DE2401701B2 - Transistorleistungsschalter - Google Patents
TransistorleistungsschalterInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen zum Schallen einer Last dienenden Transistorleistungsschalter mit einem
Treibertransistor und einem Leistungstransistor.
Es ist bereits ein Transistorleistungsschalter dieser Art bekannt, bei dem der Kollektor des Leistungstransistors an den Kollektor des Treibertransistors
und die Basis des Leistungstransistors an den Emitter des Treibertransistors angeschlossen ist. Diese als
Darlingtonschaltung bekannte Schaltung wird häufig, beispielsweise in Spannungsreglern für Lichtmaschinen,
als Transistorleistungsschalter verwendet, um mit niedrigen Steuerströmen auszukommen. Die mit
dieser Schaltung erzielbare minimale Sättigungsspannung setzt sich zusammen aus der Basis-Emitter-Spannung
des Leistungstransistors und der Kollektor-Emitter-Spannung des Treibertransistors. Beide
Spannungen zusammen liegen in der Regel über 1 Volt, während mit einem Leistungstransistor allein
noch Sättigungsspannungen unter 0,5 Volt zu erzielen sind.
Der mit einer Darlingtonschaltung ausgestattete Transistorleistungsschalter weist im eingeschalteten
Zustand eine große Verlustleistung, im ausgeschalteten Zustand dagegen die Verlustleistung Null auf.
Wird diese Darlingtonschaltung nun mit unterschiedlichem Tastverhältnis betrieben, wobei unter Tastverhältnis
das Verhältnis von Einschaltdauer zu Periodendauer zu verstehen ist, wie z. B. im Spannungsregler
einer Lichtmaschine, so schwankt die mittlere Verlustleistung zwischen einem Minimalwert in der
Gegend von Null und dem bei Dauerstrich auftretenden Maximalwert, bei dem als Beispiel genannten
Spannungsregler etwa zwischen 0,6 und 6 Watt. Enthält die Schaltung, zu der der Transistorleistungsschalter
gehört, temperaturabhängige Funktionen, so werden diese vom Tastverhältnis abhängig, es sei
denn, es gelingt, den Transistorleistungsschalter von der übrigen Schaltung thermisch zu entkoppeln. Die
thermische Entkopplung führt unter Umständen schon bei konventionellem Aufbau der Schaltungen
mit diskreten Komponenten zu aufwendigen Konstruktionen, ist bei hybrid integriertem Aufbau noch
schwieriger und bei monolithischer Integration der Gesamtschaltung nahezu unmöglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transistorleistungsschalter der eingangs genannten
Art zu entwickeln, in welchem die umgesetzte Verlustleistung unter Berücksichtigung der üblichen
Streuung der Parameter der Bauelemente mindestens in einer nullten Näherung unabhängig vom Tastverhältnis
ist.
Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Kollektor des Treibertransistors über einen
ersten Widerstand mit dem einen Pol der Betriebsspannung und die Emitter der beiden Transistoren
gemeinsam mit dem anderen Pol der Betriebsspannung verbunden sind, daß die Basis des Leistungstransistors mit dem Kollektor des Treibertransistors
über einen zweiten Widerstand verbunden ist, daß die Summe der beider! Widerstände so gewählt ist, daß
bei gesperrtem Tieibertransisior der auf die Basis des Leistungstransistors fließende Strom diesen in allen
vorkommenden Bctriebszuständen im Bereich der
ίο Sättigung hält, wobei der erste Widerstand so dimensioniert
ist, daß bei eingeschaltetem Treibertransistor die Summe der in diesem Widerstand und im Kollektor-Emitter-Kreis
des Treibertransistors umgesetzten Verlustleistung gleich bzw. ungefähr gleich ist der
Summe der Verlustleistungen, die bei gesperrtem Treibertransistor in den beiden Widerständen und im
Leistungstransistor auftritt.
Besteht die durch den Transistorleistungsschalter zu schaltende Last aus einem ohmschen Widerstand,
ao so wird durch diese Maßnahme erreicht, daß die in
dem Transistorleistungsschalter umgesetzte Verlustleistung völlig bzw. unter Berücksichtigung der üblichen
Streuung der Parameter der Bauelemente nahezu völlig unabhängig vom Tastverhältnis wird. Be-
a5 steht die durch den Transistorleistungsschalter zu
schaltende Last dagegen aus einer mittels einer Freilaufdiode geklammerten Induktivität, so läßt sich
durch diese Maßnahme nur erreichen, daß die in dem TransistorleistungsschaUer umgesetzte Verlustleistung
in einer nullten Näherung unabhängig vom Tastverhältnis wird, da in diesem Falle die Amplitude des
getakteten Stroms vom Tastverhältnis abhängig ist. Aus dieser nullten Näherung läßt sich in Weiterbildung
der Erfindung eine erste Näherung dadurch erreichen, daß die in der Freilaufdiode umgesetzte Verlustleistung
mit in die Energiebilanz einbezogen wird. Enthält der Steuerkreis des Treibertransistors einen
zum Treibertransistor komplementären Transistor, so ist auch die im Steuerkreis des Treibertransistors umgesetzte
Velustleistung mit in die Energiebilanz einzubeziehen, derart, daß der Kollektorwiderstand des
Treibertransistors so dimensioniert wird, daß bei eingeschaltetem Treibertransistor die Summe der in diesem
Widerstand und itn Kollektor-Emitter-Kreis des Treibertransistors umgesetzten Verlustleistung einschließlich
der im Steuerkreis des Treibertransistors umgesetzten Verlustleistung gleich bzw. ungefähr
gleich ist der Summe der Verlustleistungen, die bei gesperrtem Treibertransistor in den beiden Widerständen
und im Leistungstransistor auftritt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Leistungstransistor als Darlingtontransistor ausgebildet
sein, was insbesondere in Schaltungen, die füt hohe Betriebsspannungen ausgelegt sind, von Vorteil
ist.
An Hand der Zeichnung wird die Erfindung nähei erläutert. Es zeigt
F i g. 1 den Schaltplan eines zum Schalten eine: Last dienenden Transistorleistungsschalters gemäl
der Erfindung,
F i g. 2 einen Schnitt durch eine monolithisch inte grierte Struktur einer Schaltung nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Draufsicht auf die Anordnung nacl
Fig. 2,
F i g. 4 die Schaltung eines Leistungstransistors i: einer Multizellenanordnung,
F i g. 5 einen Schnitt durch eine monolithisch inte grierte Struktur einer Schaltung nach F i g. 1, in de
24 Ol 701
der zweite Widerstand durch die Leitschichtdiffusion
gebildet ist,
F i g. 6 eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 5,
Fig. 7 einen Schnitt durch eine monolithisch integrierte
Struktur einer Schallung nach Fig. 1, in der
der erste Widerstand durch die Leitschichtdiflusion und
der zweite Widerstand durch die BasisdifTusion gebildet ist,
F i g. 8 eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 7,
F i g. 9 eine Draufsicht auf eine monolithisch integrierte Struktur einer Schaltung nach Fig. 1, in der
der Treibertransistor senkrecht zu dem in einer Multizellenstruktur
ausgeführten Leistungstransistor angeordnet ist,
Fig. 10 einen Treibertransistor in einer Kettenschaltung
aus zwei Transistoren,
Fig. 11 eine aus zwei Transistoren bestehende,
gegenüber Fig. 10 abgewandelte Kettenschaltung für einen Treibertransistor,
Fig. 12 einen auf einen Header montierten Chip,
der einen Transistorleistungsspeicher gemäß der Erfindung enthält,
Fig. 13 die mechanische Ausführung eines Spannungsreglers
für eine Lichtmaschine mit einem Transistorleistungsschalter ohne integrierte Freilaufdiode
als Anwendungsbeispiel,
Fig. 14 ein gleichartiges Anwendungsbeispiel wie das der Fig. 13, jedoch mit monolithisch integrierter
Freilaufdiode,
F i g. 15 die Struktur einer monolithisch integrierten
Fre;laufdiode.
F i g. 1 zeigt einen Transistorleistungsschalter zusammen mit der durch ihn zu schaltenden Last. Mit
1 ist der Treibertransistor, mit 2 der Leistungstransistor bezeichnet. R1 ist der Kollektorwiderstand des
Treibertransistors 1 und R2 der Widerstand zwischen dem Kollektor des Treibertransistors 1 und der Basis
des Leistungstransistors 2. Mit R, L ist die durch den Transistorleistungsschalter zu schaltende Last bezeichnet,
wobei iR den Lastwiderstand und L, falls vorhanden, seine Induktivität bedeutet. Ferner ist R4
der Kollektorbahnwiderstand und u2 das innere Kollektor-Emitter-Potential
des Leistungstransistors 2 sowie D die Freilaufdiode mit ihrem inneren Potential
d ih
Besteht die Last im Kollektorkreis des Leistungstransistors 2 aus einem rein ohmschen Widerstand,
so tritt an die Stelle der Beziehung NL von Gleichung
(3) die in Gleichung (4) wiedergegebene Beziehung
NK:
7VR = («2 J2+ R4 J^)-Wi. (4)
Wird die Freilaufdiode nicht mit in die Betrachtung einbezogen, so ist in Gleichung (3) U3 und R3
ίο =0 zu setzen. Gleichung (3) geht damit über in Gleichung (3 a)
NL = R4 J2 2Wi5+ U2J2Wi*. (3 a)
Die Parameter sind nun so zu wählen, daß die Summe aus der im Steuerkreis umgesetzten und der
im Lastkreis umgesetzten Verlustleistung möglichst konstant bleibt. Es gilt somit die Beziehung (5) bzw.
(5 a):
^ si + N1. »s const.
NS( + Nfl = const.
NS( + Nfl = const.
(5) (5 a)
Die inneren Potentiale u2, u3 des Leistungstransistors
2 bzw. der Diode D können für diese Nähe-J5
rungsbetrachtung ohne weiteres als vom Strom J2 unabhängig
betrachtet werden.
Der Erfolg einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung im Vergleich zu einer üblichen Darlingtonschaltung
sei an einem Beispiel erläutert. Für das beschriebene Modell seien folgende Werte angenommen:
| U2 = | 14 V 0,2 V |
J | Z2 = | 5A 7OmQ |
J11 = 0,2 A |
| D1 | D2 | D3 | |||
| Diode U3 Diode R. |
0,8 0,1 |
V | 0,8 V 0,07 |
0,7 V 0,07 |
Vergleiche Darlington: U2 = 1,2 V = const.
In der Regel wird es nicht sinnvoll sein, die mittlere Gesamtverlustleistung N als Funktion des Tastverhältnisses
m möglichst wenig um einen Mittelwert schwanken zu lassen, da für die Temperaturschwankung
die Differenz zwischen der maximal und der minimal auftretenden Verlustleistung maßgebend ist.
D lß ih l
M3 und ihrem Bahnwiderstand R3. Mit J11 ist der Der Strom J19 läßt sich deshalb leicht bestimmen aus
Strom durch R1 und R2 bezeichnet, wenn der Treibertransistor
1 stromlos ist, mit J12 der Strom durch R1,
wenn der Treibertransistor 1 leitfähig ist; ferner ist J2 der Kollektorstrom des Leistungstransistors 2 im
ständig eingeschalteten Fall und J3 der Strom durch die Freilaufdiode; U1 ist die Betriebsspannung.
Bei einer vorwiegend induktiven Last übernimmt die Freilaufdiode D den Strom J2, sobald der Leistungstransistor
2 ausgeschaltet wird. Bezeichnet man mit wi das Tastverhältnis, also das Verhältnis von
Einschaltdauer zu Periodendauer, so ist den Gleichungen (2) und (3), indem man Ns/ für
wi = 0 gleichsetzt NL für wt = 1 und dem so erhaltenen
Strom J11 hinzufügt. Die Schwankung der Verlustleistung
als Funktion des Tastverhältnisses ließe sich zwar minimieren durch geeignete Wahl det
Diodenparameter, doch dürfte dieser Aufwand kaum gerechtfertigt sein. Um die Abhängigkeit von der
Diodenparametern aufzuzeigen, sind drei verschie dene Dioden D1, D2, D3 angesetzt worden.
Aus Gleichung (6)
= J2-WJ.
(1) Nsr (wi = 0) = NL (m = 1)
(6)
Mit Gleichung (1) ergeben sich aus Fig. 1 die mittleren Verlustleistungen für den Steuerkreis NS(
und für den Lastkreis Nt zu (2) bzw. (3):
| VS/ - | (K.- | -U1 | -(Z12 | - Z11) · | WI. | + | W3 | Z2 | WI | (2) |
| NL = | + [(": | κ»)- | J2* η** | (3) | ||||||
| ,-U3 | ) + R | WlS | ||||||||
ergibt sich für den Steuerstrom bei eingeschalteten Treibertransistor 1 J12 = 0,4 A.
In Tabelle 1 ist die mittlere Verlustleistung in Ab hängigkeit vom Tastverhältnis m zusammengestell
für eine übliche Darlingtonschaltung und vier Anord
nungen gemäß der der Erfindung, und zwar einnu
ohne Einbeziehung der Freilaufdiode D und zum an deren unter Einbeziehung der Freilaufdiode mit vei
schiedenen Parametern.
509584/4
9 10
Mittlere Verlustleistung i;i Watt in Abhängigkeit vom Tastverhältnis in für eine Darlingtonschaltung
und Schaltungen gemäß der Erfindung mit induktiver Last.
| Schaltung | Tastvcrh | iillnis /ii | 0,4 | 0,6 | 0,8 | 1 |
| O | 0,2 | 0,96 | 2,16 | 3,84 | 6 | |
| Darlingion | 0 | 0,24 | 4,75 | 4,7 | 4,9 | 5,55 |
| Erfindung ohne Diode | 5,6 | 5,1 | 6,0 | 6,0 | 5,9 | 5,55 |
| Erfindung mil D1 | 5,6 | 5,8 | 5,9 | 5,') | 5,8 | 5,55 |
| Erfindung mit D., | 5.6 | 5,8 | 5,8 | 5.8 | 5,7 | 5,55 |
| Erfindung mit D., | 5,6 | 5,7 | trachten. Dies | dürfte | dem Fachmann η ac | |
| : Anordnungen ist in Tabelle 2 | die als |
Für diese
Fehler wirksame, maximal auftretende VerlustleistungsdifTerenz zusammengestellt. Wie man sieht, geht
die beim Darlington auftretende Schwankung von 6 W durch die Anwendung der Erfindung bereits
ohne Einbeziehung der Frcilaufdtode auf 0,9 W, also auf 15% zurück. Mit Freilaufdiode betrügt die
Schwankung der Verlustleistung sogar nur noch 0,25 bis 0,45 W.
Maximale Schwankung der mittleren Verlustleistung im Bereich des Tastverhältnisses zwischen in — 0 und
m = 1 für eine Darlingtonschaltung und Schaltungen
gemäß der Erfindung bei induktiver Last.
Schaltung max. Fehler
Darlington
Erfindung ohne Diode
Erfindung ohne Diode
Erfindung mit D1
Erfindung mit D„
Erfindung mit D,,
Erfindung mit D„
Erfindung mit D,,
6 W
0,9 W
0,9 W
0,45 W
0,35 W
0,25 W
0,35 W
0,25 W
Weisen die Parameter Fertigungsstreuungen auf, so wird der Fehler selbstverständlich größer. In Tabelle
3 ist dieser Fehler für drei verschiedene Strompaarungen /n, Z12 wiedergegeben. Wie man sieht verdoppelt
sich der Fehler, wenn die Widerstände bzw. die Ströme um ±15% schwanken. Der Vorteil gegenüber
der Darlingtonschaltung ist aber immer noch beachtlich.
Maximal auftretende Fehler bei Schwankungen der Ströme /n, Z1, um ± 15% bzw. entsprechender
Schwankungen "der Widerstände R1, R„.
Ströme
max. Fehler
/u = 0,2A,
In = 0,2 A,
In = 0,2 A,
Z1, = 0,4 A
/," = 0,35 A
/," = 0,35 A
/..=0,15 A, Z12 = 0,3 A
0,35 W
0,72 W
0,72 W
0,72 W
0,72 W
Werden diese Schaltungen in Dick- oder Dünnschichttechnik bzw. konventionell mit gedruckten
Leiterplatten hergestellt, so können die Parameter wenigstens teilweise ausgeglichen bzw. recht genau 65
eingehalten werden. In diesen Fällen kann es angebracht sein, auch noch die Verlustleistung des
Ansteuerkreises für den Treibertransistor 1 mit zu be- Basisdiftusion gebildet ist.
gesagten keine Schwierigkeiten bereiten.
In der Struktur nach den F i g. 2 und 3 ist links der Treibertransistor 1 und rechts der Leistungstransislor
2 angeordnet, wobei die Achsen der streifenförmigen Elektroden senkrecht zueinander stehen, was
bei einer MultiZellenstruktur des Leistungstransistors 2 eine besonders günstige, platzsparende Anordnung
ergibt. Es ist 90 das Substrat, 91 die darauf abgeschiedene epitaxiale Schicht, 92 die Isolierungsdiffusion,
93 eine isolierende Deckschicht, 94 eine sogenannte Kollektoranschlußdiffusion, die in diesem
Beispiel eine niederohmige Verbindung herstellt zwischen der Leitschicht L1 und dem aus einem Metall,
wie etwa Aluminium, bestehenden Anschlußkontakt 96 des Kollektors des Treibertransistors 1; ferner ist
95 die Verbindungsleitung von dem durch die Basisdiffusion gebildeten Widerstand R., zu der Basis B 2
des Leistungstransistors 2, 97 die Verbindungsleitung der Teilkollektoren C 21, C 22, CIn des Leistungstransistors 2 und 98, 99 die beiden Anschlußfenster
des Widerstands /?.,.
In der Multizellenstruktur nach Fig. 4 ist der Leistungstransistor 2 aufgespalten in die Teiltransistoren
21, 22, 23 ... 2/1. ebenso der Widerstand R2 in 41, 42. 43... 4«, wobei jeder Teilwiderstand "den
/!-fachen Wert des Widerstandes R0 aufweist. Bei
einer Dimensionierung des Widerstandes R2 gemäß der Erfindung ist der Spannungsabfall in den Teilwiderständen
so groß, daß die Stromverteilung auf die einzelnen Zellen stabil bleibt, sofern der Leistungstransistor
2 mit seinen Teiltransistoren 21... 2/z in dem Bereich der Emitterstromdichte betrieben
wird, in welchem die Stromverstärkung mit zunehmendem Kollektorstrom abnimmt. Es sind deshalb
keine Symmetrie- und Stabilisierungswiderstände in den einzelnen Zuleitungen zu den Emittern der Teiltransistoren
21, 22 ... 2« erforderlich.
In den Fig. 5 und 6 ist der Widerstand R„ bzw.
sind die Teilwiderstände 41 ... mittels der Leitschichtdiffusion hergestellt; 100 ist hier der mittel«
der Kollektorschlußdiffusion hergestellte Kontak' zwischen dem basisseitigen Ende des Widerstands R.
und der Verbindur.gsleitung 95 zur Basis Bl de!
Leistungstransistors 2. Die übrigen Bezeichnungei stimmen mit denen der F i g. 2 und 3 überein.
Um Fläche zu sparen, ist es besonders zweck mäßig, die Widerstände Rx und R2 in zwei Ebenei
übereinander anzuordnen. Die F i g. 7 und 8 zeigei eine Anordnung, in der der Widerstand R1 durch di
Der Widerstand R1 weist die höchste Leistungsdichte
auf. Um die Kristallflächc besser zu nutzen, kann es deshalb zweckmäßig sein, auch diesen Widerstand
in mindestens zwei Teilwiderstände aufzuspalten, wobei diese Tcilwidersländc 31, 32, 33, . . . 3m
parallel undodcr in Reihe geschaltet sein können; auch kann es zweckmäßig sein, die Teilwiderstände
aus unterschiedlichen DiiTusionszoncn zu bilden.
Darüber hinaus ist die Multizcllcnstruktur des Leistungstransistors
2 angedeutet. Die Verbindung zwischen dem spannungsscitigen Ende des Widerstands
K1 und der zur Betriebsspannung führenden Leitung
102 wird durch das Element 101, das mittels der KollektoranschlußdifTusion erzeugt ist, hergestellt.
Bei Anordnungen für größere Ströme ist es vorteilhaft, wie in Fig. 9 spiegelbildlich zum Treibertransistor
1 eine zweite Multizellengruppc des Leistungstransistors 2 anzuordnen.
Um den Leistungstransislor 2 auch bei höheren Kristalltcmperaturen sicher zu sperren, muß der Treibertransistor
1 eine hinreichend niedrige Sättigungsspannung haben. Diese Bedingung läßt sich besonders
einfach dadurch erreichen, daß der Treibertransistor 1 in Form einer Kettenschaltung ausgebildet
wird. In dem dazugehörigen Schaltbild nach Fig. 10 sind 11 und 12 die den Treibertransistor 1 bildenden
Transistoren. Der Kollektorwiderstand R1 des Treibertransistors
1 ist jetzt in zwei Teilwiderstände aufgespalten, einen größeren Anteil 3<<
und einen niederohmigeren Anteil 3 b. Die zwischen den Basen B 11 und B12 und dem Basisanschluß B1 liegenden
Widerslände 61 und 62 dienen dazu, die beiden Basisströme In ,, und /„,., sicher zu beherrschen.
Eine weitere Möglichkeit für die Kettenschaltung des Treibertransistors 1 ist in F i g. 11 dargestellt.
Dort sind , ic Transistoren 11 und 12 als Emitterfolger
geschaltet, d. h., der Emitter £11 ist mit der Basis B12 verbunden. Der Widerstand 63 dient als
Basis-Ableitwiderstand.
Der großflächige Chip wird zweckmäßigerweise auf den Header mit leitfähigem Klebstoff aufgeklebt. Dabei
läßt sich gleich die Verbindung zwischen dem Header und den an Massepotential liegenden Teilen
der gesamten integrierten Schaltung, wie etwa Ei. E2
und andere nicht dargestellte Elemente, herstellen. In Fig. Ϊ2 ist 80 der Header, 82 der Chip, 83 der
Klebstoff und 84 die Metallisierung der an Massepotential liegenden Teile.
Als Anwendungsbeispiel zeigt Fig. 13 den mechanischen
Aufbau eines Spannungsreglers für eine Lichtmaschine. Der Header 80 bildet gleich den Träger
für die gesamte Konstruktion. Auf ihn ist mit leitfähigem Klebstoff 83 der Chip 82, der die Steuerschaltung
in Verbindung mit einem Transistorleistungsschalter gemäß der Erfindung enthält, aufgeklebt;
mit 74 sind die in den Header 80 vakuumdicht eingeschmolzenen Anschlüsse der integrierten Schaltung
bezeichnet, die über die Bonddrähte 75 mit den nicht bezeichneten Anschlußilccken des Chips 82 verbunden
sind; 76 sind die beiden Bürsten, über die die Schleifringe des Ankers angeschlossen werden und die mittels
des Bürstenhalters 77 gehallen werden; 71 sind Befestigungsnieten, 72 Isolierstücke und 73 eine
Kontaktfeder für die Zuführung der Betricbsspannuiig.
Die elektrische Schaltung kann durch weitere elektrische Bauelemente ergänzt sein; so ist 50 eine
Frcilaufdiode parallel zur Wicklung des Errcgcrfeldes und 51 ein Kondensator.
Fig. 14 stellt dasselbe Anvvendungsbeispiel dar.
Hier ist jedoch die Frcilaufdiode 50 monolithisch integriert und der Kondensator 51 mit im hermetisch
dichten Gehäuse untergebracht. Der ganze Regler besitzt nur noch zwei isolierte Durchführungen für
die Anschlüsse der positiven Betriebsspannung und des Erregerfcldes. Den Masscanschluß bildet wieder
das Gehäuse.
Fig. 15 zeigt die Struktur einer monolithisch integrierten
Frcilaufdiode. In das Substrat 105 ist die vergrabene Leitschicht 106 eindiffundiert und darüber
die Epitaxie 107 abgeschieden worden. Danach wurde die Isolicrdiffusion 108 und teilweise mit ihr
zusammen eine tiefe Anschlußdiffusion 109 eingetrieben. Die ebenfalls cindiffundierte Zone 110 bildet
normalerweise die Basis der Transistoren; hier ist sie die eine Elektrode der Frcilaufdiode D. Die andere
Elektrode wird durch die epitaktischc Schicht 107, die Leitschicht 106 und die Anschlußdiffusion 109
gebildet. Entscheidend für die Funktion ist, daß die tiefe Anschlußdiffusion die Diode ringförmig umgibt
und sicher auf der vergrabenen Leitschicht 106 aufsitzt. Wird diese Diode nämlich in Durchlaßrichtung
betrieben, so bildet die Elektrode 110 den Emitter, die andere Elektrode 106, 107 und 109 die Basis und
das Substrat 105 den Kollektor eines parasitären Transistors. An diesem Transistor liegt die volle Betriebsspannung.
Schon bei kleinen Kollektorströmen würde sich eine große Verlustleistung ergeben. Es
muß deshalb sicher vermieden werden, daß Minoritätsladungsträger aus der epitaktischen Schicht 106
in den durch das Substrat 105 gebildeten Kollcklorraum gelangen. Dies wird durch die hochdotierte
Anschlußdiffusion 109 erreicht, sofern diese, wie in der Zeichnung dargestellt, die andere Elektrode 110
ringförmig umgibt, da die Minoritätsladungsträger in den hochdotierten Zonen 106, 108 rekombinieren.
Der hier mit npn-Transistoren ausgeführte Transistorleistungsschalter
läßt sich auch mit pnp-Transistoren ausführen. Bei monolithisch integrierter Bauweise
sind die Strukturen komplementär; Spannungen und Ströme haben die umgekehrte Polarität bzw.
Richtung.
Hierzu 6 Blatt Zeichnungen
Claims (30)
1. Zum Schalten einer Last dienender Transistorleistungsschaltei
mit einem Treibertransistor und einem Leistungstransistor, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kollektor des Treibertransistors (1) über einen ersten Widerstand (R1) mit dem einen Pol der Betriebsspannung
und die Emitter der beiden Transistoren (1, 2) gemeinsam mit dem anderen Pol der Betriebsspannung
verbunden sind, daß die Basis des Leistungstransistors
(2) mit dem Kollektor des Treibertransistors (1) über einen zweiten Widerstand (R.,) verbunden ist und daß die Summe der beiden
Widerstände (A1, A2) so gewählt ist, daß bei
gesperrtem Treibertransistor (I) der auf die Basis des Leistungstransistors (2) fließende Strom diesen
in allen vorkommenden Betriebszustär.den im Bereich der Sättigung hält, wobei der erste Widerstand
(R1) so dimensioniert ist, daß bei einge-Schalteten!
Treibertransistor (1) die Summe der In diesem Widerstand (R1) und im Kollektor-Emitter-Kreis
des Treibertransistors (1) umgesetzten Verlustleistung gleich beziehungsweise ungefähr
gleich ist der Summe der Verlustleistungen, die bei gesperrtem Treibertransistor (1) in
den beiden Widerständen (R1, R.,) und im Lei- «tungstransistor (2) auftritt.
2. Transistorleislungsschalter nach Anspruch 1 turn Schalten einer mittels einer Freilaufdiode
geklammerten Induktivität, dadurcli gekennzeichnet, daß die in der Freilaufdiode (D) umgesetzte
Verlustleistung mit in die Energiebilanz einbe^ fcogen ist.
3. Transistorleistungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Steuerkreis (8) des Treibertransistors
(1) einen zum Treibertransistor (1) komplementären Transistor enthält, dadurch gekennzeichnet,
daß die im Steuerkreis (8) des Treibertransistors (1) umgesetzte Verlustleistung mit in
die Energiebilanz einbezogen ist, derart, daß der !Kollektorwiderstand (R1) des Treibertransistors
)(1) so dimensioniert ist, daß bei eingeschaltetem Treibertransistor (1) die Summe der in diesem
Widerstand (R1) und im Kollektor-Emitter-Kreis des Treibertransistors (1) umgesetzten Verlustleistung
einschließlich der im Steuerkreis (8) des Treibertransistors (1) umgesetzten Verlustleistung
gleich beziehungsweise ungefähr gleich ist der Summe der Verlustleistungen, die bei gesperrtem
'Treibertransistor (1) in den beiden Widerständen 1(R1. R2) und im Leistungstransistor (2) auftritt.
4. Transistorleistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Leistungstransistor (2) als Darlingtontransistör ausgebildet ist.
5. Transistorleistungsschalter nach Anspruch 2 in monolithisch integrierter Bauform mit einer
durch die Basis-Kollcktor-Strecke eines Transiistors
gebildeten Freilaufdiode, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, wie etwa
eine tiefe Anschlußdiflusion an die vergrabene Leitschicht, welche die Stromverstärkung des sich
mit dem Substrat bildenden, parasitären Transistors hinreichend weit unter 1 absenken.
6. Transistorleistungsschalter nach Anspruch 1 in monolithisch integrierter Bauform, dadurch gekennzeichnet,
daß der zwischen dem Kollektor des Treibertransistors (1) und der Basis des Leistungstransistors
(2) liegende Widerstand (R.,) als Brücke vom Kollektor des Treibertransistors (1)
zur Basis des Leistungstransistors (2) führt und daß die Metallisierung des Kollektors bzw. Emitters
des Leistungstransistors (2) auf der isolierenden Deckschicht über diesem Widerstand (R.,)
angeordnet ist.
7. Transistorleislungsschalter nach mindestens einem der Ansprüche i bis 6 in monolithisch
integrierter Bauform, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungstransistor (2) aus einzelnen
Zellen besteht.
8. Transistorleistungsschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Basis jeder
Zelle des Leistungstransistors (2) ein Teilwiderstand (41, 42, ... 4/i) vorgeschaltet ist, wobei
Teilwiderstände (41, 42, ... 4n) den von der Basis des Leistungstransistors (2) zum Kollektor
des Treibertransistors (1) führenden Widerstand (R2) ergeben.
9. Transistorleistungsschalter in monolithisch integrierter Bauform nach mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Basis des Leistungstransistors (2)
zum Kollektor des Treibertransistors (1) führende Widerstand (R.,) bzw. seine Teilwiderstände (41,
42, ... 4n) durch die BasisdifTusion gebildet werden.
10. Transistorleistungsschalter in monolithisch integrierter Bauform nach mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Basis des Leistungstransistors (2) zum
Kollektor des Treibertransistors (1) führende Widerstand (R.,) bzw. seine Teilwiderstände (41,
42, .. . 4h) durch die Leitschichtdiffusion gebildet werden.
11. Transistorleistungsschalter in monolithisch integrierter Bauform nach mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Basis des Leistungstransistors (2)
zum Kollektor des Treibertransistors (1) führende Widerstand (R2) bzw. alle seine Teilwiderstände
(41, 42, . . . 4«) in einer gesonderten Widerstandswanne untergebracht sind.
12. Transistorleistungsschalter in monolithisch integrierter Bauform nach mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektorwiderstand (R1) des Treibertransistors
(1) und/oder der von der Basis des Leistungstransistors (2) zum Kollektor des Treibertransistors
(1) führende Widerstand (R.,) bzw. die diesen Widerständen (R1, R1,) entsprechenden
Teilwiderstände (31, 32, . .. 3m und/oder 41, 42, . . . 4«) in einer gemeinsamen Wanne mit dem
Treibertransistor (1) untergebracht sind.
13. Transistorleistungsschalter in monolithisch integrierter Bauform nach mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Basis des Leistungstransistors (2) zum
Kollektor des Treibertransistors (1) führende Widerstand (R.,) bzw. seine Teilwiderstände (41,
42, . .. 4«) durch die BasisdifTusion gebildet sind, daß der Kollektorwiderstand (R1) des Treibertransistors
(1) bzw. seine Teilwiderstände (31, 32, .. . 3m) durch die Leitschichtdiffusion gebildet
sind und daß diese beiden Widerstände (R2, R1)
bzw. ihre Teilwiderstände in einer gemeinsamen
Wanne ganz oder teilweise übereinander angeordnet sind.
14. Transistorleistungsschaller nach Anspruch
13, dadurch gekennzeichnet, daß das kollektorseitige
Ende des Kollektorwiderstandes (A1) des Treibertransistors (1) bzw. Lei unterteiltem KoI-lektorwidersiaiid
(R1) die koücktorseitigen Enden der Teilwiderstände (31. 32, ... 3m) mit der Leitschicht
des Kollektors des Treibertransistors (1) direkt verbunden sind.
15. Transistorleistungsschaiter na:h Anspruch
14, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierungsdiffusion, die zur Abgrenzung der Kollektorwanne
des Treibertransistors (1) gegen die Widerstandswanne, in welcher der Kollektorwiderstand
(R1) des Treibertransistors (1) und der von der Basis des Leistungstransistors (2) zum Kollektor
des Treibertransistors (1) führende Widerstand (R2) bzw. ihre Teihviderstände (31, 32, ... 3m;
41, 42, . . . 4/i) untergebracht sind, dient, an der
Verbindungsstelle des kollektorseitigen Endes des Kollektorwiderstandes (R1) des Treibertransistors
(1) beziehungssveise an den Verbindungsstellen der kollektorseitigen Enden seiner Teihviderstände
(31, 32, ... 3 m) mit der Leitschicht des Kollektors des Treibertransistors (1) unterbrochen ist.
16. Transistorleistungsschaiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche in monolithisch integrierter
Bauform, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Treibertransistors (1), die durch
die parallele Anordnung der Emitter-Basis-Kollektor-Anschlußbahnen gebildet wird, senkrecht
zu der Achse des Leistungstransistors (2) steht und daß der Kollektorwiderstand (R1) des Treibertransistors
(1) und/oder der von der Basis des Leistungstransistors (2) zum Kollektor des Treibertransistors
(1) führende Widerstand (R.,) bzw. ihre Teilwiderstände (31, 32, ... 3m und/oder
41, 42, . .. 4/i) zwischen dem Treibertransistor (1) und dem Leistungstransistor (2) angeordnet
sind.
17. Transistorleistungsschaiter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen des
Leistungstransistors (2) in zwei Zellengruppen aufgeteilt sind, daß der Kollektorwiderstand (R1)
des Treibertransistors (1) und/oder der von der Basis des Leistungstransistors (2) zum Kollektor
des Treibertransistors (1) führende Widerstand (R2) bzw. ihre Teilwiderstände (31, 32, ... 3m
und/oder 41, 42, ... 4n) in zwei Widerstandsgruppen aufgeteilt sind und daß die beiden Zellengruppen
und die beiden Widerstandsgruppen symmetrisch zur Mittelachse des Treibertransistors
(1) angeordnet sind.
18. Transislorleistungsschalter nach mindestens
einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleiterbahn
der einzelnen Emitter des Leistungstransistors (2) bzw. die Leiterbahnen bei Zellengruppen entlang
einer oder mehrerer Kristallkanten verlaufen.
19. Transistorleistungsschaiter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kristall mit elektrisch leitfähigem Klebstoff auf eine elektrisch leitfähige
Unterlage geklebt ist, die auf Emitterpotential liegt, und daß der elektrisch leitfähige Klebstoff
den Kontakt zwischen der auf der Kante der Kristalloberfläche verlaufenden Verbindungsleitung
der Emitter des Leistungstransistors (2) bzw. den Verbindungsle-tungen der Emitter und der elektrisch
leitfähigen Unterlage herstellt.
20. Transistorleistungsschaiter nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine Unterlage aus gut
wärmeleitendem Material, wie beispielsweise den Metallen Silber, Kupfer, Aluminium, Stahl, oder
keramischen Massen, wie Beryllium-Oxid, Aluminium-Oxid, oder anderen isolierenden Massen
oder einem Verbund au? zwei oder mehreren der vorhergenannten Werkstoffe.
21. Transistorleistungsschaiter nach mindestens einem der Ansprüche I bis 20, dadurch gekennzeichnet,
daß der Treibertransistor (1) aus zwei Teiltransistoren (11, 12) besteht, deren Emitter
direkt miteinander verbunden sind, deren Basen entweder direkt oder über ihnen jeweils vorgeschaltete
Teihviderstände (61, 62) miteinander verbunden sind und deren Kollektoren über einen
Widerstand (3 b) miteinander verbunden sind (Fig. 10).
22. Transistorleistungsschaiter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet,
daß der Treibertransistor (1) aus zwei Teiltransistoren (11, 12) besteht, deren Kollektoren
über einen Widerstand (3i>) miteinander
verbunden sind und denen der Emitter (£11) des ersten Teiltransistors (11) mit der Basis (B 12)
des zweiten Teiltransistors (12) verbunden ist (Fig. 11).
23. Transistorleistungsschaiter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet,
daß an Stelle der beschriebenen npn-Transistoren dazu komplementäre pnp-Transistoren
verwendet sind.
24. Transistorleistungsschaiter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen
Leistungstransistor aus mehreren Zellen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß jede einzelne Zelle
des Transistors mindestens bei ihrem maximalen Betriebsstrom in einem Stromdichtebereich betrieben
wird, in dem die Stromverstärkung mit zunehmendem Kollektorstrom abnimmt.
25. Transistorleistungsschaiter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der die größte Leistungsdichte aufweisende Kollektorwiderstand (2) des
Treibertransistors (1) mindestens zwei parallel und/oder in Reihe geschaltete Teihviderstände
aufgespalten ist.
26. Transistorleistungsschaiter nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch parallel und/oder in
Reihe geschaltete Teihviderstände, die aus unterschiedlichen Diffusionszonen gebildet werden.
27. Beliebige Schaltungsgruppe in Verbindung mit einem Transistorleistungsschaiter nach mindestens
einem der vorhergenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die beliebige Schal·
tungsgruppe ganz bzw. nahezu ganz in einen Teilstück des den Transistorleistungsschaiter ent
haltenden Kristalls untergebracht ist.
28. Beliebige Schaltungsgruppe nach Ansprucl 27, dadurch gekennzeichnet, daß die beliebig
Schaltungsgruppe in einem Teilstück des gemein samen Kristalls untergebracht ist, das sich ai
einem der freien F.nden senkrecht zur Achse de Treibertransistors (1) und parallel zur Achse de
Zellen des Leistungstransistors (2) befindet.
24 Ol 701
29. Trägerkörper für den Kristall eines Transistorleistungsschalters
nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper für den Kristall so ausgebildet
ist, daß seine Oberfläche zur Wärmeabgabe an die Umgebung durch ein U-förmiges bzw. mit Rippen
versehenes Profil vergrößert ist.
30. Trägerkörper nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere elektrische
und/oder mechanische Bauelemente mit auf dem Trägerkörper untergebracht sind.
Priority Applications (9)
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