DE69031740T2 - Übertemperatur-Detektorschaltung zur Verwendung mit einer integrierten Leistungsschaltung - Google Patents

Übertemperatur-Detektorschaltung zur Verwendung mit einer integrierten Leistungsschaltung

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schaltkreis zum Erfassen einer Überhitzung zur Verwendung mit einer integrierten Leistungsschaltung (Leistungs- IC) und im besonderen eine Überhitzungs-Erfassungsschaltung mit einem einfachen Schaltungsaufbau, der mit einem Leistungs-IC in demselben Substrat gebildet werden kann und als Reaktion auf eine Erfassung einer Temperatur innerhalb eines Bereiches von Erfassungstemperaturen ein großes Ausgangssignal erzeugen kann.
  • Weil Leistungsbauteile bei hoher Spannung und großen Strömen verwendet werden, kann eine plötzliche Zunahme in einer mit dem Bauteil verbundenen Last oder ein Kurzschließen der Last zur Folge haben, daß große Ströme, die den Nennstrom des Bauteils übersteigen, durch das Bauteil fließen, wodurch eine Gefahr geschaffen wird, daß das Bauteil übermäßig erhitzt und im Extremfall zerstört wird. Um ein Leistungsbauteil vor einer derartigen thermischen Zerstörung zu schützen, wird die Temperatur des Leistungsbauteils ständig überwacht, und wenn die Temperatur des Bauteils eine vorbestimmte Temperatur übersteigt oder eine Überhitzung des Bauteils festgestellt wird, wird eine Schutzmaßnahme ergriffen und z.B. das Leistungsbauteil abgeschaltet. Bei der Überwachung eines Leistungs-IC ist es besser, eine Überhitzungs-Erfassungsschaltung, einschließlich eines Temperatursensors, in ein Substrat einzubauen, in dem der Leistungs-IC gebildet ist, um die Temperaturempfindlichkeit zu verbessern und den Schaltungsaufbau zu vereinfachen. Typischerweise werden jedoch diskrete Elemente zum Bilden einer Schaltung benutzt, die bei Erfassung von Wirbeströmen oder einer Überhitzung des Leistungsbauteils den Betrieb des Leistungsbauteils anhält. In diesem Zusammenhang wird ein thermischer Sensor, der einen Bipolartransistor als einen wärmempfindlichen Sensor benutzt, in E. Habekotté, Bull, ASE/UCS 76 (1985), 9. März, Seiten 272-276 beschrieben.
  • Aus RCA Technical Notes 1270, 2. März 1981, Seiten 1 bis 3, "Thermal Shutdown Circuitry" von O.H. Schade, ist eine Schutzschaltung bekannt, die die Verlustleistung auf dem Chip reduziert, wenn die Chiptemperatur einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt. Die Schaltung umfaßt ein Detektorelement, das als eine rückwärts vorgespannte Diode ausgeführt ist, die einen Leckstrom erzeugt, der stark von der Sperrschichttemperatur der Diode abhängt. Der Leckstrom wird durch eine angemessene Zahl von Stromspiegelverstärkern verstärkt, die in Kaskade geschaltet sein können. Die letzte Verstärkerstufe umfaßt einen Transistor und einen Widerstand, der zwischen die Basis und den Emitter des Transistors geschaltet ist. Wenn der Strom, der durch die in Kaskade geschalteten Stromspiegelverstärker verstärkt wird, eine Spannung über dem Widerstand erzeugt, die die Basis-Emitter-Schwellenspannung des Transistors in der letzten Verstärkerstufe übersteigt, veranlaßt dieser, daß eine Nutzungsschaltung abgeschaltet wird, wodurch die Verustleistung auf dem Chip wesentlich verringert wird.
  • EP-A-240807 offenbart eine Schaltung zum Erfassen einer Übertemperatur von Leistungs-Halbleiterelementen. Die Schaltung umfaßt einen Bipolartransistor, dessen Basisanschluß offen ist und in Wärmekontakt mit dem zu überwachenden Element steht. Der Bipolartransistor ist mit einem MOSFET-Verarmungstransistor in Reihe geschaltet, der einen Konstantstrom erzeugt, der größer ist als der Leckstrom, den der Bipolartransistor unter normalen Temperaturbedingungen erzeugt. Wenn die Temperatur ansteigt, nimmt der Leckstrom des Bipolartransistors exponentiell zu, bis er den von dem Verarmungs-MOSFET erzeugten Konstantstrom erreicht. Als eine Folge davon steigt der Innenwiderstand des Verarmungs-MOSFETS scharf an, und die Spannung an dem Verbindungsknoten zwischen den zwei Transistoren wird plötzlich erhöht. Dieses Signal kann von einem Element erfaßt werden, das den Anstieg der Spannung ermittelt.
  • Aus US-A-4 345 218 ist eine Schutzschaltung für Ausgangseinrichtungen einer Verstärkerschaltung bekannt. Die Schutzschaltung enthält einen ersten Schalter, der die Ausgangseinrichtungen über einer ersten hohen Temperatur abschaltet und einen zweiten Schalter aufruft. Der zweite Schalter schaltet zwischen einer niedrigen Temperatur und einer zweiten hohen Temperatur, die unterhalb der ersten hohen Temperatur liegt. Nachdem der erste Schalter aktiviert ist, beginnt der zweite Schalter zwischen einer niedrigen Temperatur, bei der die Ausgangseinrichtungen mit Energie gespeist werden, und der zweiten hohen Temperatur zu wechseln, bei der die Ausgangseinrichtungen nicht mit Energie gespeist werden.
  • Aus Technical Digest, Western Electric, Oct. 1983, No. 72, New York ist eine Schutzschaltung für einen IC-Chip bekannt, die die Chip-Schaltung sperrt, wenn die Temperatur des Chips einen ersten Temperaturschwellenwert erreicht. Das Sperrsignal bleibt aufrechterhalten bis die Temperatur auf eine zweite vorbestimmte Temperatur sinkt. Auf diese Weise erlaubt die thermische Hysterese, daß die überwachte Schaltung ausreichend abkühlt, bevor sie wieder in Betrieb genommen wird.
  • Fig. 10 zeigt eine Schaltungsanordnung einer Überhitzungs- Erfassungsschaltung des Standes der Technik, die den in der oben angeführten Verweisung beschriebenen thermischen Sensor verwendet. Wie in Fig. 10 gezeigt, ist ein Bipolartransistor 91, der als ein thermischer Sensor arbeitet, in eine Rückkopplungsschleife eines Operationsverstärkers 92 eingefügt. Eine externe Konstantstromquelle (nicht gezeigt) liefert einen Kollektorstrom Ic an den Transistor 91. Der Operationsverstärker 92 erzeugt eine Ausgangsspannung V&sub1;, deren Amplitude in bezug auf eine Basis-Emitter-Spannung VBE des Transistors 91 gleich, aber von umgekehrter Polarität ist. Wie in Fig. 11 gezeigt, verändert sich die Basis- Emitter-Spannung VBE linear mit der Temperatur T und ist dieser umgekehrt proportional. Durch geeignete Verstärkung der Ausgangsspannung V&sub1; des Operationsverstärkers 92 mit einem weiteren Operationsverstärker 94 kann eine Ausgangsspannung Vout erhalten werden, die sich in bezug auf die Temperatur T linear ändert.
  • Ein Merkmal des obigen Wärmefühlers ist, daß sich die Ausgangsspannung Vout in bezug auf Temperaturänderungen linear ändert und daß über einem breiten Bereich der Temperaturänderung ein geringer Fehler vorhanden ist. Wenn jedoch der Wärmefühler z.B. als eine Überhitzungs-Erfassungsschaltung in einen Leistungs-IC eingebaut wird, wird man auf verschiedene Probleme stoßen. Weil die Schaltung von Fig. 10 eine Konstantspannungsschaltung mit geringerer Temperaturabhängigkeit und einen Komparator zum Vergleichen mit der Ausgangsspannung Vout verwendet, wird für den Wärmefühler eine große Schaltung benötigt. Des weiteren ist es erforderlich, die Temperaturabhängigkeit sowohl der Operationsverstärker 92 und 94 als auch einer Bezugsspannungsquelle Vref zu minimieren. Ansonsten wird ein Fehler, der von der großen Temperaturabhängigkeit jeder dieser Komponenten herrührt, eine ermittelte Temperatur in hohem Maße und nachteilig beeinflussen. Um den nachteiligen Einfluß zu beseitigen, wird das meiste der Schaltung, außer dem Bipolartransistor 91 in einem getrennten Gehäuse gefertigt und gehalten, das an einer Stelle so angebracht wird, daß es durch die Temperatur des Leistungs-IC nicht beeinflußt wird. Wenn die Schaltung in einem Leistungs-IC-Gehäuse hergestellt wird, ist es folglich erforderlich, die mit der Substrattemperatur und der erhöhten Größe der Schaltung verbundenen Probleme zu lösen.
  • Der herkömmliche thermische Sensor liefert ein Ausgangssignal, das sich über einen breiten Bereich von Temperaturänderungen linear ändert. Im Gegensatz dazu Ist die herkömmliche Überhitzungs-Erfassungsschaltung so konstruiert, daß, wenn die Temperatur eines Leistungsbauteils etwa 150-180ºC erreicht, sie bestimmt, daß die Bauteiltemperatur eine Überhitzungstemperatur erreicht hat, und ein Ausgangssignal erzeügt. Die Überhitzungs-Erfassungsschaltung muß deshalb ein Ausgangssignal erzeugen, das sich nach Maßgabe eines relativ kleinen Temperaturbereichs in hohem Maße verändern muß. Die Leistungsanforderungen des herkömmlichen thermischen Sensors und der Überhitzungs- Erfassungsschaltung weichen daher ziemlich voneinander ab.
  • Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist, eine verbesserte Überhitzungs-Erfassungsschaltung zur Verfügung zu stellen, die eine Überhitzung genau erfaßt und einen einfachen Aufbau besitzt.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Überhitzungs-Erfassungsschaltung gelöst, die die Merkmale des Patentanspruches 1 umfaßt.
  • Bevorzugte Ausführungen bleiben verschiedenen Unteransprüchen vorbehalten.
  • Die begleitenden Zeichnungen, die in die Beschreibung einverleibt sind und einen Teil davon bilden, veranschaulichen augenblicklich bevorzugte Ausführungen der Erfindung und dienen zusammen mit der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungen der Erklärung der Prinzipien der Erfindung. Inhalt der Zeichnungen:
  • Fig. 1 ist eine graphische Darstellung, die den Rückwärtsleckstrom über den Temperaturkennlinien zeigt und bei der Erklärung des Prinzips der vorliegenden Erfindung hilfreich ist.
  • Fig. 2 ist ein Schaltbild einer Überhitzungs-Erfassungsschaltung, die bei der Erklärung der vorliegenden Erfindung hilfreich ist.
  • Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die bei der Erklärung einer Funktion der in Fig. 2 gezeigten Schaltung nützlich ist.
  • Fig. 4 ist ein Schaltbild, einer Ausführungsform der Überhitzungs- Erfassungsschaltung der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 5 ist ein Zeitdiagramm, das zur Erklärung einer Funktion der Überhitzungs-Erfassungsschaltung von Fig. 4 nützlich ist.
  • Fig. 6 ist eihe Schhittansicht, die eine Struktur einer Grenzschicht der Überhitzungs-Erfassungsschaltung zeigt.
  • Fig. 7 ist eine Schnittansicht, die eine Struktur einer Beispielgrenzschicht zeigt, die für einen Vergleich dargestellt wird.
  • Fig. 8 ist eine grafische Darstellung von Veränderungen eines Rückwärtsleckstromes des PN-Übergangs über der Spannung.
  • Fig. 9 ist eine Schnittansicht eines wichtigen Teils einer Modifikation der Struktur von Fig. 6.
  • Fig. 10 ist ein Schaltbild, das eine herkömmlichen Überhitzungs- Erfassungsschaltung zeigt.
  • Fig. 11 ist eine graphische Darstellung, die VBE gegen Temperaturkennlinien zeigt und zum Erklären des Prinzips der herkömmlichen Überhitzungs- Erfassungsschaltung von Fig. 10 hilfreich ist.
  • Es wird nun im einzelnen auf die zur Zeit bevorzugten Ausführungen der Erfindung, wie in den begleitenden Zeichnungen veranschaulicht, verwiesen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile überall in den verschiedenen Zeichnungen bezeichnen.
  • Fig. 1 ist eine graphische Darstellung, die Kennlinien der Temperaturabhängigkeit des Rückwärtsleckstromes des PN-Übergangs und der Temperaturabhängigkeit eines Ausgangstrormes der Bipolartransistoren zeigt. Das Prinzip und die Funktion des Temperaturschutzes, der auf der Temperaturabhängigkeit des Rückwärtsleckstroms beruht wird im folgenden mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben. In Fig. 1 zeigt die Kurve 100 eine Änderung des Rückwärtsleckstromes des PN-Übergangs in bezug auf einen Reziprokwert der absoluten Temperatur. Wie man sieht, ändert sich der Rückwärtsleckstrom IL linear mit dem Kehrwert der absoluten Temperatur und ist dieser umgekehrt proportional (d.h. die Änderung des Rückwärtsleckstromes ist gegen die Temperatur positiv) und weist eine große Temperaturabhängigkeit auf. Diese Tatsache bedeutet, daß es möglich ist, eine Überhitzung eines Leistungs-IC, der auf einem Substrat gebildet ist, in dem auch der PN-Übergang oder ein thermischer Sensor gebildet ist, zu erfassen, indem von dieser größen Temperaturabhängigkeit Gebrauch gemacht wird. In dem Temperaturbereich von 150-180ºC, der überwacht werden muß, ist jedoch der Rückwärtsleckstrom IL schwach, z.B. 70 nA bei 150ºC. Daher ist es schwer, diesen Leckstrom genau abzulesen. Es ist wichtig, die Tatsache zur. Kenntnis nehmen, daß bei der vorliegenden Erfindung ein Verstärkungsfaktor des Bipolartransistors ebenfalls eine positive Temperaturabhängikeit aufweist und eine Verstärkerschaltung mit mehreren Stufen von Bipolartransistoren in dem Substrat des Leistungs-IC hergestellt wird, um den schwachen Leckstrom zu verstärken. Damit kann ein Ausgangsstrom IE mit einer Temperaturabhängigkeit, die größer als die des Leckstromes IL ist, erhalten werden, wie durch die Kurve 101 angezeigt wird. Ein Experiment zeigte, daß bei 1 50ºC ein Ausgangsstrom von 100 µA oder mehr gemessen wurde.
  • Der verstärkte Leckstrom IE wird in eine Spannung umgewandelt, indem von den statischen Eigenschaften eines Verarmungs-MOSFET (Metalloxid-6-Halbleiter- Feldeffekttransistor) z.B. als eine Konstantstromschaltung Gebrauch gemacht wird. Mit anderen Worten, der Strom IE in dem Erfassungstemperaturbereich wird in ein Spannungssignal mit einer größeren Temperaturabhängigkeit umgesetzt. Unter Verwendung eines Puffers mit einem Schwellwert wird geprüft, ob das umgewandelte Spannungssignal innerhalb des Überhitzungs-Temperaturbereichs liegt oder nicht. Wenn das Spannungssignal den Überhitzungs-Temperaturbereich erreicht, erzeugt der Puffer ein 2-Wert-Signal. Ein Schutzmaßnahme gegen thermische Zerstörung des Leistungs-IC kann ergriffen werden, bei der eine mit dem Leistungs-IC verbundene Last nach Maßgabe des 2-Wert-Signals abgeschaltet wird.
  • Ein voreingestellter Temperaturbereich kann zwischen dem Senden und dem Anhalten eines Signals, das eine Überhitzungstemperatur meldet, festgelegt werden, indem zwei Überhitzungs-Erfassungsschaltungen mit je einem getrennten Erfassungstemperaturpegel und eine Hystereseschaltung kombiniert werden. Eine Anordnung einer solchen Kombination verhindert das wiederholte Ausgeben des Meldesignals, wenn sich z.B. eine Last ändert und folglich die Temperatur in dem Leistungs-IC schwankt. Andernfalls kann eine solche Temperaturschwankung als eine Überhitzung des Leistungs-IC mißverstanden werden, und die Last wird irrtümlich von dem Leistungs-IC getrennt werden. Die Kombinationsanordnung liefert folglich eine zuverlässige Überhitzungserfassung, während die irrtümliche Erkennung beseitigt wird.
  • Wenn die Überhitzungs-Erfassungsschaltung in eine integrierte Halbleiterschaltung mit einer Hochspannungs-Strornquelle, z.B. in einen Leistungs-IC, eingebaut wird, ist die an den PN-Übergang angelegte rückwärts vorgespannte Stromquellenspannung ebenfalls hoch. Diese Hochspannung erweitert die Verarmungsschicht des PN-Übergangs, so daß der PN-Übergang nicht mehr als eine ideale Diode arbeitet. Das heißt, die übermäßig erweiterte Verarmungsschicht lenkt eine Kennlinie, die eine Änderung des Rückwärtsleckstromes an dem PN- Übergang darstellt, in hohem Maße von der einer idealen Diode ab. In diesem Fall sollte eine Verarmungsschicht nahe des PN-Übergangs gebildet werden, die sich unter einer Verbindungs-Verdrahtungsschicht erstreckt. Eine derartige Erweiterung der Verarmungsschicht kann verhindert werden, indem eine leitende Schicht, z.B. ein Kanalstopper, in dem Halbleitersubstrat, das unter der Verdrahtungsschicht liegt, so gebildet wird, daß sie mit der Stromquellenspannung verbunden ist, um dadurch die Verarmungsschicht abzusperren. Mit einer solchen Struktur können unnötige Zunahmen der Rückwärtsleckströme und folglich eine irrtümliche Erfassung der Temperatur beseitigt werden, wodurch eine zuverlässige Überhitzungserfassung zur Verfügung gestellt wird.
  • Wie in Fig. 2 gezeigt, ist eine Überhitzungs-Erfassungsschaltung in demselben Halbleitersubstrat wie der Leistungs-IC gebildet. In der Abbildung bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine PN-Übergangsdiode, an die eine Rückwärtsvorspannung VDD angelegt wird. Ein Rückwärts1eckstrom IL der Diode wird durch einen dreistufigen Verstärker 2 verstärkt, der aus drei NPN-Bipolartransistoren 2A, 2B und 2C besteht. Der verstärkte Rückwärtsleckstrom IE wird von dem Emitter des NPN-Transistors 2C gewonnen. Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Konstantstromschaltung, die einen Verarmungs-MOSFET umfaßt, dessen Drain mit dem Emitter des NPN-Transistors 2C verbunden ist. Der MOSFET 3 wandelt den Strom IE in der Nähe einer Erfassungsternperatur in ein Spannungssignal VD, d.h., einen Spannungsabfall über dem MOSFET 3, um, indem eine statische Kennlinie eines konstanten Strombereichs des MOSFET 3 ausgenutzt wird. Das Spannungssignal VD wird in einen Puffer 4, der einen Verstärker großer Amplitude mit einer Schwellenspannung Vth umfaßt, eingegeben. Wenn das Spannungssignal VD die Schwellenspannung Vth übersteigt, d.h., wenn die Temperatur des Leistungs- IC innerhalb des Überhitzungs-Temeraturbereichs liegt, gibt der Puffer 4 ein 2-Wert- Signal aus. Wie in Fig. 2 gezeigt, bilden der Puffer 4 und der MOSFET 3 eine Entscheidungsschaltung 5.
  • Wie in Fig. 3 gezeigt, bezeichnet eine Kurve 110 eine VD - ID Kennlinie, die eine statische Charakteristik des MOSFET 3 darstellt. Die Kurven 121-125 stellen Spannungskennlinien des verstärkten Rückwärtsleckstroms IE bei den Temperaturen T&sub1; - T&sub5; dar. Wenn die Drainspannung VD an den MOSFET 3 angelegt und allmählich von null erhöht wird, nimmt der Drainstrom ID im Anfangsstadium scharf zu. Wenn VD eine Pinch-off-Spannung übersteigt, wird der Drainstrom ID bei einem konstanten Strom (in diesem Fall 30 µA) stabil. Wenn die Temperatur von T&sub1; - T&sub5; ansteigt, nimmt der ausgegebene Emitterstrom IE in einer solchen Weise zu, daß die Kurven des Emitterstromes IE bei der jeweiligen Temperatur in ihren Hochstromteilen im wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Bei der Überhitzungs- Erfassungsschaltung von Fig. 2 ist der in den MOSFET 3 fließende Drainstrom ID gleich dem Emitterstrom IE des NPN-Transistors C2. Folglich wird ein Spannungsabfall über dem MOSFET 3, der hervorgerufen wird, wenn der Emitterstrom IE durch den MOSFET 3 fließt, nämlich die Drainspannung VD des MOSFET 3, durch Punkte bestimmt, wo die Kurve 110 die Kurven 121-125 bei den jeweiligen Temperaturen schneidet. In einem Bereich, wo die Temperatur des Leistungs-IC niedrig ist, d.h., bei T&sub1;, T&sub2; und T&sub3;, schneiden die Kurven 121, 122 und 123 den steil ansteigenden Teil der Kurve 110, so daß die Leckströme in niedrige Drainspannungen V&sub1; bis V&sub3; umgewandelt werden. In einem Bereich, wo die Temperatur hoch ist, d.h., bei T&sub4; und T&sub5;, schneiden die Kurven 124 und 125 einen im wesentlichen konstanten Stromteil der Kurve 110. Der Leckstrom wird folglich in die Drainspannungen V&sub4; und V&sub5; umgewandelt. Wenn die Überhitzungs- Erfassungsschaltung so eingerichtet ist, daß die Temperaturen T&sub4; und T&sub5; Überhitzungs-Erfassungstemperaturen entsprechen, kann deshalb eine geringe Temperaturänderung in dem Überhitzungs-Erfassungstemperaturbereich von T&sub4; - T&sub5; in eine große Spannungsänderung umgesetzt werden. Das heißt, wenn die Schwellenspannung Vth des Puffers 4 z.B. auf V&sub4; gesetzt wird, erzeugt der Puffer 4, wenn die Drainspannung VD des MOSFET 3 die Schwellenspannung Vth übersteigt, ein Signal Vout mit tiefem Pegel, das die Umkehrung der Drainspannung VD ist. Auf diese Weise ermittelt die Entscheidungsschaltung 5, daß die Temperatur des Leistungs-IC die Überhitzungstemperatur erreicht hat. Der Leistungs-IC kann vor thermischer Zerstörung geschützt werden, wenn das Ausgangssignal Vout des Puffers 4 von einem Pegel "1" (hohe Spannung) zu einem Pegel "0" (tiefe Spannung) verändert wird, indem der Leistungs-IC als Reaktion auf das Ausgangssignal mit Pegel "0" abgeschaltet wird.
  • Bei der Schaltungsanordnung von Fig. 2 kann die Überhitzungs- Erfassungstemperatur eingestellt werden, indem eine Übergangsfläche des PN- Übergangs 1, ein Stromverstärkungsfaktor des NPN-Transistors 2, die Zahl der Verstärkungsstufen, die den NPN-Transistor 2 umfassen, ein Sättigungsstrom des Verarmungs-MOSFET 3 und die Schwellenspannung Vth des Puffers 4 geeignet ausgewählt werden. Die vorliegende Überhitzungs-Erfassungsschaltung kann somit flexibel und genau eingestellt werden, um Überhitzungs-Erfassungstemperaturen innerhalb eines breiten Bereichs von z.B. 50-200ºC oder mehr zu ermitteln.
  • Wie oben beschrieben, kann die Überhitzungs-Erfassungsschaltung mit nur sechs Komponenten aufgebaut werden. Die so konstruierte Überhitzungs- Erfassungsschaltung kann eine Temperaturabhängigkeit des schwachen inversen Leckstromes des PN-Übergangs in ein großes 2-Wert-Signal umwandeln. Des weiteren kann bei der Herstellung der Überhitzungs-Erfassungsschaltung dieselbe leicht in dem gleichen Halbleitersubstrat gebildet werden wie der Leistungs-IC. Der Rückwärtsleckstrom des PN-Übergangs, der schwach ist, aber eine große Temperaturabhängigkeit aufweist, wird durch Verwendung einer Temperaturabhängigkeit des Verstärkungsfaktors des NPN-Transistors verstärkt. Außerdem wird nur der Rückwärtsleckstrom, der dem Überhitzungs- Erfassungstemperaturbereich entspricht, unter Ausnutzung einer Konstantstromcharakteristik des Verarmungs-MOSFET in eine große Spannungsänderung umgewandelt. Diese Spannungsänderung wird durch den Puffer mit der Schwellenspannung weiter in ein Ausgangssignal umgewandelt. Die oben beschriebene Schaltung löst daher erfolgreich das technisch schwierige Problem der Verarbeitung des schwachen Rückwärtsleckstromes des PN-Übergangs und erfaßt eine Überhitzungstemperatur genau.
  • Wie in Fig. 4 gezeigt, umfaßt eine Überhitzungs-Erfassungsschaltung gemäß einer Ausführungsform einen ersten Detektor 10 mit einem Schaltungsaufbau, der dem der in Fig. 2 gezeigten Schaltung gleicht, einen zweiten Detektor 11 mit einem vierstufigen Verstärker 12, der zusätzlich zu den NPN-Transistoren 2A, 2B und 2C einen NPN-Transistor 2D enthält, und eine Hystereseschaltung 20, die die Ausgangssignale V&sub1;&sub0; und V&sub1;&sub1; des ersten und zweiten Detektors 10 und 11 empfängt. Die Hystereseschaltung 20 umfaßt einen Inverter 13, der das Ausgangssignal V&sub1;&sub1; des zweiten Detektors 11 invertiert, sowie die NAND-Gatter 14 und 15, die rückgekoppelt mit einander verbunden sind. Die NAND-Gatter 15 und 14 empfangen das Ausgangssignal V10 des ersten Detektors 10 als ein Stellsignal bzw. ein Ausgangssignal V13 des Inverters 13 als ein Rückstellsignal und geben ein zusammengesetztes Signal VX bzw. ein invertiertes Signal -VX aus.
  • Die Funktion der in Fig. 4 gezeigten Überhitzungs-Erfassungsschaltung wird mit Verweis auf das in Fig. 5 gezeigte Zeitdiagramm beschrieben. Ein Schwellenwert des Puffers 4 in dem ersten und zweiten Detektor 10 und 11 wird auf einen Wert eingestellt, der einer Überhitzungs-Erfassungstemperatur VH entspricht. Der Emitterstrom I&sub1;&sub2; des vierstufigen Verstärkers 12 In dem zweiten Detektor 12 ist größer als der Emitterstrom I&sub2; des dreistufigen Verstärkers 2 in dem ersten Detektor 10, so daß die Erfassungstemperatur TL des zweiten Detektors 12 proportional niedriger ist als die des ersten Detektors 10. Folglich wird eine Temperaturdifferenz Δ T zwischen den Erfässungstemperaturen TH und TL, wie in Fig. 5 gezeigt, erzeugt.
  • Angenommen, daß sich die Temperatur eines Leistungs-IC wie in Fig. 5 gezeigt verändert, dann ist vor der Zeit T&sub1; die Temperatur T unter der Temperatur TL, die Ausgangssignale V&sub1;&sub0; und V&sub1;&sub1; des ersten und zweiten Detektors 10 und 11 sind logisch "1" (oder hoher Pegel), und die Hystereseschaltung 20 wird in einen rückgestellten Zustand gebracht, um dadurch das invertierte Ausgangssignal -VX von logisch "1" und das zusammengesetzte Ausgangssignal VX von logisch "0" zu erzeugen. Zum Zeitpunkt t&sub1; erreicht die Temperatur T die Erfassungstemperatur TL, bei der der zweite Detektor 11 die Temperatur T erfaßt und den logischen Pegel seines Ausgangssignals V&sub1;&sub1; von logisch "1" In logisch "0" verändert. Die logischen Zustände der Ausgangssignale der NAND-Gatter 14 und 15, die das Ausgangssignal V&sub1;&sub1; von logisch "0" Über den Inverter 13 empfangen, bleiben unverändert. Zu den Zeitpunkten t&sub2; und t&sub3; fällt die Temperatur T unter die Erfassungstemperatur TL. Gleichzeitig werden die Zustände der Ausgangssignale VX und -VX der Hystereseschaltung 20 unverändert gelassen, obwohl das Ausgangssignal V&sub1;&sub1; seinen logischen Zustand ändert.
  • Zum Zeitpunkt t&sub4; steigt die Temperatur T an und erreicht die Überhitzungs- Erfassungstemperatur TH des ersten Detektors 10. Der erste Detektor 10 ändert den logischen Zustand seines Ausgangssignals von logisch "1" zu logisch "0". Wenn die NAND-Gatter 14 und 15 des Signals an ihren Stelleingängen empfangen, ändern sie die logischen Zustände der Ausgangssignale so, daß das Ausgangssignal VX auf logisch "1" und das Signal -VX auf logisch "0" gesetzt werden. Die veränderten logischen Zustände der Ausganssignale VX und -VX der NAND-Gatter 14 und 15 werden auch bei den Zeitpunkten t&sub5;, t&sub6; und t&sub7; beibehalten, wo die Temperatur T unter der Erfassungstemperatur innerhalb der Differenz Δ T liegt und das Ausgangssignal V&sub1;&sub0; des ersten Detektors 10 seinen logischen Zustand wechselt. Zum Zeitpunkt t&sub8; fällt die Temperatur T auf die Erfassungstemperatur TL ab. Der zweite Detektor 11 erfaßt dies und ändert den logischen Zustand seines Ausgangssignals zu logisch "1". Zu dieser Zeit geht das Ausgangssignal VX tief (logisch "0"), und das invertierte Ausgangssignal VX- geht hoch. Dann wird Hystereseschaltung 20 wieder in den rückgestellten Zustand gebrächt.
  • Wie oben beschrieben, besitzen in der Überhitzungs-Erfassungsschaltung die zwei Temperaturdetektoren 10 und 11 die zwei Erfassungstemperaturen TH bzw. TL, und deshalb wird die voreingestellte Temperaturdifferenz ΔT bereitgestellt. Die Hystereseschaltung 20 führt eine Hystereseoperation auf der Basis der Temperaturdifferenz Δ T durch. Daher können unregelmäßige und kurzzeitige Schwankungen in der Temperatur T des Leistungs-IC infolge einer Veränderung der Last bei Temperaturen nahe der Überhitzungs-Erfassungstemperatur als Temperaturrauschen ignoriert werden. Diese Tatsache bedeutet, daß in einem Überhitzungszustand der Leistungs-IC nach Maßgabe des Ausgangssignals VX und des invertierten Ausgangssignals -VX stabil im Auszustand gehalten werden kann. Mit diesem Merkmal können nachteilige Auswirkungen infolge unnötiger Schutzoperationen auf den Lastkreis und elektromagnetisches Rauschen reduziert werden. Die sich ergebende Überhitzungsschutzfunktion ist zuverlässig. Um genauer zu sein, sei ein Fall in Erwägung gezogen, wo TH = 170ºC und TL = 140ºC sind und die Temperatur des Leistungs-IC eine Überhitzungstemperatur von 170ºC erreicht. In diesem Fall verhindert die Schutzfunktion, daß der Leistungs-IC eingeschaltet wird, bis eine Temperatur des Leistungs-IC auf eine Temperatur niedriger als 140ºC abfällt, wo ein genügender Grad von Sicherheit garantiert ist. In dieser Hinsicht wird ein sehr zuverlässiger Überhitzungsschutz verwirklicht.
  • Fig. 6 ist eine Schnittansicht, die eine Struktur eines Übergangsteils der in Fig. 2 und 4 gezeigten Überhitzungs-Schutzschaltung zeigt. Fig. 7 ist eine Schnittansicht, die eine Struktur des entsprechenden Teils eines Beispiels zeigt, das als ein Hilfsmittel zum Vergleich dargestellt ist. Fig. 8 ist eine graphische Darstellung der Veränderungen eines Rückwärtsleckstromes des PN-Übergangs in bezug auf die Spannung. Ein PN-Übergang 1, der eine typische Diode umfaßt, die in Fig. 7 für einen Vergleich dargestellt ist, wird in der folgenden Weise hergestellt: Indem ein Fenster einer auf einem N-Substrat 32 gebildeten Oxidschicht 33 benutzt wird, wird eine P-Diffusionsschicht 34 gebildet. Dann wird über der Struktur eine Phosphorglasschicht 36 gebildet. Dann wird in der Phosphorglasschicht 36 ein Fenster geöffnet, und eine Metallverdrahtungsschicht 37 wird mit der P-Diffusionsschicht 34 elektrisch verbunden. Wenn eine Rückwärtsvorspannung VDD an den so strukturierten PN-Übergang angelegt wird, folgt ein Rückwärtsleckstrom IL einer Kurve 140 in bezug auf eine Quadratwurzel der Vorspannung VDD, wie in Fig. 8 gezeigt, wenn die Diode 1 eine ideale Diode ist. Das heißt, wenn die Rückwärtsvorspannung VDD Über den PN-Übergang angelegt wird, wird in der Substratseite des Übergangs eine Verarrnungsschicht 38 gebildet, und ein Rückwärtsleckstrom IL, der einem Volumen der Verarmungsschicht proportional ist, fließt. Die Kurve 140 hat die Tendenz, in bezug auf die Rückwärtsvorspannung VDD leicht anzusteigen. Wenn jedoch die Vorspannung VDD eine vorbestimmte Spannung übersteigt, wird eine weitere Verarmungsschicht 38A in der Oberflächenzone des N-Substrats direkt unter der Metallverdrahtungsschicht 37 gebildet. Als Folge nimmt das Volumen der Verarmungsschicht 38 zu, und der Leckstrom IL des PN-Übergangs des in Fig. 7 gezeigten Vergleichsbeispiels nimmt abrupt zu, wie durch eine Kurve 130 angedeutet, die von der Kurve 140 der idealen Diode stark abweicht und wie in Fig. 8 gezeigt scharf ansteigt. Wenn eine solche Diode In die Überhitzungs- Erfassungsschaltung, wie in Fig. 2 oder 4 gezeigt, aufgenommen wird, ändert sich der Rückwärtsleckstrom IL in hohem Maße, wenn sich die Rückwärtsvorspannung VDD verändert. Die erfaßte Überhitzungstemperatur ist daher unzuverlässig. Bei der in Fig. 6 gezeigten Struktur ist ein Polysilizium-Kanalstopper 41 als eine leitende Schicht zwischen dem Oxidfilm 33 und der Phosphorglasschicht 36 unter der Metallverdrahtungsschicht 37 angeordnet. Der Stopper 41 wird auf das gleiche Potential gelegt wie das N-Substrat 32, nämlich VDD. Damit wird die Verarmungsschicht 38A, die unter der Metallverdrahtungsschicht 37 verläuft, abgeschnitten. Als Folge wird eine Zunahme des Volumens der Verarmungsschicht 38 eingeschränkt, so daß, wie in Fig. 8 gezeigt, eine Kurve 141, die die Spannungsabhängigkeit des Rückwärtsleckstromes IL darstellt, sich im wesentlichen mit der idealen Kurve 140 deckt. Wenn die Rückwärtsvorspannung VDD z.B. auf 32V gesetzt wird, kann eine Veränderung einer Erfassungstemperatur durch die Schaltung von Fig. 2 auf 5ºC reduziert werden.
  • Fig. 9 zeigt eine Schnittansicht eines Schlüsselteils einer Modifikation der Struktur von Fig. 6. In dieser Struktur bilden eine P-Diffusionsschicht 34, die in einem N-Substrat 32 gebildet ist, und eine n+Diffusionsschicht 39 einen PN-Übergang. Ein NPN-Transistor 2A wird gebildet. Für diese Elemente wird ein n+Diffusions- Kanalstopper 51 in der Oberflächenzone des N-Substrats 32 unter der Metallverdrahtungsschicht 37 gebildet. Wie in der Struktur von Fig. 6 wird die unter der Metallverdrahtungsschicht 37 verlaufende Verarmungsschicht 38A durch den n+Diffusions-Kanalstopper 51 abgeschnitten. Als Folge wird die Spannungsabhängigkeit des Volumens der Verarmungsschicht 38 eingeschränkt, und eine Kurve des Rückwärtsleckstromes IL des PN-Übergangs 1 kann kontrolliert werden, um sie mit der idealen Kurve zur Übereinstimmung zu bringen.
  • Wie in Fig. 9 gezeigt, wird der n+Diffusions-Kanalstopper 51 zusammen mit dem Emitter des Erststufen-NPN-Transistors 2A in demselben Schritt eines Herstellungsprozesses in der P-Diffusionsschicht 34 gebildet, wodurch eine Struktur gebildet wird, bei der die Diode 1 als der PN-Übergang und der NPN-Transistor 2A, wie gleichwertig dargestellt, integral zusammengesetzt werden. Die Überhitzungs- Erfassungsschaltung und der Leistungs-IC können folglich in demselben Substrat und in demselben Prozeßschritt gebildet werden. Die Herstellungskosten werden deshalb niedrig. Die Versorgungsspannungsabhängigkeit des Emitterstromes des Transistors 2A wird ebenfalls gering gemacht, und die Auswirkungen der Versorgungsspannung auf die Erfassungstemperatur werden folglich beseitigt. Wenn die Überhitzungs-Erfassungsschaltung mit derselben Hochspannungsstromquelle wie der Leistungs-IC verbunden wird, kann deshalb eine genaue Temperaturerfassung in der Überhitzungs-Erfassungsschaltung sichergestellt werden.
  • Wie aus der vorangehenden Beschreibung zu ersehen ist, wird in einer Überhitzungs-Erfassungsschaltung ein Rückwärtsleckstrom eines rückwärts vor gespannten PN-Übergangs durch Bipolartransistoren auf einen vorbestimmten Pegel verstärkt. Der verstärkte Rückwärtsleckstrom wird in einer Bestimmungsschaltung in einen Spannungsabfall über einer Konstantstromschaltung umgewandelt. Ein Puffer mit einem Schwellenwert wandelt den Spannungsabfall in ein entsprechendes 2-Wert-Signal um. Die so eingerichtete Überhitzungs-Erfassungsschaltung wird in ein Substrat eingebaut, in das ein Leistungs-IC eingebaut wird. Durch Ausnutzen einer großen Temperaturabhängigkeit des Rückwärtsleckstromes der PN- Übergangsdiode und einer Temperaturabhängigkeit des Verstärkungsfaktors der Bipolartransistoren kann ein Signal, das einer Temperaturänderung des Leitungs-IC entspricht, auf einen solchen Wert verstärkt werden, der seine Signalverarbeitung erlaubt. Des weiteren kann ein Leckstrom, der einer Temperatur in dem Temperaturbereich der Überhitzungserfassung des Leistungs-IC entspricht, in eine große Spannungssänderung umgewandelt werden, indem ein Konstantstrombereich eines Verarmungs-MOSFET als die Konstantstromschaltung verwendet wird. Eine Temperaturerfassung der Überhitzungs-Erfassungsschaltung ist sehr empfindlich, besonders in dem Temperaturbereich von 150 - 180ºC. Bei dieser Leistung ist die Überhitzungs-Erfassungsschaltung gegenüber dem Stand der Technik beachtlich verbessert. Nur sechs Komponenten werden benötigt, um die Überhitzungs- Erfassungsschaltung zu bilden. Die Überhitzungs-Erfassungsschaltung und der Leistungs-IC werden in demselben Substrat und in demselben Schritt gebildet. Mit diesen Merkmalen kann ein billiger Leistungs-IC mit einer Überhitzung- Erfassungsschaltung zur Verfügung gestellt werden.
  • In einer Überhitzungs-Erfassungsschaltung, die zwei Detektoren mit je einer bestimmten Erfassungstemperatur und eine Hytereseschaltung umfaßt, kann die Schutzfunktion der Schaltung für kurzzeitige und kleine Schwankungen der Temperatur des Leistungs-IC in der Nähe der Erfassungstemperaturen unwirksam sein, wenn die Temperaturdifferenz ΔT zwischen den verschiedenen Erfassungstemperaturen geeignet ausgewählt ist. Nachteilige Auswirkungen infolge von unnötiger Wiederholung der Schutzoperation sowie dadurch verursachtes elektromagnetisches Rauschen können daher beseitigt werden. Wenn eine Überhitzungstemperatur eines Leistungs-IC ermittelt wird, wird der Betrieb des Leistungs-IC angehalten, und sein Wiederbeginn wird verhindert, bis bestätigt ist, daß die erfaßte Überhitzungstemperatur auf eine Temperatur in einem Sicherheitsbereich abfallt, die Δ T geringer ist als die erfaßte Temperatur. Daher wird eine Überhitzungs-Schutzschaltung zur Verfügung gestellt, die stabil, zuverlässig und sicher betriebsfähig ist.
  • Bei einer Überhitzungs-Erfassungsschaltung mit einem solchen Aufbau, bei dem ein Kanalstopper direkt unter der Metallverdrahtungsschicht für den PN-Übergang oder den NPN-Transistor angeordnet ist, wird die Verarmungsschicht direkt unter dem PN-Übergang daran gehindert, sich bis unter die Verdrahtungsschicht auszudehnen. Die Spannungsabhängigkeit des Rückwärtsleckstroms des PN-Übergangs und die des Emitterstroms des NPN-Übergangs werden daher beseitigt. Wenn eine Überhitzungs-Erfassungsschaltung in demselben Substrat wie ein Hochspannungs-Leistungs-IC gebildet wird, wird daher eine Erfassungstemperatur durch die Spannungsabhängigkeit und die Spannungsänderung wenig beeinflußt. Wenn z.B. die Stromquellenspannung auf 32V eingestellt ist, kann eine Veränderung der Überhitzungs-Erfassungstemperatur auf 5ºC beschränkt werden. Folglich kann ein Leistungsbauteil, z.B. ein Leistungs-IC, der solch eine zuverlässige Überhitzungs-Erfassung enthält, zur Verfügung gestellt werden.

Claims (10)

1. Schaltkreis zum Erfassen einer Überhitzung einer integrierten Leistungsschaltung, wobei die integrierte Leistungsschaltung auf einem Substrat ausgebildet (32) ist und eine erste Temperaturerfassungs-Schaltung (10) enthält mit:
einem in Sperrichtung vorgespannten Übergang (1), der einen Leckstrom in Sperrichtung aufweist, wobei der Leckstrom in Sperrichtung temperaturabhängig ist,
einer Einrichtung (2,12) zum Verstärken des Leckstroms in Sperrichtung, und
einer Einrichtung (5) zum Erzeugen einer Spannung in Übereinstimmung mit dem verstärkten Leckstrom in Sperrichtung und zum Erzeugen eines Signals (V&sub1;&sub0;) wenn die Spannung eine erste Schwellspannung überschreitet, wodurch angezeigt wird, daß die integrierte Leistungsschaltung überhitzt ist,
gekennzeichnet durch
eine zweite Temperaturerfassungs-Schaltung (11), die die Strukturmerkmale der ersten Temperaturerfassungs-Schaltung (10) wie oben definiert aufweist, zum Erzeugen eines Signals, wenn die Spannung eine zweite Schwellspannung überschreitet, welche einem zweiten Temperaturschwellwert entspricht, der niedriger ist als der erste Schwellwert, und
eine Hystereseeinrichtung (20) zum Empfangen der durch die erste und die zweite Temperaturerfasungs-Schaltung erzeugten Signale (V&sub1;&sub0;, V&sub1;&sub1;) und zum Erzeugen eines Überhitzungs-Signals (Vx) auf den Empfang des durch die erste Temperaturerfassungs-Schaltung (10) erzeugten Signals, um anzugeben, daß die integrierte Leistungsschaltung überhitzt ist, und zum Sperren der Ausgabe des Überhitzungssingals (Vx) auf den Empfang des Signals (V&sub1;&sub1;) aus der zweiten Temperaturerfassungs-Schaltung (11) nach dem Empfang des durch die erste Temperaturerfassungs-Schaltung erzeugten Signals, um anzugeben, daß die integrierte Leistungsschaltung nicht überhitzt ist, wobei die Schaltung zum Erfassen einer Überhitzung in dem Substrat (32) angeordnet ist.
2. Schaltung zum Erfassen einer Überhitzung nach Anspruch 1, wobei die Hysterese-Einrichtung (20) eine Inverter-Einrichtung (13) zum Invertieren des durch die zweite Temperaturerfassungs-Schaltung (11) erzeugten Signals (V&sub1;&sub1;) und eine erstes und ein zweites NAND-Gate (14, 15) aufweist.
3. Schaltung zum Erfassen einer Überhitzung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verstärker-Einrichtung (2, 12) den Leckstrom in Sperrichtung des in Sperrichtung vorgespannten Übergangs (1) der zweiten Temperaturerfassungs-Schaltung (11) stärker verstärkt als den Leckstrom in Sperrichtung des in Sperrichtung vorgespannten Übergangs der ersten Temperaturerfassungs-Schaltung (10), und wobei die der zweiten Temperaturerfassungs-Schaltung (11) zugeordnete Schwellspannung im wesentlichen gleich der ersten Temperaturerfassungs-Schaltung (10) zugeordneten Schwellspannung ist.
4. Schaltung zum Erfassen einer Überhitzung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Übergang (1) eine PN-Übergangsdiode enthält.
5. Schaltung zum Erfassen einer Überhitzung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Verstärker-Einrichtung (2, 12) wenigstens einen Transistor (2A, 2B, 2C, 2D) aufweist.
6. Schaltung zum Erfassen einer Überhitzung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Spannungserzeugungs-Einrichtung (5) in der ersten und in der zweiten Temperaturerfassungs-Einrichtung eine Konstantstromschaltung (3) aufweist, um die Spannung in Übereinstimmung mit dem verstärkten Leckstrom in Sperrichtung zu erzeugen, und eine Pufferschaltung (4), um ein Signal zu erzeugen, wenn die Spannung die Schwellspannung überschreitet.
7. Schaltung zum Erfassen einer Überhitzung nach Anspruch 6, wobei die Konstantstromschaltung (3) einen MOSFET aufweist.
8. Schaltung zum Erfassen einer Überhitzung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, die weiterhin eine Einrichtung (41) zum Begrenzen des Volumens einer Verarmungsschicht (38) des in Sperrichtung vorgespannten Übergangs (1) aufweist, um die Temperaturabhängigkeit des Leckstroms in Sperrichtung zu steuern.
9. Schaltung zum Erfassen einer Überhitzung nach Anspruch 8, wobei die Begrenzungs-Einrichtung eine Polysilizium-Schicht (41) aufweist.
10. Schaltung zum Erfassen einer Überhitzung nach Anspruch 8, wobei die Begrenzungs-Einrichtung (5) eine Halbleiterschicht mit einer höheren Konzentration von Störstellen aufweist als das Substrat.
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