DE3524050A1

DE3524050A1 - Halbleiteranordnung mit einer linearen leistungs-transistorstufe

Info

Publication number: DE3524050A1
Application number: DE19853524050
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Phys Conzelmann; Gerhard Dipl Ing Fiedler; Adolf Kugelmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1985-07-05
Filing date: 1985-07-05
Publication date: 1987-01-08

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Halbleiteranordnung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Zur Erzielung einer gleichmäßigen Stromverteilung, ist es aus der europä ischen Patentanmeldung EP-A 0 048 358 bekannt, zwischen Basiskontakt und Emitterrand einen Emitter-Pinchwider stand zu schalten. Dieser besitzt einen hohen Quadrat widerstand verbunden mit einem relativ großen Tempera turkoeffizienten und ist in etwa proportional der Strom verstärkung. Damit dieser Widerstand voll wirksam werden kann, muß der darin entstehende Spannungsabfall mit zu nehmender Temperatur nach Möglichkeit größer werden als die Absenkung der Basisemitterspannung durch dieselbe Temperaturerhöhung. Dies bedeutet aber, daß bereits bei Raumtemperatur im linearen Aussteuerbereich durch den fließenden Basisstrom Spannungsabfälle von der Größen ordnung um 300 mV erforderlich sind. Im Sättigungsfall nimmt die Stromverstärkung stark ab, der Basisstrom und damit auch der Spannungsabfall an diesem Widerstand steigen stark an. Transistoren dieser Art haben deshalb Kollektor-Emitter-Sättigungsspannungen bis zu mehreren Volt, die hohe Verlustleistung bedeutet.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung besitzt eine lineare Leistungs-Transistorstufe, die aus zwei unter schiedlichen Transistoren besteht, die bezüglich ihrer Kollektor-Emitterstrecken parallel geschaltet sind. Einer der beiden Transistoren besitzt im Basisbereich Mittel zur Stabilisierung der Stromverteilung, wie sie beispielsweise aus der genannten europäischen Patentan meldung bekannt sind. Der andere Transistor ist als Schalttransistor ausgebildet, dessen Basisstrom in Ab hängigkeit von verschiedenen Systemparametern so ge steuert werden kann, daß ein Durchbruch zweiter Art (second-brakedown) im Gefahrenbereich durch Absenkung des Basisstroms sicher vermieden werden kann. Die hierzu verwendete Basis-Ansteuerschaltung kann so ausgebildet sein, daß im linearen Arbeitsbereich der Leistungs-Tran sistorstufe bei einer vorgegebenen Kollektor-Emitter spannung eine Basisstromumschaltung auf den Schalttran sistor oder eine kontinuierliche Basisstromerhöhung am Schalttransistor erfolgen kann.

Die beiden Transistoren der Leistungs-Transistorstufe sind vorzugsweise jeweils aus einer Parallelschaltung von mehreren Transistorzellen gebildet. Der mit Mitteln zur Stabilisierung der Stromverteilung versehene Tran sistor hat im Basisbereich Zonen mit größerem Quadrat widerstand und vorzugsweise größerem Temperaturkoeffi zienten zwischen Basiskontakt und Emitterrand als die Basiszone selbst. Zwischen Basiskontakt und Emitterrand kann auch ein Emitter-Pinchwiderstand zur Stabilisierung der Emitter- bzw. Kollektor-Stromverteilung vorgesehen sein.

Die Umschaltung des Basisstroms vom einen Transistor auf den Schalttransistor kann in Abhängigkeit von der Kollek tor-Emitterspannung oder in Abhängigkeit vom Basisstrom des einen Transistors erfolgen. Hierzu kann eine bista bile Kippschaltung verwendet werden, die mit zunehmender Kollektor-Emitterspannung wieder zurückgesetzt wird, so daß dann wieder eine Umschaltung vom Basisstrom des Schalttransistors auf den Basisstrom des anderen Tran sistors erfolgt.

Für die Überwachung und Steuerung der Basisströme können auch den beiden Transistoren jeweils eigene Regelkreise mit Differenzverstärkern zugeordnet sein, denen als Sy stemparameter die Kollektor-Emitterspannung und den Ba sisströmen proportionale Meßgrößen zugeführt werden.

Eine besonders gute Stabilisierung der Stromverteilung erhält man dadurch, daß die im Basisraum angeordneten Widerstände im Innern der Transistorfläche größer sind als an ihrer Peripherie.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung,

Fig. 2 und 3 jeweils einen Schnitt durch einen mit Stabilisierungsmitteln versehenen Transistor,

Fig. 4 die Draufsicht auf das Layout des in Fig. 3 dargestellten Transistors,

Fig. 5 die Draufsicht auf ein Layout mit den beiden Transistoren einer erfindungsgemäßen Leistungs-Transis torstufe,

Fig. 6 eine andere Ausführung des Layout für die Leistungs-Transistorstufe,

Fig. 7 die zu Fig. 6 gehörende Ersatzschaltung,

Fig. 8 eine weitere Ausführungsform eines Ersatzschalt bildes und

Fig. 9 das Schaltbild eines Motorstrom-Reglers mit er findungsgemäßer Leistungs-Transistorstufe.

In Fig. 1 ist das Prinzip der erfindungsgemäßen Lei stungs-Transistorstufe angegeben, die im wesentlichen aus einem ersten Transistor 1, einem Schalttransistor 2 und einer Basis-Ansteuerschaltung 3 besteht. Bei der als monolithisch integrierte Schaltungsanordnung ausgebilde ten Leistungs-Transistorstufe sind im Basisraum des Transistors 1 zur Stabilisierung der Stromverteilung vor zugsweise verteilt angeordnete Widerstände oder ent sprechende Mittel vorgesehen. Im Ersatzschaltbild gemäß Fig. 1 sind diese Maßnahmen vereinfacht als ein Basis vorwiderstand 4 eingezeichnet. Der Basiskontakt 5 des Transistors 1 ist über diesen Widerstand 4 mit einem Ausgang der Basis-Ansteuerschaltung 3 verbunden. Die Ba sis-Ansteuerschaltung 3 besitzt eine Anschlußklemme 7 und einen Steuereingang 8, an dem unterschiedliche Sy stemparameter repräsentierende Signale anliegen können.

Die Kollektor-Emitterstrecken der beiden Transistoren 1, 2 sind parallel geschaltet, wobei die Emitter mit einer Klemme 9 und die Kollektoren mit einer Klemme 10 verbunden sind.

Der Transistor 1 ist im Bereich seiner Basis so stabi lisiert, daß im linearen Arbeitsbereich ein Durchbruch zweiter Art sicher vermieden wird, während der Schalt transistor 2 als Transistor mit niedriger Sättigungs spannung ausgeführt ist. Mittels der Basis-Ansteuer schaltung 3 wird eine Verteilung des Basisstroms auf die beiden Transistoren 1, 2 abhängig von einem oder mehre ren Systemparametern vorgenommen. Als Systemparameter kann beispielsweise die Kollektor-Emitterspannung dienen.

Die Fig. 2 und 3 zeigen je einen Schnitt durch einen Transistor 1 mit Mitteln zur Stabilisierung der Strom verteilung. In Fig. 2 sind der Basiskontakt 5, die dar unterliegende Basiszone 51, die mit der gleichen Diffu sion hergestellte Basiszone 52 und die darin befindliche Emitterzone 91 dargestellt. Die Verbindung zwischen der Basiszone 51 und 52 ist mit einem implantierten hoch ohmigen Widerstand 41 hergestellt.

In der Fig. 3 ist ein Pinch-Widerstand 4 dargestellt, der durch Einbringen einer zusätzlichen Emitterdiffussion 911 zwischen dem Basiskontakt 5 und dem Emitter 91 verläuft. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, weil der Pinch-Widerstand proportional zur Stromverstärkung ist und dieser Transistor 1 nur im linearen Berech betrieben wird.

In Fig. 4 ist die Draufsicht auf ein Layout eines Tran sistors 1 nach Fig. 3 wiedergegeben. Durch zusätzliche Emitterdiffusion 911, 912 werden Rahmen gebildet, in deren Innerem der Basiskontakt 51 liegt. Der zum Emitter fließende Basisstrom ist somit gezwungen, die Engstelle 4 (Fig. 3) zu passieren. Der Rahmen der Emitterdiffu sion 912 ist geringfügig breiter als der der Emitter diffusion 911, so daß die im Zentrum der Transistor fläche des Transistors 1 liegenden Pinch-Widerstände etwas größer sind als die am Rande liegenden, die eine bessere Wärmeableitung besitzen. Der Basisstrom der im Innern der Transistorfläche liegenden Teiltransistoren läßt sich hierdurch etwas zurücknehmen, so daß eine bessere Temperaturverteilung erzielt wird.

Fig. 5 zeigt nun ein kombiniertes Layout, welches Tran sistoren 1 und 2 umfaßt, die jedoch in getrennten Zellen untergebracht sind. Die Bezugszahlen stimmen wieder mit denen der übrigen Figuren überein.

Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung des Layouts zeigt Fig. 6, wo beide Transistoren 1, 2 in einer ein zigen Zelle angeordnet sind, so daß keine größere Fläche erforderlich ist.

Fig. 7 zeigt die zu Fig. 6 gehörende Ersatzschaltung. Die Transistoren 1, 2 sind zusammengefaßt und haben die unter den Rahmen 911 liegenden Pinch-Widerstände 41, die den gegen einen Durchbruch der zweiten Art festen Tran sistorteil erzeugen. Der Transistorteil des Schaltungs transistors 2 besitzt dagegen sehr niederohmige Basis bahnwiderstände 42. Der Basiskontakt 5 bildet innerhalb des Rahmens 911 zusammen mit dem Kollektor 10 eine para sitäre Diode 11. Durch die Wirkung dieser Diode 11 ist die Sättigungsspannung des Transistorteils, der den Transistor 1 bildet, um den Spannungsabfall am Pinch- Widerstand 41 angehoben.

Auch in Fig. 7 kann die Kollektor-Emitterspannung U _CE allein über den Steuereingang 8 zur Steuerung der Basis ströme an den Klemmen 5, 6 herangezogen werden. Es kann aber auch der Spannungsabfall am Widerstand 41, der zur Potentialdifferenz zwischen den Klemmen 81, 82 führt, außerdem zur Steuerung der Basisströme verwendet werden.

Wegen der Wirkung der Diode 11 ist es jedoch vorteilhaft, wie in Fig. 8 dargestellt, einen gesonderten Widerstand 43 vorzusehen. Über den Steuereingang 8 wird sicher ver hindert, daß am Basiskontakt 6 bei zu hoher Kollektor- Emitterspannung U _CE Basisstrom fließen kann.

In Fig. 9 ist das Prinzipschaltbild eines Motorstrom- Reglers gemäß der Erfindung wiedergegeben. Während des Hochlaufs des Motors aus dem Stillstand heraus, treten einerseits sehr hohe momentane Verlustleistungen auf, andererseits soll der Regler bei vollem Motorstrom eine sehr niedrige Sättigungsspannung aufweisen. Beide For derungen lassen sich mit der hier dargestellten Anordnung erfüllen. Die Schaltungsanordnung enthält zwei Differenz verstärker 12, 13, den Motor 14, einen Meßwiderstand 15 für den Motorstrom, einen Basis-Ableitwiderstand 16, ferner Teilwiderstände 17, 18 zum Einkoppeln der Kollektor-Emitterspannung U _CE, ferner die Teilerwider stände 19, 20 und 21, 22 zum Einkoppeln der als Führungs größe dienenden Spannung U _F, die den Strom durch den Motor bestimmt. Bei richtiger Dimensionierung dieser Schaltung läßt sich erreichen, daß der Basisstrom I ₅ mit fallender Kollektor-Emitterspannung bei hinreichend niedriger Spannung auf den Basisstrom I ₆ übergeht, ohne daß im Motorstromkreis negative Widerstände auftreten.

Mit den erfindungsgemäßen Anordnungen lassen sich Halb leiteranordnungen mit einer linear arbeitenden Leistungs- Transistorstufe realisieren, die insbesondere für Strom regler von Elektromotoren geeignet sind. Durch die Kom bination von Transistorelementen mit Mitteln im Basis raum zur Stabilisierung der Stromverteilung mit als Schalttransistoren ausgebildeten Transistorelementen lassen sich Leistungs-Transistorstufen realisieren, die einerseits sicher gegen einen Durchbruch der zweiten Art geschützt sind und eine niedrige Sättigungsspannung er reichen.

Claims

1. Halbleiteranordnung mit einer linearen Leistungs- Transistorstufe, die einen ersten Transistor enthält, der Mittel zur Stabilisierung der Emitter- bzw. Kollek tor-Stromverteilung besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Transistor (1) ein zweiter Schalttransistor (2) bezüglich der Kollektor-Emitterstrecke parallel ge schaltet ist, und daß die separaten Basisanschlüsse der beiden Transistoren (1, 2) mit einer Basis-Ansteuer schaltung (3) verbunden sind, die den Basisstrom (I ₆) des Schalttransistors (2) im linearen Bereich zur Ver meidung eines Durchbruchs der zweiten Art auf unkritische Basisstromwerte reduziert.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß beide Transistoren (1, 2) jeweils aus einer Parallelschaltung von mehreren Teiltransistoren bestehen.

3. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (1) im Basisbereich Zonen mit größerem Quadratwiderstand und vorzugsweise größerem Temperaturkoeffizienten zwischen Basiskontakt und Emitterrand als die Basiszone selbst hat, die als Mittel zur Stabilisierung der Emitter- bzw. Kollektor-Stromverteilung im ersten Transistor (1) dienen.

4. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Emitter-Pinch widerstand (4) zwischen Basiskontakt (5) und Emitterrand (91) als Mittel zur Stabilisierung des ersten Transis tors (1) vorgesehen ist.

5. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis-Ansteuer schaltung (3) in Abhängigkeit von der Kollektor-Emitter spannung (U _CE) die Basisströme (I ₅, I ₆) beider Transis toren (1, 2) steuert.

6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß über die Basis-Ansteuerschaltung (3) der Basisstrom (I₅) des ersten Transistors (1) mit abnehmen der Kollektor-Emitterspannung (U _CE) stetig auf den Basis strom (I ₆) des Schalttransistors (2) übergeht.

7. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Übergangsbe reich vom Basisstrom (I ₅) der ersten Transistors (1) zum Basisstrom (I ₆) des Schalttransistors (2) ein Kollektor- Emitterspannungsbereich zwischen ca. 10 Volt und ca. einem Volt vorgesehen ist.

8. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis-Ansteuerschaltung (3) den Basisstrom des ersten Transistors (1) überwacht und in Abhängigkeit davon eine Umschaltung des Basis stroms auf die Basis des Schalttransistors (2) veranlaßt.

9. Halbleiteranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß der an einem Basisvorwiderstand (43) auf tretende Spannungsabfall zur Überwachung des Basisstroms der Basis-Ansteuerschaltung (3) zugeführt wird.

10. Halbleiteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß durch den Spannungsabfall am Basisvorwider stand (43) eine bistabile Kippschaltung gesetzt wird, mittels derer vom Basisstrom (I ₅) des ersten Transistors (1) auf den Basisstrom (I ₆) des Schalttransistors (2) umgeschaltet wird, und die mit zunehmender Kollektor- Emitterspannung (U _CE) wieder zurückgesetzt wird.

11. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für den ersten Tran sistor (1) und den Schalttransistor (2) jeweils ein eige ner Regelkreis mit Differenzverstärker (12, 13) vorge sehen ist, die deren Basisströme (I ₅, I ₆) steuern.

12. Halbleiteranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kollektor-Emitterspannung (U _CE) auf mindestens einen Eingang der Differenzverstärker (12, 13) zum Umschalten der Basisströme einwirkt.

13. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Basisraum des ersten Transistors (1) über die gesamte Transistorfläche verteilt angeordnete Stabilisierungs-Widerstände vorge sehen sind, die im Innern der Transistorfläche größer sind als an ihrer Peripherie.