DE69010724T2

DE69010724T2 - Brückenschaltkreis mit Schutzvorrichtung gegen Polaritätsumkehr, einen reduzierten Spannungsabfall implizierend.

Info

Publication number: DE69010724T2
Application number: DE69010724T
Authority: DE
Inventors: Franco Consiglieri; Bruno Murari; Sandro Storti
Original assignee: SGS Thomson Microelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1989-03-22
Filing date: 1990-03-20
Publication date: 1994-10-27
Anticipated expiration: 2010-03-21
Also published as: EP0389452A2; DE69010724D1; EP0389452B1; JP3006845B2; IT1235688B; EP0389452A3; KR100195542B1; KR900015421A; IT8983615A0; JPH02280370A; US4989114A

Description

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Schaltung, die einen NPN-Leistungstransistor zum Treiben einer äußeren Last insbesondere eines elektrischen Motors verwendet, und einen Schutz gegen zufälliges Vertauschen der Polarität der Energieversorgung aufweist.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Vollbrücken- oder Halbbrücken-Ausgangstreiberstufen, die monolithisch durch Anwendung einer Sperrschichtisolationstechnik für Zweirichtungs- Gleichstromtreiber von Motoren mittels integrierter Leistungsschalter integriert sind, werden weitverbreitet verwendet und sind bekannt. In diesen integrierten Leistungsstufen sind Transistoren des N-Typs (bipolare NPN oder N-Kanal MOS-Transistoren) wesentlich wirkungsvoller als Transistoren des P-Typs. In der Praxis können Brücken- oder Halbbrückenschaltungen für hohe Strompegel ökonomisch nur in einer integrierten Form realisiert werden, wenn die leistungsschaltenden Transistoren vom N-Typ sind (US-A-4426658).
Eine typische integrierte Brückenschaltung dieser Art zeigt Fig. 1. Der positive Pol der Energieversorgung wird durch zwei (potentialmäßig hoch liegende) NPN-Leistungstransistoren TN1 und TN2 auf einen Ausgangsanschluß 1 bzw einen Ausgangsanschluß 2 geschaltet, zwischen die der anzutreibende Motor M geschaltet ist. Die Brückenschaltung wird durch zwei (potentialmäßig niedrig liegende) Leistungstransistoren TN3 und TN4 vervollständigt, welche so betrieben werden, daß der Ausgangsanschluß 1 bzw. der Ausgangsanschluß 2 mit dem negativen Energieversorgungspol (Masse) verbunden wird. Gängige Praxis ist es auch, die potentialmäßig hoch liegenden Schalter TN1 und TN2 mittels eines PNP-Treibertransistors TP5 bzw. eines PNP- Treibertransistors TP6 zu treiben, deren Basiselektroden mit den entsprechenden Treibersignalen versorgt werden.
Die Anwesenheit einer parasitären Diode (entsprechend D1 und D2 im Schaltungsdiagramm der Fig. 1) zwischen einem N-Kollektor C und einem P-Substrat S, das mit der Masse der integrierten Schaltung verbunden ist, ist solch einer integrierten Struktur inhärent, die eine Sperrschicht-Isolation eines NPN-Transistors, der in Fig. 3 abgebidet ist, verwendet. In der ausschnittsweisen perspektivischen Ansicht der integrierten Struktur eines NPN-Transistors der Fig. 3 wird die Anwesenheit dieser parasitären Diode D1 (D2) mittels des entsprechenden graphischen Symbols schematisch gezeigt. Die schraffierten Abschnitte des Querschnitts kennzeichnen P-Bereiche, während die nicht schraffierten Abschnitte N-Bereiche kennzeichnen.
Sollte die Polarität der Energieversorgung zufällig verwechselt werden, werden diese parasitären Dioden D1 und D2 der integrierten NPN-Transistoren TN1 und TN2 in Durchlaßrichtung vorgespannt und der Strom, der durch diese Dioden fließt, kann zerstörende Pegel erreichen.
Aus dem Stand der Technik ist, um dieses Problem zu überwinden bekannt, eine solche Schaltung zu verwenden, wie sie in Fig. 2 abgebildet ist, wobei eine Polaritäts-Schutzdiode D3 verwendet wird, welche in Sperrichtung vorgespannt bleibt, so daß sie einen Stromfluß verhindert, wenn die Energieversorgung zufällig mit einer vertauschten Polarität angelegt wird.
Diese bekannte Lösung ist nicht frei von Nachteilen. Tatsächlich ist durch Betrachten der Schaltung der Fig. 1 leicht erkennbar, daß der gesamte Spannungsabfall der die Last treibenden Brückenschaltung durch die folgende Formel (für eine erste Brückendiagonale):
VCESAT(TP5) + VBE(TN1) + VCESAT(TN4)
oder (für die andere Brückendiagonale):
VCESAT(TP6) + VBE(TN2) + VCESAT(TN3)
gegeben ist, während in dem Fall der Schaltung, die mit einer Schutzdiode der Fig. 2 ausgestattet ist, der gesamte Spannungsabfall der Schaltung in ähnlicher Weise durch die Formel (für eine erste Diagonale):
VF(D3) + VCESAT(TP5) + VBE(TN1) + VCESAT(TN4)
oder (für die andere Diagonale):
VF(D3) + VCESAT(TP6) + VBE(TN2) + VCESAT(TN3)
gegeben ist.
Es ist offensichtlich, daß die Verwendung einer Diode D3 zum Schutz vor der Vertauschung der Polarität der Energieversorgung zu Lasten des elektrischen Wirkungsgrades der Schaltung geht, und zwar durch Einbringen eines zusätzlichen Spannungsabfalls VF(D3), welcher unter normalen Betriebsbedingungen zwischen etwa 600 mV und 1,2 V betragen kann.

AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, den zusätzlichen Spannungsabfall über einer Schutzdiode zum Schutz gegen das Vertauschen der Polarität der Energieversorgung nach unten auf fast Null zu vermindern und trotzdem den Schutz, der durch die Polaritäts-Schutzdiode gewährt wird, vollständig zu bewahren.
Diese Aufgabe wird durch gemeinsames Verbinden der Emitter von zwei PNP-Transistoren, die zum Treiben der zwei potentialmäßig hoch liegenden Ausgangs-Leistungsschalter (NPN-Transistoren) verwendet werden, und durch deren direktes Verbinden mit der Energieversorgungsschiene erfüllt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Merkmale und Vorteile der Schaltung der vorliegenden Erfindung werden offensichtlich durch die folgende detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die zur reinen Erläuterung und in nichtbegrenzender Absicht in den beigefügten Zeichnungen abgebildet sind, wobei:
Fig. 1 eine Brückenschaltung des Standes der Technik zeigt, die Schalter des N-Typs verwendet, die unter Verwendung einer Sperrschichtisolationstechnik monolithisch integriert sind;
Fig. 2 die gleiche Brückenschaltung wie Fig. 1 zeigt, die mit einer Polaritäts-Schutzdiode ausgestattet ist, gemäß einer bekannten Technik;
Fig. 3 eine abschnittsweise, schematische, perspektivische Ansicht einer integrierten Sperrschicht-Isolationsstruktur eines NPN-Transistors ist;
Fig. 4 eine abschnittsweise, schematische, perspektivische Ansicht einer integrierten Sperrschicht-Isolationsstruktur eines PNP-Transistors ist;
Fig. 5 eine Ausgangs-Brückenschaltung ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung modifiziert ist; und
Fig. 6 eine unterschiedliche Ausführungsform der Schaltung der vorliegenden Erfindung darstellt.
Wie durch Betrachtung der Fig. 4 im Vergleich zu dem, was vorher über die integrierte NPN-Struktur in Fig. 3 gesagt wurde, leicht erkennbar ist, ist die integrierte Struktur eines Transistors des P-Typs, so wie die der PNP-Transistoren TP5 und TP6 der abgebildeten Schaltungen, im Gegensatz zu einer Struktur des N-Typs inhärent geschützt gegen eine Vertauschung der Polarität der Energieversorgung, weil der Emitterbereich E ein P-Bereich ist, der vom P-Substrat S durch einen N- Bereich isoliert ist (gebildet durch die vergrabene Schicht und durch den epitaxialen Basisbereich B, welche beide N-Bereiche sind). Deshalb befinden sich dort in Reihe verbundene Dioden, die entgegengesetzte Polarität zueinander aufweisen (wie schematisch an dem Querschnitt mittels der entsprechenden graphischen Symbole gezeigt wird), welche sich dem Durchgang von Strom, welcher Polarität die Versorgungsspannung auch immer ist, sogar wenn sie direkt zwischen die Versorgungsschienen geschaltet sind, entgegenstellen.
Es ist nun deutlich erkennbar möglich, den zusätzlichen Spannungsabfall über der Polaritäts-Schutzdiode D3 durch Herstellen einer wie in Fig. 5 gezeigten Brückenschaltung praktisch auf Null zu bringen, z.B. durch direktes Verbinden der Emitter der beiden PNP-Transistoren TP5 und TP6, welche die integrierten NPN-Leistungsschalter TN1 und TN2 treiben, mit der positiven Versorgungsschiene.
Tatsächlich wird der gesamte Spannungsabfall der Brückenschaltung nach Fig. 5 durch das größere der folgenden Formelpaare (für eine erste Diagonale):
VCESAT(TP5) + VBE(TN1) + VCESAT(TN4)
oder (für die andere Diagonale):
VCESAT(TP6) + VBE(TN2) + VCESAT(TN3)
und (für die gleiche erste Diagonale):
VF(D3) + VCESAT(TN1) + VCESAT(TN4)
oder (für die andere Diagonale):
VF(D3) + VCESAT(TN2) + VCESAT(TN3)
gegeben.
Der Schutz gegen ein zufälliges Vertauschen der Polarität der Energieversorgung wird durch die Schutzdiode D3 gewährleistet, während der Spannungsabfall über der treibenden Brückenschaltung im wesentlichen gleich dem Spannungsabfall der Brückenschaltung der Fig. 1 ohne die Schutzdiode D3 bleibt.
Durch eine korrekte Dimensionierung der Strukturen der integrierten Bauelemente, welche die Brückenschaltung bilden, können die folgenden Bedingungen leicht sichergestellt werden:
VF(D3) VBE(TN1) VBE(TN2)
(die andeutungsweise zwischen 0,6 und 1,3 V liegen); und
VCESAT(TP5 und TP6) VCESAT(TN1 und TN2)
(die andeutungsweise zwischen 0,3 und 1 V liegen).
Die einfache Lösung, die von den gegenwärtigen Erfindern vorgeschlagen wird, ist für solch unterschiedliche Typen integrierter Bauelemente, wie für den Fachmann naheliegend, anwendbar, wie für:
a) monolithisch integrierte Vollbrückenschaltung, die neben der Treiberschaltungsanordnung auch die bipolaren NPN-Leistungstransistoren TN1, TN2, TN3 und TN4 und die zwei PNP-Treibertransistoren TP5 und TP6 umfaßt;
b) zwei monolithisch integrierte Halbbrückenschaltungen, die je die Transistoren TN1, TN3 und TP5 bzw. die Transistoren TN2, TN4 und TP6 umfassen;
c) einen zur positiven Versorgungsschiene weisenden Doppelschalter mit den NPN-Leistungstransistoren TN1 und TN2 und den entsprechenden PNP-Treibertransistoren TP5 und TP6 wobei diese Schaltung entweder in einer monolithischen oder diskreten Form mit bekannten Schaltungen verbunden sein kann, welche die nach Masse weisenden Schalter Masse TN3 und TN4 implementieren, indem entweder bipolare Transistoren oder MOS-Transistoren oder SCR (gesteuerte Siliziumgleichrichter) oder andere gleichwertige Leistungsbauelemente verwendet werden.
Für jede dieser integrierten Ausführungsformen: a), b) und c) kann die Schutzdiode D3 gegen Vertauschen der Polarität der Energieversorgung selber monolithisch integriert sein, wenn das besondere Herstellungsverfahren der integrierten Schaltung es erlaubt, oder sie kann ein diskretes Bauelement sein, wann immer die gesamte Wirtschaftlichkeit des Entwurfs es nahelegt.
Bemerkenswerterweise wird die Schutzdiode D3 den gleichen Strom führen wie nur einer der beiden Leistungstransistoren TN1 oder TN2 und niemals einen Strom der doppelt so hoch ist wie der letztere Strom, weil ein gleichzeitiges Leiten der integrierten Schalter TN1 und TN2 auf andere Weise durch die Treiberschaltungsanordnung ausgeschlossen ist.
Eine alternative Ausführungsform der Schaltung der Erfindung, welche insbesondere für integrierte Bauelemente bevorzugt ist, die in Autoeinrichtungen und in ähnlichen Umgebungen verwendet werden sollen, bei denen es wahrscheinlich ist, daß auf den Energieversorgungsleitungen Spitzen mit hohen Pegeln und Spannungseinbruchbedingungen auftreten, wird in Fig. 6 gezeigt.
Durch Ersetzen der Diode D3 durch eine gleichwertige erste Zenerdiode DZ3 und dadurch, daß eine zweite Zenerdiode ZP zwischen die Masseschiene und die Kathode der Zenerdiode DZ3 geschaltet ist, wie in Fig. 6 gezeigt, werden die Transistoren TP5 und TP6 wirkungsvoll vor negativen und positiven Spannungsspitzen in der Energieversorgung geschützt.
Während normaler Betriebsbedingungen ist die in Durchlaßrichtung geschaltete Zenerdiode DZ3 mit einer normalen Diode (D3 der Fig. 5) gleichwertig. Beim Auftreten negativer Spitzen in der Energieversorgung wird der Strom durch ZP, TN1 und TN2 unter Durchlaßrichtungsbedingung und durch die in Sperrichtung vorgespannte Zenerdiode DZ3 fließen, welche die Spannung über den Transistoren TP5 und TP6 auf die Zenerdurchbruchsspannung begrenzt. Im Fall von positiven Spannungsspitzen wird der Strom durch DZ3 in Durchlaßrichtungsbedingung und durch die Zenerdiode ZP fließen, welche die Spannung auf die Zenerdurchbruchsspannung begrenzt oder auf die Zenerdurchbruchsspannung plus dem Durchlaßspannungsabfall über der Zenerdiode DZ3 begrenzt.

Claims

1. Integrierte Brückenschaltung zum Treiben einer Last (M), die zwischen zwei Ausgangsanschlüsse (1, 2) der integrierten Schaltung geschaltet ist, die mindestens die folgenden Halbleiterbauelemente, die monolithisch durch eine Sperrschicht-Isolationstechnik integriert sind, umfaßt:

einen ersten NPN-Transistor (TN1), der einen Emitter aufweist, der mit einem ersten Ausgangsanschluß (1) verbunden ist und geeignet ist, den ersten Ausgangsanschluß (1) mit einer positiven Versorgungsschiene schaltend zu verbinden;

einen zweiten NPN-Transistor (TN2), der einen Emitter aufweist, der mit einem zweiten Ausgangsanschluß (2) verbunden ist und geeignet ist, den zweiten Ausgangsanschluß (2) mit der positiven Versorgungsschiene schaltend zu verbinden;

einen ersten PNP-Transistor (TP5), der einen Kollektor aufweist, der mit einer Basis des ersten NPN-Transistors (TN1) verbunden ist und geeignet ist, den letzteren in Abhängigkeit von einem Steuersignal, das der Basis des ersten PNP-Transistors (TP5) zugeführt wird, zu steuern;

einen zweiten PNP-Transistor (TP6), der einen Kollektor aufweist, der mit einer Basis des zweiten NPN-Transistors (TN2) verbunden ist und geeignet ist, den letzteren in Abhängigkeit von einem Steuersignal, das der Basis des zweiten PNP-Transistors (TP6) zugeführt wird, zu steuern;

wobei die Brückenschaltung weiterhin umfaßt: Schaltmittel, die durch die Steuersignale gesteuert werden und zwischen den zwei Ausgangsanschlüssen und einer negativen Versorgungsschiene angeschlossen sind, und eine Schutzdiode (D3) gegen eine unbeabsichtigte Vertauschung der Polarität der Energieversorgung, die eine Kathode, die mit den miteinander verbundenen Kollektoren des ersten bzw. des zweiten integrierten NPN-Transistors (TN1, TN2) verbunden ist, und eine Anode aufweist, die mit der positiven Versorgungsschiene verbunden ist; und

dadurch gekennzeichnet ist, daß

die Emitter des ersten bzw. des zweiten PNP-Transistors (TP5, TP6) miteinander und mit der positiven Versorgungsschiene zum Vermindern des Spannungsabfalls über der Brückenschaltung verbunden sind.

2. Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Schutzdiode (D3) einen Durchlaßwiderstand unter Betriebsbedingungen der Brückenschaltung ausweist, der einen Spannungsabfall über der Schutzdiode, der gleich der Basis-Emitter Spannung der NPN-Transistoren (TN1, TN2) ist, verursacht und

die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung des ersten und des zweiten PNP-Transistors (TP5, TP6) im wesentlichen gleich der Kollektor- Emitter-Sättigungsspannung des ersten und des zweiten NPN-Transistors (TN1, TN2) ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Schutzdiode eine Zenerdiode (DZ3) ist und eine zweite Zenerdiode (ZP) in Gegenrichtung dazu zwischen die Kathode der ersten Zenerdiode und die negativen Versorgungsschiene zum Schutz der Schaltungskomponenten vor Spannungsspitzen auf den Versorgungsschienen geschaltet ist.