DE19633920C1

DE19633920C1 - Semiconductor power switch

Info

Publication number: DE19633920C1
Application number: DE1996133920
Authority: DE
Inventors: Jenoe Dr Tihanyi; Chihao Dr Xu; Paul Nance; Rainald Sander
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1996-08-22
Filing date: 1996-08-22
Publication date: 1997-10-09
Anticipated expiration: 2016-08-23

Abstract

The power switch includes a power MOSFET IC (B), which is coupled at its source with a load (3), and a control chip (A) for producing a drive signal for the MOSFET IC. An external capacitance (5) is connected on one side with the source of the MOSFET IC and on the other side over a load path of a transistor with the gate of the MOSFET IC. A diode is provided, whose anode is connected with the drain of the MOSFET IC, and whose cathode is connected with the junction point of the transistor and the capacitance. The transistor and the diode are integrated in the control chip and the junction point between the transistor and the diode is formed by the substrate of the control chip.

Description

Die Erfindung betrifft einen Leistungs-Halbleiterschalter mit einem Leistungs-MOSFET-Chip, der sourceseitig mit einer Last gekoppelt ist.The invention relates to a power semiconductor switch a power MOSFET chip, the source side with a load is coupled.

Intelligente Leistungs-Halbleiterschalter, insbesondere High side-Schalter, gelten inzwischen schon als Standard-Bauele mente in vielen Gebieten, wie z. B. der KFZ-Elektronik. Mit Hilfe einer Ladungspumpe wird bei einem derartigen Bauelement das Gate der Leistungs-MOSFET aufgeladen und eingeschaltet. Aus der EP 0 26 25 30 ist z. B. ein derartiger Leistungs-Halb leiterschalter bekannt. Dieses Dokument beschreibt einen Leistungs-MOSFET, der zusammen mit einer integrierten Steuer schaltung besonders platzsparend in einem Gehause unterge bracht ist. Dabei ist die Steuerschaltung in einem Halblei terkörper integriert, der elektrisch isoliert auf dem Halb leiterkörper des Leistungs-MOSFET befestigt ist.Intelligent power semiconductor switches, especially high side switches are already considered standard components elements in many areas, such as B. the automotive electronics. With A charge pump is used in such a component the gate of the power MOSFET charged and turned on. From EP 0 26 25 30 z. B. such a power half conductor switch known. This document describes one Power MOSFET, which together with an integrated control circuit is particularly space-saving in a housing is brought. The control circuit is in a half lead Integrated body that is electrically insulated on the half conductor body of the power MOSFET is attached.

Wie eingangs erwähnt, enthält eine derartige Ansteuerschal tung eine Ladungspumpe. Diese Ladungspumpe ist im allgemeinen jedoch sehr langsam. Für Anwendungen mit hoher Schaltge schwindigkeit reicht dieses Prinzip nicht aus. Für derartige Anwendungen, bei welchen eine hohe Schaltgeschwindigkeit notwendig ist, wird deshalb auf das sogenannte diskrete Bootstrap-Verfahren zurückgegriffen. As mentioned at the beginning, such a control scarf contains a charge pump. This charge pump is general however very slowly. For applications with high gear shift This principle is not enough for speed. For such Applications in which a high switching speed is necessary, is therefore called the so-called discrete Bootstrap procedure used.

Dabei wird ein Kondensator, der zwischen Gate und Source des Leistungs-MOSFET geschaltet ist und über eine Diode mit der Versorgungsspannung aufgeladen wird, eingesetzt. Zwischen Gate und Kondensator liegt ein Schalter zur Ansteuerung des Leistungs-MOSFET. Der Kondensator wird im ausgeschalteten Zu stand des Schalters durch die Diode aufgeladen. Wenn der Schalter eingeschaltet wird, wird das Gate des Leistungs- MOSFET aufgeladen und eingeschaltet. Dadurch steigt das Aus gangspotential an. Der andere Pol des Kondensators steigt mit diesem Potential an und liefert ein höheres Potential an das Gate des Leistungs-MOSFET als die Batterie. Dies ist notwen dig, damit der Leistungs-MOSFET durchgeschaltet wird und die Verlustleistung des Leistungs-MOSFET minimiert wird. Bei ei nem Verfahren zur Herstellung eines Selbstisolierenden intel ligenten Leistungs-MOSFET ist die freie Verschaltbarkeit sehr begrenzt. So ist das Substrat zugleich das Drain des Leistungs-MOSFET und von allen PMOS-Transistoren. Kein PMOS- Transistor kann die Aufgabe des zuvor genannten Schalters übernehmen, da sonst die Source-Bulk-Diode leitend wird.A capacitor is connected between the gate and source of the Power MOSFET is connected and via a diode with the Supply voltage is used. Between A gate and capacitor is a switch to control the Power MOSFET. The capacitor is switched off the switch was charged by the diode. If the Switch is turned on, the gate of the power MOSFET charged and turned on. This increases the end potential. The other pole of the capacitor rises with it this potential and delivers a higher potential to that Gate of the power MOSFET as the battery. This is necessary dig so that the power MOSFET is turned on and the Power MOSFET power loss is minimized. With egg nem process for producing a self-insulating intel ligenten power MOSFET is the free connectivity very limited. So the substrate is also the drain of the Power MOSFET and from all PMOS transistors. No PMOS Transistor can do the job of the aforementioned switch take over, otherwise the source bulk diode becomes conductive.

Aus der GB 2 291 743 A ist ein Leistungs-Halbleiter schalter mit einer Bootstrap-Schaltung bekannt, bei der im Ansteuerkreis ein extern beschaltbarer diskreter Bootstrap- Kondensator, ein Transistor, der mit seiner Laststrecke in der Gateansteuerzuleitung des Leistungs-MOSFET liegt, und eine Diode vorgesehen sind.GB 2 291 743 A is a power semiconductor switch with a bootstrap circuit known in the Control circuit an externally switchable discrete bootstrap Capacitor, a transistor with its load path in the gate drive lead of the power MOSFET, and a diode are provided.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Leistungs-Halbleiterschalter anzugeben, der ein einfach her zustellen ist und eine hohe Schaltgeschwindigkeit aufweist.The object of the present invention is a Power semiconductor switch to specify a simple ago is to be delivered and has a high switching speed.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des An spruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind Kennzeichen der Un teransprüche.This task is characterized by the characteristics of the contractor spell 1 solved. Further training is a hallmark of the Un claims.

Durch Verwenden der sogenannten Chip-On-Chip-Technologie kann der Schalttransistor und die Diode so auf dem Ansteuerchip integriert werden, daß der Knoten zwischen Diode und Schal ter/Kondensator durch das Substrat des Ansteuerchips gebildet wird.By using the so-called chip-on-chip technology the switching transistor and the diode so on the control chip be integrated that the node between diode and scarf ter / capacitor formed by the substrate of the drive chip becomes.

In einer Weiterbildung kann vorteilhafterweise auf dem An steuerchip zusätzlich eine Ladungspumpe, welche durch eine zusätzliche Diode mit der Versorgungsspannungsquelle verbun den ist, mitintegriert werden.In a further development can advantageously on the An control chip additionally a charge pump, which by a additional diode connected to the supply voltage source that is, to be integrated.

Des weiteren können vorteilhafterweise zusätzliche Schutz schaltungen, wie Temperaturschutz, Überlastschutz auf dem An steuerchip mitintegriert werden.Furthermore, additional protection can advantageously be provided circuits, such as temperature protection, overload protection on the on control chip can be integrated.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Ansteuerchip thermisch mit dem Leistungs-Halbleiterchip verbunden ist.It is particularly advantageous if the control chip is thermal is connected to the power semiconductor chip.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Figuren näher erläutert.The invention will now be described with reference to two figures explained.

Es zeigenShow it

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung eines Leistungs-Halbleiterschalter und Fig. 1 is a schematic diagram of the inventive arrangement of a power semiconductor switch and

Fig. 2 beispielhafte Ausführungsformen für den Schalter 7, und die Dioden 8 und 9 gemäß Fig. 1. FIG. 2 shows exemplary embodiments for the switch 7 , and the diodes 8 and 9 according to FIG. 1.

Gemäß Fig. 1 besteht der Leistungs-Halbleiterschalter aus zwei Halbleiterchips A und B sowie den extern zu beschalten den Kondensator 5, die Last 3 und die Versorgungsspannungs quelle 1. Die Versorgungsspannungsquelle 1 ist mit dem Drain- Anschluß des Leistungs-Halbleiters 2 verbunden. Dessen Sour ceanschluß ist über eine Last 3 mit Masse verschaltet. Der Ansteuerchip A enthält eine erste Diode 8, deren Anode mit der Versorgungsspannungsquelle und deren Katode zum einen mit einem externen Anschluß für die Kapazität 5 und zum anderen mit dem Sourceanschluß eines weiteren MOSFET 7 verbunden ist. Des weiteren ist eine zweite Diode 9 vorgesehen, deren Anode mit der Versorgungsspannungsquelle und deren Katode mit einer integrierten Schaltung 4a, 4b, 4c verbunden ist. Die inte grierte Schaltung besteht z. B. aus einem Logik-Schaltungs teil 4a, einer Ladungspumpe 4b und einem Ausschaltteil 4c. Die Logikschaltung kann selbstverständlich noch zusätzliche Schutzschaltungen, wie z. B. Temperaturschutz und/oder Über lastschutz und dergleichen aufweisen. Eine Eingangsklemme 6 ist vorgesehen, an der ein Ansteuersignal anlegbar ist, wel ches mit der integrierten Schaltung verbunden ist. Die inte grierte Schaltung ist des weiteren mit Masse verschaltet und erzeugt ein Ausgangssignal, welches dem Gateanschluß des MOSFET 7 zugeführt wird. Der Drainanschluß des MOSFET 7 ist mit dem Gateanschluß des Leistungs-MOSFET 2 verbunden. Schließlich werden die Gate- und Sourceanschlüsse des Leistungs-MOSFET 2 mit der integrierten Schaltung verbunden. Referring to FIG. 1, the power semiconductor switch composed of two semiconductor chips A and B and the externally wired to the condenser 5, the load 3 and the supply voltage source 1. The supply voltage source 1 is connected to the drain connection of the power semiconductor 2 . Whose source connection is connected to ground via a load 3 . The control chip A contains a first diode 8 , the anode of which is connected to the supply voltage source and the cathode of which is connected on the one hand to an external connection for the capacitance 5 and on the other hand to the source connection of a further MOSFET 7 . Furthermore, a second diode 9 is provided, the anode of which is connected to the supply voltage source and the cathode of which is connected to an integrated circuit 4 a, 4 b, 4 c. The inte grated circuit consists, for. B. from a logic circuit part 4 a, a charge pump 4 b and a switch-off part 4 c. The logic circuit can of course also additional protective circuits, such as. B. temperature protection and / or overload protection and the like. An input terminal 6 is provided to which a drive signal can be applied, which is connected to the integrated circuit. The inte grated circuit is further connected to ground and generates an output signal which is fed to the gate terminal of the MOSFET 7 . The drain connection of the MOSFET 7 is connected to the gate connection of the power MOSFET 2 . Finally, the gate and source connections of the power MOSFET 2 are connected to the integrated circuit.

Der nach der 2-Chip-Technologie aufgebaute Leistungs-Halblei terschalter arbeitet aus einer Kombination von Bootstrap- Prinzip und Ladungspumpe.The power semi-lead built on 2-chip technology switch operates from a combination of bootstrap Principle and charge pump.

In Fig. 2 sind die wesentlichen Elemente, nämlich die Diode 8, MOSFET 7 und die Diode 9 in einer möglichen Realisierung auf dem Ansteuerchip dargestellt. Das Substrat 10 ist n⁺-do tiert und mit einem Anschluß Sub kontaktiert. Dieses Substrat 10 bildet den Knotenpunkt der Reihenschaltung aus Diode 8 und MOSFET 7, d. h. zwischen Katode der Diode 8 und Source des MOSFET 7. Dadurch kann ein PMOS-Transistor 7 gemäß Fig. 2 gebildet werden. Dieser wird durch zwei p⁺-dotierte Gebiete 13a und 13b gebildet, welche sich von der Oberfläche einer n^-- dotierten Epitaxieschicht 11, welche auf dem Substrat 10 aufgebracht ist, erstrecken. Über der Epitaxieschicht 11 und zwischen den beiden p⁺-Gebieten 13a und 13b ist das Gate 14 des PMOS-Transistors angeordnet. Das Source 13b ist über ein n⁺-Gebiet 12 mit der Epitaxieschicht und damit dem Substrat verbunden. Der durch das Gebiet 13a gebildete Drainbereich wird über nicht dargestellte Bonddrähte mit dem Gate des Leistungs-Halbleiters 2 verbunden. Der Gateanschluß wird mit der nicht dargestellten integrierten Schaltung, welche auf dem gleichen Chip realisiert wird, kontaktiert. Je größer dieser Transistor 7 ausgebildet wird, desto schneller kann das Gate des Transistors 2, 14 aufgeladen werden. Mit einem p dotierten Gebiet 15 kann auf einfache Weise die Diode 8 ge bildet werden, welche anodenseitig mit der Versorgungsspan nungsquelle verbindbar ist. An den Substratanschluß Sub wird extern der Bootstrap-Kondensator 5 angeschlossen. Die Reali sierung der Diode 9 ist auf der rechten Seite der Fig. 2 dargestellt. Diese Diode kann als MOS-Diode auf einfache leise durch ein in die Epitaxieschicht 11 eingebrachte p-do tierte Zone 16 ausgebildet werden, innerhalb der n⁺-dotierte Bereich 17 und 18 eingebracht sind. Der Bereich 17 wird dann mit dem p-Gebiet 16 kontaktiert und extern mit der Versor gungsspannungsquelle verbunden. Das zweite n⁺-dotierte Gebiet 18 wird mit der integrierten Schaltung verbunden. In Fig. 2 shows the essential elements, namely the diode 8, MOSFET 7 and the diode 9 are shown in a possible realization on the drive chip. The substrate 10 is n⁺-dated and contacted with a connection Sub. This substrate 10 forms the node of the series circuit comprising diode 8 and MOSFET 7 , ie between the cathode of diode 8 and the source of MOSFET 7 . A PMOS transistor 7 according to FIG. 2 can thereby be formed. This is formed by two p + doped regions 13 a and 13 b are formed extending from the surface of an n ^- type epitaxial layer extend 11, which is applied to the substrate 10 -. The gate 14 of the PMOS transistor is arranged above the epitaxial layer 11 and between the two p + regions 13 a and 13 b. The source 13 b is connected via an n + region 12 to the epitaxial layer and thus to the substrate. The drain region formed by the region 13 a is connected to the gate of the power semiconductor 2 via bonding wires, not shown. The gate connection is contacted with the integrated circuit, not shown, which is implemented on the same chip. The larger this transistor 7 is formed, the faster the gate of transistor 2 , 14 can be charged. With a p-doped region 15 , the diode 8 can be easily formed, which can be connected on the anode side to the supply voltage source. The bootstrap capacitor 5 is connected externally to the substrate connection Sub. The realization of the diode 9 is shown on the right side of FIG. 2. This diode can be formed as a MOS diode in a simple, quiet manner by a p-doped zone 16 introduced into the epitaxial layer 11 , within which the n + -doped regions 17 and 18 are introduced. The region 17 is then contacted with the p-region 16 and externally connected to the supply voltage source. The second n⁺-doped region 18 is connected to the integrated circuit.

Im Gleichspannungsbetrieb kann der Kondensator 5 in einer reinen Bootstrap-Schaltung entladen werden. Daher ist die Hinzufügung einer Ladungspumpe 4b, wie zuvor beschrieben, sinnvoll. Die Versorgung der Ladungspumpe und anderer inte grierter Schaltungsteile erfolgt über die MOS-Diode 9. Diese MOS-Diode 9 kann auch als pn-Diode realisiert werden. Wesent lich ist, daß das Potential der Katode, d. h. im Beispiel der Fig. 2 des Gebiets 18, tiefer sein muß als das des Substrats 10. Dadurch wird die Aktivierung der Source-Bulk-Diode der PMOS-Transistoren 7 in der mit der Diode 9 versorgten Schal tung vermieden.In direct voltage operation, the capacitor 5 can be discharged in a pure bootstrap circuit. Therefore, the addition of a charge pump 4 b, as previously described, makes sense. The charge pump and other integrated circuit parts are supplied via the MOS diode 9 . This MOS diode 9 can also be implemented as a pn diode. It is essential that the potential of the cathode, ie in the example of FIG. 2 of the region 18 , must be lower than that of the substrate 10 . This avoids the activation of the source bulk diode of the PMOS transistors 7 in the device supplied with the diode 9 scarf device.

Der Aufbau des erfindungsgemäßen Leistungs-Halbleiterschal ters erlaubt zum ersten Mal, daß intelligente Highside-Schal ter mit sehr hohen Frequenzen betrieben werden können. So ist ein Pulsweitenmodulations-Betrieb mit Überschallfrequenz mög lich. Ebenso wird ein Betrieb mit einem Tastverhältnis bis zu 100%, d. h. mit permanent durchgeschalteten Leistungs-Halb leitern, möglich.The structure of the power semiconductor scarf according to the invention ters allowed for the first time that intelligent highside scarf ter can be operated with very high frequencies. So is pulse width modulation operation with supersonic frequency possible Lich. Likewise, operation with a duty cycle up to 100%, i.e. H. with permanently switched power half conductors, possible.

Diese Schaltung kann mit einem einfachen selbstisolierenden Prozeß realisiert werden und natürlich auch mit einem Prozeß mit besserer Isolation wie Junctionisolation oder DJ.This circuit can be done with a simple self-insulating Process can be realized and of course also with a process with better insulation like junction isolation or DJ.

Claims

1. Power semiconductor switch with a power semiconductor MOSFET power chip (B), which is coupled on the source side to a load ( 3 ), and a control chip (A) for generating a control signal for the power semiconductor MOSFET ( 2 ), with an externally wired discrete capacitor ( 5 ), on the one hand with the source connection of the power semiconductor MOSFET ( 2 ) and on the other hand over the load path of a transistor ( 7 ) with the gate connection of the power semiconductor MOSFET ( 2 ) is connected to a diode ( 8 ) whose anode is connected to the drain of the power semiconductor MOSFET ( 2 ) and whose cathode is connected to the node of the series circuit comprising transistor ( 7 ) and capacitor (S), wherein the transistor ( 7 ) and the diode ( 8 ) are integrated on the drive chip (A) and the node of the series connection of transistor ( 7 ) and diode ( 8 ) is formed by the substrate of the drive chip (A).

2. Power semiconductor switch according to claim 1, characterized in that the on control chip (A) has an integrated circuit ( 4 a, 4 b, 4 c) ent, the voltage source via a further diode ( 9 ) with the supply ( 1 ) connected is.

3. Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that the inte grated circuit contains a charge pump ( 4 b).

4. Circuit arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that the inte circuit contains a temperature protection circuit.

5. Circuit arrangement according to claim 3, characterized in that the An Control chip (A) and the power MOSFET chip (B) thermally are coupled.

6. Power semiconductor switch according to one of claims 2 until 5, characterized in that the inte circuit contains an overload protection circuit.

7. Power semiconductor switch according to one of claims 2 to 6, characterized in that the white tere diode ( 9 ) is designed as a MOS diode and supplies the rest of the IC circuit ( 4 a, 4 b, 4 c).

8. Power semiconductor switch according to one of the preceding claims, characterized in that the transistor ( 7 ) is a PMOS transistor.