WO1997030481A1 - Integrierte schaltungsanordnung zum ansteuern eines leistungs-mosfet mit sourceseitiger last - Google Patents

Integrierte schaltungsanordnung zum ansteuern eines leistungs-mosfet mit sourceseitiger last Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to an integrated circuit arrangement for controlling a power semiconductor component which can be controlled by field effect and has a load on the source side, with a control circuit connected between its gate connection and source connection, which supplies a control voltage with a gate potential which is higher than the drain potential tial, with the features: a) the control circuit is integrated in a trough of the first conduction type, b) the trough is embedded in a zone of a semiconductor body of the second conduction type, which forms the drain zone of the power semiconductor component and which unites with the zone pn junction forms, c) the trough is electrically connected to the source connection of the power semiconductor component, with a parasitic diode which is formed by the trough and the named zone and which is between drain and source connection and power -Semiconductor component is connected.
  • Such circuit arrangements are a component of so-called “SMART-FET”. These are commercially available, their specification and structure can be found in the relevant data books.
  • the basic structure of such a circuit arrangement is shown in FIG. 4, the basic integration in FIG. 5. The problem underlying the invention is explained on the basis of these figures.
  • the power semiconductor component is a power MOSFET 1.
  • a load 2 is connected in series on the source side and a generator 3 is connected in parallel.
  • the series connection of 1, 2 or 3 is due to one Operating voltage V bb such that the drain terminal D is at the potential V bb .
  • Power MOSFETs with a load on the source side are known to require a gate potential which is higher than the drain potential for switching on.
  • This potential is generated, for example, by a charge pump 7, which is part of an integrated control circuit 4, which is used to control the power MOSFET 1. Since the reference potential for the control circuit is in general mass, the charge pump 7 must generate a voltage which is higher than the voltage V bb .
  • the gate-source voltage U G s of 1 is generally limited at least by a zener diode 8 between the gate connection G and the source connection S.
  • the control circuit 4 has a control input with the connections 5, 6. By applying an input voltage U in to the connections 5, 6, the charge pump 7 is started and the power MOSFET 1 is controlled to be conductive.
  • the generator 3 When an electrical system is operated, for example in a motor vehicle, the generator 3 usually generates a current for the load 2 and for charging the battery to the operating voltage V b t > .
  • the voltage generated by the generator must therefore be greater than V bb .
  • the battery can only be charged if the power MOSFET 1 remains controlled. Charging by the parasitic diode connected antiparallel to the power MOSFET 1 is not desirable since high losses would occur due to the high threshold voltage.
  • the power MOSFET 1 remains switched on with the aid of the charge pump 7 of the integrated circuit 4, since the integrated control circuit 4 also has at least one parasitic diode, which is designated by 9.
  • the parasitic diode 9 begins to conduct. It turns on a parasitic bipolar transistor which is connected between the gate terminal G and drain terminal D of the power MOSFET 1. Switching on the parasitic bipolar transistor prevents the gate potential from becoming greater than the drain potential. The power MOSFET 1 can therefore not be switched on during generator operation.
  • FIG. 5 shows the integrated version of the control circuit according to FIG. 4.
  • a p-doped well 12 is embedded in a weakly n-doped semiconductor body 11, in which a heavily n-doped zone 17 is in turn embedded.
  • the zone 17 forms the cathode zone of the protective diode 8, the parasitic diode 9 is formed by the p-well 12 and the n-doped zone 11.
  • Zone 17 is connected, analogously to the circuit according to FIG. 4, via a contact with the output of charge pump 7 and with the gate connection of power MOSFET 1.
  • This is usually integrated in the same semiconductor body and has a p-doped base zone 14 and therein embedded source zones 15.
  • the zones 14 and 15 are contacted and connected to the tub 12 via a contact.
  • the tub 12 is thus at source potential. If the generator is not in operation, the drain potential of the MOSFET 1 is higher than its source potential. The parasitic diode 9 is thus blocked, and the parasitic bipolar transistor 13 formed from the zones 17, 12 and 11 is also blocked. In generator operation, as mentioned, the source potential is higher than the drain potential, so that the parasitic diode 9 conducts and the parasitic bipolar transistor 13 is switched on. A current thus flows between zone 17 and zone 11, ie between the charge pump 7 and the connection V bb . The voltage at the gate of the power MOSFET 1 therefore drops and it can no longer be switched on.
  • the invention has for its object to develop a circuit arrangement of the type described so that a safe Chere conductive control of the power MOSFET is still possible when the source potential becomes higher than the drain potential.
  • This object is achieved in that the parasitic diode is connected to a further diode in anti-series.
  • FIG. 2 shows a circuit arrangement according to the invention
  • FIG. 3 shows the integrated version of part of the circuit according to FIG. 2
  • FIGS. 4 and 5 show the prior art explained at the beginning.
  • the circuit arrangement according to FIG. 1 differs from the prior art described in connection with FIG. 4 in that the parasitic diode 9 is connected to a further diode 10 in anti-series.
  • the diode 10 can be connected to the diode 9 in such a way that either its anode zones or their cathode zones are connected to one another. It can be integrated into the control circuit or can be of a discrete design. If the source potential of the MOSFET 1 is now greater than the drain potential, no current can flow through the diode 9. Thus, the parasitic bipolar transistor 13 shown in FIG. 5 cannot be switched on either. The power MOSFET 1 thus remains switched on even when the voltage on its drain source path is reversed. The generator 3 can thus charge the battery via the MOSFET 1 with low resistance, so that only slight losses occur.
  • the further diode 10 can, as shown in FIG. 3, be implemented by a heavily n-doped zone 26 integrated in the well 12. Zone 26 forms the cathode zone of diode 10, well 12 forms the anode zone. If the further diode 1.0 is integrated in the control circuit, it can also switch on parasitic bipolar structures under certain conditions.
  • the circuit arrangement according to FIG. 1 can therefore be further developed as shown in FIG. 2.
  • the control circuit 4 contains a depletion FET 20 which is connected in parallel with the diode 10.
  • the gate connection of 20 is connected to the output of a comparator 21 via a connection 25 and a resistor.
  • the comparator 21 has a first input 23, which is connected to the drain connection of FIG. 1, and a second input 24, which is connected to the source connection of FIG.
  • the depletion MOSFET 20 is then turned on by the comparator 21 when the voltage at the input 23 is greater than the voltage at the input 24 of the comparator 21, ie when the drain potential is higher than the source potential of the power MOSFET 1 Source potential higher than the drain potential, a voltage occurs at the output of the comparator 21, which blocks the MOSFET 20. This means that no current can flow through the parasitic diode 9 and the power MOSFET 1 remains safely switched on via the charge pump 7.
  • its gate connection is connected to the source connection via a diode 19.
  • the deposition FET 20 is through a lateral FET, the drain zone of which
  • Zone 26 is.
  • a heavily n-doped source zone 27 is arranged at a distance therefrom.
  • the drain and source zones are connected to one another by a weakly n-doped channel zone 28.
  • the source zone 27 is connected to the p-doped well 12 via an ohmic contact.

Abstract

Durch Feldeffekt steuerbare Leistungs-Halbleiterbauelemente mit sourceseitiger Last werden über eine Steuerschaltung (4) mit integrierter Ladungspumpe (7) leitend gesteuert. Bei Betrieb eines sourceseitig angeschlossenen Generators (3) wird das Sourcepotential höher als das Drainpotential. Damit führt in der Steuerschaltung eine parasitäre Diode (9) Strom, die einen parasitären Bipolartransistor (13) einschaltet. Dieser begrenzt das Gatepotential auf einen Wert, das zum Leitendsteuern des Leistungs-Halbleiterbauelementes (1) nicht mehr ausreicht. Dies wird dadurch verhindert, daß der parasitären Diode (9) eine weitere Diode (10) in Antiserie geschaltet ist.

Description

Beschreibung
INTEGRIERTE SCHALTUNGSANORDNUNG ZUM ANSTEUERN EINES LEISTUNGS-MOSFET MIT SOURCESEITIGER LAST
Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Schaltungsan¬ ordnung zum Ansteuern eines durch Feldeffekt steuerbaren Leistungs-Halbleiterbauelements mit sourceseitiger Last, mit einer zwischen seinem Gateanschluß und Sourceanschluß ange- schlossenen Steuerschaltung, die eine Steuerspannung liefert mit einem Gatepotential, das höher ist als das Drainpoten¬ tial, mit den Merkmalen: a) Die Steuerschaltung ist in eine Wanne vom ersten Lei¬ tungstyp integriert, b) die Wanne ist in eine Zone eines Halbleiterkörpers vom zweiten Leitungstyp eingebettet, die die Drainzone des Leistungs-Halbleiterbauelementes bildet und die mit der Zone einen pn-Obergang bildet, c) die Wanne ist elektrisch mit dem Sourceanschluß des Lei- stungs-Halbleiterbauelementes verbunden, mit einer parasitären Diode, die durch die Wanne und die ge¬ nannte Zone gebildet ist und die zwischen Drain- und Source¬ anschluß und Leistungs-Halbleiterbauelements angeschlossen ist.
Solche Schaltungsanordnungen sind Bestandteil sogenannter „SMART-FET" . Diese sind im Handel erhältlich, ihre Spezifika¬ tion und ihr Aufbau ist den einschlägigen Datenbüchern zu entnehmen. Der prinzipielle Aufbau einer solchen Schaltungs- anordnung ist in Figur 4 dargestellt, die prinzipielle Inte¬ gration in Figur 5. Anhand dieser Figuren wird das der Erfin¬ dung zugrundeliegende Problem erläutert.
In Figur 4 ist das Leistungs-Halbleiterbauelement ein Lei- stungs-MOSFET 1. Ihm ist sourceseitig eine Last 2 in Reihe geschaltet, der ein Generator 3 parallel geschaltet ist. Die Reihenschaltung aus 1, 2 bzw. 3 liegt an einer Betriebsspannung Vbb derart, daß der Drainanschluß D auf dem Potential Vbb liegt.
Leistungs-MOSFET mit sourceseitiger Last benötigen zum Ein- schalten bekanntlich ein Gatepotential, das höher ist als das Drainpotential. Dieses Potential wird z.B. durch eine La¬ dungspumpe 7 erzeugt, die Teil einer integrierten Steuer¬ schaltung 4 ist, die zum Ansteuern des Leistungs-MOSFET 1 dient. Da das Bezugspotential für die Steuerschaltung im all- gemeinen Masse ist, muß die Ladungspumpe 7 eine Spannung er¬ zeugen, die höher ist als die Spannung Vbb. Die Gate-Source- spannung UGs von 1 ist zwischen dem Gateanschluß G und dem Sourceanschluß S im allgemeinen mindestens durch eine Zener- diode 8 begrenzt. Die Steuerschaltung 4 hat einen Steuerein- gang mit den Anschlüssen 5, 6. Durch Anlegen einer Eingangs¬ spannung Uin an die Anschlüsse 5, 6 wird die Ladungspumpe 7 in Betrieb gesetzt und der Leistungs-MOSFET 1 wird leitend gesteuert.
Beim Betrieb eines Bordnetzes z.B. in KFZ erzeugt üblicher¬ weise der Generator 3 einen Strom für die Last 2 und zum Auf¬ laden der Batterie auf die Betriebsspannung Vbt>. Die vom Ge¬ nerator erzeugte Spannung muß daher größer sein als Vbb. Die Batterie kann aber nur dann aufgeladen werden, wenn der Lei- stungs-MOSFET 1 leitend gesteuert bleibt. Ein Aufladen durch die dem Leistungs-MOSFET 1 antiparallel geschaltete parasi¬ täre Diode ist nicht erwünscht, da hier hohe Verluste auf¬ grund der hohen Schwellspannung eintreten würden. Auf der an¬ deren Seite ist aber auch nicht sichergestellt, daß der Lei- stungs-MOSFET 1 mit Hilfe der Ladungspumpe 7 der integrierten Schaltung 4 eingeschaltet bleibt, da auch die integrierte Steuerschaltung 4 mindestens eine parasitäre Diode aufweist, die mit 9 bezeichnet ist. Sie ist über einen Ausgang der Steuerschaltung mit dem Sourceanschluß und über einen Versor- gungsspannungsanschluß der Steuerschaltung mit dem Drainan¬ schluß des Leistungs-MOSFET 1 verbunden. Wird im Generatorbetrieb das Sourcepotential größer als das Drainpotential, so beginnt die parasitäre Diode 9 zu leiten. Sie schaltet einen parasitären Bipolartransistor ein, der zwischen Gateanschluß G und Drainanschluß D des Leistungs- MOSFET 1 angeschlossen ist. Das Einschalten des parasitären Bipolartransistors verhindert, daß das Gatepotential größer als das Drainpotential wird. Der Leistungs-MOSFET 1 kann da¬ her bei Generatorbetrieb nicht eingeschaltet werden.
In Figur 5 ist die integrierte Version der Steuerschaltung nach Figur 4 dargestellt. In einem schwach n-dotierten Halb¬ leiterkörper 11 ist eine p-dotierte Wanne 12 eingebettet, in die wiederum eine stark n-dotierte Zone 17 eingebettet ist. Die Zone 17 bildet die Katodenzone der Schutzdiode 8, die pa- rasitäre Diode 9 ist durch die p-Wanne 12 und die n-dotierte Zone 11 gebildet. Die Zone 17 ist analog der Schaltung nach Figur 4 über einen Kontakt mit dem Ausgang der Ladungspumpe 7 verbunden und mit dem Gateanschluß des Leistungs-MOSFET 1. Dieser ist üblicherweise in den gleichen Halbleiterkörper in- tegriert und hat eine p-dotierte Basiszone 14 und darin ein¬ gebettete Sourcezonen 15. Die Zonen 14 und 15 sind kontak¬ tiert und über einen Kontakt mit der Wanne 12 verbunden. Die Wanne 12 liegt damit auf Sourcepotential. Ist der Generator nicht in Betrieb, ist das Drainpotential des MOSFET 1 höher als sein Sourcepotential. Die parasitäre Diode 9 ist damit gesperrt, ebenso ist der parasitäre, aus den Zonen 17, 12 und 11 gebildete Bipolartransistor 13 gesperrt. Im Generatorbe¬ trieb ist wie erwähnt das Sourcepotential höher als das Drainpotential, damit leitet die parasitäre Diode 9 und der parasitäre Bipolartransistor 13 wird eingeschaltet. Damit fließt ein Strom zwischen der Zone 17 und der Zone 11, d.h. zwischen der Ladungspumpe 7 und dem Anschluß Vbb. Die Span¬ nung am Gate des Leistungs-MOSFET 1 sinkt daher und er kann nicht mehr eingeschaltet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsan- ordnung der beschriebenen Art so weiterzubilden, daß ein si- cheres Leitendsteuern des Leistungs-MOSFET auch dann noch möglich ist, wenn das Sourcepotential höher wird als das Drainpotential.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der parasitären Diode eine weitere Diode in Antiserie geschaltet ist.
Weiterbildungen sind Gegenstand der ünteransprüche. Die Er¬ findung wird anhand zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigen Figur 1 das Prinzip der Erfindung,
Figur 2 eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung, Figur 3 die integrierte Version eines Teils der Schaltung nach Figur 2, Figur 4 und 5 den eingangs erläuterten Stand der Technik.
Die Schaltungsanordnung nach Figur 1 unterscheidet sich vom in Verbindung mit Figur 4 beschriebenen Stand der Technik da¬ durch, daß der parasitären Diode 9 eine weitere Diode 10 in Antiserie geschaltet ist. Die Diode 10 kann so mit der Diode 9 verbunden sein, daß entweder ihre Anodenzonen oder ihre Ka¬ todenzonen miteinander verbunden sind. Sie kann in die Steu¬ erschaltung integriert oder diskret ausgebildet sein. Wird nun das Sourcepotential des MOSFET 1 größer als das Drainpo- tential, so kann durch die Diode 9 kein Strom fließen. Damit kann auch der in Figur 5 dargestellte parasitäre Bipolartran¬ sistor 13 nicht eingeschaltet werden. Der Leistungs-MOSFET 1 bleibt damit auch bei Umkehr der Spannung an seiner Drain- Sourcestrecke eingeschaltet . Der Generator 3 kann damit die Batterie über den MOSFET 1 niederohmig aufladen, so daß nur geringe Verluste entstehen.
Die weitere Diode 10 kann, wie in Figur 3 dargestellt, durch eine in die Wanne 12 integrierte stark n-dotierte Zone 26 realisiert werden. Die Zone 26 bildet die Katodenzone der Diode 10, die Wanne 12 die Anodenzone. Ist die weitere Diode 1.0 in die Steuerschaltung integriert, kann sie unter bestimmten Voraussetzungen ebenfalls parasi¬ täre Bipolarstrukturen einschalten. Die Schaltungsanordnung nach Figur 1 kann daher wie in Figur 2 dargestellt weiterge- bildet werden. Die Steuerschaltung 4 enthält einen Depletion- FET 20, der der Diode 10 parallel geschaltet ist. Der Gatean¬ schluß von 20 ist über einen Anschluß 25 und einen Widerstand mit dem Ausgang eines Komparators 21 verbunden. Der Kompara¬ tor 21 hat einen ersten Eingang 23, der mit dem Drainanschluß von 1 verbunden ist und einen zweiten Eingang 24, der mit dem Sourceanschluß von 1 verbunden ist. Der Depletion-MOSFET 20 wird vom Komparator 21 dann leitend gesteuert, wenn die Span¬ nung am Eingang 23 größer ist als die Spannung am Eingang 24 des Komparators 21, d.h. wenn das Drainpotential höher ist als das Sourcepotential des Leistungs-MOSFET 1. Wird das Sourcepotential höher als das Drainpotential, so tritt am Ausgang des Komparators 21 eine Spannung auf, die den MOSFET 20 sperrt. Damit kann durch die parasitäre Diode 9 kein Strom fließen und der Leistungs-MOSFET 1 bleibt über die Ladungs- pumpe 7 sicher eingeschaltet. Zur Einstellung des Ar¬ beitspunktes des Depletion-FET 20 ist dessen Gateanschluß mit dem Sourceanschluß über eine Diode 19 verbunden.
In der integrierten Schaltung nach Figur 3 ist der Deple- tion-FET 20 durch einen Lateral-FET, dessen Drainzone die
Zone 26 ist. Im Abstand davon ist eine stark n-dotierte Sour- cezone 27 angeordnet. Drain- und Sourcezone sind durch eine schwach n-dotierte Kanalzone 28 miteinander verbunden. Die Sourcezone 27 ist über einen ohmschen Kontakt an die p-do- tierte Wanne 12 angeschlossen. Die Gateelektrode des MOSFET
20 ist über einen Anschluß 25 mit dem Ausgang des Komparators
21 (Figur 2) verbunden. Im übrigen entspricht die integrierte Struktur nach Figur 3 der nach Figur 5.

Claims

Patentansprüche
1. Integrierte Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines durch Feldeffekt steuerbaren Leistungs-Halbleiterbauelementes mit sourceseitiger Last, mit einer zwischen seinem Gateanschluß und Sourceanschluß angeschlossenen Steuerschaltung, die eine Steuerspannung liefert mit einem Gatepotential, das höher ist als das Drainpotential, mit den Merkmalen: a) Die Steuerschaltung (4) ist in eine Wanne (12) vom ersten Leitungstyp integriert, b) die Wanne ist in eine Zone (11) eines Halbleiterkörpers vom zweiten Leitungstyp eingebettet, die die Drainzone des Leistungs-Halbleiterbauelements (1) bildet und die mit der Zone einen pn-Übergang bildet, c) die Wanne (12) ist elektrisch mit dem Sourceanschluß des Leistungs-Halbleiterbauelements (1) verbunden, d) mit einer parasitären Diode (9), die durch die Wanne und die genannte Zone gebildet ist und die zwischen Drain- und Sourceanschluß des Leistungs-Halbleiterbauelements ange- schlössen ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der para¬ sitären Diode (9) eine weitere Diode (10) in Antiserie ge¬ schaltet ist .
2. Integrierte Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der wei¬ teren Diode (10) ein steuerbarer Schalter parallel geschaltet ist, der leitend gesteuert ist, wenn das Drainpotential des Leistungs-Halbleiterbauelements (1) höher ist als sein Sour- cepotential und der gesperrt ist, wenn das Sourcepotential des Leistungs-Halbleiterbauelements höher ist als sein Drain¬ potential .
3. Integrierte Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der steu¬ erbare Schalter ein MOSFET (20) ist, dessen Gateanschluß mit dem Ausgang eines Komparators (21) verbunden ist und daß der eine Eingang (23) des Komparators mit dem Drainanschluß und der andere Eingang (24) des Komparators mit dem Sourcean¬ schluß des Leistungs-Halbleiterbauelements verbunden ist.
4. Integrierte Schaltung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der MOS¬ FET ein Depletion-FET ist, dessen Drainzone (26) durch die Katodenzone der integrierten Diode gebildet ist und daß seine Sourcezone (27) mit der Wanne (12) elektrisch verbunden ist.
5. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in die Wanne (12) eine Schutzdiode (17) integriert ist, die zwischen Gateanschluß und Sourceanschluß des Leistungs-Halbleiterbau- elementes (1) angeschlossen ist.
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