DE3230910A1 - Schalter mit leistungs-mosfet - Google Patents
Schalter mit leistungs-mosfetInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von dynamischen Halbleiter-Speicherzellen mit wahlfreiem Zugriff (RAM) nach der Doppel-Polysilizium-Gate-Technologie, bei dem die Isolation benachbarter aktiver Bereiche durch Dick oxidbereiche (2) nach der bekannten LOCOS-Technologie erfolgt und bei dem zur Erhöhung der Zellkapazität in den Speicherbereich unter Verwendung einer Fotolackmaske (4) eine Bor- (6) und Arsen-Ionenimplantation (7) durchgeführt wird. Erfindungsgemäß wird zur Erhöhung der Packungsdichte im Prozeßverlauf die Oxiddicke (2, 2a) im Speicherbereich/Dickoxidtransistorbereich sowohl axial als auch lateral (L ↓v) durch Abätzen reduziert. Das Verfahren wird verwendet bei der Herstellung hochintegrierter Si ↑2-Gate-RAM-Speicher.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Schalter für eine
eine induktive Komponente aufweisende Last mit den Merkmalen:
a) mindestens ein Brückenzweig mit mindestens zwei in Reihe geschalteten, invers betriebenen Leistungs-MOSFET;
b) der Brückenzweig hat zwei äußere Klemmen und einen
zwischen zweien der MOSFET liegenden inneren Abgriff;
c) die Last liegt zwischen innerem Abgriff und wahlweise einem der äußeren Klemmen.
Ein solcher Schalter ist z. B. in der Zeitschrift "Elektronik"
1980, Heft 24, Seiten 91 bis 94 beschrieben worden.
Bei diesem Schalter werden die beiden Leistungs-MOSFET des Brückenzweiges invers zueinander geschaltet,
d. h., wenn der eine MOSFET eingeschaltet wird, wird der
andere ausgeschaltet. Die Leistungs-MOSFET weisen eine in Rückwärtsrichtung gepolte Diode auf, die im Fall einer1
induktiven Last in denjenigen Betriebsphasen, in denen der Versorgungsbatterie keine Leistung entnommen wird,
den Selbstinduktionsstrom (Freilaufstrom) führt. Die Kommutierung
stellt zunächst für den einzuschaltenden Leistungs-MOSFET eine kritische Phase dar, da der Strom
schon ansteigt, während die am MOSFET liegende Spannung zunächst nur unwesentlich absinkt. Dies führt zu hohen
Einschaltverlusten.
Beim Umkommutieren des Stroms vom einen Leistungs-MOSFET auf den anderen Leistungs-MOSFET tritt nun beim zu sperrenden
MOSFET zusätzlich ein Problem auf, das durch die Hab 1 Dx / 17.08.1982
f
-y-- VPA 82P 1 680 OE
-y-- VPA 82P 1 680 OE
rückwärts leitende Diode verursacht wird. Die rückwärts
leitende Diode (Inversdiode) wird durch die Basis-Kollektorstrecke
eines parasitären Bipolartransistors gebildet. Beim Kommutieren des Stroms vom abzuschaltenden auf den
einzuschaltenden MOSFET kann ein Teil des Rückstroms
durch die Kollektor-Basisstrecke des Bipolartransistors des abzuschaltenden MOSFET fließen. Damit kann der Bipolartransistor
eingeschaltet werden. Liegt dann gleichzeitig Spannung am abzuschaltenden MOSFET, kann dieser zerstört
werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beim Einschalten und Umkommutieren auftretenden Belastungen an
den Leistungs-MOSFET eines Schalters der eingangs beschriebenen Gattung so zu verringern, daß eine Zerstörung
der Leistungs-MOSFET vermieden wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale:
d) dem Brückenzweig ist eine Entlastungsdrossel in Reihe geschaltet;
e) dem Brückenzweig ist ein Hilfskreis parallelgeschaltet;
f) der Hilfskreis besteht aus einer Hilfsspannungsquelle
und einer Diode;
g) die Diode ist so gep.olt, daß der Hilfsstrom die MOSFET
in Vorwärtsrichtung durchfließt;
h) die Hilfsspannung (V„) ist kleiner als die am Schalter
liegende Spannung (Vg) und ist so bemessen, daß
30
vH > vB . hl
ist, wobei die Größe L„ die parasitäre Induktivität
des Hilfskreises ist.
■ ■■■ ' ' ' : '■ . '
VPA 82 P 1 5 80 OE
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche
.
Die Erfindung wird an Hand einiger Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit den Fig. 1 bis 6 näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein prinzipielles Schaltbild zur Erläuterung der
der Erfindung zugrunde liegenden Probleme und der Erfindung,
Fig. 2 den Spannungs- und Stromverlauf an den Leistungs— MOSFET bei einem Schalter herkömmlicher Art,
Fig. 3 den Spannungs- und Stromverlauf an den Leistungs-MOSFET
eines Schalters gemäß der Erfindung! und Fig. 4 .
bis 6 drei verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Die Anordnunng nach Fig. 1 weist zwei Leistungs-MOSFET
'20 Tr^ und Tr2 auf, im folgenden nur MOSFET genannt/Diese
MOSFET sind in Reihe geschaltet und bilden, eventuell unter Berücksichtigung einer Leitungsinduktivität, einen
Brückenzweig eines Schalters. Dieser Brückenzweig hat zwei äußere Klemmen A, B und einen inneren Abgriff M. An
die äußere Klemme A und an die innere Klemme M ist eine Last geschaltet. Sie besteht aus einer induktiven Komponente
L^ und einer ohmschen Komponente .R. . In Reihe mit dem Brückenzweig liegt eine Entlastungsdrossel L„, die
von der Reihenschaltung aus einer Diode und einer Zenerdiode überbrückt ist. Die Verwendung und Wirkung einer
solchen Entlastungsdrossel ist z. B. aus der Zeitschrift "etz", Band 100 (1979), Heft 13, Seiten 664 bis 670 bekannt. An die Klemmen A und B ist eine Hilfsschaltung angelegt,
die aus einer Spannungsquelle mit der Hilfsspan-
-/- VPA 82 P 1 6 8 0 DE
nung V„ und einer Diode Dp besteht. Die Hilfsschaltung
hat eine nicht zu vernachlässigende Leitungsinduktivität L„, die gestrichelt dargestellt ist.
ti .
Zur Erläuterung der Erfindung sei angenommen^ daß die
Last einen mittleren Freilaufstrom I führt, der durch die
Inversdiode von Tr1 fließt. Diese Inversdiode ist durch
die Kollektor-Basisstrecke des parasitären Bipolartransistors T gebildet und mit einer Kapazität C„„ behaftet.
Wird nun der MOSFET Tr1 abgeschaltet und der MOSFET Tr2
eingeschaltet, so ändern sich die Ströme zunächst nicht, da der Strom I durch die Inversdiode von Tr1 weiterfließt
und der Strom i wegen der Entlastungsdrossel L„ nicht sprunghaft ansteigen kann. Die an den Inverter liegende
Spannung u fällt jedoch wegen des Einschaltens des MOSFET Tr- abrupt ab und erreicht zur Zeit t1 (Fig. 2) einen
Wert nahe Null. Der Strom I geht hierbei ausgehend von negativen Werten gemäß di/dt = Vo/Lp; gegen Null, kehrt
dann seine Richtung um und fließt dann in Vorwärtsrichtung durch den MOSFET Tr1-. Er teilt sich dabei in den
Strom I1 und i2 auf, wobei i2 . RßE eine Steuerspannung
UgE für den Bipolartransistor T darstellt. Wird ILg größer
als die Basis-Emitter-Schwellspannung, wird der Transistor T leitend. Mit dem Abbau der in der Kollektor-Basiskapazität
CCB gespeicherten Ladungsträger steigt die
Spannung u an den MOSFET steil an (t2 in Fig. 2). Diese
Spannung liegt auch am Bipolartransistor T an. Fließt nun Kollektorstrom durch den Transistor T, kann die Verlustleistung
so hoch werden, daß der MOSFET Tr1 zerstört werden kann.
Gemäß der Erfindung wird nun der aus der Spannungsquelle
Vy, einer eventuellen Leitungsinduktivität L„ und der
Diode D2 bestehende Hilfskreis dem Brückenzweig parallelgeschaltet.
Damit kann die Spannung am Brückenzweig,
d. h. zwischen den Klemmen A und B, nicht in die Nähe von
Null fallen, sondern wird auf Höhe der Spannung V„ fest-
■ "' ·'■ ■■■■ · ' :
VPA 82 P 1 6 80 DE
gehalten. Dies ist in Fig. 4 veranschaulicht, in der oben
der Verlauf der Spannung u und unten der Verlauf des
Stroms L~ aufgetragen ist. Es ist zu erkennen, daß die
Spannung u zum Zeitpunkt t. die Hilfsspannung V„ erreicht
und dort zunächst festgehalten wird. Dabei fließt ein
Strom i„ aus der Hilfsschaltung über die Diode D0 zur
Klemme A. Der Strom i„ bewirkt ab dem Zeitpunkt t.. ein
starkes Ansteigen des Stroms i nach Null und zu positiven
Werten. Der Stromanstieg ist dabei durch V„/L„ bestimmt.
Es ist ersichtlich, daß der das Ausräumen der Inversdiöde des MOSFET Tr1 bewirkende Strom i~ höher ist als ohne die
Hilfsschaltung, so daß die in der Inversdiöde gespeicherten
Ladungsträger (Qno) beschleunigt ausgeräumt werden.
Zu einem Zeitpunkt tg, in dem die Spannung an der Klemme
A noch die Größe V„ hat, wird der Strom i- gleich Null,
d. h., daß die Ladungsträger ausgeräumt sind und der parasitäre Bipolartransistor nun ausgeschaltet ist. Daran
schließt sich die Freiwerdezeit t der Diode D~ an. Wäh-
v ..:. ■...■■■■ q 2
rend der Dauer der Freiwerdezeit ist der Strom i* immer
noch Null, das Potential an der Klemme A wird jedoch auf der Höhe V„ festgehalten. Die Spannung am Brückehzweig
steigt erst am Ende der Freiwerdezeit zum Zeitpunkt t~
wieder auf die Spannung u an. Das du/dt des Spannungsanstiegs wird durch die Entlastungsdrossel L„ bestimmt. Da
ti der MOSFET Tr1 nun nicht mehr von Strom durchflossen ist,
kann der parasitäre Bipolartransistor nicht einschalten und eine Zerstörung des MOSFET wird vermieden.
In Fig. 4 ist ein einfacher Inverter mit einem einzigen Brückenzweig und den MOSFET Tr1 und Tr~ dargestellt, bei
dem die Last zwischen dem Mittelabgriff und einem künstlichen
Nullpunkt, gebildet aus zwei Kondensatoren, angeschaltet ist. Die Hilfsschaltung wirkt für beide MOSFET,
da diese bezüglich der Hilfsschaltung in Reihe geschaltet·
und vom gleichen Strom durchflossen sind.
-χ - VPA 82 P 1 6 80 DE
In Fig. 5 ist ein Schalter mit zwei Brückenzweigen, eine Vollwegbrücke, dargestellt. Die beiden Brückenzweige weisen
wiederum je zwei Leistungs-MOSFET auf, die stark vereinfacht dargestellt sind. Die Last besteht z. B. aus einem
Gleichstrommotor L, der zwischen die Mittelabgriffe der Brückenzweige geschaltet ist. Die Hilfsschaltung
wirkt hier analog der Anordnung nach Fig. 5 für alle vier
PIOSFET.
Eine entsprechende Erweiterung auf einen Dreiphasen-Steller ist in Fig. 6 dargestellt. Dieser besteht aus drei
Brückenzweigen, an deren Mittelabgriffen eine dreiphasige Last L, z. B. ein Drehstrommotor, angeschlossen ist. Die
Entlastungsschaltung wirkt hier entsprechend auf sämtliehe sechs Leistungs-MOSFET.
Voraussetzung für die Wirksamkeit der Hilfsschaltung ist,
daß der durch die Hilfsschaltung verursachte Stromanstieg di/dt größer ist als der durch die Entlastungsdrossel Lp
alleine bewirkte Stroraanstieg di/dt. Da der Stromanstieg eines induktiven Kreises gleich dem Quotienten aus
der anliegenden Spannung und der Induktivität des Kreises ist, muß die Bedingung
Λ χ Ib
LH ? LE
erfüllt sein. Daraus resultiert, daß die Hilfsspannung
erfüllt sein. Daraus resultiert, daß die Hilfsspannung
V \ V LH
H > B lJ:
sein muß. Sie kann ζ. B. 5 bis 10mal größer sein. Die
Hilfsspannung kann, wie dargestellt, von einer Batterie
-/- VPA 82 P 1 6 80 DE
geliefert werden. Es kann aber auch ein Kondensator zur
Verwendung kommen, der über einen Widerstand an einer
Spannungsquelle liegt.
6 Figuren
6 Patentansprüche ■
Claims (6)
- PatentansprücheVPA 82 P-V 6 80 DEπ A Schalter für eine eine induktive Komponente aufweisende Last, mit den Merkmalen:
■' ;., . . : ■■■. ' "·. -..' ■■ . ' ' ■.a) mindestens ein Brückenzweig mit mindestens zwei in Reihe geschalteten, invers betriebenen Leistungs-MOSFET (Tr1 Tr9);b) der Brückenzweig hat zwei äußere Klemmen (A, B) und einen zwischen zweien der MOSFET liegenden inneren Abgriff (M);c) die Last (L,, R.) liegt zwischen innerem Abgriff und wahlweise einem der äußeren Klemmen;gekennzeichnet durch die Merkmale:d) dem Brückenzweig ist eine Entlastungsdrossel (Lp) in Reihe geschaltet;e) dem Brückenzweig ist ein Hilfskreis parallelgeschal-tet; >f) der Hilfskreis besteht aus einer Hilfsspannungsquelle \ (Vu) und einer Diode (D~);ti c.g) die Diode ist so gepolt, daß der Hilfsstrom die MOSFET in Vorwärtsrichtung durchfließt;h) die Hilf sspannung (V1.) ist kleiner als die am Schalterliegende Spannung (V„) und ist so bemesen, daßV S V LH VH > B * ~ E ist, wobei die Größe L„ die parasitäre Induktivität des Hilfskreises ist. - 2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Hilfsspannung (V.r *5 bis 10mal größer als die Größe Vß . H ist.LE2/
-jg<- VPA 82 P 1 68 0 QE - 3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Merkmale:a) es ist ein zweiter Brückenzweig mit in Reihe geschalteten, invers betriebenen Leistungs-MOSFET vorgesehen;b) der zweite Brückenzweig ist dem ersten parallelgeschaltet und hat einen inneren Abgriff;c) die Last liegt zwischen den inneren Abgriffen des ersten und des zweiten Brückenzweiges.10
- 4. Schalter nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Merkmale:a) den beiden Brückenzweigen ist ein dritter Brückenzweig mit einem inneren Abgriff parallelgeschaltet;b) die Last ist eine dreiphasige Last und ist über ihre drei Klemmen mit jeweils einem der inneren Abgriffe der Brücken verbunden.
- 5« Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Hilfsspannungsquelle eine Batterie ist.
- 6. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a durch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannungsquelle ein Kondensator ist, der über einen Widerstand an einer Spannungsquelle liegt.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19823230910 DE3230910A1 (de) | 1982-08-19 | 1982-08-19 | Schalter mit leistungs-mosfet |
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DE3230910A1 true DE3230910A1 (de) | 1984-02-23 |
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ID=6171250
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1983
- 1983-08-17 JP JP15011883A patent/JPS5951417A/ja active Pending
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Publication number | Publication date |
---|---|
DE3230910C2 (de) | 1987-09-24 |
JPS5951417A (ja) | 1984-03-24 |
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