordneten aktiven Zone J abgebildet. Die Temperatur der aktiven Zone J ist T_J. Ein Laststrom I_D fließt durch die aktive Zone J. Etwaige lastkreisseitige oder steuerseitige Anschlüsse sind nicht dargestellt.

Unterhalb der Sättigungsspannung des Schalters M1 ist der Spannungsabfall U_DS am Schalter M1 proportional zum Drainstrom I_D und dem Einschaltwiderstand R_DS,on, welcher eine bauelementtypische Größe des Schalters M1 ist. Im allgemeinen ist der Einschaltwiderstand R_DS,on der Messung nicht zugänglich, sondern nur die Restspannung U_DS am Schalter. Es gilt U_DS = I_D.R_DS,on.

Die Abhängigkeit der Restspannung U_DS kann zur Messung des Laststromes, insbesondere des Drainstromes I_D, am Einschaltwiderstand R_DS,on und damit zu einer relativ genauen Überstromabschaltung genutzt werden. Vorteilhaft ist, den Laststrom I_D zu begrenzen. Die Abschaltung erfolgt schon bei vergleichsweise geringen Spannungen, so daß die Verlustleistung P_V = U_DS.I_D am Schalter M1 gering bleibt. Auch der Schutz eines etwaigen angeschlossenen Verbrauchers auf der Lastseite kann auf diese Art und Weise gewährleistet werden.

Die Komparatorschwelle U_R für die Restspannungsüberwachung kann durch die erfindungsgemäße Dimensionierung des Steuerkreises des Schalters M1 dergestalt verändert werden, daß der Schalter M1 wesentlich höhere Ströme zulassen kann als beim Einsatz üblicher, im Handel erhältlicher Steuerkreise für Schalter, welche mit einer konventionellen Restspannungsüberwachung betrieben werden.

Der maximale Laststrom, vorzugsweise der Drainstrom I_D bei einem MOSFET-Schalter M1, wird bevorzugt durch die maximal abführbare Verlustleistung P_V,max bestimmt. Die prinzipiell zu berücksichtigenden Größen sind in Fig. 3 skizziert. Eine Schalteranordnung 1 mit einem Schalter M1 in einem Gehäuse 2 und einer Kühlfahne 3 ist auf einem Kühlkörper 4 angeordnet. Der Kühlkörper 4 kann durch einen metallischen Kühlkörper oder eine Platine oder dergl. gebildet sein. Die Temperatur der steuerbaren, aktiven, zu schützenden Zone J des Schalters M1, insbesondere der Sperrschicht des MOSFET-Schalters, ist T_J, die Temperatur der Rückseite des Gehäuses 2 ist T_C, die Umgebungstemperatur des Kühlkörpers ist T_A. R_th,JC bezeichnet der Wärmewiderstand zwischen der aktiven Zone J des Schalters M1, insbesondere der Sperrschicht des MOSFET, zur Rückseite des Gehäuses 2, welche durch die Kühlfahne 3 gebildet wird. Die Kühlfahne 3 kann durch einen Bauelementanschluß des Schalters M1, insbesondere den Drainanschluß des MOSFET- Schalters, gebildet sein. R_th,CA bezeichnet den Wärmewiderstand, welcher den Transport der Wärme von der Rückseite des Gehäuses 2 und/oder der Kühlfahne 3 durch einen etwaigen Kühlkörper 4 hindurch zur Umgebung der Schaltereinrichtung bestimmt. Der thermische Gesamtwiderstand R_th,JA von der aktiven Zone J des Schalters M1 zur Umgebung ergibt sich als Summe der beiden einzelnen Wärmewiderstände. Für die maximal zulässige Verlustleistung P_V,max ergibt sich

P_V,max = (T_J,max - T_A,max)/R_th,JA,max = I² _D,max.R_DS,on,max

Diese Gleichung ist eine "Worst-Case"-Abschätzung für den schlimmsten eintretenden Fall mit der maximal zulässigen Temperatur der aktiven Zone J, T_J,max, der unter ungünstigsten Umgebungs- und/oder Betriebsbedingungen des Schalters M1 zu erwartenden maximalen Umgebungstemperatur T_A,max und dem sicher erreichbaren maximalen Wärmewiderstand R_th,JA,max zwischen aktiver Zone J und Umgebung der kompletten Schaltereinrichtung.

Der Wert des Einschaltwiderstands R_DS,on des Schalters M1 ist Streuungen unterworfen und hängt insbesondere von der Temperatur des Schalters M1 ab. Für die Begrenzung der Verlustleistung P_V muß vom statischen Fall ausgegangen werden, wenn sich der Schalter M1 bereits auf die maximale Temperatur aufgeheizt hat. Nach dem Stand der Technik wird hier mit dem maximalen Einschaltwiderstand R_DS,on,max gerechnet, wobei sich für die Restspannung U_DS,max, bei welcher der Schalter M1 schließlich durch den Steuerkreis abgeschaltet wird, dann in der "Worst-Case"-Abschätzung zur Dimensionierung des Steuerkreises ergibt

Der Abschaltstrom ist temperaturabhängig und ergibt sich als

I_D,max = U_DS,max/R_DS,on(T_J)

Die nur schwer zu fällenden Aussagen über maximal erreichbare Betriebstemperaturen des Schalters M1 im Betrieb und das Problem, einen bestimmten Wärmewiderstand sicherstellen zu müssen, führen bei den bekannten Anordnungen entweder zur Überdimensionierung der Kühlung des Schalters M1, was zu erhöhtem Platzbedarf der gesamten Anordnung führt, und/oder aber zu einer geringen Ausnutzung des Schalters M1. Weiterhin kann der Abschaltstrom I_D,max über den gesamten Temperaturbereich um den Faktor 2 bis 3 variieren. Durch die Erwärmung des Schalters ist zwar eine Abschaltung vor Erreichen der maximal zulässigen Verlustleistung P_V,max garantiert, einer etwaigen Anwendung als elektronische Sicherung steht jedoch die große Stromvariation entgegen.

Fig. 4 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung aus Fig. 3 mit einem Temperatursensor 5, welcher die Temperatur T_M an einem Temperaturmeßpunkt der Schaltungsanordnung 1 mißt. Vorzugsweise wird der Temperaturmeßpunkt gehäusenah gewählt. Ebenfalls geeignet kann als Temperaturmeßpunkt eine elektrische Leitfähigkeitsfläche des Schalters, vorzugsweise eine Leiterbahn oder ein Drainanschluß, gewählt werden. Zweckmäßig ist ein Temperaturmeßpunkt, der eine hinreichend gute thermische Ankopplung an die aktive Zone J des Schalters aufweist, insbesondere elektrische Zuführungen zum Schalterkörper.

Vereinfacht lassen sich bei diesem Aufbau vier Wärmewiderstände unterscheiden. Die Temperatur T_M am Temperaturmeßpunkt unterscheidet sich von der Gehäusetemperatur T_C aufgrund der Aufteilung des Wärmeflusses durch R_th,CM, dem Wärmewiderstand zwischen Gehäuse 2 und Temperaturmeßpunkt und R_th,MA, dem Wärmewiderstand zwischen Meßpunkt und Umgebung. Da der Wärmewiderstand R_th,CM zwischen Gehäuse und Temperaturmeßpunkt klein ist, insbesondere bei Anordnung des Temperaturmeßpunktes auf einer elektrischen Leitfähigkeitsfläche des Schalters, unterscheidet sich die Meßtemperatur T_M nur geringfügig von der Gehäusetemperatur T_C.

Zur weiteren Betrachtung wird ein äquivalenter Wärmewiderstand R_th,JM eingeführt, welcher den Temperaturunterschied zwischen aktiver Zone J des Schalters, insbesondere der Sperrschicht, und Temperaturmeßpunkt auf den Gesamtwärmefluß bezieht und die Betrachtung der schwer zugänglichen einzelnen Wärmewiderstände R_th,CM und R_th,MA ersetzt. Es gilt

R_th,JM = (T_J - T_M)/P_V

R_th,JM ist zwar von der Wärmeabfuhr an die Umgebung abhängig, die Abhängigkeit ist jedoch geringer als bei den real auftretenden Wärmewiderständen im und am Schalter- Bauelement. Je besser die Wärmeabfuhr ist, desto höher fällt der äquivalente Wärmewiderstand aus. Genauere Aussagen lassen Simulationsrechnungen, Schätzungen oder Messungen zu. Insbesondere ist der äquivalente Wärmewiderstand R_th,JM jedoch nicht von der Umgebungstemperatur T_A des Schalters abhängig.

Wird als maximal zulässige Umgebungstemperatur die maximal zulässige Temperatur T_M,max am Temperaturmeßpunkt eingeführt und der maximale äquivalente Wärmewiderstandes R_th,JM,max verwendet, ergibt sich eine neue Dimensionierungsvorschrift für den Steuerkreis des Schalters mit

Die bei der Dimensionierung schwer im voraus zu bestimmende maximale Umgebungstemperatur T_A,max ist durch eine leicht meßbare Temperatur T_M,max und der schwer zugängliche Wärmewiderstand R_th,JA,max ist durch den abschätzbaren äquivalenten Wärmewiderstand R_th,JM,max ersetzt. Der Schalter wird abgeschaltet, sobald im Steuerkreis eine Spannung U_DS detektiert wird, die größer als eine vorgegebene Schwellspannung U_R = U_DS,max ist und/oder sobald die maximal zulässige Bauelementtemperatur T_M,max überschritten wird. In einer Anordnung wie in Fig. 1 wird eine Komparatorschwelle U_R auf U_DS,max eingestellt.

Die Vorteile der Dimensionierung des Schalter-Steuerkreises liegen zum einen darin, daß die Maximaltemperatur im Betrieb des Schalters keine reine Abschätzung mehr darstellt, sondern gemessen werden kann. Dabei kommt es nicht darauf an, ob die Temperaturmessung in unmittelbarem Kontakt zu einer aktiven Zone J, insbesondere einer Sperrschicht, im Schalterkörper durchgeführt wird. Vielmehr besteht jetzt die vorteilhafte Möglichkeit, die Temperatur am Äußeren des Schalters zu bestimmen, vorzugsweise am Gehäuse 2 oder an der Kühlfahne 3 des Schalters M1, ohne daß die Gefahr einer Überhitzung der aktiven Zone J durch kurzzeitige Verlustleistungsspitzen oder lokale Temperaturunterschiede besteht. Besonders zweckmäßig ist die Anordnung eines Temperatursensors an einem elektrisch und thermisch gut an die aktive Zone J des Schalters gekoppelten Kontakt-Anschluß. Zwar müssen die Unsicherheiten hinsichtlich der Wärmeabfuhr bei der Dimensionierung für den Dauerbetrieb noch berücksichtigt werden, haben jedoch keinen Einfluß auf die Funktion des Selbstschutzes des Schalters.

Die Vorteile der Erfindung zeigen sich ganz besonders bei Aufbautechniken mit geringer Wärmeabfuhr in die Umgebung, wie sie häufig beim Einbau von Leistungshalbleitern in Steuergeräte auftritt.

Der äquivalente Wärmewiderstand R_th,JM ist nicht so stark wie der Wärmewiderstand zwischen aktiver Zone J und Umgebung R_th,JA von den Umgebungsbedingungen des Aufbaus des Schalters abhängig. Außerdem sind die fertigungstechnischen Toleranzen bei der Herstellung eines Schalters relativ gering und R_th,JM daher auch für eine Mehrzahl von Schaltern mit ausreichender Genauigkeit abschätzbar.

Die Dimensionierung erlaubt vorteilhafterweise, daß zumindest kurzzeitig hohe Ströme im Schalter zugelassen werden können. Dies ermöglicht eine deutlich bessere Ausnutzung des Schalters.

Die Gefahr einer Überhitzung des Schalters besteht nicht, da die Verlustleistung im Gegensatz zur rein thermischen Abschaltung nach dem Stand der Technik begrenzt bleibt. Erfindungsgemäß werden als Dimensionierungskriterium für den Steuerkreis die statischen Wärmewiderstände herangezogen. Aus diesem Grund kann der Schalter hohe Einschaltstromspitzen tolerieren. Die an der aktiven Zone J anfallende Verlustleistung kann durch die die aktive Zone J umgebenden Wärmekapazitäten aufgenommen werden, bis T_M,max am Meßpunkt erreicht ist. Vorteilhaft ist es, kurzzeitig die Überstromabschaltung des Schalters auszublenden, vorzugsweise während des Einschaltvorgangs. Der erhöhte Laststrom kann den Schalter nur solange erwärmen, bis die maximal erlaubte Temperatur T_M,max erreicht ist und/oder solange die maximal erlaubte Verlustleistung P_V,max nicht überschritten ist.

Fig. 5 zeigt eine weitere vorteilhafte Gestaltung der Anordnung. Hier wird das Temperatursignal T zu einer Variation der Schaltschwelle U_R der Restspannungsüberwachung im Steuerkreis herangezogen. Auf diese Weise kann die durch die Temperaturabhängigkeit des Einschaltwiderstandes R_DS,on des Schalters M1 hervorgerufene Variation des Abschaltstromes I_D kompensiert werden.

Als Temperatursensoren sind prinzipiell alle üblicherweise zu diesem Zweck verwendeten Sensoren einsetzbar. Besonders zweckmäßig ist der Einsatz von Transistoren oder Dioden. Eine derartige Schaltungsanordnung ist in Fig. 5 dargestellt. Erfindungsgemäß wird beim Anbringen des Temperatursensors, insbesondere eines Kleinsignal-Bipolartransistors, an einen Temperaturmeßpunkt einer der elektrischen Anschlüsse, welcher montagetechnisch einen sehr guten Wärmeübergang zum Halbleiterkörper des Temperatursensors besitzt, gleichzeitig auch zur thermischen Kopplung des Temperatursensors an den Meßpunkt verwendet. Besonders bevorzugt ist die Anordnung, einen derartigen Kontakt des Sensors mit einem elektrischen Kontakt des Schalters M1 zu verbinden, welcher ebenfalls einen guten Wärmeübergang zum Körper, insbesondere Halbleiterkörper, des Schalters aufweist.

In Fig. 6 ist sowohl ein Leistungs-MOSFET, der als Schalter M1 eingesetzt ist, als auch ein üblicher Kleinsignal-Bipolartransistor Q1 als Temperatursensor dargestellt. Beide Transistoren M1, Q1 weisen einen elektrischen Anschluß mit guter thermischer Kopplung zum jeweiligen Halbleiterkörper auf. Beim Leistungs-MOSFET M1 ist vorzugsweise der Drainanschluß, beim Bipolartransistor Q1 vorzugsweise der Kollektoranschluß dafür ausgewählt. Vorzugsweise ist der Drainanschluß des MOSFET M1 mit dem Kollektor des Bipolartransistors Q1 verbunden.

Die Basis des Transistors Q1 wird auf einem Referenzpotential U₀ gehalten. Über eine an sich bekannte Biaseinrichtung B, vorzugsweise ein Widerstand oder eine Stromquelle, wird ein vorbestimmter Kollektorstrom eingestellt. Die Basis-Emitterspannung U_BE des Transistors Q1 dient als Maß für die Temperatur T_M. Vorteilhaft ist, daß die Basis- Emitterspannung U_BE nicht nur zur Überwachung der maximal zulässigen Schalter- Temperatur eingesetzt werden kann, sondern zweckmäßigerweise auch zur Beeinflussung der Abschaltschwelle U_R des Steuerkreises der Restspannungsüberwachung. Eine andernfalls auftretende Temperaturabhängigkeit des maximal zulässigen Laststromes I_D,max wird dadurch vermieden, so daß bei jeder zulässigen Schaltertemperatur T_M,max derselbe maximale Lastrom I_D,max im Schalter M1 zulässig ist.

In Fig. 7 ist eine weitere erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit guter Wärmeankopplung zwischen Temperatursensor Q1 und Schalter M1 dargestellt. Dort ist nicht nur der Kollektor des Transistors Q1 mit dem Drainanschluß des Halbleiterschalter- MOSFETs M1, sondern auch die Basis von Q1 mit dem Source-Anschluß von M1 verbunden. Diese Art der Anordnung des Temperatursensor-Transistors Q1 an den Schalter M1 ist ganz besonders vorteilhaft, wenn der Transistor Q1 nicht als diskretes Bauteil, sondern als parasitäre Struktur auf oder in dem Halbleiterkörper des Schalters M1 verfügbar ist.

Fig. 8 zeigt eine Aufsicht und einen seitlichen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung von Bauelementen einer Schutzanordnung, die sich besonders für den Einsatz in elektronischen Steuergeräten eignet. Der Schalter M1 und der Temperatursensor 5, insbesondere ein Bipolartransistor Q1, sind als Bauelemente für Oberflächenmontage ausgeführt. Der Schalter M1 im Gehäuse 2 ist mit der Kühlfahne 3, welche insbesondere den Drainanschluß des Schalters M1 darstellt, zumindest mittelbar auf einem Kühlkörper 4 angeordnet, welcher bevorzugt durch eine Platine gebildet wird. Zwischen Kühlkörper 4 und Kühlfahne 3 sind elektrische Kontaktflächen 6, z. B. eine oder mehrere Kupferleiterbahnen, angeordnet. Die Kontaktfläche 6, die mit dem Drainanschluß 3 des MOSFET-Schalters verbunden ist, dient als Wärmespreizer. Der Kollektoranschluß 5.1 des Bipolartransistors Q1 ist nahe der Kühlfahne 3 des Schalters M1 auf der Kontaktfläche 6 angeordnet, vorzugsweise angelötet.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, bevorzugt unter Verwendung des Temperatursensors Q1, die Schwellspannung U_R des Steuerkreises unter Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit des Restwiderstandes R_DS,on des Schalters M1 so zu verändern, daß der Schalter bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen bei einem vorgegebenen, konstanten Laststrom I_D,max abgeschaltet wird.

In einem Dimensionierungsbeispiel sind die Vorteile der bevorzugten Anordnung dargestellt. Die Erfindung ist nicht auf die im Beispiel angegebenen Werte beschränkt.

Bei einem maximalen Einschaltwiderstand des Schalters M1, insbesondere ein Leistungstransistor, von R_DS,on,max = 25 mΩ und einer maximal zulässigen Temperatur der aktiven Zone J, insbesondere einer Sperrschicht, von T_J,max = 175°C, mit R_th,JC = 1,5 K/W und R_th,CA = 25 K/W und der maximal zu erwartenden Umgebungstemperatur von 80°C ergibt sich für eine Schutzanordnung ohne Temperaturüberwachung ein maximal zulässigen Laststrom von I_D,max = 12 A. Der Schalter wird bei Erreichen dieses Wertes zumindest mittelbar abgeschaltet. Besonders zu beachten ist, daß der maximal zulässige Laststrom I_D,max nicht überschritten werden darf.

Wird die bevorzugte Anordnung mit Temperatur- und Restspannungskontrolle unter denselben Randbedingungen überwacht, ist dieser Wert I_D,max ebenfalls der maximal erlaubte Dauer-Laststrom des Schalters M1. Mit einer vorgegebenen oberen Schaltertemperatur von T_M,max = 125°C und einem äquivalenten Wärmewiderstand R_th,JM = 2 K/W ergibt sich jedoch ein weit höherer Wert für einen zulässigen Spitzenstrom von I_D,max = 32 A. Dieser Laststrom darf kurzzeitig, insbesondere bis zu mehreren Sekunden, im Schalter M1 fließen, ohne daß der Schalter geschädigt wird. Dabei erwärmt sich der Schalter M1, und die Übertemperaturüberwachung schaltet bei Erreichen der maximal erlaubten Schaltertemperatur ab. Über den prinzipiellen Gewinn an Sicherheit hinaus, insbesondere im statischen Fall, bedeutet dies im beschriebenen Beispiel eine um den Faktor 2,5 bessere Ausnutzung des Schalters M1.

Ein weiteres, besonders zweckmäßiges Verfahren zum Überlastschutz von Schaltern kann vorzugsweise bei MOSFET-Schaltern verwendet werden. Die präzise Messung des Lastroms I_D,max erfordert die Einbeziehung der Temperaturabhängigkeit des Einschaltwiderstandes R_DS,on(T_J) des Schalters, wobei gilt I_D,max = U_DS,max/R_DS,on(T_J). Über den gesamten Temperaturbereich, in dem das System eingesetzt wird, kann sich dieser Wert um einen Faktor 2-3 ändern. Durch die Erwärmung des Halbleiters ist zwar die Abschaltung bei einer unzulässigen Verlustleitstung gewährleistet, jedoch scheitert der Einsatz als elektronische Sicherung an der großen Variation des Laststromes I_D,max.

Vorzugsweise wird die Schaltschwelle U_R durch ein aus der Durchlaßspannung U_BE eines thermisch eng mit dem Halbleiterschalter M1 gekoppelten Temperatursensors Q1, vorzugsweise ein Bipolartransistor oder eine Diode, gewonnenes Signal verändert. Dabei wird auf den Schwellwert U_R durch Überlagerung des Temperaturmeßsignals eingewirkt, so daß der Schalter durch Verändern der Schwellspannung U_R unabhängig von der Betriebstemperatur bei einem konstanten Wert des maximalen Lastromes I_D,max abgeschaltet wird. Bleibt die Schwellspannung U_R unverändert, wird der Schalter bei mit ansteigender Temperatur steigendem Einschaltwiderstand R_DS,on(T_J) zu früh bei einem zu niedrigen Laststrom I_D abgeschaltet.

Die Basis-Emitter-Spannung U_BE eines Bipolartransistors ist in erster, hinreichend guter Näherung linear von der Temperatur abhängig, wobei gilt U_BE(T) = U_BE(T₀) - λ.(T - T₀). T₀ ist eine Referenztemperatur. Fig. 9 verdeutlicht die Qualität dieser Näherung anhand des Vergleichs zwischen typischen Meßwerten der Basis-Emitterspannung U_BE(T) eines Bipolartransistors als Funktion der Temperatur und einer Ausgleichsgeraden. U_BE(T) sinkt mit steigender Temperatur.

Auch der Temperaturgang des Einschaltwiderstandes eines MOSFETs läßt sich mit ausreichender Genauigkeit durch eine lineare Näherung beschreiben, wobei die Beziehung gilt R_DS,on(T) = R_DS,on(T₀).(1 + α.(T - T₀)). Fig. 10 zeigt die lineare Temperaturabhängigkeit anhand eines Vergleichs von Meßpunkten und Ausgleichsgerade. Der Einschaltwiderstand R_DS,on(T) steigt mit steigender Temperatur. Ähnliche Annahmen können auch für andere Bauelemente in hinreichender Genauigkeit getroffen werden.

Da der Einschaltwiderstand R_DS,on(T) und damit auch der lastkreisseitige Spannungsabfall am Schalter M1 bei einem konstanten Laststrom I_D mit der Temperatur ansteigt, wird erfindungsgemäß eine zur Temperaturmeßspannung proportionale Spannung im richtigen Verhältnis zur Drain-Source-Spannung hinzuaddiert, um eine konstante Abschaltschwelle U_R zu erhalten.

In Fig. 11 ist die prinzipielle erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Durchführung des bevorzugten Verfahrens dargestellt. Der Schalter M1 wird über eine an sich bekannte Logik L und einen Gatetreiber G, der auch eine Ladungspumpe enthalten kann, angesteuert. Der Bipolartransistor Q1 dient erfindungsgemäß als Temperatursensor. Der Temperatursensor kann dabei sperrschichtnah oder sperrschichtfern zumindest mittelbar am Schalter, am Gehäuse, an einem etwaigen Kühlkörper oder einem anderen geeigneten Meßpunkt der Schalteranordnung angeordnet sein. Der Arbeitspunkt des Transistors Q1 wird über eine an sich bekannte Biasschaltung B, vorzugsweise eine Konstantstromquelle, und die Biasvorspannungsquelle 11 mit U₀ eingestellt. Statt der Spannungsquelle 11 kann auch eine veränderliche Spannung angelegt werden.

Eine Variante ist, die Basis B des Transistors Q1 statt mit der Biasspannung U₀ mit der Source-Elektrode S von M1 zu verbinden. Diese Variante ist nicht in der Figur dargestellt. Die Restspannung am Schalter M1 wird über einen an sich bekannten Spannungsmesser 7, die Basis-Emitter-Spannung U_BE über einen an sich bekannten Spannungsmesser 8 abgegriffen und jeweils mit einem konstanten Faktor k₇, k₈ bewertet. Bei 7 und 8 handelt es sich im einfachsten Fall um direkte Verbindungen oder Pegelschieber. In einem Addierer 12 werden die Ausgangssignale von 7 und 8 aufsummiert. Der Addierer 12 wird im einfachsten Fall durch einen Widerstand gebildet, an dem zwei Ströme überlagert werden. Ein an sich bekanter Komparator 9 vergleicht das Ausgangssignal mit einer Referenzspannung 10 mit dem Wert U_R. Bei Überschreiten von U_R wird der Leistungsschalter M1 über die Logik L abgeschaltet.

In einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist das Ausgangssignal von 7 und 8 eine Spannung. Die Ausgangsspannung von 8 ist die mit einem Faktor k₈ bewertete Basis- Emitterspannung von Q1 mit

U₈ = k₈[U_BE(T₀) - λ.(T - T₀)].

Die Restspannung U_DS von M1 wird mit einem Faktor k₇ gewichtet, und es gilt

U₇ = k₇.[I_DR_DS,on(T₀)(λ + α(T - T₀))].

Mit der für die Referenztemperatur gewünschten maximalen Restspannung U_DS,max = I_D.R_DS,on(T₀) ergibt sich als Spannungswert U₁₂ am Ausgang von 12 folgender Ausdruck

U₁₂ = k₇.U_DS,max + k₈.U_BE(T₀) + k₇.U_DS,max.α.(T - T₀) - k₈.λ.(T - T₀).

Dieser Ausdruck wird dann temperaturunabhängig, wenn gilt

(k₇/k₈) = λ/(U_DS,max.α).

Im einfachsten Fall kann k₇ oder k₈ frei gewählt werden, z. B. k₇ = 1. Bevorzugt wird ein Parameter, besonders bevorzugt k₇, so gewählt, daß die Dimensionierung der Beschaltung der Schutzanordnung mit für die Auslegung sinnvollen Werten erfolgen kann. Der andere Parameter ergibt sich entsprechend.

Die Referenzspannungsquelle 10 wird auf

U_R = k₈.(λ/α + U_BE(T₀))

eingestellt.

Dasselbe Ergebnis läßt sich erzielen, wenn das Temperatursignal mit der Referenzspannung U_R für die Abschaltschwelle addiert wird. In Fig. 12 ist dieses erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel dargestellt. Der Ausgang von 8 wird von der Spannung der Spannungsquelle 10 subtrahiert. Das Ergebnis ist das gleiche wie oben beschrieben.

In Fig. 13 ist ein Beispiel zur Beschaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt. Logik und Gatetreiber U2 werden mit einem üblichen Baustein (z. B. LM9061 der Firma National Semiconductor) realisiert, welcher bereits eine übliche Restspannungsüberwachung enthält. Mit R4 wird die Spannung am Eingang THRE eingestellt. Unterschreitet die Spannung an SENSE diesen Wert, wird der Leistungsschalter M1 abgeschaltet. Zur Temperaturmessung dient erfindungsgemäß der Transistor Q3, der mit R2 und U1A als Stromquelle betrieben wird. Die Rolle von Block 8 aus Fig. 11 übernehmen U1B, Q2 und R5. Block 7 ist nicht explizit ausgeführt, er wird vereinfachend als Verbindung dargestellt. U1C, Q1 und R1 setzen die Spannung an R5 in einen Strom um, der am Widerstand R3 einen proportionalen Spannungsabfall hervorruft. An SENSE liegt die Summe von Restspannung und Temperatursignal an. Auf diese Weise wird der Addierer 12 realisiert. Die Konstanten λ und α ergeben sich aus der Dimensionierung der Widerstände des Beschaltungsbeispiels.

Claims

1. Anordnung zum Überlastschutz eines Schalters (M1), an wel chen ein Lastkreis und ein Steuerkreis angeschlossen sind, wobei
der Steuerkreis mindestens eine Logikschaltung (L), ei nen Gatetreiber (G), einen Komperator (9, < U_R), der den Spannungsabfall am Schalter (M1) mit einem vorgegebenen Schwellwert (UR) vergleicht und einen Temperatursensor (T) mit zugeordneter Schwellwerterkennung (< Tmax) enthält,
und der Schalter (M1) bei Überschreiten mindestens eines Grenzwertes (UR) für die über dem Schalter abfallende Spannung oder eines Grenzwertes (Tmax) für die zulässige Schaltertemperatur von der Logikschaltung (L) und dem der Logikschaltung nachgeordneten Gatetreiber (G) abgeschaltet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Temperatursensor (T, Q1, 5) die Außentemperatur eines Bauteils misst, seinen Temperaturmesspunkt an einem gehäusenahen elektrischen Anschluss des Schalters (M1) hat und dieser gehäusenahe elektrische Anschluss gleichzeitig der thermischen Kopplung von Temperatursensor und Schalter dient.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlfahne (3) des Schalters (M1) als elektrischer Kontakt ausgebildet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (M1) ein MOSFET ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der DRAIN-Anschluß des MOSFET (M1) elektrisch leitend mit der Kühlfahne (3) des MOSFET verbunden ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichet, daß der Tem peratursensor (T, 5) ein Bipolartransistor (Q1) ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Drain Anschluß des MOSFET mit dem Kollektoranschluß des Bipolartransisitors (Q1) verbunden ist.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der MOSFET (M1) als auch der Temperatursensor (Q1, 5) auf einem gemeinsamen Kühlkörper (4) ange bracht sind.

8. Anordnung nach Anspruch 5, bei der der Kollektor des Transistors (Q1) mit dem Drain des MOSFET (M1) und die Basis des Transistors (Q1) mit der Source des MOSFET (M1) sowohl thermisch als auch elektrisch verbunden ist.

9. Anordnung nach Anspruch 1, bei der der Temperatursensor aus einer Diode (Q1) ge bildet ist.

10. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis Emitter Span nung (U_BE) des Bipolartransistors (Q1) als linearisiertes Temperaturmeßsignal dient.

11. Anordnung nach Anspruch 5 oder 9, bei der mit einem ersten Spannungsmesser (7) die Restspannung am Schalter (M1) gemessen wird und mit einem zweiten Span nungsmesser die Spannung am Temperatursensor (Q1) gemessen wird und sodann beide Spannungswerte aus dem ersten Spannungsmesser und dem zweiten Span nungsmesser mit einem Addierer addiert werden und die Summenspannung dem Komperator (9) zugeführt wird.

12. Anordnung nach Anspruch 11, bei der der Schwellwert (UR) des Komperators der Beziehung UR = k8((λ/α) + U_BE(T₀)) genügt, wobei α die Steigung der zumindets bereichsweise linearisierten Kennlinie des Ein schaltwiderstandes des Schalters in Abhängigkeit der Temperatur, λ die Steigung der zumindest bereichsweise linearisierten Kennlinie der Durchlaßspannung U_BE des Tran sistors oder der Diode in Abhängigkeit der Temperatur und k8 eine Konstante ist.

13. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikschaltung (L) und der Gatetreiber (G) in einem gemeinsamen Baustein mit integrierter Restspannungs überwachung eine Einheit bilden.