DE4417252C2 - Leistungshalbleiter mit Weak-Inversion-Schaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Leistungshalbleiter mit ei­ ner Schaltung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon ein Leistungshalbleiter in Form eines Smart-Power-Tran­ sistors (BUK100-50GL, Philips) bekannt, der eine Schal­ tung in Form einer Überlastschutzschaltung aufweist. Während der Leistungshalbleiter bereits ab einer Steuerspannung von typisch 1,5 V leitend wird, sind die Schutzfunktionen der Schaltung erst ab ungefähr 3,5 V funktionsfähig. Wird der Leistungshalbleiter als Stellglied einer Regelung mit einem analogen Eingangssignal betrieben, so arbeitet der Leistungs­ halbleiter im Bereich zwischen 1,5 und 3,5 V ungeschützt. Soll der Leistungshalbleiter als Schalter für digitale Ein­ gangssignale betrieben werden, so muß der High-Pegel des di­ gitalen Eingangssignales größer als 3,5 V sein, damit der Leistungshalbleiter von der Schutzschaltung geschützt wird. Je nach Anwendung kann in dem ungeschützten Bereich zwischen 1,5 und 3,5 V ein Strom von bis zu 18 Ampere durch den Lei­ stungshalbleiter fließen.

Auch aus den Druckschriften DE 43 15 738, DE 32 43 467 GB 22 48 151 und DE 38 43 277 sind Leistungsbauelemente mit einer Schutzschaltung bekannt.

In der Veröffentlichung "CMOS Analog Circuit Design", von Al­ len und Holbert, Kapitel 9.6, New York, 1987, ISBN 0-03-006587-9, wird der Begriff "Weak Inversion" erläutert. Bei "Weak-Inversion"-Schaltungen handelt es sich um Schaltungen, die im Weak-Inversion-Betrieb verwendet werden können und be­ reits bei besonders geringen Versorgungsspannungen arbeiten.

Die erfindungsgemäße Anordnung nach Anspruch 1 hat zur Aufga­ be, bereits bei einer minimalen Spannung eine Schutzfunktion bzw. eine Diagnosefunktion zu gewährleisten.

Durch die Verwendung von Weak-Inversion-Schutzschaltungen wird der Spannungsbereich, in dem der Leistungshalbleiter ge­ schützt ist, vergrößert. Die Ausbildung der Diagnoseschaltung als Weak-Inversion Schaltung erweitert den Bereich, in dem die Funktionsfähigkeit überprüft wird. Dadurch werden Fehl­ funktionen früher erkannt.

Die Weak-Inversion-Schutzschaltung eignet sich besonders, um einen Leistungstransistor zu überwachen. Dadurch ist der Lei­ stungstransistor bereits bei einer geringen Steuerspannung von ungefähr 1 V, die der Versorgungsspannung der Weak-In­ version-Schutzschaltung entspricht, geschützt. Somit wird er­ reicht, daß der Leistungstransistor geschützt ist, sobald er leitend wird. Zudem hat die Verwendung einer Weak-Inversion-Schutz­ schaltung den Vorteil, daß der Stromverbrauch auf ein Zehntel gegenüber einer konventionellen Schutzschaltung redu­ ziert ist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Anordnung möglich.

Eine einfache Versorgung der Weak-Inversion-Schutzschaltung wird in vorteilhafter Weise erreicht, indem eine stabilisie­ rende Spannungsversorgungsschaltung angeordnet ist, die von der Steuerspannung mit Strom versorgt wird.

Besonders vorteilhaft ist es, daß der Leistungstransistor mindestens eine Sensezelle aufweist, wobei die Sensezelle ei­ nen zum Drainstrom näherungsweise proportionalen Sensestrom liefert. Mit Hilfe des Sensestroms steht ein Signal zur Ver­ fügung, das proportional zum Drainstrom des Leistungs­ transistors ist. Somit ist eine Überwachung des Leistungs­ transistors möglich.

Eine vorteilhafte Überwachung der Überlast des Leistungshalb­ leiters besteht darin, eine vom Sensestrom abgeleiteten Span­ nung mit einer aus der internen Versorgungsspannung abge­ leiteten Referenzspannung zu vergleichen.

Eine einfache und zugleich sichere Überwachung des Leistungs­ transistors wird erreicht, indem direkt der Sensestrom über­ wacht wird.

Die Sicherheit der Überwachung des Leistungstransistors wird erhöht, indem die Schutzschaltung die Temperatur des Leistungstransistors überwacht. Eine vorteilhafte Anordnung zur Überwachung der Temperatur des Leistungstransistors be­ steht darin, einen vertikalen Bipolar-Transistor in der Nähe des Leistungstransistors anzuordnen und den Sperrstrom des bipolaren Transistors, der temperaturabhängig ist, zu über­ wachen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar­ gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er­ läutert. Es zeigen Fig. 1 eine Schutzschaltung, die die Temperatur und den Drainstrom des Leistungstransistors über­ wacht und Fig. 2 eine Schutzschaltung, die den Drainstrom in Abhängigkeit von der Drainspannung überwacht.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau von Weak-Inversion-Schutz­ schaltungen 3, 33, die auch als Subthreshold-Schutz­ schaltungen bezeichnet werden, für einen Leistungstransistor 1. Anstelle des Leistungstransistors 1 könnten auch andere Leistungshalbleiter bzw. Leistungshalbleiteranordnungen ver­ wendet werden. In Fig. 1 ist schematisch der Stromkreis eines Motors 20, der von einer Spannungsquelle 21 mit einem positiven Potential versorgt wird und über den Leistungs­ transistor 1 mit Masse verbunden ist, dargestellt. Der Leistungstransistor 1 ist als Feldeffekttransistor ausgebil­ det, wobei der Drainanschluß 18 mit dem Motor 20 verbunden ist und der Sourceanschluß 19 mit Masse verbunden ist. Der Leistungstransistor 1 ist als n-Kanal An­ reicherungs-Feldeffekttransistor aufgebaut, wobei der Bulkan­ schluß mit dem Sourceanschluß verbunden ist. Der Leistungs­ transistor 1 weist zusätzlich eine Sensezelle 35 auf. Je nach Ausführung können auch mehrere Sensezellen 35 angeordnet sein. Die Sensezelle 35 stellt im Fall eines n-Kanal Feldeffekttransistors ein weiteres hochnegativ dotiertes Ge­ biet unter dem Gateanschluß 2 dar. Die Sensezelle 35 ist über einen sechsten Widerstand 17 mit der zweiten Ausgangsleitung 32 verbunden. Der Steueranschluß 2 des Leistungstransistors 1, der in dem gewählten Beispiel einen Gateanschluß dar­ stellt, ist über einen Eingangswiderstand 6 mit einer Steuer­ spannung 4 verbunden. Mit der Steuerspannung 4 ist ebenfalls eine stabilisierende Spannungsversorgungsschaltung 5 verbun­ den. Die Spannungsversorgungsschaltung 5 versorgt über eine erste Ausgangsleitung 31 und eine zweite Ausgangsleitung 32 eine erste und zweite Schutzschaltung 3, 33. Die Schutzschal­ tungen 3, 33 sind als Subthreshold-Schutzschaltungen ausge­ bildet. Subtreshold-Schaltungen sind Schaltungen, die im Weak-Inversion-Bereich funktionsfähig betrieben werden.

Die erste Schutzschaltung 3 besteht aus einem ersten Schalt­ transistor 7, der als Feldeffekttransistor ausgebildet ist, wobei der Drainanschluß des Feldeffekttransistors 7 mit dem Gateanschluß 2 des Leistungstransistors 1 verbunden ist und der Sourceanschluß des Feldeffekttransistors 7 mit der zwei­ ten Ausgangsleitung 32 der Spannungsversorgungsschaltung 5 verbunden ist. Zwischen der Steuerspannung 4 und dem Gatean­ schluß 2 ist ein Eingangswiderstand 6 geschaltet. Ein erster Operationsverstärker 8 ist mit einer positiven Spannungsver­ sorgung mit der ersten Ausgangsleitung 31 und mit einer nega­ tiven Spannungsversorgung mit der zweiten Ausgangsleitung 32 verbunden. Parallel zum ersten Operationsverstärker 8 sind ein erster Widerstand 12 und ein zweiter Widerstand 13 ge­ schaltet. Der erste Widerstand 12 ist an die erste Ausgangs­ leitung 31 angeschlossen. An den ersten Widerstand 12 schließt sich der zweite Widerstand 13 in Serie an, der an der zweiten Ausgangsleitung 32 angeschlossen ist.

Die Schutzschaltung 3 weist noch einen bipolaren npn-Transistor 9 auf, wobei die Basis mit dem Emitter des npn-Transistors 9 verbunden ist. Der Kollektoranschluß des bi-Polaren Transistors 9 ist mit dem Drainanschluß 18 des Leistungstransistors 1 verbunden. Der Emitterausgang des bi-polaren Transistors 9 ist über einen dritten Widerstand 14 an die zweite Ausgangsleitung 32 geführt. Ein invertierender Eingang des Operationsverstärkers 8 ist mit der ersten Ver­ bindungsleitung 36, die vom ersten Widerstand 12 zum zweiten Widerstand 13 führt, verbunden. Ein nicht invertierender Ein­ gang des ersten Operationsverstärkers 8 ist mit dem Emitter­ ausgang des bipolaren Transistors 9 verbunden. Der Ausgang des ersten Operationsverstärkers 8 ist an den Gateanschluß des ersten Schalttransistors 7 geführt.

Die zweite Schutzschaltung 33 ist ebenfalls als Subthreshold-Schutz­ schaltung ausgebildet. Die zweite Schutzschaltung 33 weist einen zweiten Schalttransistor 10 auf, der als n-Kanal Anreicherungsfeldeffekttransistor ausgebildet ist. Der Drain­ anschluß des zweiten Schalttransistors 10 ist mit dem Steuer­ anschluß 2 verbunden. Der Bulkanschluß des zweiten Schalt­ transistors 10 ist mit dem Sourceanschluß des zweiten Schalt­ transistors 10 verbunden und der Sourceanschluß des zweiten Schalttransistors 10 ist an die zweite Ausgangsleitung 32 ge­ führt. Ein zweiter Operationsverstärker 11 wird von der er­ sten Ausgangsleitung 31 und von der zweiten Ausgangsleitung 32 mit Spannung versorgt. Zudem ist ein Spannungsteiler, der aus einem vierten Widerstand 15 und einem fünften Widerstand 16 besteht, mit der ersten Ausgangsleitung 31 und der zweiten Ausgangsleitung 32 verbunden, wobei der vierte Widerstand 15 an die erste Ausgangsleitung 31 und der fünfte Widerstand 16 an die zweite Ausgangsleitung 32 angeschlossen ist. Ein in­ vertierender Eingang des zweiten Operationsverstärkers 11 ist mit einer zweiten Verbindungsleitung 37, die vom vierten Widerstand 15 zum fünften Widerstand 16 führt, verbunden. Ein nicht invertierender Eingang des zweiten Operationsver­ stärkers 11 ist direkt mit der Sensezelle 35 verbunden. Zwi­ schen der Sensezelle 35 und der zweiten Ausgangsleitung ist ein sechster Widerstand 17 geschaltet. Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 11 ist mit dem Gateanschluß des zweiten Schalttransistors 10 verbunden.

Die Anordnung nach Fig. 1 funktioniert wie folgt: Die Steuerspannung 4 ist über den Eingangswiderstand 6 an den Steueranschluß 2 des Leistungstransistors 1 geführt. Der Leistungstransistor 1 regelt die Stromversorgung des Motors 20 in Abhängigkeit von der Steuerspannung 4. Die Spannungs­ versorgungsschaltung 5 liefert über die erste Ausgangsleitung 31 und die zweite Ausgangsleitung 32 eine Versorgungsspannung von ungefähr 1 V und versorgt damit die erste Schutzschaltung 3 und die zweite Schutzschaltung 33. Die erste Schutzschal­ tung 3 überwacht die Temperatur des Leistungstransistors 1, wobei der vertikale Bipolar-Transistor 9, dessen Sperrstrom exponentiell temperaturabhängig ist, in der Nähe des Leistungstransistors 1 angeordnet ist. Der Sperrstrom wird über den dritten Widerstand 14 in eine temperaturabhängige Spannung umgesetzt, die mit einer durch den Spannungsteiler, der durch den ersten Widerstand 12 und den zweiten Widerstand 13 dargestellt ist, erzeugten Referenzspannung vom ersten Operationsverstärker 8 verglichen wird. Überschreitet die temperaturabhängige Spannung die Referenzspannung, so wird über den Ausgang des ersten Operationsverstärkers 8 ein Signal an den Gateanschluß des ersten Feldeffekttransistors 7 abgegeben, so daß der erste Feldeffekttransistor 7 eine leitende Verbindung zwischen dem Steueranschluß 2 und Masse herstellt. Auf diese Weise wird der Steueranschluß 2 auf Masse geschaltet und so der Leistungstransistor 1 abgeschal­ tet.

Die zweite Schutzschaltung 33 ermöglicht eine drainstromab­ hängige Abschaltung des Leistungstransistors 1. Die Sense­ zelle 35 liefert einen zum Drainstrom des Leistungstran­ sistors 1 näherungsweise proportionalen Sensestrom. Der Sensestrom wird über den sechsten Widerstand 17 in eine drainstromabhängige Spannung umgewandelt. Der zweite Operationsverstärker 11 vergleicht diese drainstromabhängige Spannung mit der durch den Spannungsteiler, der aus dem vierten Widerstand 15 und dem fünften Widerstand 16 darge­ stellt ist, abgeleiteten Referenzspannung. Übersteigt die drainstromabhängige Spannung die Referenzspannung, so gibt der zweite Operationsverstärker 11 ein Steuersignal an den Gateanschluß des zweiten Schalttransistors 10, so daß dieser leitend geschaltet wird. Auf diese Weise wird die Spannung, die am Steueranschluß 2 anliegt, auf Masse gezogen und der Leistungstransistor 1 abgeschaltet.

Die drainstromabhängige Abschaltung kann z. B. als Kurzschluß­ schutz eingesetzt werden, der eine Zerstörung des Leistungs­ transistors 1 verhindert, wenn die Last, in diesem Fall der Motor 20, durch einen Fehler kurzgeschlossen wird. Der Leistungstransistor 1 wird also abgeschaltet, wenn entweder die erste Schutzschaltung 3 oder die zweite Schutzschaltung 33 eine Überlast erkennt.

Werden die Drainanschlüsse des ersten und des zweiten Schalt­ transistors 7, 11 nicht an den Gateanschluß des Leistungs­ transistors 1 geführt, sondern, wie in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnet, an Anschlüsse 41, 42 geführt, so können über die Anschlüsse 41, 42 die Temperatur und der Drainstrom abge­ griffen werden. Damit stellen die Schaltungen 3, 33 Diagnose­ schaltungen dar, die eine Überprüfung des Leistungstran­ sistors 1 ermöglichen. Es ist auch möglich, eine Schaltung 3, 33 als Schutzschaltung und die andere Schaltung 3, 33 als Diagnoseschaltung einzusetzen.

Fig. 2 zeigt ebenfalls den Motor 20, der mit der Spannungs­ quelle 21 und über den Leistungstransistor 1 mit Masse ver­ bunden ist. Ein Drainanschluß 18 des Leistungstransistors 1 ist mit dem Motor 20 und ein Sourceanschluß 19 des Leistungs­ transistors 1 ist mit Masse verbunden. Der Leistungs­ transistor 1 regelt die Stromversorgung des Motors 20. Die Steuerspannung 4 ist über den Eingangswiderstand 6 mit dem Steueranschluß 2 des Leistungstransistors 1 verbunden. Die Steuerspannung 4 ist mit der stabilisierenden Spannungsver­ sorgungsschaltung 5 verbunden. Die stabilisierende Spannungs­ versorgungsschaltung 5 weist eine erste Ausgangsleitung 31 und eine zweite Ausgangsleitung 32 auf. Ein dritter Ope­ rationsverstärker 23 ist zur Spannungsversorgung mit der ersten Ausgangsleitung 31 und mit der zweiten Ausgangsleitung 32 verbunden. Ein Spannungsteiler, der aus einem siebten Widerstand 24 und einem achten Widerstand 25 besteht, ist mit der ersten Ausgangsleitung 31 und mit der zweiten Ausgangs­ leitung 32 verbunden, wobei der siebte Widerstand 24 mit der ersten Ausgangsleitung 31 und der achte Widerstand 25 mit der zweiten Ausgangsleitung 32 verbunden ist. Zudem ist ein weiterer Spannungsteiler, der aus einer Serienschaltung eines neunten Widerstandes 26, eines zehnten Widerstandes 27, eines elften Widerstandes 28 und eines zwölften Widerständen 29 be­ steht, mit der ersten Ausgangsleitung 31 und der zweiten Aus­ gangsleitung 32 verbunden. Der neunte Widerstand 26 ist mit der ersten Ausgangsleitung 31 und dem zehnten Widerstand 27 verbunden. Der zehnte Widerstand 27 führt über den elften Widerstand 28 und den zwölften Widerstand 29 zur zweiten Aus­ gangsleitung 32. Ein dreizehnter Widerstand 30 ist zwischen den Drainanschluß 18 und der Verbindungsleitung vom zehnten Widerstand 27 zu dem elften Widerstand 28 geschaltet. Die zweite Ausgangsleitung 32 ist über den Sourceanschluß 19 des Leistungstransistors 1 mit Masse verbunden. Der Steueran­ schluß 2 ist über einen Regeltransistor 22, der als n-Kanal Feldeffekttransistor ausgebildet ist, mit der zweiten Aus­ gangsleitung 32 verbunden. Der Gateanschluß des dritten Feldeffekttransistors 22 ist mit dem Ausgang des dritten Ope­ rationsverstärkers 23 verbunden.

Ein invertierender Eingang des dritten Operationsverstärkers 23 ist an einer dritten Verbindungsleitung 38, die den siebten und den achten Widerstand 24, 25, miteinander verbin­ det, angeschlossen. Ein nicht invertierender Eingang des dritten Operationsverstärkers 23 ist an einer vierten Verbin­ dungsleitung 39 angeschlossen, die den neunten und zehnten Widerstand 26, 27 verbindet. Zwischen den Ausgang und den nicht invertierenden Eingang des dritten Operationsver­ stärkers 23 ist ein Rückkopplungswiderstand 40 angeschlossen.

Die Anordnung nach Fig. 2 funktioniert wie folgt: In Ab­ hängigkeit von der Steuerspannung 4, die über den Eingangswi­ derstand 6 an den Steueranschluß 2 des Leistungstransistors 1 geführt ist, regelt der Leistungstransistor 1 die Stromver­ sorgung des Motors 20. Am invertierenden Eingang des dritten Operationsverstärkers 23 liegt eine drainstrom- und drain­ spannungsabhängige Spannung, die auf den Wert der am nicht in­ vertierenden Eingang anliegenden Referenzspannung geregelt wird. Bei einer kontinuierlichen Erhöhung der Steuerspannung steigt der Drainstrom des Leistungstransistors 1 an. Ab einem festgelegten Wert wird der Drainstrom begrenzt. Der Wert ist abhängig von der Drainspannung, wobei der Wert um so kleiner ist, je größer die Drainspannung ist.

Die Sensezelle 35 im Leistungstransistor 1 liefert einen zum Drainstrom näherungsweise proportionalen Sensestrom, der über den zwölften Widerstand 29 in eine drainstromabhängige Span­ nung umgewandelt wird. Auf diese Weise wird eine drain­ strom- und drainspannungsabhängige Spannung an einen Eingang des dritten Operationsverstärkers 23 geführt. Am inver­ tierenden Eingang liegt somit eine Referenzspannung an. Der dritte Operationsverstärker vergleicht die Referenzspannung mit der drainstrom- und drainspannungsabhängigen Spannung. Wird die drainstrom- und drainspannungsabhängige Spannung größer als die Referenzspannung, so regelt der dritte Ope­ rationsverstärker 23 über den Regeltransistor 22 die Gate­ spannung des Leistungstransistors, so die drainstrom- und drainspannungsabhängige Spannung und die Referenzspannung gleich groß sind.

Der erste, der zweite und der dritte Operationsverstärker 8, 11, 23 sind als Subthreshold-Schaltungen ausgeführt. Der Auf­ bau entsprechender Operationsverstärker ist bei Holberg beschrieben.

Claims (8)

1. Leistungshalbleiter mit einer Schaltung, die als Schutz­ schaltung (3, 33, 34) und/oder als Diagnoseschaltung (3, 33, 34) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schal­ tung als Weak-Inversion-Schaltung ausgebildet ist.

2. Leistungshalbleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß eine stabilisierende Spannungsversorgungsschaltung (5) von einer Steuerspannung (4) versorgt ist, und daß die stabilisierende Spannungsversorgungsschaltung (5) die Weak-Inversion-Schaltung (3) mit Spannung versorgt.

3. Leistungshalbleiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß als Leistungshalbleiter ein Leistungstransistor (1) angeordnet ist, daß ein Steueranschluß (2) des Leistungstran­ sistors (1) von einer Steuerspannung (4) versorgt ist, daß die Schutzschaltung (3, 33, 34) den Leistungstransistor (1) überwacht und bei einer Überlast des Leistungstransistors (1) die Schutzschaltung (3, 33, 34) die Steuerspannung (4) des Steueranschlusses (2) regelt.

4. Leistungshalbleiter nach einem der Ansprüche 2 und 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Leistungstransistor (1) eine Sensezelle (31) aufweist, daß die Sensezelle (31) einen zum Drainstrom des Leistungstransistors (1) näherungsweise pro­ portionalen Sensestrom liefert.

5. Leistungshalbleiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schutzschaltung (34) die Drainspannung des Lei­ stungstransistors (1) und den Spannungsabfall des Sense­ stroms über einen Widerstand (29) zur Überwachung des Über­ last verwendet.

6. Leistungshalbleiter nach einem der Ansprüche 4 oder 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung (33) zur Erken­ nung der Überlast den Sensestrom überwacht.

7. Leistungshalbleiter nach einem der Ansprüche 2 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung (3) zur Überwa­ chung der Überlast des Leistungstransistors (1) die Tempera­ tur des Leistungstransistors (1) überwacht.

8. Leistungshalbleiter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Messung der Temperatur des Leistungstransistors (1) ein vertikaler Bipolar-Transistor (9) in der Nähe des Leistungstransistors (1) angeordnet ist, daß der Sperrstrom des Bipolar-Transistors (9) temperaturabhängig ist, und daß die Schutzschaltung (33) zur Überwachung der Überlast des Leistungstransistors (1) den Sperrstrom des Bipolar-Transistors (9) verwendet.