WO2007048761A2 - Temperaturkompensation bei endstufen - Google Patents

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WO2007048761A2
WO2007048761A2 PCT/EP2006/067630 EP2006067630W WO2007048761A2 WO 2007048761 A2 WO2007048761 A2 WO 2007048761A2 EP 2006067630 W EP2006067630 W EP 2006067630W WO 2007048761 A2 WO2007048761 A2 WO 2007048761A2
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switching
zener
temperature
transistor
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Juergen Eckhardt
Bernd Nottebom
Bernd Tepass
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Robert Bosch Gmbh
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    • H03K17/14—Modifications for compensating variations of physical values, e.g. of temperature
    • H03K17/145—Modifications for compensating variations of physical values, e.g. of temperature in field-effect transistor switches

Definitions

  • the invention relates to a temperature compensation, in particular a
  • Modern vehicles are equipped with a large number of relays, valves and other components that represent ohmic-inductive loads in terms of their electrical properties.
  • switching output stages are provided whose transistors differ depending on the power to be switched
  • the transistors are in voltage negative feedback, that is connected as diodes, wherein in the negative feedback path, a device is connected, which determines the Zener voltage of the transistors. When switching off the inductive load, the transistors act as zener diodes, which derive the turn-off.
  • switching output stages can in principle be connected in parallel at will.
  • the permissible switching current then results from the sum of the individual switching currents of the parallel-connected switching output stages.
  • the cut-off energy or the cut-off power does not increase according to the expected values due to the parallel connection. Thus, it is not the sum of the individual Ab 0 cut-off energies of the parallel-connected individual output stages obtained.
  • Patent application DE 102005019709.4 which has not yet been disclosed, describes possibilities for reducing the load on individual transistors in parallel-connected individual power stages or individual power amplifiers during a turn-off operation and effecting as uniform a current distribution as possible on all transistors of the individual power amplifiers be achieved so that the sum of the cut-off energy substantially equal to the sum of Einzelabschaltergien.
  • the described output stage or switching output stage for switching inductive loads with at least two parallel-connected individual output stages makes it possible that any single output stages, can be connected in parallel, even from different power classes, without the limitation of a reduced cut-off energy is acceptable. This is achieved by symmetrizing the final-stage zener voltage.
  • the zener voltage When symmetrizing, the zener voltage must be higher under load and / or temperature, i. have a positive load and / or temperature coefficient. In such a case, the Zener voltage increases so high that it reaches the level of the Zener voltage of the parallel-connected output stage and thus this single output stage will also take over cut-off energy.
  • the already existing Zener diode or an existing Zener cascade can be exploited and these are integrated into the final stage surface of the chip. Since the zener diodes used in output stages with the required zener voltages usually have a positive temperature effect anyway, the zener voltage automatically increases as the transistor becomes hotter. this will exploited by appropriate spatial allocation of Zener diode and transistor or switching transistor.
  • Components eg. B. Zener diodes in or near the semiconductor structure of the switching transistors to be arranged so that they are thermally coupled to the transistors. This has the following effect: When a high current flows through one of the transistors, it becomes hot and thus also heats the Zener diode. For devices with 0 positive temperature coefficient, i. the resistance or zener diodes the
  • Breakthrough threshold increases with increasing temperature, thus also increases the Zener voltage of the amplifier.
  • the Zener voltage reaches the level of another output stage that has not yet entered the Zener mode, the other final stage can also take cut-off power, which in turn becomes hot, etc.
  • Components are, for example, zener diodes or thermal resistances.
  • components with a very high temperature coefficient, in particular an exponential temperature coefficient are selected.
  • the Zener voltages match each other very quickly.
  • the claimed solution can be extended to a parallel connection of a plurality of individual output stages, in which case one transistor after the other or one output stage after the other assumes cut-off energy due to the Zener voltage rising due to heating.
  • the object of the invention is to distribute the energy in the clamping phase or the cut-off energy in the Ab 5 shutdown evenly on all amplifiers connected in parallel with strong - A -
  • Allow temperature dependence of the clamp voltage This is associated with a drift in clamp voltage above the ambient temperature that needs to be reduced.
  • an additional component for example a diode, in particular a zener diode or NTC resistor, is connected in series with the zener diodes of the output stage, with a special temperature behavior.
  • the additional component is removed on the chip, for example a silicon chip, from the zener diodes
  • Temperaturkompensationen can be responded differently to slow ambient and fast staple related requirements in an advantageous manner, whereby an optimal compensation of the temperature effects is possible and thus a uniform distribution of energy in the staple phase on the
  • ! 5 shows an output stage circuit diagram with parallel connection of two output stages
  • FIG 2 shows an output stage or switching output stage with parallel connection of two output stages according to an embodiment of DE 102005019709.4,
  • FIG. 3 shows the current and voltage curve at the transistors of the output stage circuit according to FIG. 2, FIG.
  • Fig. 5 is an output stage or switching output stage with parallel connection of two output stages according to an embodiment of the invention. 5
  • FIG. 6 shows a detail of a semiconductor chip with an inventive output stage or switching output stage
  • FIG. 7 shows the current and voltage curve at the transistors of the output stage circuit 0 according to FIG. 5, FIG.
  • FIG. 1 shows, by way of example, a final stage circuit diagram for parallel connection of two individual output stages, which is realized in particular as an IC.
  • Each of the two single output stages comprises a switching transistor and an associated diode arrangement.
  • Parallel connection 10 of the two individual output stages 1 Oa, 1 Ob comprises the parallel-connected transistors Ia and Ib.
  • a diode array 2a, 3a and 2b, 3b is present, which is between the control terminal (gate) and a power terminal (drain) of the transistor Ia and Ib.
  • the diode arrangement 2a, 3a or 2b, 3b each includes one in the reverse direction
  • the transistors Ia, Ib are controlled by a control unit, not shown, by means of a control signal S in order to switch the ohmic-inductive load 4.
  • the current I flowing through the load 4 is distributed in dependence on the resistance
  • Transistors Ia, Ib of the individual output stages 10a and 10b are Transistors Ia, Ib of the individual output stages 10a and 10b.
  • Transistors Ia, Ib go into the zener mode, ie they act as zener diodes themselves and conduct the current to ground GND, wherein the entire electrical power in the transistors Ia, Ib is converted into heat.
  • the Zener diodes 2a, 2b of a parallel circuit 10 of two (Schalfj output stages are usually designed identically, but due to diffusion differences, material differences, temperature drifts, etc., the zener voltages of the Zener diodes 2a, 2b can deviate considerably from one another
  • FIG. 2 shows a parallel circuit 10 of two (Schalfj output stages, which is constructed substantially identical to the example of Fig. 1. With regard to the explanation of the identical elements, reference is made to the description of Figure 1. In contrast to the circuit of FIG are the Zener diodes 2a and 2b here to the thermally
  • the switching transistor used in the final stage is used as Zenerelemet.
  • the output stage with the lower zener voltage e.g. the output stage with the switching transistor Ia, and the diodes 2 a and 3 a first in the zener mode over.
  • the other transistor Ib is then still in the blocking state, so that the transistor Ia
  • FIG. 3 shows the current and voltage profile at transistors Ia and Ib with 55 different zener voltage (drain-gate voltage) during one Turn-off.
  • the reference numeral 9 denotes the current waveform I and the reference numerals 6 and 7, the voltage waveforms at the two parallel-connected transistors Ia and Ib with different zener voltage U Z2a and U Z2b
  • the inductive load 4 is turned off at time t 0 , whereby 5 the current I decreases exponentially to zero.
  • the voltage U rises abruptly until the
  • Zener voltage U z i a is reached, and the zener diode (in this example with U Z2a ⁇ U Z2b thus the zener diode 2a) breaks through.
  • the associated output stage then derives the current I to ground GND.
  • the transistor 1 a heats up and thus also the zener diode 2 a, whereby its zener voltage
  • U Z2a is rising.
  • the increase of the Zener voltage with increasing temperature is represented by the direction of the arrow 14.
  • the higher Zener voltage U Z2a is indicated by a dashed line 8. If the zener voltage U Z2a reaches the value U Z2a , the second parallel-connected output stage, the temperature of which is then not yet increased, 5 also take over cut-off energy, since its Zener voltage, which is not increased
  • Fig. 4 shows a plan view of a planar semiconductor chip 11, e.g. made of silicon, with! 5 of a transistor structure, which is shown schematically here as a region 12 and corresponds, for example, to the switching transistor Ia of the output stage 10a.
  • the associated Zener diode 2a which is present in any case, can be arranged within this region or close to the region 12 and, in particular, integrated into the final stage surface and is thus thermally coupled as well as possible to the switching transistor transistor.
  • the existing electrical connection between individual circuit components according to FIG. 2 is not shown in FIG.
  • the zener diode 2a has a low zener voltage U z , the associated transistor Ia will heat up relatively quickly during a turn-off operation, since it leads a large part ⁇ 5 of the electrical power to be reduced as a turn-off current and converts it into heat. In this case, the zener diode 2 a heats up to the same extent, as a result of which the zener voltage U 2 increases. As soon as the zener voltage U Z2a is at the same level as the zener voltage U Z2b , the other switching transistor Ib (not shown) also takes over part of the electrical energy to be degraded. The entire electric power or electrical energy that has to be handled when switching off an ohmic-inductive load can thus be uniformly distributed to a plurality of parallel-connected transistors Ia, Ib or a plurality of output stages connected in parallel.
  • zener diodes 2a and 2b instead of the zener diodes 2a and 2b, for example, a thermal resistance with a positive temperature coefficient or other suitable
  • Component with a positive temperature coefficient can be used.
  • FIG. 5 An embodiment of the invention is shown in Figure 5 for two single output stages A and B. It differs from the example of Figure 2 by at least one
  • the diode may be configured as a Zener diode or replaced by an NTC resistor.
  • the individual feedback with a positive temperature coefficient via the zener diodes 2 a, 2 b for limiting the clamping voltage of the output stages remains as in the exemplary embodiment according to FIG. 2.
  • the Zener diodes 2a, 2b are unchanged with good, ie faster
  • the load current sum 19 is made up of the two load currents 20 and 21 of the output stages A and B.
  • the temperature profile of the two output stages is denoted by 22 and 23. 24 represents the temperature of the chip.
  • the switch-off time is denoted by tA and the end of the clamping phase by tE.
  • the output stage A which in the example shown tolerances with a lower zener voltage, initially takes over the entire current, which is driven further by the ohmic-inductive load 4 after it has been switched off.
  • the output stage A which in the example shown tolerances with a lower zener voltage, initially takes over the entire current, which is driven further by the ohmic-inductive load 4 after it has been switched off.
  • resulting power is the output stage A heated and their clamping voltage increases due to the feedback with a positive temperature coefficient. If the clamping voltage of the output stage A as a result of rising temperature reaches a value of the zener voltage of the final stage B at the then still prevailing at the final stage B low temperature and power amplifier B becomes conductive and takes over a portion of the current
  • power amp B will not consume the same amount of power as power amp A, and will heat up less, for example.
  • This general compensation makes it possible to provide the individual feedback of individual output stages with a stronger temperature behavior and thus a more even distribution of energy, in particular the shutdown energy occurring in the clamping phase when switching off inductances on all parallel to achieve switched output stages, without violating the specification of requirements for a low temperature drift of the clamping voltage.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Temperaturkompensation bei Endstufe, insbesondere eine Schalt-Endstufe (10) zum Schalten induktiver oder ohmsch- induktiver Lasten (4) mit mehreren parallel geschalteten Einzel-Endstufen (A, B) die gegengekoppelte Transistoren (1) aufweisen, in deren Gegenkopplungspfad jeweils eine Zenerdiode (2a, 2b) vorhanden ist. Die elektrische Leistung während eines Abschaltvorgang bzw. während der Klammerphase soll temperaturkompensiert gleichmäßig auf die unterschiedliche Zenerspannung (U2) aufweisenden Einzel-Endstufe verteilt werden. Dazu sind die Zenerdioden (2a, 2b) im oder nahe dem Transistor (1), insbesondere einem Schalttransistor angeordnet, so dass sie thermisch mit dem Transistor (1) gekoppelt sind. Eine weitere Komponente (15a, 15b) mit vorgebbarem Temperaturverhalten ist entfernt und thermisch entkoppelt vom Transistor (1) vorhanden. Die Temperaturabhängigkeiten Zenerdioden (2a, 2b) und (15a, 15b) sind bevorzugt unterschiedlich gewählt.

Description

Beschreibung 5
Titel
Temperaturkompensation bei Endstufen
Die Erfindung betrifft eine Temperaturkompensation, insbesondere eine
0 Temperaturkompensation der Klammerphase bei Endstufen bzw. Schalt-Endstufen zum
Schalten induktiver Lasten mit wenigstens zwei parallel geschalteten Einzelendstufen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Stand der Technik
5
Moderne Fahrzeuge sind mit einer Vielzahl von Relais, Ventilen und anderen Bauelementen ausgestattet, die bezüglich ihrer elektrischen Eigenschaften ohmsch- induktive Lasten darstellen. Zum Schalten dieser Elemente sind so genannte Schalt- Endstufen vorgesehen, deren Transistoren je nach zu schaltender Leistung unterschiedlich
! 0 groß ausgelegt sind. Die Transistoren sind in Spannungsgegenkopplung, also als Dioden geschaltet, wobei im Gegenkopplungspfad ein Bauelement angeschlossen ist, das die Zenerspannung der Transistoren bestimmt. Beim Abschalten der induktiven Last wirken die Transistoren als Zenerdioden, die den Abschaltstrom ableiten.
! 5 Zur Erhöhung der Schaltleistung können Schalt-Endstufen prinzipiell beliebig parallel geschaltet werden. Der zulässige Schaltstrom ergibt sich dann aus der Summe der Einzel- Schaltströme der parallel geschalteten Schalt-Endstufen. Beim Abschalten erhöht sich die Abschaltenergie bzw. die Abschaltleistung jedoch nicht entsprechend der erwarteten Werte auf Grund der Parallelschaltung. Es wird also nicht die Summe der Einzel- ϊ 0 Abschaltenergien der parallel geschalteten Einzel-Endstufen erhalten.
Dies gilt in besonders extremer Weise für eine Parallelschaltung von Schalt-Endstufen bzw. Endstufen mit unterschiedlicher Schaltleistung oder unterschiedlicher Zenerspannung, die beispielsweise auch toleranzbedingt auftreten kann. Bei solchen ϊ 5 Parallelschaltungen kann zwar der zulässige Schaltstrom bzw. die zulässige Schaltleistung gesteigert werden, jedoch nicht die zulässige Abschaltleistung bzw. Abschaltenergie. Vielmehr liegt die zulässige Abschaltenergie nur in der Größenordnung der schwächsten Endstufe. Durch diese Tatsache wird der Einsatzbereich der Endstufen stark eingeschränkt und es werden heute zum Schalten von ohmsch- induktiven Lasten 5 nur Endstufen bzw. Endstufentransistoren gleicher Leistungsklasse parallel geschaltet.
Aber selbst bei der Parallelschaltung von Endstufen gleicher Leistungsklasse können toleranzbedingte Probleme auftreten, denn heute eingesetzte Endstufen bzw. Endstufenbausteine haben auf einem monolithischen integrierten Endstufen-Chip 0 fertigungsbedingte Toleranzen in der Zenerspannung von +/- 1.5 Volt bei gleich spezifiziertem Zenerspannungswert.
Die noch nicht offen gelegte Patentanmeldung DE 102005019709.4 beschreibt Möglichkeiten um die Belastung einzelner Transistoren bei parallel geschalteten Einzel- 5 Endstufen bzw. Einzel- S chalt-Endstufen bei einem Abschaltvorgang zu reduzieren und eine möglichst gleichmäßige Stromverteilung auf alle Transistoren der Einzel-Endstufen zu bewirken und so zu erreichen, dass die Summe der Abschaltenergie im Wesentlichen der Summe der Einzelabschaltenergien entspricht.
! 0 Die beschriebene Endstufe bzw. Schalt-Endstufe zum Schalten induktiver Lasten mit wenigstens zwei parallel geschalteten Einzel-Endstufen ermöglicht, dass beliebige Einzel-Endstufen, auch aus unterschiedlichen Leistungsklassen parallel geschaltet werden können, ohne dass die Einschränkung einer verminderten Abschaltenergie hinzunehmen ist. Erzielt wird dies, indem ein Symmetrieren der Endstufen-Zenerspannung erfolgt.
! 5 Dabei muss beim Symmetrieren die Zenerspannung unter Last und/oder Temperatur höher werden, d.h. einen positiven Last- und/oder Temperaturkoeffizienten aufweisen. In einem solchen Fall steigt die Zenerspannung so hoch, dass sie die die Höhe der Zenerspannung der parallel geschalteten Endstufe erreicht und somit diese Einzel- Endstufe ebenfalls Abschaltenergie übernehmen wird.
50
In besonderer Ausgestaltung kann die ohnehin vorhandene Zenerdiode oder auch eine vorhandene Zenerkaskade ausgenutzt werden und diese in die Endstufenfläche des Chips integriert werden. Da die in Endstufen eingesetzten Zenerdioden mit den benötigten Zenerspannungen üblicher Weise ohnehin einen positiven Temperatureffekt aufweisen, ϊ 5 erhöht sich die Zenerspannung automatisch bei heißer werdendem Transistor. Dies wird durch entsprechende räumliche Zuordnung von Zenerdiode und Transistor bzw. Schalttransistor ausgenutzt.
Ein wesentlicher Aspekt der in der Patentanmeldung DE 102005019709.4 beschriebenen 5 Lösung besteht darin, die im Gegenkopplungspfad der Schalttransistoren vorhandenen
Bauelemente, z. B. Zenerdioden in oder nahe der Halbleiter-Struktur der Schalttransistoren anzuordnen, so dass sie thermisch an die Transistoren gekoppelt sind. Dies hat folgenden Effekt: Wenn durch einen der Transistoren ein hoher Strom fließt, wird dieser heiß und erwärmt dadurch auch die Zenerdiode. Bei Bauelementen mit 0 positivem Temperaturkoeffizient, d.h. der Widerstand bzw. bei Zenerdioden die
Durchbruchschwelle steigt mit zunehmender Temperatur, steigt dadurch ebenfalls die Zenerspannung der Endstufe. Wenn die Zenerspannung das Niveau einer anderen Endstufe, die noch nicht in den Zenerbetrieb übergegangen ist, erreicht, kann die andere Endsstufe somit ebenfalls Abschaltenergie übernehmen, wodurch diese wiederum heiß 5 wird, usw.. Durch die thermische Kopplung der Zenerdioden an die Schalttransistoren ist es daher möglich, die Zenerspannungen der einzelnen Transistorstufen schnell aneinander anzugleichen und somit die Abschaltenergie gleichmäßig auf alle Transistoren der Schalt- Endstufe zu verteilen, ohne einzelne Transistoren zu überlasten.
! 0 Bei den im Gegenkopplungspfad angeordneten Bauelementen oder ohnehin vorhandenen
Komponenten handelt es sich beispielsweise um Zenerdioden oder thermische Widerstände. Vorzugsweise werden Bauelemente mit einem sehr hohen Temperaturkoeffizienten, insbesondere einem exponentiellen Temperaturkoeffizienten gewählt. Dadurch gleichen sich die Zenerspannungen besonders schnell aneinander an.
! 5
In besonderer Weise kann die beanspruchte Lösung auf eine Parallelschaltung einer Vielzahl von Einzel-Endstufen ausdehnen, wobei dann ein Transistor nach dem anderen bzw. eine Endstufe nach der anderen aufgrund der durch Erwärmung steigenden Zenerspannung Abschaltenergie übernimmt.
50
Offenbarung der Erfindung
Ausgehend von der vorstehend beschriebenen Lösung besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Verteilung der Energie in der Klammerphase bzw. der Abschaltenergie in der ϊ 5 Abschaltphase gleichmäßig auf alle parallel geschalteten Endstufen bei starker - A -
Temperaturabhängigkeit der Klammerspannung zu ermöglichen. Dies ist mit einer Drift der Klammerspannung über die Umgebungstemperatur verbunden, die es zu verringern gilt.
5 Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Dazu wird einzusätzliches Bauteil, beispielsweise eine Diode, insbesondere eine Zenerdiode oder NTC-Widerstand in Reihe mit den Zenerdioden der Endstufe geschaltet, mit speziellem Temperaturverhalten. Das zusätzliche Bauteil wird auf dem Chip, beispielsweise einem Siliziumchip entfernt von den Zenerdioden
0 angeordnet, wodurch eine Kompensation der Drift der Klammerspannung über die
Umgebungstemperatur ermöglicht wird.
Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass zwei voneinander unabhängige
5 Temperaturkompensationen durchgeführt werden können. Durch die unterschiedlichen
Temperaturkompensationen kann in vorteilhafter Weise auf langsame umgebungsbedingte und schnelle klammerungsbedingte Anforderungen unterschiedlich reagiert werden, wodurch eine optimale Kompensation der Temperatureffekte möglich wird und damit eine gleichmäßige Verteilung der Energie in der Klammerphase auf die
! 0 parallel geschalteten Endstufen erhalten wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Figuren der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
! 5 Fig. 1 ein Endstufenprinzipschaltbild bei Parallelschaltung zweier Endstufen;
Fig. 2 eine Endstufe bzw. Schalt-Endstufe bei Parallelschaltung zweier Endstufen gemäß einer Ausführungsform der DE 102005019709.4,
ϊ 0 Fig. 3 den Strom- und Spannungsverlauf an den Transistoren der Endstufenschaltung nach Fig. 2,
Fig. 4 einen Ausschnitt eines Halbleiterchips mit einer erfindungsgemäßen Endstufe bzw. Schalt-Endstufe,
55 Fig. 5 eine Endstufe bzw. Schalt-Endstufe bei Parallelschaltung zweier Endstufen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 5
Fig. 6 einen Ausschnitt eines Halbleiterchips mit einer erfindungsgemäßen Endstufe bzw. Schalt-Endstufe,
Fig. 7 den Strom- und Spannungsverlauf an den Transistoren der Endstufenschaltung 0 nach Fig. 5,
Fig. 1 zeigt beispielhaft ein Endstufenprinzipschaltbild bei Parallelschaltung zweier Einzel-Endstufen, die insbesondere als IC realisiert ist. Jede der beiden Einzel-Endstufen umfasst einen Schalttransistor und eine zugehörige Diodenanordnung. Die
5 Parallelschaltung 10 der zwei Einzel-Endstufen 1 Oa, 1 Ob umfasst dabei die parallel geschalteten Transistoren Ia und Ib. Im Gegenkopplungspfad der Transistoren Ia bzw. Ib ist eine Diodenanordnung 2a, 3 a bzw. 2b, 3b vorhanden, die zwischen den Steueranschluß (Gate) und einen Leistungsanschluß (Drain) des Transistors Ia bzw. Ib liegt. Die Diodenanordnung 2a ,3a bzw. 2b, 3b umfasst jeweils eine in Sperrichtung
! 0 geschaltete Zenerdiode 2a, 2b und eine in Flussrichtung geschaltete Diode 3a bzw. 3b.
Die Transistoren Ia, Ib werden von einem nicht dargestellten Steuergerät mittels eines Steuersignals S angesteuert, um die ohmsch-induktive Last 4 zu schalten. Die Zuführung des Signales S erfolgt über die Widerstände 6a bzw. 6b. Im eingeschalteten Zustand ! 5 verteilt sich der durch die Last 4 fließende Strom I widerstandsabhängig auf die
Transistoren Ia, Ib der Einzel-Endstufen 10a bzw. 10b.
Beim Abschalten der ohmsch- induktiven Last 4 muss die gespeicherte magnetische Energie der Last abgebaut werden kommt es an den Transistoren Ia, Ib zu hohen ϊ 0 Spannungen, wodurch die Zenerdioden 2a, 2b in Sperrichtung durchbrechen. Die
Transistoren Ia, Ib gehen dabei in den Zenerbetrieb über, d.h. sie wirken selbst als Zenerdioden und leiten den Strom gegen Masse GND ab, wobei die gesamte elektrische Leistung in den Transistoren Ia, Ib in Wärme umgesetzt wird. Die Zenerdioden 2a, 2b einer Parallelschaltung 10 zweier (Schalfj-Endstufen sind üblicherweise identisch ausgelegt. Aufgrund von Diffusionsunterschieden, Materialunterschieden, Temperaturdriften, etc. können die Zenerspannungen der Zenerdioden 2a, 2b aber erheblich voneinander abweichen. In den Abschaltphasen bricht
5 dann diejenige Zenerdiode 2a bzw. 2b mit der geringsten Zenerspannung zuerst durch.
Dies führt zu einer erheblichen Belastung des zugehörigen Transistors Ia bzw. Ib, der zumindest kurzfristig die gesamte elektrische Leistung aufnehmen muss, bis der nächste Transistor in den Zenerbetrieb übergeht. Der erste Transistor Ia bzw. Ib kann dadurch geschädigt oder zerstört werden.
0
Fig. 2 zeigt eine Parallelschaltung 10 zweier (Schalfj-Endstufen, die im wesentlichen identisch aufgebaut ist wie im Beispiel nach Fig. 1. Bezüglich der Erläuterung der identischen Elemente wird auf die Beschreibung der Figur 1 verwiesen. Im Unterschied zur Schaltung nach Fig. 1 sind die Zenerdioden 2a bzw. 2b hier thermisch an die
5 zugehörigen Schalttransistoren Ia bzw. Ib, beispielsweise MOSFETs gekoppelt. Die thermische Kopplung ist dabei durch gestrichelte Bereiche 13a bzw. 13b angedeutet.
Beim Abschalten der induktiven bzw. ohmsch-induktiven Last 4, also wenn das Steuersignal S auf low schaltet, muss die gespeicherte magnetische Energie bzw. die
! 0 Abschaltenergie der Last abgebaut werden. Dazu wird der verwendete Schalttransistor der Endstufe als Zenerelemet benutzt. Bei mehreren parallel geschalteten Endstufen geht dabei die Endstufe mit der geringeren Zenerspannung, z.B. die Endstufe mit dem Schalttransistor Ia, und den Dioden 2a und 3 a zuerst in den Zenerbetrieb über. Der andere Transistor Ib befindet sich dann noch im Sperrzustand, so dass der Transistor Ia
! 5 kurzfristig die gesamte Verlustleistung bzw. Abschaltenergie aufnehmen muss. Aufgrund der thermischen Kopplung von Zenerdiode 2a und Schalttransistor Ia heizt sich die Zenerdiode 2a sehr schnell auf, wobei deren Zenerspannung steigt. Dadurch steigt die Zenerspannung der ersten Transistorstufe Ia, 2a, 3 a. Wenn die Zenerspannung der zweiten Transistorstufe Ib, 2b, 3b erreicht ist, übernimmt diese einen Teil der ϊ 0 Abschaltenergie. Da die Angleichung der Zenerspannungen der Transistorstufen relativ schnell geschieht, wird die zuerst durchbrechende Transistorstufe nicht überlastet und es findet eine Symmetrierung der Zenerspannung statt.
Fig. 3 zeigt den Strom- und Spannungsverlauf an Transistoren Ia bzw. Ib mit 55 unterschiedlicher Zenerspannung (Drain-Gate-Spannung) während eines Abschaltvorgangs. Dabei bezeichnet das Bezugszeichen 9 den Stromverlauf I und die Bezugszeichen 6 und 7 die Spannungsverläufe an den zwei parallel geschalteten Transistoren Ia bzw. Ib mit unterschiedlicher Zenerspannung UZ2aund UZ2b Im vorliegenden Beispiel wird die induktive Last 4 zum Zeitpunkt t0 abgeschaltet, wodurch 5 der Strom I exponentiell gegen Null sinkt. Die Spannung U steigt sprungartig an, bis die
Zenerspannung Uzia erreicht ist, und die Zenerdiode (in diesem Beispiel mit UZ2a < UZ2b also die Zenerdiode 2a) durchbricht.
Die zugehörige Endstufe leitet dann den Strom I gegen Masse GND ab. Dabei erwärmt 0 sich der Transistor 1 a und damit auch die Zenerdiode 2a, wodurch deren Zenerspannung
UZ2a steigt. Die Zunahme der Zenerspannung mit steigendender Temperatur wird durch die Richtung des Pfeils 14 dargestellt. Die höhere Zenerspannung UZ2a ist dabei durch eine gestrichelte Linie 8 angedeutet. Erreicht die Zenerspannung UZ2a den Wert UZ2a kann die zweite parallel geschaltete Endstufe, deren Temperatur dann noch nicht erhöht ist, 5 ebenfalls Abschaltenergie übernehmen, da ihre Zenerspannung, die bei nicht erhöhter
Temperatur vorliegt, erreicht wird. .
Diese Vorgehensweise, die einem Symmetrieren der Endstufen-Zenerspannung entspricht, ist dann möglich, wenn die Zenerspannung unter Last und/oder Temperatur ! 0 höher wird, also einen positiven Last- und/oder Temperaturkoeffizienten aufweist. Damit kann eine positive Zenerspannungsausprägung bei Parallelschaltung mehrerer Endstufen erzielt werden.
Fig. 4 zeigt eine Aufsicht auf einen flächigen Halbleiterchip 11, z.B. aus Silizium, mit ! 5 einer Transistor- Struktur, die hier schematisch als ein Bereich 12 dargestellt ist und beispielsweise dem Schalttransistor Ia der Endstufe 10a entspricht. Die zugehörige, ohnehin vorhandene Zenerdiode 2a kann innerhalb dieses Bereichs oder nahe des Bereichs 12 angeordnet sein und insbesondere in die Endstufenfläche integriert sein und ist damit thermisch möglichst gut an den Schalttransistor Transistor gekoppelt. Die ϊ 0 vorhandene elektrische Verbindung zwischen einzelnen Schaltungsbestandteilen entsprechend Figur 2 ist in Figur 4 nicht dargestellt.
Falls die Zenerdiode 2a eine niedrige Zenerspannung Uz hat, wird sich der zugehörige Transistor Ia bei einem Abschaltvorgang relativ schnell erwärmen, da er einen Großteil ϊ 5 der abzubauenden elektrischen Leistung als Abschaltstrom führt und in Wärme umsetzt. Dabei erwärmt sich die Zenerdiode 2a in gleichem Maße, wodurch die Zenerspannung U2 ansteigt. Sobald sich die Zenerspannung UZ2a auf gleichem Niveau wie die Zenerspannung UZ2b befindet, übernimmt auch der andere Schalttransistor Ib (nicht gezeigt) einen Teil der abzubauenden elektrischen Energie. Die gesamte elektrische 5 Leistung bzw. elektrische Energie, die beim Abschalten einer ohmsch- induktiven Last zu bewältigen ist, kann somit auf mehrere parallel geschaltete Transistoren Ia, Ib bzw. mehrere parallel geschaltete Endstufen gleichmäßig verteilt werden.
Anstelle der Zenerdioden 2a bzw. 2b kann beispielsweise auch ein thermischer 0 Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten oder eine sonstige geeignete
Komponente mit positivem Temperaturkoeffizient eineingesetzt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Figur 5 für zwei Einzel-Endstufen A und B dargestellt. Es unterscheidet sich vom Beispiel nach Figur 2 durch wenigstens eine
5 zusätzliche Diode 15a, 15b, die schaltungstechnisch in Reihe zu den Dioden 2 und 3 liegt.
Mechanisch betrachtet ist sie auf dem Chip jedoch so weit von den Dioden 2 und 3 entfernt, dass die thermische Kopplung mit der Endstufe vernachlässigbar ist und für die Temperatur der Diode praktisch nur die Umgebungstemperatur relevant ist. Die Diode kann als Zenerdiode ausgestaltet sein oder durch einen NTC-Widerstand ersetzt sein.
! 0
Für das Ausführungsbeispiel nach Figur 5 gilt: Die individuelle Rückkopplung mit positivem Temperaturkoeffizient über die Zenerdioden 2a, 2b zur Begrenzung der Klammerspannung der Endstufen bleibt wie beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 erhalten. Die Zenerdioden 2a, 2b liegen dabei unverändert mit guter, also schneller
! 5 thermischer Ankopplung innerhalb des Endstufentransistors oder unmittelbar neben dem
Endstufentransistor.
An anderer Stelle auf dem Chip bzw. dem Silizium des Endstufenbausteins, thermisch unabhängig von den kurzzeitigen Temperaturspitzen, die während der Klammerphase ϊ 0 auftreten, ist als zusätzliches Bauteil mit negativem Temperaturkoeffizient wenigstens eine Diode 15a, 15b, beispielsweise als Zenerdiode oder als NTC-Widerstand ausgestaltet platziert. Damit kann ein Driften der Klammerspannung aller Endstufen über eine allgemeine Temperaturänderung des Bauteils kompensiert werden. Auch eine Überkompensation ist möglich. Dargestellt ist ein solcher erfindungsgemäßer Chip in Figur 6. Die vorhandene elektrische Verbindung zwischen einzelnen Schaltungsbestandteilen entsprechend Figur 5 ist in Figur 6 nicht dargestellt.
Den Verlauf einer Klammerung bei parallel geschalteten Endstufen A und B mit 5 Symmetrierung und der vorstehend beschriebenen Temperaturkompensation zeigen für ein vorgegebenes Beispiel die Figur 7a, 7b und 7c. Beispielhaft ist die toleranzbedingt mit geringerer Zenerspannung klammernde Endstufe die Endstufe A. Aufgetragen ist in Figur 7a die Klammerspannung UK über der Zeit t. Mit 16 ist die Klammerspannung der Endstufe B, mit 17 die der Endstufe A und mit 18 der Verlauf der Klammerspannung bei 0 Parallelschaltung bezeichnet. In Figur 7b ist der Laststrom IL und in Figur 7c die
Temperatur T über der Zeit t aufgetragen. Die Laststrom Summe 19 setzt sich dabei zusammen aus den beiden Lastströmen 20 und 21 der Endstufen A und B. Der Temperaturverlauf der beiden Endstufen ist mit 22 und 23 bezeichnet. 24 stellt die Temperatur des Chips dar. Der Abschaltzeitpunkt ist mit tA und das Ende der 5 Klammerphase mit tE bezeichnet.
Die im gezeigten Beispiel toleranzbedingt mit geringerer Zenerspannung klammernde Endstufe A übernimmt zunächst den gesamten Strom, der durch die ohmsch- induktive Last 4 nach dem Abschalten weiter getrieben wird. Durch die dabei in der Endstufe A
! 0 entstehende Leistung wird die Endstufe A aufgeheizt und deren Klammerspannung erhöht sich infolge der Rückkopplung mit positivem Temperaturkoeffizient. Erreicht die Klammerspannung der Endstufe A infolge steigender Temperatur einen Wert, der der Zenerspannung der Endstufe B bei der dann an der Endstufe B noch herrschenden niederen Temperatur wird auch Endstufe B leitend und übernimmt einen Teil des Stroms
! 5 bzw. der Abschaltenergie. Aufgrund des toleranzbedingten Unterschieds insbesondere der
Zenerspannungen wird Endstufe B nicht die gleiche Energie aufnehmen wie Endstufe A und erwärmt sich daher beispielsweise auch weniger. Je stärker die Temperaturabhängigkeit der Rückkopplung, desto geringer ist die Differenz zwischen den Energien, die von Endstufe A bzw. B übernommen wird.
50
Diese allgemeine Kompensation ermöglicht es, die individuelle Rückkopplung von Einzelendstufen mit einem stärkeren Temperaturverhalten auszustatten und somit eine gleichmäßigere Verteilung der Energie, insbesondere der beim Abschalten von Induktivitäten auftretenden Abschaltenergie in der Klammerphase auf alle parallel geschalteten Endstufen zu erzielen, ohne die Spezifikation von Anforderungen nach einer geringen Temperaturdrift der Klammerspannung zu verletzen.

Claims

Ansprüche
0 1. Endstufe, insbesondere Schalt-Endstufe (10) zum Schalten induktiver oder ohmsch- induktiver Lasten (4), umfassend mehrere parallel geschaltete Einzel-Endstufen (A, B) mit wenigstens einer Komponente (2a, 2b) mit beliebiger Zenerspannung, die die Zenerspannung (U2) der Einzel-Endstufe bestimmt und einem Transistor, insbesondere einem Schalttransistor (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (2a, 2b) im
5 oder nahe am Schalttransistor (1) angeordnet sind, so dass sie thermisch mit dem
Transistor (1) gekoppelt ist und dass eine weitere Komponente (15a, 15b) mit vorgebbarem Temperaturverhalten entfernt und insbesondere thermisch entkoppelt angeordnet ist.
! 0
2. Schalt-Endstufe (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere parallel geschaltete, gegengekoppelte Transistoren (Ia, Ib), in deren Gegenkopplungspfad jeweils ein Bauelement (2a, 2b) mit positivem Temperaturkoeffizient vorhanden ist, das die Klammer- oder Zenerspannung (U2) der Einzel-Enstufen (A, B) bestimmt
! 5
3. Schalt-Endstufe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauelemente (15a, 15b) als Zenerdioden oder als thermische Widerstände, insbesondere NTC-Widerstände realisiert sind und negative Temperaturkoeffizienten aufweisen.
ϊ 0
4. Schalt-Endstufe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte der Temperaturkoeffizienten unterschiedlich sind.
5. Schalt-Endstufe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Bauelemente (2a, 2b) und die Bauelemente (15a, 15b) ϊ 5 bewirkte Rückkopplung auf die Einzelendstufen unterschiedlich sind.
6. Schalt-Endstufe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Anordnung in einem Chip intergriert ist.
5 7. Schalt-Endstufe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten (2a, 2b) so auf dem Chip angeordnet sind, dass sie eine schnelle Temperaturkompensation ermöglichen und die Komponenten (15a, 15b) so auf dem Chip angeordnet sind, dass sie eine langsame Temperaturkompensation ermöglichen.
0
8. Schalt-Endstufe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren parallel geschaltete Einzel-Endstufen unterschiedlichen Stromklassen angehören.
5 9. Schalt-Endstufe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Endstufen-Zenerspannung symmetriert wird, wobei die Zenerspannung der Einzel-Endstufen unter Last und/oder Temperatur höher wird.
10. Verfahren zum Betreiben einer Schalt-Endstufe (10) nach einem der vorhergehenden ! 0 Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Abschalten abzubauende
Abschaltenergie möglichst gleichmässig auf mehrere Einzel-Endstufen verteilt wird.
11. Verfahren zum Betreiben einer Schalt-Endstufe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Driften der Klammerspannung aller Einzel-
! 5 Endstufen (A, B) über eine allgemeine Temperaturveränderung des zugehörigen Chips kompensiert oder überkompensiert wird.
50
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