DE4122653C2 - Steuerbare Halbleiterschalteinrichtung mit integrierter Strombegrenzung und Übertemperaturabschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine steuerbare Halbleiterschalt­ einrichtung mit integrierter Strombegrenzung und Übertem­ peraturabschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei modernen Leistungstransistoren werden Mittel zur Über­ temperaturabschaltung on-chip mitintegriert. Sie sprechen an, bevor die am Transistor umgesetzte Verlustleistung einen so großen Werte annimmt, daß der Leistungstransistor folg­ lich thermisch zerstört wird. Dabei ist eine zusätzliche Schaltung zur Strombegrenzung notwendig, um den Leistungs­ transistor im Kurzschlußfalle so lange vor Überhitzung zu schützen, bis die Übertemperaturabschaltung den Leistungs­ transistor tatsächlich abschaltet bzw. abgeschaltet hat.

Ein Beispiel nach dem Stande der Technik veranschaulicht Fig. 4 in Verbindung mit Fig. 3a und 3b. Die Fig. 3a und 3b zeigen Kennlinien, wie sie für MOS-Feldeffekt- Leistungstransistoren beispielhaft sind, und Fig. 4 ver­ anschaulicht das Wirkprinzip der Ansteuerbeschaltung eines solchen Transistors gemäß dem Stande der Technik. Der Leistungstransistor T₁ ist als N-Kanal-MOS-Feldeffekt­ transistor ausgeführt, der aus einer Parallelschaltung einer Vielzahl einzelner Schaltzellen, d. h. von einzelnen MOS-Transistorzellen, besteht. Um die Betriebsspannung U_b an den Ausgang A durchzuschalten, benötigt der N-Kanal- MOS-Leistungs-Feldeffekttransistor eine Gate-Source-Span­ nung U_GS von beispielhaft 10V, letztwelche von der Ladungs­ pumpe CP bereitgestellt wird; der Ausgangsstrom der La­ dungspumpe ist durch die Konstantstromquelle CS₁ symboli­ siert. Es ist ein weiterer MOS-Transistor T₂ vorgesehen, dessen Drain-Source-Strecke der Gate-Source-Strecke des Transistors T₁ parallelgeschaltet ist. Im Kurzschlußfalle wird durch Leitendsteuerung des Transistors T₂ die Gate- Source-Spannung U_GS1 des Transistors T₁ so weit abge­ senkt, daß der Stromfluß über die Schaltstrecke des Tran­ sistors T₁ unterbunden wird. Dazu wird das Gate des Tran­ sistors T₂ beispielsweise von einer gestrichelt angedeu­ teten Temperaturüberwachungs- bzw. -erfassungsschaltung TSC angesteuert, die ihrerseits von einem Temperatursen­ sor TS angesteuert wird. Sie liefert ausgangsseitig ein logisches Signal, das z. B. bei 160°C in einer den Transi­ stor T₂ dadurch durchschaltenden Weise seinen Pegel wech­ selt und z. B. vermittels einer entsprechenden Hysterese in diesem Zustand verharrt, bis die Temperatur um einen vorbestimmten Betrag wieder abgefallen ist. Der Lei­ stungs-MOS-Transistor T₁ kann so für eine gewisse Ab­ kühlungszeit gänzlich abgeschaltet werden.

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die Kurzschlußfestig­ keit dieser bekannten Schaltungsanordnung nach Fig. 4 be­ schränkt ist. Ursache dafür ist, daß der Temperatursensor TS aus technologischen Gründen nur am Rand der Halbleiter­ struktur angebracht werden kann, welche den eigentlichen Leistungstransistor T₁ bildet. Wenn im Kurzschlußfalle in den einzelnen MOS-Schaltzellen eine hohe Verlustleistung anfällt, weil der maximale Strom bei einem Spannungsabfall entsprechend U_b auftritt, steigt zunächst nur die Tempera­ tur der MOS-Schaltzellen, die den eigentlichen Leistungs­ transistor T₁ bilden, stark an. Die Temperatur der Chip-Um­ gebung, und insoweit auch die eines in gewisser Entfernung davon angeordneten Temperatursensors TS, folgt nur mit gewis­ ser Verzögerung, bedingt durch die endliche Ausbreitungsge­ schwindigkeit der Temperatur aufgrund der Wärmeleitung. Wird der Temperaturgradient zwischen der heißesten Region des Lei­ stungstransistors und dem Temperatursensor zu groß, wird die Halbleiterstruktur des Leistungstransistors T₁ aufgrund Über­ schwingens seiner Temperatur über den maximal zulässigen Wert hinaus irreversibel geschädigt, bevor die Abschalt­ temperatur einer Überwachungsschaltung erreicht worden ist. In der Praxis führt dies dazu, daß entweder die Kurz­ schlußfestigkeit nur eingeschränkt gewährleistbar ist oder aber dadurch erkauft werden muß, daß die maximale Leistung des Leistungstransistors T₁ durch eine ausrei­ chend niedrig zu legende Strombegrenzungsschwelle be­ grenzt wird. Daraus resultiert eine empfindliche Schalt­ leistungsbegrenzung.

Die DE 38 21 065 C2 beschreibt eine Leistungs-MOSFET- Schaltung, bei der der Halbleiterschalter aus einer Viel­ zahl von einzelnen Schaltzellen besteht, die einen Haupt­ schalter und einen Hilfsschalter bilden, letztwelcher be­ vorzugt inmitten der von Zellen des Hauptschalters bedeck­ ten Fläche ausgebildet ist; bevorzugt kann er durch eine einzige Schaltzelle realisiert sein. Der auf diese Hilfs­ schaltzelle entfallende Strom wird mittels eines Meßwider­ standes sensiert und ein entsprechender Spannungsabfall wird dazu benutzt, um einen den Steuereingang des Haupt­ schalters kurzschließenden weiteren Halbleiterschalter anzusteuern. Dabei ist vorzugsweise eine Kippcharakte­ ristik realisiert, die den Hauptschalter bei Eintritt des Überlastungsfalles abschaltet und abgeschaltet hält. Die­ se Lösung weist den Nachteil auf, daß auch impulsartige Überlastungen von sehr kurzer Dauer bereits zum Abschal­ ten führen, obwohl das Chipsubstrat dabei noch nicht an seine thermische Auslastungsgrenze stößt. Außerdem ist es technologisch schwierig, inmitten eines Feldes von Haupt­ schaltzellen isoliert eingestreute Hilfsschaltzellen an­ zuordnen und mit einer außerhalb des Hauptschaltzellenfel­ des angeordneten Peripherie zu verbinden, weil dies zu­ sätzliche Maskier- und Depositionsschritte bei der Ferti­ gung erfordert.

Jene Einrichtung zielt also auf das Erreichen eines auf­ rechterhaltbaren Sicherheitszustandes ab, in welchem nach zuvor aufgetretener Überschreitung der Überlastungsgrenzen eine dauerhafte Beschädigung der Schalteinrichtung vermie­ den wird.

Die DE 39 27 307 A1 beschreibt eine Halbleitervorrichtung mit Kurzschluß-Schutzschaltung, die in der Funktionsweise im Grunde der vorerwähnten entspricht. So sind die Schalt­ zellen auch dort in Haupt- und Unterelemente aufgeteilt, vorzugsweise z. B. in Hauptelemente und nur ein Unterele­ ment. Jene Vorrichtung ist ebenfalls so ausgelegt, daß je nach Spannungsabfall an einem internen Ermittlungswider­ stand bei Kurzschluß der Last die Lastschaltstrecke durch Eingangskurzschluß des Lastschalters freigeschaltet wird. Ohne Vorliegen eines Lastkurzschlusses findet eine begren­ zende Einflußnahme auf den Stromfluß über die Lastschalt­ strecke nicht statt. Die Strombegrenzungsfunktion wird ohne Berücksichtigung der thermischen Belastbarkeit des Chips erreicht.

Die US 4,896,199 beschreibt eine Halbleitereinrichtung mit Mitteln zum Schutze derselben vor Überhitzung. Dabei sind inmitten eines Feldes von Schaltzellen Temperaturer­ fassungs- und Steuermittel vorgesehen, mittels derer die darum herum angeordneten Schaltzellen auch so lange abge­ schaltet werden können, bis eine bestimmte Chiptemperatur inmitten des Schaltzellenfeldes unterschritten ist. Bezüg­ lich der Fabrikationstechnik einer solchen Einrichtung gilt sinngemäß das zur DE 38 21 065 C2 bereits Gesagte.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine steuerbare Halb­ leiterschalteinrichtung mit integrierter, eine thermische Zerstörung verhindernder Strombegrenzung mit optionaler, übertemperaturabhängiger Abschaltmöglichkeit der Schalt­ funktion vorzuschlagen, welche eine erhöhte Zuverlässigkeit aufweist und dabei mit einer geringstmöglichen Maskenzahl einfach herstellbar und immanent kurzschlußfest ist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Halbleiter­ schalteinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die kennzeichnungsgemäße Halbleiterschalteinrichtung weist den Vorteil eines sicheren und beschleunigten Ansprechens einer Übertemperatursicherungsfunktion auf und macht eine Begrenzung der Stromtragfähigkeit der eigentlichen Schalt­ strecke zum Zwecke der Unterstützung einer reinen Übertem­ peraturbegrenzungsfunktion im Strombegrenzungsfalle völlig überflüssig.

Es kann insoweit unabhängig vom Zeitverlauf des Ansteuer­ signals in jedem Betriebszustand die Strombegrenzungs­ schwelle immer sehr nahe an den chipflächenspezifisch überhaupt möglichen Maximalstrom gelegt und insoweit die Schaltleistungsausbeute des Halbleiterchips maximiert werden, ohne daß dies mit einer Einbuße an Zuverlässig­ keit erkauft würde. Dabei muß ein temperaturerfassendes geordnet sein. Vielmehr kann es sehr vorteilhaft am Rande eines solchen angeordnet werden, mit allen sich daraus er­ gebenden Vorzügen hinsichtlich eines definierten und unge­ störten Temperaturprofils im Bereiche des/der Schwerpunkte eines wie immer konturierten Schaltzellenfeldes und hin­ sichtlich der Kontaktierung mit sonstigen chiprandnahen Schaltungsteilen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind nach Lehre der darauf rückbezogenen Ansprüche 2 bis 10 gegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, letztwelche auch die bekannte Lösung nach dem Stande der Technik umfaßt. Die Erläuterung des Aus­ führungsbeispiels schließt an die Figurenliste an.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine beispielhafte Schalt­ zellen-Topologie einer erfindungsgemäßen Halb­ leiterschalteinrichtung;

Fig. 2 ein Wirkschaltbild einer erfindungsgemäßen Halbleiterschalteinrichtung;

Fig. 3a Ausgangskennlinien eines Halbleiterschal­ ters, beispielhaft in Form eines N-Kanal- Leistungs-MOS-Feldeffekttransistors:
I_D = f(U_DS mit Parameter U_GS);

Fig. 3b die Ansteuerkennlinie eines Halbleiterschal­ ters, beispielhaft in Form eines N-Kanal- Leistungs-MOS-Feldeffekttransistors:
I_D = f (U_GS);

Fig. 4 das Prinzipschaltbild einer nach dem Stande der Technik kurzschlußgeschützten Halbleiter­ schalteinrichtung.

Die Beschreibung der Fig. 3a, 3b und 4 erfolgte be­ reits im Zuge der Erläuterung der bekannten Lösung nach dem Stande der Technik.

Fig. 1 zeigt zunächst eine prinzipielle, von Fall zu Fall modifizier- und abwandelbare Chip-Topologie der Schaltzellen einer erfindungsgemäßen Halbleiterschaltein­ richtung, und Fig. 2 ein beispielhaftes Wirkschaltbild einer erfindungsgemäßen Verbesserung der bekannten Lösung gemäß Fig. 4.

In Fig. 1 ist mit 1.1 ein Feld bezeichnet, welches eine Vielzahl von individuellen Hauptschaltzellen mit parallel geschalteten, d. h. mit auf gleichem Potential liegenden Steuerelektroden des in Fig. 2 abgebildeten Halbleiter­ schalters 1 umfaßt. Mit 3.1 ist ein Feld bezeichnet, welches eine kleinere Vielzahl von Hilfschalt­ zellen mit ebenfalls parallel geschalteten Steuerelektro­ den eines kleineren Halbleiterschalters 3 umfaßt. Die Halbleiterschalter 1 und 3 sind in derselben Technologie hergestellt.

Die beiden Felder schließen z. B. längs einer Grenzlinie 4 aneinander an. In der Praxis kann das Feld 1.1 so geformt sein, daß es das Feld 3.1 mehr oder weniger einschließt bzw. umfaßt, jedenfalls aber wenigstens einen Signalpfad zum Temperatursensor 12 nicht bedeckt, welcher innerhalb des Feldes 3.1 angeordnet ist. Eine Schaltung 11 zur kom­ binierten Laststromerfassung und -auswertung und zur Tem­ peraturüberwachung kann insoweit außerhalb der Felder 1.1 und 3.1 angeordnet sein und über Signalpfade mit dem Tem­ peratursensor 12 in Verbindung stehen. Als gebietsmäßig abgeschlossen integrierte Strombegrenzungs- und Temperatur­ erfassungsschaltung 11′ kann sie gleichwohl einen Tempe­ ratursensor auch integral mitumfassen und dann anstelle eines diskreten Temperatursensors 12 an einem entsprechen­ den Ort mehr oder weniger vom Feld 3.1 umfaßt angeordnet sein.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel liegt die Schaltstrecke des Halbleiterschalters 1 einerseits an der Betriebsspannung U_b, andererseits am Ausgang A der Halbleiterschalteinrichtung. Seine Steuerelektrode wird in an sich bekannter Weise beispielsweise über eine Stromquel­ le 5 am Ausgang einer Ansteuerschaltung 6, beispielsweise als Ladungspumpe ausgeführt, mit einem Steuersignal beauf­ schlagt, beispielsweise einem Strom I₁. Die Ansteuerschal­ tung 6 weist ihrerseits einen Ansteuereingang E auf. Zwi­ schen die Steuerelektrode des Halbleiterschalters 1 und dessen am Ausgang A liegende Bezugselektrode ist in an sich vorbekannter Weise die Schaltstrecke eines weiteren Halbleiterschalters 2 geschaltet; an ihr steht insoweit die Steuerspannung U_GS1 des Halbleiterschalters 1 an. Die Steuerelektrode des Halbleiterschalters 2 wird von der kombinierten Laststromerfassungs- und Temperaturauswerte­ schaltung 11 mit separatem Temperatursensor 12 und Last­ stromsensor 13 bzw. einer entsprechenden Schaltung 11′ mit darin integriertem Temperatursensor mit einer Steuerspan­ nung U_GS2 beaufschlagt. Die Temperaturauswertecharakte­ ristik der Schaltung 11 bzw. 11′ kann vorzugsweise eine eingangs schon erwähnte Hysterese-Schaltcharakteristik mit Kippwirkung über der Temperatur aufweisen, mit der Wirkung einer eindeutigen und vollständigen Abschaltbar­ keit des Halbleiterschalters 1 vor seiner thermischen Zerstörung. Der Stromsensor 13 kann beliebig realisiert sein, beispielsweise auch als integraler Bestandteil wenigstens einer der Strukturen der Halbleiterschalter 1 und 3.

Der Ansteuerschaltung 6 ist hier ausgangsseitig noch eine weitere Stromquelle 7 zugeordnet, die mit der Steuerelek­ trode eines dritten Halbleiterschalters 3 wirkverbunden ist. Die Schaltstrecke des Halbleiterschalters 3 ist jener des Halbleiterschalters 1 parallel geschaltet. Die Steuer­ elektroden der Halbleiterschalter 1 und 3 sind mitein­ ander wirkverbunden, hier beispielhaft über einen Wider­ stand 8. In der Praxis kann der Widerstand 8 auch durch/mit wenigstens einen/m pn- oder np-Halbleiterübergang in Schleusen- oder Zenerbetrieb ersetzt/kombiniert sein. Auch kann wenigstens eine der Stromquellen 5 und 7 durch einen Widerstand ersetzt sein, oder es kann die Stromquelle 5 gänzlich entfallen, so daß die Steuerelektroden der Tran­ sistoren 1 und 3 dann z. B. ausschließlich durch den Strom I₃, d. h. durch nur ein gemeinsames Steuersignal vorge­ spannt werden.

Die Einrichtung funktioniert wie folgt.

Die Stromquellen 5 und 7 bzw. entsprechende Vorwiderstände bewirken durch Bereitstellung definierter Umladeströme für die Steuerelektroden der Halbleiterschalter 1 und 3 einen definierten Schaltverlauf.

Unter Zugrundelegung einer gleichen Technologie und eines identischen Schaltzellenaufbaues fließen bei gleichen An­ steuerspannungen (U_GS1 = U_GS3) der Halbleiterschalter 1 und 3 gleiche Teilströme durch die sie aufbauenden Schalt­ zellen in den Feldern 1.1 und 3.1.

Solange der insgesamt fließende Schaltstrom die Strombe­ grenzungsfunktion der Schaltung 11 bzw. 11′ nicht wirksam werden läßt, wird der Halbleiterschalter 2 nicht oder nur sehr gering angesteuert, U_GS2 ist also beispielsweise identisch oder nahe Null. Da die Schaltstrecke des Schal­ ters 2 deshalb nicht leitet und insoweit keinen Strom zu führen vermag, wird U_R zu Null. Infolgedessen liegen die Steuerelektroden der Schalter 1 und 3 über die Strom­ quellen 5 und 7 (oder über entsprechende ohmsche Wider­ stände 5 und 7) auf hohem Potential, wobei U_GS1 = U_GS3. Als Folge fließen bei noch nicht einsetzender Strombe­ grenzung gleiche spezifische Ströme durch identisch be­ schaffene Schaltzellen der Halbleiterschalter 1 und 3, und es kommt insoweit im stromtragenden Bereich des Halblei­ terchips zu einer insgesamt ausgeglichenen Temperatur­ verteilung.

Übersteigt der Laststrom ein zulässiges Maß, führt das vom Laststromsensor 13 an die Schaltung 11 bzw. 11′ abgegebene Signal zum Einsatz der Strombegrenzung durch Anstieg von U_GS2. Dadurch wird der Schalter 2 mehr oder weniger durch­ gesteuert, d. h. wirkt als Stromsenke und führt somit zum Spannungsabfall U_R am Widerstand 8 (oder einem alternativ vorgesehenen pn- oder np-Übergang). Aufgrund des Strom­ flusses I₃ vermindert sich somit die Steuerspannung U_GS1 um den Spannungsabfall U_R gegenüber der Steuerspannung U_GS3 des Halbleiterschalters 3. Aus der beispielhaften Kennlinie gemäß Fig. 3b, die sinngemäß auch für jede einzelne Schaltzelle entsprechender Halbleiterschalter gilt, ergibt sich daraus für die zum Feld 3.1 gehörigen Hilfsschaltzellen eine höhere spezifische Strombelastung. Infolgedessen ist die in letzteren umgesetzte spezifische Verlustleistung größer als in den Schaltzellen des Feldes 1.1, woraus sich eine größere freigesetzte Wärmeleistung und insoweit eine schnellere Erhitzung auf eine höhere Temperatur im Vergleich zu den Zellen des Halbleiter­ schalters 1 ergibt.

In Verbindung mit einer geeigneten Dimensionierung der Ansteuerschaltung 6 wird so jedenfalls erreicht, daß im Strombegrenzungsfalle die Ansteuerspannung U_GS3 für die in unmittelbarer Nähe, nämlich um den Temperatursensor 12 bzw. die Temperaturerfassungsschaltung 11′ herumgruppier­ ten Zellen des Halbleiterschalters 3 um einen gewissen Be­ trag U_R höher ist als für alle übrigen Zellen des Halblei­ terschalters 1. Es wird also eine definierte Unausgegli­ chenheit der Temperaturverteilung im Bereiche der Tempe­ raturerfassung künstlich herbeigeführt, um zielgenau eine besonders schnelle Erhitzung des die Chiptemperatur er­ fassenden Elements zu erzwingen.

Bei Überschreiten einer vorbestimmten Grenztemperatur kann die Schaltung 11 bzw. 11′ aus einem Mode der reinen Strombe­ grenzung bzw. über der Temperatur rückläufigen Strombegren­ zung mit Hysterese in einen Abschaltmode kippen und somit über einer gewissen Abkühlungsphase die vollständige Sper­ rung der Schalter 1 und 3 bewirken. Dazu kann zusätzlich noch z. B. ein figürlich nicht dargestellter Steuerpfad zwischen der Schaltung 11 bzw. 11′ und der Ansteuerschal­ tung 6 vorgesehen sein, über den wenigstens eines der Steuersignale I₁ und I₃ in der Ansteuerschaltung 6 für die Abschaltdauer auf Null setzbar ist. Oder die Steuer­ elektrode des Halbleiterschalters 3 kann über die Schalt­ strecke eines figürlich ebenfalls nicht dargestellten wei­ teren, von der Schaltung 11 bzw. 11′ anzusteuernden Halb­ leiterschalters mit dem Ausgang A oder mit Massepotential 10 verbunden werden, so lange der Schalter 2 voll durch­ gesteuert ist.

Für den Kurzschlußfall A-GND wird U_RK zweckmäßigerweise so gewählt, daß die Temperatur am Ort des Temperatursensors 12 bzw. der Temperaturerfassungsschaltung 11 gleich oder höher ist als die Temperatur an irgend einer anderen Stelle des Feldes 1.1, insbesondere in dessen Mitte bzw. Schwerpunkt. Es ist insoweit sichergestellt, daß sich bei Wirksamkeit der Strombegrenzung immer die in unmittelbarer Umgebung des Temperatursensors 12 bzw. der Strombegren­ zungs- und Temperaturerfassungsschaltung 11′ angeordneten Hilfsschaltzellen im Feld 3.1 am stärksten erhitzen und in­ soweit die Sensierung bzw. Erfassung eines Überlastzustan­ des mit geringstmöglicher Verzögerung geschieht. Eine über­ lastbedingte Abschaltung der Halbleiterschalteinrichtung kann so wesentlich früher als nach dem Stande der Technik eingeleitet werden, ohne daß die Gefahr einer unkontrol­ liert punktuellen Überhitzung der den Hauptstrom führenden Schaltzellen des Halbleiterschalters 1 und insoweit seiner Beschädigung besteht.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungs­ beispiel mit separater Ansteuerung bestimmter Schaltzellen beschränkt. Beispielsweise ist auch eine Lösung mitumfaßt, die ohne ein wie auch immer beschaffenes Element 8 zur Gewinnung zweier betragsmäßig unterschiedlicher Steuer­ größen und ohne einen separaten Ansteuerpfad eines entspre­ chenden Halbleiterschalters 3′ auskommt, indem durch tech­ nologische Maßnahmen dafür gesorgt wird, daß für eine gewisse Zahl von besonderen Schaltzellen in einem entspre­ chenden Feld 3.1 sich eine Kennlinie gemäß Fig. 3b er­ gibt, welche steiler als die entsprechende Kennlinie für alle übrigen Schaltzellen eines den Hauptstrom führenden Halbleiterschalters 1′ ist. In einem solchen Falle kann eine für den Betrachter sichtbare Trennungslinie 4 zwi­ schen Feldern mit einem Halbleiterschalter 1′ und einem Halbleiterschalter 3′ zuzuordnenden Schaltzellen gänzlich fehlen, und die Kontaktierung der Ansteuerelektroden aller Schaltzellen kann insoweit durchgängig sein.

Die erfindungsgemäße Maßnahme zur Verbesserung der Kurz­ schlußfestigkeit von Halbleiterschalteinrichtungen ist auch in weiterem Sinne nicht beschränkt auf das spezielle Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2. Dort sind generell N-Kanal-MOS-Transistoren als Halbleiterschalter zugrun­ degelegt, die Arbeitscharakteristika gemäß den Kennlinien in Fig. 3a und 3b aufweisen. Auch andere Halbleiter­ schaltbauelemente mit anderen Charakteristika sind mög­ lich, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird. Der Transistor T₁ schaltet dort eine Betriebsspannung U_b nach Masse 10 durch (High-Side Switch). Auch der um­ gekehrte Fall einer Durchschaltung des Massepotentials gegen die Betriebsspannung U_b ist möglich (Low-Side Switch). Je nach Polarität und/oder Technologie des Leistungsschalters T₁ und des Halbleiterschalters T₃ kann z. B. eine Ladungspumpe als Ansteuerschaltung erforderlich sein oder entfallen. Bei einer Ausbildung von Schaltzellen mit feldweise unterschiedlicher Steilheit kann auch eine Ansteuerschaltung 6 auf einen ohmschen Spannungsteiler oder eine Leitungsverzweigung reduziert sein oder gänz­ lich entfallen. Auch unter Verwendung bipolarer Techno­ logien zur Realisierung des Leistungsschalters kann in der beschriebenen Weise die Kurzschlußfestigkeit erhöht wer­ den. Allerdings muß dann als Einflußgröße nicht die Basis­ spannung, sondern der Basisstrom eines entsprechenden bi­ polaren Transistors T₃ bzw. entsprechender Transistor­ strukturen innerhalb eines Feldes 3.1 im Nahbereich des Temperatursensors 12 bzw. einer Temperaturerfassungsschal­ tung 11′ im Kurzschlußfalle höher geregelt werden, um so am Ort des die Temperatur erfassenden Elements die höchste Temperatur zu erzeugen. Im Rahmen der beanspruchten Erfindung sind alle diese Abwandlungen mitumfaßt.

Claims (10)

1. Steuerbare Halbleiterschalteinrichtung mit inte­ griertem Überlastungsschutz des Laststrompfades, wobei die Schaltstrecke im Laststrompfad (A, GND) aus einer Vielzahl von parallel wirkenden Hauptschaltzellen gebildet wird und noch eine kleinere Anzahl von Hilfsschaltzellen (3.1) vorgesehen ist, welche parallel zu den Hauptschaltzellen einen Teil des Gesamtlaststromes führen, um dadurch einen Überlastungsschutz zu realisieren, und wobei wenigstens die lastseitigen (A) Anschlüsse der Haupt- (1.1; 1) und Hilfs­ schaltzellen (3.1; 3) direkt hochleitend unter- und miteinander ver­ bunden sind, und wobei zwischen Schaltanschlüsse der Hauptschaltzellen (1.1; 1) und direkt hochleitend untereinander verbundene Steueran­ schlüsse der Hauptschaltzellen (1.1; 1) die Schaltstrecke eines weiteren Halbleiterschalters (2) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet,

• - daß es sich bei den mit der Schaltstrecke des wei­ teren Halbleiterschalters (2) verbundenen Schaltanschlüs­ sen der Hauptschaltzellen um die lastseitigen handelt,
• - daß auch die nicht lastseitigen Schaltanschlüsse der Haupt- (1.1; 1) und Hilfsschaltzellen (3.1; 3) direkt und hochleitend (9) unter- und miteinander verbunden sind, daß die Halbleiterschalteinrichtung ein Element (12, 11′) zur Chiptem­ peraturerfassung aufweist, letztwelches auf den weiteren Halbleiterschalter (2) bei wachsender Chiptemperatur im Sinne eines Durchschaltens desselben einwirkt, daß sich die Steilheit der Funktion ihres Ausgangs­ leitwertes in Abhängigkeit von ihrer Steuergröße und/oder Steuergröße der Hilfsschalt­ zellen (3.1) von der entsprechenden Steilheit bzw. Steuergröße der Hauptschaltzellen (1.1) unterscheidet in der Weise, daß bei Schaltansteuerung der Einrichtung und einem Laststrom un­ terhalb der Überlastungsgrenze die spezifische Strombela­ stung und damit das spezifische Verlustleistungsaufkommen der Hilfsschaltzellen (3.1) im wesentlichen gleich groß ist wie die/das der Hauptschaltzellen (1.1), und daß bei Schaltansteuerung der Einrichtung und stetiger Laststrom­ zunahme bis heran an die Überlastgrenze die spezifische Strombelastung und damit das spezifische Verlustleistungs­ aufkommen der Hilfsschaltzellen (3.1) die-/dasjenige der Hauptschaltzellen (1.1) monoton zunehmend übersteigt, und daß das die Chiptemperatur erfassende Element (12, 11′) im Nahbereich oder im wesentlichen umschlossen von besag­ ten besonderen Schaltzellen (3.1) mehr oder weniger am Rande der von Hauptschaltzellen (1.1) belegten Chip­ fläche angeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Schaltzellen (1.1, 3.1) als bipolare oder MOS-Transistorzellen in beliebiger Technologie ausgeführt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß auch die Steuerelektroden der Haupt- (1.1; 1) und Hilfsschaltzellen (3.1; 3) hochleitend unter- und mitein­ ander verbunden sind und insoweit alle Schaltzellen mit derselben Steuergröße ansteuerbar sind, wobei die Hilfs­ schaltzellen (3.1) eine größere Steilheit der Funktion ihres Ausgangsleitwertes in Abhängigkeit von der An­ steuergröße aufweisen als die Hauptschaltzellen (1.1).

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Ansteuerung aller Schaltzellen (1.1, 1; 3.1, 3) über eine besondere Ansteuerschaltung (6; 6 mit 5 oder 7) geschieht, welche wenigstens eine der folgenden Wandlungen einer dieselbe beaufschlagenden Ansteuergröße bewirkt:
• - Pegelverschiebung einer Ansteuerspannung;
• - Pegelverschiebung eines Ansteuerstromes;
• - Wandlung einer Ansteuerspannung in einen Strom als Steuergröße;
• - Wandlung eines Ansteuerstromes in eine Spannung als Steuergröße.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß alle Schaltzellen im wesentlichen gleich aufgebaut sind und/oder im wesentlichen eine einheitliche Steilheit der Funktion ihres Ausgangsleitwertes in Abhängigkeit von ihrer Steuergröße aufweisen, und daß jeweils die Steuerelek­ troden der Hilfsschaltzellen (3.1) untereinander und die Steuerelektroden der Hauptschaltzellen (1.1) untereinander verbunden sind und daß des weiteren Mittel vorhanden sind, um in einem Lastbereich nahe der Überlastungsgrenze die Steuerelektroden der Hilfsschaltzellen (3.1) und die Steuerelektroden der Hauptschaltzellen (1.1) mit wenig­ stens betragsmäßig sich voneinander unterscheidenden Steuergrößen leitend zu steuern.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Steuerelektroden der Hilfsschaltzellen (3.1) und der Hauptschaltzellen (1.1) über ein Element (8) mitein­ ander in Wirkverbindung stehen, an welchem sich eine Diffe­ renz der Steuergröße ausbildet.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

• - daß es sich bei dem Element (8) um wenigstens einen Widerstand und/oder wenigstens einen pn- oder np-Halblei­ terübergang handelt.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Ansteuerung der Schaltzellen (1.1, 3.1) über eine Ansteuerschaltung (6) geschieht, die wenigstens eine Ladungspumpe umfaßt.

9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die den Stromfluß durch den Laststrompfad steuernde Größe dadurch beeinflußbar ist, daß sie durch den wenigstens den Steuereingängen der Hauptschaltzellen (1.1) im wesentlichen parallel geschalteten weiteren Halb­ leiterschalter (2) kurzschließbar bzw. umlenkbar bzw. ab­ leitbar ist, und daß dem Halbleiterschalter (2) im Sinne einer Begrenzung des Laststromes auf einen über längere Dauer zulässigen Wert ein Steuersignal zuführbar ist, welches außer von der Chiptemperatur im Bereiche der Hilfsschaltzellen (3.1) auch noch von wenigstens einem separat und kontinuierlich erfaßten Teil des Laststromes abhängig ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß Mittel vorhanden sind, welche eine Beeinflussung der den Stromfluß durch den Laststrompfad in Abhängigkeit von der Chiptemperatur im Bereiche der Hilfsschaltzellen (3. 1.) steuernden Größe mit Kippcharakteristik nach Maßgabe durch eine vorgegebene Temperatur-Hysterese bewirken.