DE19756800C2 - In einem Halbleitersubstrat integriertes elektronisches Relais - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein in einem Halbleiter­ substrat integriertes elektronisches Relais mit einem Lei­ stungs-DMOS-Transistor zum Ein- und Ausschalten des von der positiven Klemme zur Masseklemme einer Energiequelle durch eine Last fließenden Laststroms, mit einer Treiberschaltung, die abhängig von einem Steuersignal zum Einschalten des Laststroms an den Gate-Anschluß des Leistungs-DMOS-Tran­ sistors eine Spannung anlegt, die höher als die Spannung an der positiven Klemme der Energiequelle ist.

Stand der Technik

Ein elektronisches Relais für die Anwendung in einem Kraft­ fahrzeug enthält wenigstens zwei Bestandteile, nämlich einen Leistungs-DMOS-Transistor und eine integrierte Treiberschal­ tung zum Steuern dieses Transistors über seine Gate-Spannung. Ein solches elektronisches Relais ist in dem Handbuch "Data Book Analog/Interface Integrated Circuits" Band 1/2, vom 24.1.1997 der Firma Motorola näher beschrieben und darge­ stellt. Die Treiberschaltung dieses Relais hat dabei die Typenbezeichnung MC 33091 A. Beim Einsatz dieses Relais in einem Kraftfahrzeug kann es vorkommen, daß aufgrund eines Fehlerzustandes eine Polaritätsumkehr der Versorgungsspannung des Relais eintritt. In diesem Fehlerfall liegt dann am Versorgungsspannungsanschluß des Relais das Massepotential, während an seinem Masseanschluß die positive Spannung an­ liegt. Dies hat zur Folge, daß die Substratdiode des Lei­ stungs-DMOS-Transistors in den Durchlaßzustand geschaltet wird. Somit entsteht ein stromführender Weg durch die Last und die Substratdiode, und der über diesen Weg fließende Strom, der sich aufgrund des Widerstandes der Last ergibt, hat üblicherweise den gleichen Wert, wie der Strom, der im Normalbetrieb fließt. Der Spannungsabfall an der Drain- Source-Strecke des Leistungs-DMOS-Transistors beträgt in diesem Betriebszustand etwa 0,7 V. Dieser Wert ist um ein Vielfaches höher als der Spannungsabfall, der an diesem Transistor im Normalbetrieb vorhanden ist. Die Verlustlei­ stung, die dabei am Leistungs-DMOS-Transistor auftritt, überschreitet dabei den zulässigen Grenzwert, so daß das Relais in wenigen Millisekunden zerstört würde, wenn nicht eine Schutzmaßnahme vorgesehen wäre.

Bei dem bekannten Relais besteht die Schutzmaßnahme darin, daß zwischen dem Masseanschluß des Relais und dem Gate- Anschluß des Leistungs-DMOS-Transistors eine Klemmdiode eingefügt wird. Wenn die Polarität der Versorgungsspannung aufgrund eines Fehlerzustandes umgekehrt wird, hält diese Klemmdiode den Gate-Anschluß des Leistungs-DMOS-Transistors auf einer Spannung, die um 0,7 V niedriger als die Versor­ gungsspannung der Energiequelle ist. Der Leistungs-DMOS- Transistor arbeitet in diesem Fall im Umkehrbetrieb und geht in den leitenden Zustand über, weil seine effektive Gate- Source-Spannung nahezu den Wert der Versorgungsspannung hat, die im Normalfall vorhanden ist. Die Drain-Source-Spannung ist dabei wesentlich niedriger als 0,7 V, so daß die Verlust­ leistung unter den kritischen Wert fällt, bei dem er zerstört würde.

Der Hauptnachteil der Verwendung dieser Klemmdiode ist jedoch die Tatsache, daß sie nicht nur im Fehlerfall, also bei Umkehr der Polarität der Versorgungsspannung wirksam ist, sondern daß sie auch während des Normalbetriebs die minimale Ausgangsspannung der Treiberschaltung, mit der der Leistungs- DMOS-Transistor angesteuert wird, auf einen Wert begrenzt, der um 0,7 V unter dem Massewert liegt. Das bedeutet, daß sich die Gate-Spannung des Leistungs-DMOS-Transistors nicht frei auf beliebige Werte einstellen kann, wenn dies aufgrund besonderer Betriebsbedingungen erforderlich ist. Eine dieser Bedingungen ist dann gegeben, wenn die Masseverbindung des Relais unterbrochen wird, während die Masseverbindung an der Last noch vorhanden ist. Dieser Fehlerfall kann vor allem bei der Anwendung in einem Kraftfahrzeug auftreten, wo die Masse­ verbindung an der Last beispielsweise über die Fahrzeugkaros­ serie sichergestellt wird, während das Relais über eine eigene Leitung an Masse angeschlossen ist, die unterbrochen werden kann. Wenn in diesem Fall die Ausgangsspannung der Treiber­ schaltung durch die Klemmdiode auf einen Wert nahe der Span­ nung am Masseanschluß begrenzt wird, geht der Leistungs-DMOS- Transistor in den leitenden Zustand über, so daß der Last­ strom fließt, weil die von der Treiberschaltung abgegebene Steuerspannung auf einen hohen Wert ansteigt, obwohl kein Steuersignal am Steuereingang der Treiberschaltung vorhanden ist, das diesen Zustand herbeiführen sollte. Dieses Einschal­ ten des Laststroms ist ausschließlich eine Folge der Unter­ brechung der Masseverbindung am Relais und ist somit äußerst unerwünscht.

Ein weiterer Nachteil der Klemmung der Spannung am Gate- Anschluß des Leistungs-DMOS-Transistors ergibt sich beim Einsetzen des Relais zum Schalten induktiver Lasten. Bekannt­ lich kann der Laststrom, der durch eine induktive Last fließt, nicht augenblicklich abgeschaltet werden, sondern er versucht auch nachdem Abschalten noch weiter zu fließen. Moderne Leistungs-DMOS-Transistoren weisen zwar zwischen dem Source-Anschluß und dem Drain-Anschluß eine Zener-Diode auf, die nach Überschreiten ihrer Zenerspannung in den leitenden Zustand übergeht und den nach dem Abschaltvorgang in der induktiven Last erzeugten Strom abfließen läßt, jedoch kann diese Zener-Diode nur dann in den leitenden Zustand über­ gehen, wenn ihre Zenerspannung auch tatsächlich überschritten wird. Da die Klemmdiode den Gate-Anschluß des Leistungs-DMOS- Transistors jedoch, wie oben erwähnt, auf einem Wert hält, der 0,7 V unter dem Massewert liegt, stellt sich aufgrund der Gegen-EMK am Transistor eine Gate-Source-Spannung ein, die den Transistor leitend macht, so daß die für den Durchbruch der Zener-Diode erforderliche Spannung zwischen dem Source- Anschluß und dem Drain-Anschluß nicht erreicht wird, und somit der Strom nur langsam über den im Umkehrbetrieb arbei­ tenden Transistor abfließen kann. Ein schnelles Schalten der induktiven Last wird dadurch unmöglich gemacht.

Auch aus der DE 195 34 159 A1 ist ein elektronisches Relais bekannt, das gegen eine Polaritätsumkehr der Spannungsversorgung geschützt ist. Dieses Relais enthält einen Transistor, mit dem im Störfall bei umgekehrter Polarität der Versorgungsbatterie der Leistungstransistor durch Klemmen seiner Gate- Spannung im eingeschalteten Zustand gehalten wird, damit an ihm kein zerstörender Spannungsabfall auftreten kann. Allerdings ist nicht dafür gesorgt, daß im ungestörten Fall der Schutztransistor sicher gesperrt gehalten wird.

A - Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein in einem Halb­ leitersubstrat integriertes elektronisches Relais zu schaf­ fen, dessen Leistungstransistor gegen eine Zerstörung bei Vertauschung der Polarität der Versorgungsspannung geschützt ist und das auch das schnelle Schalten induktiver Lasten ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem elektronischen Relais der ein­ gangs angegebenen Art dadurch gelöst, daß in der Treiber­ schaltung ein lateraler Transistor enthalten ist, dessen Kollektor-Emitter-Strecke zwischen dem Gate-Anschluß des Leistungs-DMOS-Transistors und dem Masseanschluß des Relais liegt und dessen Basis-Anschluß mit einem Versorgungsspan­ nungsanschluß der Treiberschaltung über eine Schottky-Diode mit dem Gate-Anschluß des Leistungs-DMOS-Transistors in Verbindung steht.

Bei einer solchen Ausgestaltung des elektronischen Relais wird sichergestellt, daß der Gate-Anschluß des Leistungs- DMOS-Transistors bei einer Vertauschung der Polarität der Versorgungsspannung auf einen Wert geklemmt wird, der eine Zerstörung des Transistors verhindert, während die Klemmwir­ kung im Normalbetrieb nicht vorhanden ist, so daß der Gate- Anschluß des Leistungs-DMOS-Transistors beliebige Spannungs­ werte annehmen kann. Dies ist eine Voraussetzung für das schnelle Schalten induktiver Lasten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezug­ nahme auf die Zeichnung näher erläutert, in deren einziger Figur ein schematisches Schaltbild des erfindungsgemäßen elektronischen Relais dargestellt ist.

Das in der Zeichnung dargestellte elektronische Relais 10 weist vier Anschlüsse auf, nämlich einen Versorgungsspan­ nungsanschluß 12, einen Masseanschluß 14, einen Lastanschluß 16 und einen Steueranschluß 18. Wenn dieses Relais einge­ schaltet wird, dann bedeutet dies, daß ein in ihm enthaltener Leistungs-DMOS-Transistor 20 in den leitenden Zustand ver­ setzt wird, so daß über diesen Transistor ein Laststrom zu der durch einen Widerstand dargestellten Last 22 fließen kann. Dieser Strom wird im vorliegenden Beispiel von der durch die Batterie eines Kraftfahrzeugs gebildeten Energiequelle 24 geliefert, die eine mit dem Versorgungsspannungsanschluß 12 des Relais 10 verbundene positive Klemme 26, an der die Spannung V_bat anliegt, und eine mit dem Masseanschluß 28 der Last sowie mit dem Masseanschluß 14 des Relais 10 verbundene Masseklemme 30 aufweist. Das Einschalten des Relais, also das Versetzen des Leistungs-DMOS-Transistors 20 in den leitenden Zustand geschieht dadurch, daß eine Treiberschaltung 32 unter der Steuerung durch ein dem Steueranschluß 18 des Relais 10 zugefuhrtes Steuersignal dem Gate-Anschluß 34 des Leistungs- DMOS-Transistors 20 eine Spannung zuführt, die höher als die Spannung V_bat an seinem Drain-Anschluß 36 ist. Diese höhere Spannung wird in der Treiberschaltung 32 in herkömmlicher Weise mit Hilfe einer Ladungspumpe 54 erzeugt. Die Treiber­ schaltung 32 hat einen Versorgungsspannungsanschluß 38, der über einen Widerstand 40 mit dem Versorgungsspannungsan­ schluß 12 des Relais 10 in Verbindung steht. Durch das Anle­ gen der höheren Spannung an den Gate-Anschluß 34 wird er­ reicht, daß die Spannung am Source-Anschluß des Leistungs- DMOS-Transistors 20 den Wert V_bat erreicht, so daß der Tran­ sistor voll durchschaltet und der maximale Strom durch die Last 22 fließen kann. Das Sperren des Relais 10 geschieht dadurch, daß die Treiberschaltung 32 an den Gate-Anschluß 34 Massepotential anlegt. In der Treiberschaltung 32 ist als aktives Klemmelement ein lateraler Transistor 50 enthalten, der im vorliegenden Fall ein pnp-Transistor ist. Wie zu erkennen ist, liegt die Kollektor-Emitter-Strecke dieses pnp- Transistors 50 zwischen dem Gate-Anschluß 34 des Leistungs- DMOS-Transistors 20 und der Masseklemme 14 des Relais 10. Der Basis-Anschluß ist über einen Widerstand 52 mit dem Versor­ gungsspannungsanschluß 38 der Treiberschaltung 32 verbunden. Außerdem liegt zwischen dem Ausgang der in der Treiberschal­ tung 32 vorhandenen Ladungspumpe 54 eine Schottky-Diode 56. In die Kollektorleitung des pnp-Transistors 50 ist ein Wider­ stand 58 eingefügt, der als Gegenkoppelungswiderstand wirkt und Stromspitzen dämpft, die als Störungen am Ausgang der Ladungspumpe 54 auftreten können.

Unter normalen Betriebsbedingungen muß die unter Mitwirkung des pnp-Transistors 50 gebildete Klemmschaltung inaktiv bleiben, so daß sie den Normalbetrieb der Treiberschaltung bei der Ansteuerung des Leistungs-DMOS-Transistors 20 nicht stört. Der pnp-Transistor 50 muß im Normalbetrieb im ge­ sperrten Zustand gehalten werden. Um dies zu erreichen, muß sein Basisanschluß immer an die höchste auf dem Halbleiter- Chip vorhandene Spannung gelegt werden. Die höchste Spannung ist dabei entweder die Spannung V_cc, die als Versorgerspan­ nung am Anschluß 38 der Treiberschaltung 32 wirkt, oder die Ausgangsspannung der Ladungspumpe 54, wenn diese durch ein Steuersignal am Eingang 18 aktiviert wird und den Leistungs- DMOS-Transistor 20 durchschalten soll. In der Schaltung von Fig. 1 wird die jeweils höhere Spannung über die Schottky- Diode 56 oder über den Widerstand 52 an den Basisanschluß des pnp-Transistors 50 angelegt. Der Widerstand 52 muß groß genug gewählt werden, um den durch die Ladungspumpe 54 fließenden Gleichstrom auf einen niedrigen Wert einzustellen, wenn die Ausgangsspannung der Ladungspumpe 54 über der Spannung V_cc liegt.

Wenn die Polarität der Versorgungsspannung in einem Fehler­ fall umgekehrt wird, liegt die Masseklemme 14 des Relais 10 und somit der Emitter des pnp-Transistors 50 an einer Span­ nung, die um etwa 0,7 V kleiner als die Spannung V_cc ist. Der pnp-Transistor 50 wird dadurch eingeschaltet, so daß der Gate-Anschluß des Leistungs-DMOS-Transistors 20 auf die Spannung am Masseanschluß 14 gelegt wird. Die Drain- Source-Spannung am Leistungs-DMOS-Transistor 20 wird daher beträchtlich herabgesetzt, so daß die Verlustleistung unter den Wert sinkt, der zu einer Zerstörung dieses Transistors führen wurde. Wenn der Leistungs-DMOS-Transistor 20 abge­ schaltet werden soll, muß die Spannung an seinem Gate-An­ schluß 34 nahe der Spannung gehalten werden, die am Massean­ schluß 28 der Last 22 vorhanden ist. Da der Transistor 50 ein lateraler pnp-Transistor ist, ist keine parasitäre Kollektor- Substrat-Diode vorhanden. Er bleibt daher im gesperrten Zustand und beeinflußt die Spannung am Gate-Anschluß des Leistungs-DMOS-Transistors 20 nicht, auch wenn die Gate- Spannung niedriger als das Substratpotential der Treiber­ schaltung 32 wird.

Wenn mit dem beschriebenen elektronischen Relais 10 eine induktive Last 22 abgeschaltet werden soll, erzeugt die am Source-Anschluß des DMOS-Leistungs-Transistors 20 aufgrund der in der Last erzeugten Gegen-EMK auftretende Spannung keine Spannungsdifferenz zwischen dem Gate-Anschluß 34 und dem Source-Anschluß, da der Gate-Anschluß durch die aktive Klemmschaltung nicht auf einem festen Spannungswert gehalten wird. Der DMOS-Transistor bleibt daher gesperrt, so daß die in ihm zwischen dem Source-Anschluß und dem Drain-Anschluß vorhandene Zener-Diode durchbricht und den von der induktiven Last nach dem Abschalten erzeugten Strom abfließen läßt. Wie erwähnt, ist eine solche Zener-Diode in modernen Leistungs- DMOS-Transistoren vorhanden, was sich nach außen hin so äußert, als wurden sie im Umkehrbetrieb einen Avalanche- Durchbruch zeigen. In den Datenblattern solcher moderner Leistungs-DMOS-Transistoren sind ausdrücklich Angaben über den Avalanche-Durchbruch im Umkehrbetrieb angegeben.

Es ist somit eine Schaltung für ein elektronisches Relais beschrieben worden, dessen Bauteile alle in einer integrier­ ten Schaltung untergebracht werden können und dessen Leistungstransistor gegen eine Vertauschung der Versorgungs­ spannung geschützt ist. Außerdem ermöglicht dieses Relais ein schnelles Schalten induktiver Lasten.

Claims (2)

1. In einem Halbleitersubstrat integriertes elektronisches Relais (10) mit einem Versorgungsspannungsanschluß (12) und einem Masseanschluß (14), einem Leistungs-DMOS-Tran­ sistor (20) zum Ein- und Ausschalten des von der positiven Klemme (26) zur Masseklemme (30) einer Energiequelle (24) durch eine Last (22) fließenden Laststroms, mit einer ei­ nen Versorgungsspannungsanschluß (38) aufweisenden Trei­ berschaltung (32), die abhängig von einem Steuersignal zum Einschalten des Laststroms an den Gate-Anschluß (34) des Leistungs-DMOS-Transistors (20) eine Spannung anlegt, die höher als die Spannung an der positiven Klemme (26) der Energiequelle (24) ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Treiberschaltung (32) ein lateraler Transistor (50) ent­ halten ist, dessen Kollektor-Emitter-Strecke zwischen dem Gate-Anschluß (34) des Leistungs-DMOS-Transistors (20) und dem Masseanschluß (14) des Relais (10) liegt und dessen Basis-Anschluß mit dem Versorgungsspannungsanschluß (38) der Treiberschaltung (32) und über eine Schottky-Diode (56) mit dem Gate-Anschluß (34) des Leistungs-DMOS- Transistors (20) in Verbindung steht.

2. Elektronisches Relais nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in die Verbindung zwischen dem Kollektor des lateralen pnp-Transistors (50) und dem Gate-Anschluß (34) des Leistungs-DMOS-Transistors (20) ein Gegenkopplungs­ widerstand (58) eingefügt ist.