@ Benannte Vertragsstaaten:

0

Europaisches Patentamt European

PatentOffice Office

europeen des

brevets

(53) Veroffentlichungsnummer:

0 341 482 A1

EUROPAISCHE PATENTANMELDUNG

© Anmeldenummer:

89107408.0 (§) Anmeldetag: 24.04.89

®

^{Int. ci.^}

^{G01K 7/00}

^,

^{H02H 5/04}

.1^ (n

\

-J

®

^{Prioritat: 11.05.88}

^DE

^3816259

_©

^Anmelder:

Siemens

Aktiengesellschaft

(2) Veroffentlichungstag derAnmeldung:

Wittelsbacherpiatz2 D-8000

Munchen

2(DE) 15.11.89 Patentblatt 89/46

@

^BenannteVertragsstaaten:

(3) Erfinder: Leipold, Ludwig, Dipl.-lng.

Strassberger Strasse 125

DE FR GB

IT D-8000

Munchen

40(OE)

Erfinder: Sander, Rainaid, Dipl.-Phys.

Karl-Theodor-Strasse 25 D-8000

Munchen

40(DE)

Erfinder: Tihanyi, Jenb, Dr.

Windeckstrasse

Id D-8000

Munchen

70(DE)

Erfinder:

Weber,

Roland, Dipl.-lng.

Ursulastr. 5

D-8000

MUnchen

40(DE)

® Schaltungsanordnung zum

Erfassen der

Ubertemperatur

eines Halbleiterbauelements,

®

^{Einerr) nnit einem zu}

uberwachenden

Halbleiter-

bauelement in thermischem Kontakt stehender Bipol- artransistor (1) ist ein

MOSFET

(11) und sine Strom- quelle ₍₁₂₎ in Reihe geschaltet. Der

MOSFET

(11) wird durch zwei Zenerdioden _{(13. 14)} gesperrt ge- hatten. so lange sich der Bipolartransistor ₍₁₎ auf Nornnaltennperatur _befindet. Damit laflt sich der Ru- hestrom betrachttich reduzieren. Mit ansteigender Temperatur erhoht sich der Stronn durch den Bipol- artransistor ₍₁₎ und die Gate-Sourcespannung des

^MOSFET

(11) wird erhoht, bis dieser einschaltet.

^Wird

der durch den

MOSFET

(11) flieflende Strom

^hohar

als der eingepragte Strom der Stromquelle

00

^("'2). springt die

Spannung

uber der Stromquelle auf

^einen

Wert nahe der Versorgungsspannung _(Voo).

^Dieser

Spannungssprung kann ais Ubertemperatursi-

^gnal

^detektiert werden.

CO

FIG2

20

Xerox

EP 0

341

482

A1

Schaltungsanordnung zum

Erfassen der

Ubertemperatur

eines

Halbbeiterbauelements

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanord- nung

2um

Erfassen des Uberschreitens einer vor-

gegebenen Temperatur eines Halbleiterbauele- ments. mit einenn mit

dem

Halbleiterbauelennent thernnisch verbundenen Bipolartransistor und nnit einer

dem

Bipolartransistor in Reihe geschalteten Stromquelle.

Eine solche Schaltungsanordnung ist bereits beschrieben worden. Sie wird anhand der FIG 1

ertautert.

Die genannte Schaltung weist einen Bipolar- transistor 1 auf.

dem

erne Stromquelle 2 in Reihe geschaltet ist. Der Bipolartransistor ist mit

dem

auf Ubertemperatur zu

uberwachenden

Halbleiterbau- element, z. B. einem

Leistungs-MOSFET

Oder ei-

nem

Leistungs-lC thermisch verbunden. Als Strom- quelle ist hier ein n-Kanal Depletion-Transistor ver- wendet. Zur Begrenzung der Kollektor-Emitterspan- nung des Bipolartransistors ist dieser eine Zener- diode 3 parallel geschaltet. Der Reihenschaitung aus Bipolartransistor 1 und Stromquelle 2 ist die Reihenschaitung aus

emem MOSFET

4. einem Wi- derstand 9 und einer weiteren Stromquelle 5 paral- lel geschaltet. Dabei ist der Kollektoranschlufl

C

des Bipolartransistors 1 mit

dem

Sourceanschlui3

S

des

MOSFET

4 verbunden. Der Gateanschlufl

G

des

MOSFET

4 ist mit

dem

EmitteranschluiS E des

Bipolartransistors verbunden. Der Stromquelle _5.

die ebenfalls als n-Kanal Depletion-Transistor aus- gebiidet sein kann. kann eine Zenerdiode 6 parallel geschaltet sein. Der Widerstand 9 ist im ailgemei- nen _{der DurchlaiS}widerstand des

MOSFET

4.

Wird die Betriebsspannung Voo zwischen der

Ktemme

7 und

Masse

aingelegt, so fliei3t im kalten Zustand des zu

uberwachenden

Halbleiterbauele- ments und damit im kalten Zustand des mit diesem thermisch verbundenen Bipolartransistors 1 ein ge- ringer Strom. Dabei ist der Bipolartransistor 1 und die Stromquelle 2 so dimensioniert. daiJ der unter- halb der kritischen Temperatur durch den Bipolar- transistor flieflende Strom kleiner ist als der einge- pragte Strom der Stromquelle 2. Der Gateanschluj3

G

des

p-Kanal-MOSFET

4 istdamit negativ gegen- uber der Betriebsspannung Vqo vorgespannt. er ist

daher leitend. Die Gate-Sourcespannung des

MOS- FET

4 wird durch die Zenerdiode 3 begrenzt. Der

leitende

MOSFET

zieht einen Strom, dessen

Hdhe

durch den eingepragten Strom der Stromquelle 5 und den Widerstand 9 bestimmt ist.

Steigt die Temperatur des zu uberwachenden Halbleiterbauelements und damit des Bipolartransi- stors 1 an, so erhoht sich der Strom durch den

Bipolartransistor. Wird beim Erreichen der kriti-

schen Temperatur der Strom durch den Bipolar- transistor grofler als der Strom durch die Strom-

quelle 2. so erhoht sich deren Widerstand sprung-

artig und das Potential

am

Emitter des Bipolartran- sistors und damit

am

Gateanschlu/3 des

MOSFET

4 erhoht sich auf einen Wert, der nahe an der Be-

5 triebsspannung liegt. Damit wird der

MOSFET

4 ausgeschaltet und die

Spannung

an der Ausgangs-

klemme

₈ geht auf einen Wert nahe Massepotenti-

al. Dieses Signal kann als Ubertemperatursignal detektiert werden.

w

Der Ruhestrom dieser Schaltungsanordnung

setzt sich

zusammen

_aus

dem

durch den Bipolar- transistor 1 und

dem

durch den

MOSFET

4 flieflen-

den Strom. Er kann z.B. einige

lOuA

betragen. Fur viele

Anwendungszwecke.

z. B. fur Kraftfahrzeuge,

J5 ist

em

solch hoher Ruhestrom jedoch unerwunscht.

Das Ziel der Erfindung ist es. eine Schaltungs- anordnung der beschriebenen _{Gattung so} weiterzu- bilden. da/3 der Ruhestrom drastisch abgesenkt werden kann.

20 Dieses Ziel wtrd erreicht durch die Merkmate:

a) Zwischen

dem

Bipolartransistor und der Stromquelle tst die Source-Drainstrecke eines

MOSFET

angeschlossen.

b) der Sourceanschluj3 des

MOSFET

ist mit 25

dem

Emitteranschlu/3 des Bipolartransistors verbun-

den.

c) der Gateanschlu/J des

MOSFET

wird uber erne erste Zenerdiode auf einem ersten festen Po-

tential gehalten,

^0 d) der Sourceanschlui3 des

MOSFET

wird uber eine zweite Zenerdiode auf einem zwetten festen Potential gehalten.

e) die genannten Potentiate sind derart auf- einander abgestimmt. da/J ihre Differenz bei Nor- 35 maltemperatur des Halbleiterbauelements kleiner

als die Einsatzspannung des

MOSFET

^ist.

Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteran- spruche. Die Erfindung wird anhand zweier Ausfuh- 40 rungsbeispiele in Verbindung mit den FiG 2 und 3 naher ertautert. Dabei sind gleiche Oder funktions- gleiche Telle wie in FIG ¹ mit gleichen Bezugszei- chen versehen.

Dem

npn-Blpolartransistor 1 ist ein p-Kanal- 45

MOSFET

11. ein Widerstand 9 und eine Strom- quelle 12 in Reihe geschaltet. Der Widerstand 9 ist

im allgemeinen der Durchlaflwiderstand des

MOS- FET

11. Dabei ist der Sourceanschluj3

S

des

MOS- FET

1

1 mit

dem

Emitteranschlufl E des Bipolar- 50 transistors 1 verbunden. Der Kollektoranschlufl

C

liegt uber die

Klemme

7 an der Betnebsspannung Voo- Der Gateanschiui3

G

des

MOSFET

¹¹ wird uber eine _erste Zenerdiode 13 auf einem ersten.

festen _Potential gehalten. Sein Sourceanschlufl und der EmitteranschluB des Bipolartransistors 1 wird

2

3

EP 0 341 482 A1

4

uber eine zweite Zenerdiode 14 auf einem zweiten, festen Potential gehaiten.

Den

Zenerdioden 13. 14

ist anodenseitig je eine Stromqueile 15, 16 in Reihe geschaltet. Beide Rethenschaltungen liegen an der Betriebsspannung Voo- Die Zenerspannungen sind einander gleich.

Bei Normaltennperatur flieflt ein geringer Slronn durch den Bipolartransistor 1. Dessen Emitterpo- tential bzw. das Sourcepotential des

MOSFET

11 wird durch die Zenerspannung der Zenerdiode 14 bestinnmt. Das Gatepotential des

MOSFET

¹¹ wird durch die Zenerspannung der Zenerdiode 13 be- stimmt. Sind beide Zenerspannungen gleich, istdie Gate-Sourcespannung des

MOSFET

¹1 gleich Null

und dieser ist gesperrt.

Das

Potential ann Ausgang 8 liegtdabei in der

Nahe

des Massepotentials.

Wird der Bipolartransistor 1 erwarmt. so steigt sein Strom und sein Ennitterpotential bzw. das Sourcepotential des

MOSFET

steigt in Richtung auf die Versorgungsspannung Vqo an. wahrend das Gatepotential durch die Zenerdiode 13 konstant gehaiten wird. Erretcht die Gate-Sourcespannung Ugs ^clie Einsatzspannung. so wird der

MOSFET

¹

1

leitend. Damit kann

em

Strom von der

Klemme

7 nach

Masse

fliei3en. dessen

Hdhe

von der Aus- steuerung des Bipolartransistors und

vom

Wider- stand 9 bestimmt ist. Wird dieser Strom gleich

dem

eingepragten Strom der Stromqueile 12, so erhbht sich die

Spannung

an der Stromqueile 12 und damit an den

Ausgangsktemmen

8 und 20 sprungartig. Dieses Signal kann als Ubertempera- tursignal detektiert werden.

Die Stromquellen 15 und 16 kdnnen derart dimensioniert werden. da/3 der Ruhestrom durch den Bipolartransistor 1 und die Sperrstrome durch die Zenerdioden 13 und 14 unterhalb von

luA

liegt.

Zwischen

dem

Basisanschluj3 B und seinem Emitteranschlufl E des Bipolartransistors 1 kann ein

Widerstand 19 angeschlossen werden, Durch ent-

sprechende

Bemessung

dieses Widerstandes kann die Schalttemperatur der Anordnung definiert ein- gestellt werden. _Zusatzlich kann

dem

Widerstand 19

em

Kondensator 21 parallel geschaltet werden, der von _der Versorgungsspannungsquelle stam-

mende

Storspannungen weitgehend^' unschadlich macht.

In FIG 2 ist der Zenerstrom durch die Strom- quellen 15 und 16 begrenzt. Anstelle der Strom- quellen 15. 16 kann den Zenerdioden 13 und 14 anodenseitig auch je ein Widerstand 17. 18 in

Reihe geschaltet werden (FIG 3). Diese sind dann ebenfails so dimensioniert, daj3 der Zenerstrom, der neben

dem

durch

den

kalten Bipolartransistor 1

flieflenden Strom den Ruhestrom der Anordnung

darstellt, sehr klein gehaiten werden kann.

In den Ausfuhrungsbeispielen liegen die Zener- dioden an _{Voo- Sie} konnen auch an einem von Voo

verschiedenen Potential oder jeweils an

emem

an- deren. von Vqc verschiedenen Potential liegen. Ihre

Zenerspannungen sind dann so auszuwahlen. dai3

Ugs ^ifTi kalten Zustand kleiner als die Einsatzspan-

5 nung ist. Fur eine negative Versorgungsspannung sind die Transistoren durch solche des inversen Leitungstyps zu ersetzen.

10

Anspruche

1

. Schaltungsanordnung

zum

Erfassen des Oberschreitens einer vorgegebenen Temperatur ei-

nes Halbleiterbauelements, mit einem mit

dem

J5 Hatbteiterbauelement thermisch verbundenen Bi- polartransistor. und mit

emer

den Bipolartransistor in Reihe geschaiteten Stromqueile, gekennzeich- net

durch

die Merkmale:

a) zwischen

dem

Bipolartransistor ₍₁₎ und

20 der Stromqueile (12) ist die Source-Orainstrecke eines

MOSFET

(11) angeschlossen,

b) der Sourceanschlufl ₍₅₎ des

MOSFET

mit

dem

Emttteranschlu/J (E) des Bipolartransistors ver-

bunden,

25 c) der Gateanschlufl (G) des

MOSFET

^wird

ijber

eme

erste Zenerdiode (13) auf

emem

ersten festen Potential gehaiten.

d) der Sourceanschlufl des

MOSFET

wird uber eine zweite Zenerdiode (14) auf einem zwei- 30 ten festen Potential gehaiten,

e) die genannten Potentiale sind derart auf- einander abgestimmt, dai3 ihre Differenz bei Nor- maltemperatur des Halbleiterbauelements kleiner als die Einsatzspannung des

MOSFET

^ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 ,

dadurch

gekennzeichnet, dafl den Zenerdioden (13. 14) anodenseitig je ein Widerstand (17. 18)

m

Reihe geschaltet ist und dai3 die Reihenschaltun- 40 gen an einer festen

Spannung

liegen.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1.

dadurch

gekennzeichnet, dafl den Zenerdioden (17. 18) anodenseitig je eine weitere Stromqueile (15, 16) ⁱⁿ Reihe geschaltet ist und daJ3 die Rei- 45 henschaltungen an einer festen

Spannung

liegen.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1.

dadurch

gekennzeichnet, daj3 die Zenerdioden (17. 18) katodenseitig mit

dem

Kollektoranschlufl (C) des Bipolartransistors ₍₁₎ verbunden sind und 50 dai3 ihre Zenerspannungen einandergleich sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der An- sprijche 1 bis 4.

dadurch

gekenirzelchnet, _{daB der} Basis-Emitter- strecke des Bipolartransistors (i) ein Widerstand 55 (19) parallel geschaltet ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der An- spruche 1 bis 4.

dadurch

gekennzeichnet, dai3 der Basis-Emitter-

3

EP 0

341

482 A1

0 ^•

strecke des Bipolartransistors ein Kondensator (20) parallel geschaltet ist.

5

10

IS

20

25

30

36

40

45

50

4

EP 0 341 482 A1

J

Europaischcs

Patentarnt

EUROPAISCHER RECHERCHENBERICHT

^{Nummerdcr Anmefdung}

EP 89 10 7408

EINSCHLAGIGE DOKUMENTE

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EP-A-0240807 (SIEMENS)

* Spalte 2. Zetlen 15 ^- 51

US-A-4667265 (NATINAL SEMICONDUCTOR)

* Spalte 2, Zellen 66 ^- 68 ^*

* Spalte _3, Zellen 5 - 65 ^*

Betrifrt

Anspnich

KLASSIFIKATION

DER ANMELDUNG

(Int. a.4)

G01K7/G0 H02H5/04

RECHERCHIERTE SACHGEBIETE(int. C\A)

Dervorliegende Recherchenbencht wurdefuralle Patentansprucheerstellt Reclwrchefiart

DEN HAAG

AbscUHBdatvmder Recherche

12 JULI 1989

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a.

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