ITVA20060001A1 - Metodo per generare un segnale rappresentativo della corrente erogata ad un carico da un dispositvo di potenza e relativo dispositivo di potenza - Google Patents

Description

“METODO PER GENERARE UN SEGNALE RAPPRESENTATIVO DELLA CORRENTE EROGATA AD UN CARICO DA UN DISPOSITIVO DI POTENZA E RELATIVO DISPOSITIVO DI POTENZA”

Questa invenzione concerne i dispositivi di potenza e più in particolare un dispositivo di potenza, di ingombro ridotto, integrante una resistenza di sensing per produrre una tensione rappresentativa della corrente che il dispositivo eroga ad un carico.

I dispositivi di potenza MOSFET e IGBT hanno, integrati sullo stesso substrato di silicio, sensori di corrente che generano ima tensione, resa disponibile ad un circuito di controllo, rappresentativa della corrente assorbita dal carico connesso al dispositivo di potenza. Tali sensori sono essenzialmente costituiti da un transistore di sensing, che è una replica scalata del MOSFET o IGBT di potenza ed è polarizzato con le stesse tensioni.

Tipicamente, il transistore di sensing è una porzione del transistore di potenza stesso.

II transistore di sensing è percorso da una corrente sostanzialmente proporzionale a quella che percorre il dispositivo di potenza. Collegando in serie al transistore di sensing uno o più resistori, come mostrato in Figura 1, su di essi si genera una caduta di tensione, rilevabile da un circuito di controllo, proporzionale alla corrente che il dispositivo eroga ad un carico alimentato. Questa tecnica è largamente utilizzata perché, se si collegasse un resistore in serie al dispositivo di potenza, l’elevata corrente che attraverserebbe il resistore produrrebbe una caduta di tensione sullo stesso tale da alterare sensibilmente la polarizzazione del transistore di potenza. Un inconveniente consiste nel fatto che il resistere di sensing occupa un’area di silicio rilevante. Inoltre, il suo valore deve essere determinato con la massima precisione possibile per non indurre inaccettabili errori nella regolazione in retroazione della corrente circolante nel transistore di potenza.

Tipicamente, la resistenza di sensing è determinata con tecniche cosiddette di “trimming”. In pratica, si realizza sul substrato di silicio uno schieramento di resistori di uguale valore, determinato con elevata precisione, collegati in parallelo tramite dei fusibili, come mostrato nello schema elettrico e nella vista di layout di Figura 2. Il desiderato valore di resistenza di sensing viene definito dall’utente finale bruciando alcuni fusibili e lasciando intatti gli altri, a seconda della sensibilità degli strumenti di rilevazione impiegati.

Questa tecnica implica un notevole consumo di area di silicio perché, solitamente, non tutti i resistori sono percorsi da corrente, ma alcuni restano isolati dopo aver bruciato i relativi fusibili.

Un altro inconveniente consiste nel fatto che la resistenza di sensing altera la polarizzazione del transistore di sensing. Affinché la rilevazione della corrente assorbita dal carico alimentato sia precisa, la porzione del transistore di potenza usata come transistore di sensing, collegata alla resistenza di sensing, deve avere una caratteristica tensione-corrente quanto più simile è possibile a quella dell’intero dispositivo, in tutte le condizioni di funzionamento. Se tale condizione non è soddisfatta, si possono avere cospicui errori nella rilevazione della corrente e di conseguenza un controllo in retroazione grossolano della corrente circolante nel dispositivo.

In genere, questa delicatissima operazione è effettuata basandosi sull’esperienza, verificando a posteriori se (e quanto) il funzionamento di questa porzione è rappresentativo del funzionamento dell’ intero dispositivo.

È stato trovato un dispositivo di potenza che risolve i problemi summenzionati e un metodo per generare un segnale rappresentativo della corrente che un transistore di potenza eroga ad un carico.

Diversamente dai dispositivi di potenza noti, esso non comprende dei resistori realizzati con tecniche di trimming, per cui occupa un’area di silicio ridotta. Inoltre sfrutta vantaggiosamente il fatto che l’elettrodo di source o emettitore è costituito da una pluralità di piste metalliche, collegate tra loro a forma di pettine, interdigitate alle piste metalliche che costituiscono l’elettrodo di gate o base.

Secondo un aspetto innovativo dell’ invenzione, non si altera la polarizzazione della porzione usata come transistore di sensing perché la resistenza di sensing integrata coincide con un tratto di una pista metallica che costituisce un “dito” (“finger”) dell’elettrodo di source o emettitore, che convoglia corrente alla piazzola di connessione con l’esterno. Tale tratto, delimitato dalla piazzola di connessione con l’esterno e da un nodo (o una piazzola) di sensing, è realizzato in modo da avere ima resistenza di valore prestabilito.

Secondo una forma di realizzazione dell 'invenzione, sull’estremità di detta pista metallica opposta a detta piazzola di connessione con l’esterno è realizzata una piazzola di sensing alla quale collegare un circuito di controllo esterno della corrente erogata ad un carico alimentato dal transistore di potenza.

Secondo una forma di realizzazione alternativa alla precedente, il circuito di controllo è integrato con il transistore di potenza. In questo caso non è necessaria la piazzola di sensing.

L’invenzione è definita nelle annesse rivendicazioni.

L’invenzione verrà descritta in dettaglio facendo riferimento ai disegni allegati, in cui,

la Figura 1 mostra uno schema elettrico di un IGBT di potenza con sensore di corrente integrato secondo arte nota;

la Figura 2a mostra uno schema di arte nota, analogo a quello della Figura 1, in cui i resistori di sensing sono realizzati mediante “trimming”; la Figura 2b mostra il layout del circuito di Figura 2a;

la Figura 3 illustra schematicamente una prima forma di realizzazione del transistore di potenza dell’invenzione, avente una piazzola di sensing alla quale collegare un circuito esterno di controllo;

la Figura 4 mostra schematicamente una seconda forma di realizzazione del transistore di potenza dell’ invenzione con un circuito di controllo integrato monoliticamente sullo stesso substrato del transistore di potenza;

la Figura 5 mostra il layout di un dispositivo di potenza dell’invenzione in cui le varie piste metalliche di collegamento dei “fingere” del transistore di potenza ad una piazzola connessa con l’esterno formano una struttura a pettine;

la Figura 6 è una vista in assonometria del transistore di potenza dell’invenzione di Figura 3.

Nel seguito si illustra l’invenzione facendo riferimento al caso in cui il transistore di potenza sia un IGBT di tipo NPN con source collegato a massa, ma le osservazioni che saranno fatte potranno essere ripetute mutatis mutandis anche per un MOSFET o un IGBT di diverso tipo.

Una prima forma di realizzazione del dispositivo di potenza dell’ invenzione è illustrata in Figura 3 e la relativa vista in assonometria, dal lato indicato dalle due frecce, è mostrata in Figura 6. Le regioni di source sono cortocircuitate tra loro e collegate ad una piazzola di connessione con l’esterno SOURCE PAD mediante piste metalliche interdigitate con piste di polisilicio, che costituiscono l’elettrodo di gate.

Su una pista metallica che costituisce un “finger” della metallizzazione di source è realizzata una piazzola di sensing SENSE PAD. Tutti i “fingers” di source, realizzati con una stessa lega e aventi uguali dimensioni, sono fatti in modo che il tratto di pista metallica, rappresentato in Figura 3 con una linea tratteggiata, compreso tra la piazzola di sensing SENSE PAD e la piazzola SOURCE PAD di connessione con l’esterno, abbia una resistenza prestabilita Rmtl. Questa resistenza può essere facilmente determinata con elevata precisione definendo le dimensioni e la forma della pista metallica e scegliendo il tipo di lega con cui è realizzata.

Le correnti che i vari “fingers” convogliano alla piazzola di connessione con l’esterno SOURCE PAD sono uguali tra loro. Di conseguenza, la caduta di tensione sul tratto di pista metallica di resistenza Rmtl, cioè la d.d.p. tra le piazzole SENSE PAD e SOURCE PAD, è proporzionale alla corrente assorbita dal carico alimentato in ogni condizione di funzionamento.

Con questo stratagemma non bisogna più riservare ampie aree di silicio per realizzare i resistori di sensing, perché la resistenza offerta dal tratto di pista metallica permette di avere ima d.d.p. misurabile tra le due piazzole. Inoltre, non si altera la polarizzazione del transistore perché la resistenza di sensing è una parte del transistore stesso e non è distinta da esso.

È possibile determinare con grande precisione la caduta di tensione tra le piazzole SENSE PAD e SOURCE PAD stabilendo in fase di progetto la larghezza di ciascun “finger” e il loro numero complessivo. Sperimentalmente si è visto che, se la metallizzazione di source è composta di una lega di Alluminio-Silicio, riducendo la larghezza di ciascun “finger” fino ad un valore di lOOpm - 150pm, la d.d.p. tra le due piazzole SOURCE PAD e SENSE PAD assume un valore compreso tra 70mV e 140mV, facilmente rilevabile con sufficiente precisione da circuiti che non richiedono sofisticati layout.

In generale la larghezza del “finger” va scelta tenendo conto della resistività della pista metallica, della lunghezza del “finger” e del perimetro di canale attivo del MOSFET di cui il “finger” è l’elettrodo di source.

Preferibilmente, i “fingere” della metallizzazione di source sono composti di leghe metalliche quali AlSi, AlSiCu, Cu, W/AlSi.

La Figura 4 mostra una seconda forma di realizzazione, in cui non è definita la piazzola di sensing SENSE_PAD perché non necessaria, dato che il circuito di controllo della corrente assorbita dal transistore di potenza è integrato con il transistore stesso ed è collegato ad un’estremità del tratto di pista metallica che costituisce un “finger” dell’elettrodo di source.

La Figura 5 è una vista di un layout di un transistore di potenza dell’ invenzione in cui i vari “fingere” dell’elettrodo di source sono più sottili rispetto a quelli mostrati nelle Figure 3 e 4, in modo da ottenere su ciascuno di essi una caduta di tensione determinabile con maggiore precisione.

Di seguito viene riportata come esempio non limitatativo ima sequenza di processo che realizza il dispositivo dell’invenzione mostrato in Figura 6.

Su un substrato di silicio semiconduttore è realizzato un transistore ad effetto di campo a conduzione di corrente verticale IGBT PNP con note tecniche di impiantazione fotolitografica e diffusione. I “fingere” di source o emettitore sono collegati ad un’altra pista, formando nell’insieme una struttura a pettine.

Con note tecniche di deposizione viene ricoperta da uno strato isolante tutta la superficie frontale del chip di silicio. Mediante fotolitografia ed attacco chimico si definiscono delle piazzole scoperte dal materiale isolante sulle quali in cui saldare fili di collegamento con circuiti esterni.

Realizzando una piazzola di sensing SENSE_PAD così come indicato in Figura 6, cioè ad una estremità del “finger” del pettine di piste metalliche precedentemente formato, si può collegare ad essa un circuito esterno che rilevi una d.d.p. rispetto a massa proporzionale alla corrente che il dispositivo eroga ad un carico alimentato.

Claims (4)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di potenza, comprendente un transistore di potenza avente regioni di emettitore o source, una pluralità di piste di metallizzazione cortocircuitanti tra loro dette regioni di emettitore o source definenti almeno una piazzola di collegamento con l’esterno e interdigitate ad una pluralità di piste di metallizzazione di gate, ima resistenza di sensing per produrre una tensione rappresentativa della corrente erogata ad un carico alimentato dal transistore di potenza, caratterizzato dal fatto che detta resistenza di sensing è costituita da un tratto di una di dette piste di metallizzazione di emettitore o source compreso tra una piazzola o nodo di sensing e detta piazzola di collegamento con l’esterno e realizzato in modo da avere una resistenza di valore prestabilito (Rtml).
2. 2. Il dispositivo della rivendicazione 1, integrante inoltre un circuito, collegato a detto nodo di sensing, di controllo in retroazione della corrente erogata al carico, rilevante detta tensione rappresentativa e generante in funzione di essa una tensione di controllo del transistore di potenza.
3. 3. Il dispositivo della rivendicazione 1, in cui detta pista metallica è realizzata in modo da avere una resistenza pari al rapporto tra una tensione minima rilevabile e una corrente nominale assorbita da detta prestabilita regione di emettitore o source.
4. 4. Metodo per generare un segnale rappresentativo della corrente erogata ad un carico da un dispositivo di potenza, comprendente un transistore di potenza avente regioni di emettitore o source, una pluralità di piste di metallizzazione cortocircuitanti tra loro dette regioni di emettitore o source definenti almeno una piazzola di collegamento con l’esterno e interdigitate ad una pluralità di piste di metallizzazione di gate, detto metodo comprendendo l’operazione di rilevare la caduta di tensione su un tratto di una di dette piste di metallizzazione cortocircuitante tra loro regioni di emettitore o source compreso tra una piazzola o nodo di sensing e detta piazzola di collegamento con l esterno.