Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Schaltungs¬ element und ein Verfahren zum Sichern einer Lastschaltung.

Eine in der Elektronik gerade unter Sicherheitsaspekten im- mer bedeutender werdende Aufgabenstellung, besteht darin, wie sich einzelne Bauelemente oder Schaltungsteile im Feh¬ lerfall gezielt, dauerhaft und möglichst kostengünstig stilllegen lassen, um so größere Folgeschäden zu verhin¬ dern.

Anhand zweier Ausführungsbeispiele gemäß dem Stand der Technik soll dieses Thema näher beleuchtet werden.

Leistungshalbleiter werden heute im großen Umfang zum Schalten elektrischer Lasten, wie Lampen, Ventile, Motoren, Heizungselemente usw. eingesetzt, in zunehmenden Maße aber auch im Bereich des Leistungsmanagements zum Abschalten einzelner Schaltungsteile, z. B. um den Energieverbrauch batteriebetriebener Geräte zu reduzieren. Die beiden typi- sehen Anordnungen von Schalter und Last sind in Fig. 12 und Fig. 13 dargestellt.

Fig. 12 zeigt einen sog. Lowside-Schalter. Dargestellt sind ein Spannungsanschluß 5, ein Schalter 10, der hier bei- spielsweise als Feldeffekttransistor ausgeführt ist, eine Last 20, eine Schmelzsicherung 30 und einen Verlauf des Laststroms 40.

Da der Schalter 10 in der Plus-Leitung zur Masse-Leitung liegt spricht man von einem Lowside-Schalter. Wichtig für eine geringe Verlustleistung im Schalter 10 ist dabei, dass der Schalter im Ein-Zustand einen sehr viel geringeren e- lektrischen Widerstand als die Last 20 aufweist. Fig. 13 zeigt einen Highside-Schalter. Der Schalter 10 liegt dabei in der Plus-Leitung zur Last 20. Dies ist der einzige Unterschied gegenüber dem in Fig. 12 dargestellten Lowside-Schalter.

Auch für den Highside-Schalter gilt, dass die Verlustleis¬ tung in dem Schalter 10 gering sein sollte gegenüber der Leistung im elektrischen Widerstand, der hier die Last 20 bildet, das bedeutet, dass der Widerstand des Schalters 10 gering sein sollte gegenüber dem Widerstand der Last 20.

Für diese Spannungsanwendungen haben sich als elektronische Schalter Leistungs-MOSFET weitgehend durchgesetzt. Eine in den letzten Jahren sehr rasante Entwicklung in Richtung im- mer niedrigerer spezifischer Durchlasswiderstände, die sich aus der Kalkulation Rds(on)XÄ, wobei Rds(on) den spezifischen Durchlasswiderstand darstellt, und A die Fläche symboli¬ siert, hat es dabei ermöglicht, dass heute Ströme von vie¬ len Ampere mit direkt auf der Leiterplatte montierten HaIb- leiterschaltern ohne spezielle Kühlmaßnahmen beherrschbar sind.

Ein Problem entsteht jedoch, wenn durch Fehler im Halblei¬ terschalter oder in dessen Ansteuerung kein vollständiges Einschalten mehr erfolgt. Der Schalter erreicht dann nicht mehr seinen niedrigen nominellen Durchlasswiderstand, so dass auch die Verlustleistung im Schalter sehr stark an¬ steigt. Im schlimmsten Fall der Leistungsanpassung, das heißt, wenn der Durchlasswiderstand des Schalters in den Bereich des Werts des Lastwiderstands kommt, kann die Ver¬ lustleistung im Schalter bis zu einem Viertel der Lastnenn¬ leistung erreichen. Ein Beispiel kann dies verdeutlichen:

In einem Leistungs-MOSFET mit einem Durchlasswiderstand von 10 mΩ, der als Schalter für eine Last von 120 Watt an 12 Volt eingesetzt wird, entsteht im Nennbetrieb eine Verlust¬ leistung von 1 Watt. Auf diese Verlustleistung wird man die Kühlung des MOSFETs in einer konkreten Schaltung auslegen. Steigt jetzt jedoch in dem Ausführungsbeispiel des Stands der Technik durch einen Fehler, der beispielsweise in der Ansteuerung auftreten kann, der Durchlaßwiderstand an, so kann die Verlustleistung im Schalter Werte von bis zu 40 Watt erreichen. Bei einer auf 1 Watt ausgelegten Kühlung führt dies sehr schnell zu gefährlich hohen Temperaturen bis hin zu einer Brandgefährdung z. B. der Leiterplatte. Übliche Schutzelemente wie Schmelzsicherungen 30 können diesen Fehlerfall nicht abfangen, da ja keinerlei Überstrom auftritt.

Die Last 20 begrenzt den Strom 40 immer auf einen Wert, der den Nennbetriebsstrom nicht übersteigt. Auch beliebige Ü- berwachungsschaltungen, die diesen Fehler detektieren, wür- den nicht weiterhelfen, da ja bei jedem angenommenen Defekt in der Ansteuerschaltung oder im Leistungsschalter kein Ab¬ schalten des Laststroms mittels des Leistungsschalters mehr möglich wäre.

Fig. 14 erläutert ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß dem Stand der Technik. Dargestellt sind der Spannung¬ sanschluß 5, die Schmelzsicherung 30, ein Varistor 50, ein Keramik-Vielschichtkondensator 60 und ein Tantal- Elektrolytkondensator 70. Fig. 14 zeigt eine Reihenschal- tung aus der Schmelzsicherung 30 mit einer Parallelschal¬ tung, die den Varistor 50, den Keramik-Vielschichtkon¬ densator 60 und den Tantal-Elektrolytkondensator 70 umfaßt.

Die sicherheitskritischen Bauelemente, wie der Varistor 50, der Keramik-Vielschichtkondensator 60 und der Tantalelekt¬ rolyt-Kondensator 70 liegen dabei über die Schmelzsicherung 30 direkt an der Versorgungsspannung 5 an. Im funktions¬ tüchtigen Zustand besitzen diese Bauelemente bei der Nenn¬ betriebsspannung einen vernachlässigbaren Leckstrom und da- mit eine vernachlässigbare statische Verlustleistung. Steigt jedoch der Leckstrom im Fehlerfall an, oder tritt speziell bei Keramik-Vielschichtkondensatoren aufgrund von mechanischem Stress ein Plattenschluss auf, so steigt die statische Verlustleistung sehr stark an und kann zu einer extremen Überhitzung des Bauelements führen.

Gerade bei größeren zentral abgesicherten Baugruppen be- steht dabei das Problem, dass der in diesem Fehlerfall auf¬ tretende Strom zwar ausreicht, um lokal extreme Übertempe¬ raturen mit Brandgefahr zu erzeugen, der Strom andererseits aber nicht hoch genug ansteigt, um das zentrale Sicherungs¬ element, das hier in der Schmelzsicherung 30 implementiert ist, zum Auslösen zu bringen. Der Varistor 50, der Keramik- Vielschichtkondensator 60 und der Tantal-Elektrolyt¬ kondensator 70 stehen in diesem Ausführungsbeispiel nur symbolisch für eine Reihe weiterer Bauelemente, die am Le¬ bensdauerende bei Überlastung oder vorzeitigem Ausfall mit hoher Wahrscheinlichkeit niederohmig werden. Alle diese Bauelemente stellen in Bezug auf oben genannten Sachverhalt ein Risiko dar.

In diesem Zusammenhang wird wieder ein Nachteil des Standes der Technik deutlich, dass hier ein fremd aktivierbares Si¬ cherungselement fehlt, das es ermöglichen würde, einzelne sicherheitskritische Bauelemente gezielt von elektrischer Spannung zu trennen. In zahlreichen Fällen könnte damit zu¬ mindest eine Notlauffunktionalität einer Baugruppe auf- rechterhalten werden.

Zwar lassen sich zur Absicherung gegen Schäden durch zu ho¬ he Ströme nach dem Stand der Technik überwiegend Schmelzsi¬ cherungen einsetzen. Diese sind auch in unterschiedlichsten Bauformen und Auslösecharakteristiken erhältlich. Zugleich gibt es sogar als Überstromschutz auch Kaltleiter, wie bei¬ spielsweise PTC-Elemente, die auf Keramik- oder Polymerba¬ sis, wie beispielsweise ein Poly-Switch™, die breite An¬ wendung finden. Tritt jedoch, wie oben beschrieben, ein derart gelagerter Fehlerfall ein, dass kein Überstrom auf¬ tritt, so sind diese Sicherungen als Schutzelemente unge¬ eignet. Auch zur Absicherung sicherheitskritischer Bauele¬ mente sind diese Sicherungen aufgrund ihrer Baugröße, Kos- ten und Auslösecharakteristiken nicht geeignet. Bei Konden¬ satoren beispielsweise kann der Betriebswechselstrom deut¬ lich über dem zu fordernden Auslöse-Gleichstrom liegen, ei¬ ne Anforderung, die mit einer klassischen Schmelzsicherung nicht erfüllbar ist.

Daneben werden in Ausführungsbeispielen gemäß dem Stand der Technik auch Temperatursensoren eingesetzt, um Schaltungen gegenüber Temperaturen zu überwachen. Aber auch diese Art der Überwachung kann im beschriebenen Fall eines defekten, nicht mehr steuerbaren Halbleiters keinen Schutz bieten. Das Erkennen einer Übertemperatur nützt hier nichts, da der Stromfluss durch Eingriff in die Steuerspannung des defek¬ ten Schalters ja nicht mehr unterbrochen werden kann. Auch dies stellt ein hohes Risiko für die zu schützenden Bau¬ gruppen dar.

Eine weitere Variante gemäß einem Ausführungsbeispiel des Standes der Technik besteht im Einsatz eines Crowbar- Schalters. Ein Crowbar-Schalter ist ein leistungsfähiger Kurzschlussschalter, der in der Lage ist, eine vorhandene Zentralsicherung auszulösen. Aufgrund der hohen Kosten und des erforderlichen Platzbedarfs sind Crowbar-Lösungen in Ausführungsbeispielen gemäß dem Stand der Technik nicht für dezentrale Schutzmaßnahmen geeignet. Ein zentraler Crowbar beschränkt die möglichen Einsatzfelder sehr stark, da es in vielen Anwendungen nicht tolerierbar ist, im Fehlerfall das Gesamtsystem anstelle nur eines einzigen Laststrompfads stillzulegen.

Die US 5003371 lehrt ein Schaltungselement mit einer Siche¬ rung, einem Eingangspin und einem Ausgangspin. Der Ein¬ gangspin und der Ausgangspin sind über dotierte Zonen mit¬ einander verbunden. Die dotierten Zonen sind dabei so ange- ordnet, dass sich ein Thyristor und ein Feldeffekttransisor ausbilden. Der Thyristor kann dabei durch ein positives Signal an einem Gate des Feldeffekttransistors gezündet werden. Nach einem Zünden des Thristors veranlasst der Thy¬ ristor ein Durchschmelzen der Sicherung.

Die US 5757599 lehrt ein Sicherungselement in einer Schal- tungsvorrichtung. Das Sicherungselement ist dabei zu der Schaltungsvorrichtung parallel geschaltet. Falls die Be¬ triebsparameter der Schaltungsvorrichtung überschritten werden, erzeugt das Sicherungselement durch einen irrever¬ siblen Kurzschluss in einem Thyristor einen Kurzschluss der Schaltungsvorrichtung.

Die DE 19805785 Cl lehrt ein Leistungshalbleitermodul, in dem ein Leistungshalbleiterbauelement über Ausgangsleitun¬ gen elektrisch leitend verbunden ist. Das Leistungshalblei- termodul weist Unterbrechungsmittel auf, die falls eine vorgeschriebene Betriebstemperaturschwelle überschritten wird, die Ausgangsleitungen irreversibel unterbrechen. Das Unterbrechungsmittel ist dabei durch eine volumenerweitern¬ de oder explodierende Charakteristik gekennzeichnet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltungselement zum Sichern einer Lastschaltung und ein Verfahren zum Sichern einer Lastschaltung, die ein siche¬ res Unterbrechen eines Strompfads ermöglichen, zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Schaltungselement gemäß An¬ spruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 15 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Schaltungselement mit einem Signaleingang zum Anlegen eines Signals, einem Sig¬ nalausgang, einem Signalpfad, der den Signaleingang mit dem Signalausgang verbindet, und eine Unterbrechungseinrichtung zum irreversiblen Unterbrechen des Signalpfads auf einen Empfang eines Steuersignals an derselben hin.

Darüber hinaus schafft die vorliegende Erfindung ein Ver¬ fahren zum Sichern einer Lastschaltung, das ein Empfangen eines Steuersignals und ein irreversibles Unterbrechen ei- nes Signalpfads zwischen einem Eingang und einem Ausgang eines Schaltungselements auf den Empfang des Steuersignals hin umfasst.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass einem Strom auf einem Signalpfad zwischen einem Ein¬ gang und einem Ausgang eines Schaltungselements auf den Empfang eines Steuersignals ein weiterer Strom so überla¬ gert werden kann, dass der Signalpfad unterbrochen wird.

Ein Schaltungselement bzw. Sicherungselement gemäß der vor¬ liegenden Erfindung weist erhebliche Vorteile auf. Es ver¬ bindet in einzigartiger Weise den Vorteil einer Schmelzsi¬ cherung, die ja über einen sehr niedrigen Widerstand der intakten Sicherungsstrecke verfügt, mit der Steuerbarkeit von Halbleiterschaltern. Der Einfügewiderstand in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung lässt sich vergleichsweise einfach auf Werte von wenigen mΩ und dar¬ unter drücken, Werte die damit bei vergleichbarer Chipflä- che und vergleichbaren Kosten mit keiner heute bekannten abschaltbaren Halbleiterstruktur auch nur annähernd er¬ reichbar sind. Durch eine auf dem Schaltungselement bzw. Sicherungselement integrierte stromverstärkende Crowbar- Struktur bzw. Schutzschaltungsstruktur ist ein sehr einfa- ches gesteuertes Auslösen eines Sicherungsschaltungselemen- tes bzw. einer Sicherung möglich.

Bei einer vorteilhaften Auslegung gemäß einem Ausführungs¬ beispiel der vorliegenden Erfindung ist sogar der Steuer- eingang bezüglich Eingangswiderstand und Spannungspegel Mikroprozessor-kompatibel. Der besondere Vorteil liegt da¬ bei, dass mittels des Mikroprozessors auch nur dedizierte Teile einer Schaltung stillgelegt werden können, wobei eine Notlauffunktionalität einer zu schützenden Schaltung weiter aufrecht erhalten werden kann. In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegen¬ den Erfindung kann auch ein temperaturabhängiges, sich selbst auslösendes Schaltungselement zum Sichern einer Lastschaltung räumlich nahe an ein zu schützendes Bauele¬ ment, wie in einem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegen¬ den Erfindung, beispielsweise einem Schalter, angebracht werden. Erreicht hier, bei Vorliegen eines Fehlers, die Temperatur an dem Schaltungselement zum Sichern der Last¬ schaltung die Auslösetemperatur, so trennt das Schaltungs¬ element zum Sichern der Lastschaltung bzw. Sicherungsele¬ ment den Strompfad sicher und dauerhaft auf, und vermeidet dadurch weitergehende Schäden, wie beispielweise besonders Brandschäden, im System.

Die große Flexibilität der vorliegenden Erfindung zeigt sich aber auch darin, dass in weiteren Ausführungsbeispie¬ len der vorliegenden Erfindung die Schaltungselemente zum Schutz einer Lastschaltung von einer Vielzahl an Überwa¬ chungsschaltungen aktiviert werden können. Beispielsweise kann eine Überwachungsschaltung dazu direkt durch Strom¬ oder Spannungsmessungen oder indirekt über Infrarot- Wärmestrahlungs- bzw. IR-Wärmestrahlungs- oder Temperatur- Sensoren Fehlerzustände im System detektieren, und an¬ schließend durch ein Ansteuern des Sicherungselements bzw. des Schaltungselements zum Sichern der Lastschaltung ein¬ zelne Laststrompfade, Kondensatorblöcke oder andere sicher¬ heitskritische Schaltungsteile, wie in Ausführungsbeispie- len gemäß der vorliegenden Erfindung implementierbar, zu¬ verlässig und dauerhaft von der Spannungsversorgung tren¬ nen.

Hier zeigt sich auch in einem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung die große Flexibilität der Schal¬ tungselemente zum Sichern einer Lastschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. In den Überwachungsschaltungen kön¬ nen nämlich auch vorteilhafterweise Mikroprozessoren zum Einsatz kommen, die dann noch Plausibilitätsprüfungen der Fehlersignale vornehmen und damit die Gefahr von Fehleraus¬ lösungen reduzieren bzw. minimieren. Bei einer geeigneten Auslegung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind damit auch intelligente Reaktionsstrategien auf Fehler möglich, wie beispielsweise eine Leistungsredu¬ zierung in einem Netzteil nach Abschalten einzelner defek¬ ter Siebkondensatoren oder sogar der funktionelle Ersatz eines ausgefallenen Rücklichtkanals von Kraftfahrzeugen durch ein gedämmtes Bremslicht, was in einem weiteren Aus¬ führungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung ermög¬ licht ist.

Gleichzeitig lassen sich durch die vorliegende Erfindung die Kosten für den Betrieb eines Gesamtsystems, von dem Teile durch ein Schaltungselement gemäß der vorliegenden Erfindung geschützt werden, sparen. Vorteilhafterweise lässt sich in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beispielsweise ein Überspannungsschutz besonders hochwertiger und teurer Schaltungselemente bzw. Schaltungs¬ teile realisieren. Wie eine klassische Schmelzsicherung ge¬ gen Überströme schützt hierbei ein Schaltungselement zum Sichern einer Lastschaltung gemäß der vorliegenden Erfin- " düng gegen Überspannungsschäden eben nur eines ganz dedi- zierten Schaltungsteils, der besonders teuer ist. Anschlie¬ ßend ist nach dem Ansprechen wie bei einer klassischen Schmelzsicherung ein Austauschen des Schaltungselements zum Sichern der Lastschaltung erforderlich, um die zu schützen¬ de, besonders hochwertige dedizierte Teilschalung wieder in Betrieb zu nehmen.

Darüber hinaus kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung das Schaltungselement zum Sichern einer Lastschaltung sogar auf einem Chip integriert sein, und vorbestimmte Teile der Schaltungsstruktur auf diesem Chip schützen, während andere Teile der Schaltungs¬ struktur auf dem Chip eine Notlauffunktionalität sicher¬ stellen. Dies unterstreicht die umfangreiche Einsetzbarkeit der vorliegenden Erfindung in der integrierten Schaltungs- Strukturtechnik. Zusätzlich kann das Sicherungselement gemäß der vorliegen¬ den Erfindung sowohl als diskretes elektronisches Bauele¬ ment realisiert sein, als auch in einer integrierten Schal- tung integriert sein. Da das Sicherungselement in einem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung eben auf einem Chip integriert werden kann, der weitere Schal¬ tungsstrukturen umfasst, lässt sich hierdurch auch die An- zahl der Komponenten in einem Gesamtsystem reduzieren, wo¬ durch sich die Kosten reduzieren lassen.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, besteht in der Flexibilität der Auslösemechanismen, mit denen ein Si- cherungselement gemäß der vorliegenden Erfindung aktiviert werden kann. So kann dies entweder über einen am Steuerein¬ gang liegendes Signal erfolgen, oder unter Auswertung be¬ stimmter physikalischer Größen wie beispielsweise Umge¬ bungstemperatur oder Versorgungsspannung.

Darüber hinaus kann ein Sicherungselement gemäß der vorlie¬ genden Erfindung monolithisch in Silizium realisiert wer¬ den, was zu entsprechend kleinen geometrischen Abmessungen führt und eine kostengünstige Fertigung in hohen Stückzah- len ermöglicht.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltungselement gemäß einem Ausführungsbei¬ spiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein weiteres Schaltungselement gemäß der vorlie- genden Erfindung;

Fig. 3 ein Schaltungselement gemäß der vorliegenden Er¬ findung mit einem Temperatursensor;

Fig. 4 ein Schaltungselement gemäß der vorliegenden Er¬ findung, das über ein Eingangssignal einer Span¬ nungsteilerschaltung ausgelöst wird; Fig. 5 ein Schaltungselement gemäß einem Ausführungsbei¬ spiel der vorliegenden Erfindung, das bei Über¬ schreiten einer vordefinierten Stromschwelle aus¬ gelöst wird;

Fig. 6 eine Schaltung, die durch Schaltungselemente ge¬ mäß der vorliegenden Erfindung geschützt wird;

Fig. 7 Implementierung eines Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung auf einem Halbleiter¬ substrat;

Fig. 8a 8b ein Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung und Implementierung desselben auf einem Halbleitersubstrat;

Fig. 9a, 9b weitere Ausführungsvariante des in Fig. 8a, 8b gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß der vorlie¬ genden Erfindung bezüglich der Implementierung auf dem Halbleitersubstrat;

Fig. 10a, 10b ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der vor¬ liegenden Erfindung und dessen Implementierung auf einem Halbleitersubstrat;

Fig. IIa, IIb eine weitere Implementierungsform des Ausfüh¬ rungsbeispiels aus Fig. 10a, 10b auf einem Halb¬ leitersubstrat;

Fig. 12 Einsatz einer Schmelzsicherung als Lowside- Schalter in einer Schaltung gemäß dem Stand der Technik; Fig. 13 Einsatz einer Schmelzsicherung als Highside- Schalter in einer Schaltung gemäß dem Sand der Technik; und

Fig. 14 Sicherungsschaltung in einem Ausführungsbeispiel gemäß dem Stand der Technik.

Fig. 1 zeigt ein Sicherungsschaltungselement gegenüber Mas- se 50, das gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung implementiert ist. Es umfasst einen Eingang 60, ein Unterbrechungselement 70, ein Auslöseelement 80, ein Ansteuersignal 90, einen Ausgang 100 und einen Massean- schluss 110. Der Eingang 60 ist über das Unterbrechungsele- ment 70 mit dem Ausgang 100 verbunden, wobei der Ausgang 100 über das Auslöseelement 80 an den Masseanschluss 110 angeschlossen ist. Der Ansteuersignaleingang 90 weist eine leitende Verbindung mit dem Auslöseelement 80 auf.

Das Unterbrechungselement 70 trennt den Signalpfad zwischen dem Eingang 60 und dem Ausgang 100 auf, wenn das Auslöse¬ element 80 entsprechend niederohmig wird, und damit zu ei¬ nem hohen Strom über das Unterbrechungselement 70 führt. Das Verhalten des Auslöseelements 80 wird über ein Steuer- signal an dem Ansteuersignaleingang 90, gesteuert. Somit ist zwischen den Leistungsanschlüssen 60 und 100 mit dem Unterbrechungselement 70 eine Sicherungsstrecke eingefügt. Das Auslöseelement 80 kann beispielsweise als elektroni¬ scher Schalter zwischen dem lastseitigen Leistungsanschluss bzw. Ausgang 100 und dem Masseanschluss bzw. weiteren Leis¬ tungsanschluss 110 ausgeführt sein, und ein Auftrennen der Sicherungsstrecke zwischen dem Eingang 60 und dem Ausgang 100 und damit eine sichere Unterbrechung des Strompfads er¬ möglichen. Liegt an dem Ansteuersignaleingang 90 ein Steuersignal an, so verringert sich der Widerstand des Auslöseelements 80, was zu einer Erhöhung des Stroms durch das Unterbrechungs¬ element 70 führt. Das Unterbrechungselement 70 erhitzt sich durch diese Stromzunahme anschließend solange, bis es sich durch diese Erhitzung selbst zerstört.

Als Schalter bzw. Auslöseelement 80 können beispielsweise eine Thyristor-Struktur zum Einsatz kommen oder aber auch Bipolartransistor-Strukturen, sowie eine Darlington- Schaltung oder auch MOSFET- oder IGBT-Strukturen und sogar beliebige andere stromverstärkende Halbleiterstrukturen.

In diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Masseanschluss 110 mit einem Spannungspotential verbunden, das mindestens um wenige Volt, maximal aber um etwas weniger als die Durchbruchspannung des Schalters 80 unterhalb des Potentials an dem Eingang 60 liegt. Die Span- nung zwischen dem Eingang 60 und dem Masseanschluss 110 muss dabei dynamisch so stabil sein, dass ein Auslösen auf der Sicherungsstrecke in dem Unterbrechungselement 70 mög¬ lich ist. Vorteilhafterweise ist dabei in diesem Ausfüh¬ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung der Masseanschluss 110 mit der Schaltungsmasse bzw. GND oder ground verbunden.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das hier gezeigte Si- cherungsschaltungselement 120 gegenüber Versorgungsspannung unterscheidet sich von dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungs¬ beispiel dadurch, dass das Auslöseelement 80 zwischen dem Ausgang 100 und dem Versorgungsspannungsanschluss 130 liegt. Hierdurch ist selbstverständlich auch die Polung des Auslöseelements 80 entsprechend anzupassen.

Fig. 3 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung dar, das ein Temperatursicherungs- schaltungselement 140 aufweist. Hierbei erfolgt die Ansteu¬ erung des Auslöseelements 80 über einen Temperatursensor 150, der an dem Ausgang 100 anliegt, im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel, das in Fig. 1 gezeigt ist. Abhängig vom Widerstand des Temperatursensors 150 verändert sich die Spannung des Ansteuersignals an dem Auslöseelement 80, und führt bei Überschreiten einer bestimmten Schwelle dazu, dass das Auslöseelement 80 das Unterbrechungselement 70 ak¬ tiviert. Als Temperatursensor kann beispielsweise eine pn- Diodenstrecke zum Einsatz kommen, oder auch ein Thyristor als Schalter bzw. Auslöseelement 80 eingesetzt werden, wo¬ bei der Thyristor so dimensioniert werden kann, dass bei einer geforderten Auslösetemperatur ein selbstständiges Zünden, was einem sog. Überkopfzünden entspricht, eintritt. I Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung, die hier in einem Überspannungs¬ schutzelement 160 eingesetzt wird. Der Temperatursensor 150 aus dem Ausführungsbeispiel in Fig. 3 ist dabei durch eine Spannungsteilerschaltung 170, die einen ersten Serienwider- stand 170a und einen zweiten Serienwiderstand 170b umfasst, ersetzt. Die Spannung wird dabei an einem Punkt zwischen den Serienwiderständen 170a und 170b abgegriffen.

Hierbei wird die Ausgangsspannung an dem Ausgang 100 über- wacht und bei Überschreitung einer maximalen Spannung zwi¬ schen dem Ausgang 100 und dem Masseanschluss 110 wird über das Ansteuersignal das Auslöseelement 80 aktiviert, das das Unterbrechungselement 70 dazu veranlasst, den Signalpfad bzw. die Sicherungsstrecke zwischen dem Eingang 60 und dem Ausgang 100 zu unterbrechen.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorlie¬ genden Erfindung, das hier als Überstromschutzelement 180 eingesetzt wird. Statt wie bei dem Überspannungsschutzele- ment 160 in Fig. 4 erfolgt hier die Ansteuerung des Auslö¬ seelements 80 über einen Spannungsmesser 190. Der Span¬ nungsmesser 190 bestimmt dabei eine an dem Unterbrechungs¬ element 70 anliegende Spannung, und nutzt hierbei den Um¬ stand, dass die an dem Unterbrechungselement 70 abfallende Spannung proportional zu dem in dem Unterbrechungselement 70 fließenden Strom ist. Somit wird ein Spannungsabfall an der Sicherungsstrecke bzw. dem Unterbrechungselement 70 er- mittelt, was bei intakter Sicherungsstrecke als Strommess¬ widerstand dient, und anschließend ausgewertet.

Überschreitet nun der Stromwert einen voreingestellten Stromwert, so erfolgt ein Ansteuern des Auslöseelements 80 und damit ein Auslösen der Sicherungsstrecke bzw. des Un¬ terbrechungselements 70. Wenn der Strom einen voreinge¬ stellten Stromwert überschreitet, so verringert sich der Widerstand des Auslöseelements 80, was zu einer Erhöhung des Stroms durch das Unterbrechungselement 70 führt. Das Unterbrechungselement 70 erhitzt sich durch diese Stromzu¬ nahme anschließend solange, bis es sich durch diese Erhit¬ zung selbst zerstört.

Durch Hinterlegung entsprechender Charakteristiken in der Auswerte- und Ansteuerschaltung bzw. dem Spannungsmesser 190 können bei diesem aktiven Schaltungselement zur Siche¬ rung nahezu beliebige Auslösecharakteristiken realisiert werden.

Fig. 6 erläutert wie Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung in einem Gerät eingesetzt werden können. Dort werden zwei Sicherungsschaltungselemente 50 gegenüber Mas¬ se, das Überspannungsschutzelement 160 und das Temperatur- sicherungsschaltungselement 140 eingesetzt. Die Spannungs¬ versorgung erfolgt über den Spannungseingang am Gerät 200. Sämtliche Schaltungselemente zum Sichern 50, 140, 160 lie¬ gen direkt an dem Versorgungsspannungseingang 200 an. Ein Mikroprozessor 250 liefert das Steuersignal für die Siche- rungsschaltungselemente 50, deren Ausgang jeweils für die Spannungsversorgung einer Last 230b und eines Kondensators 210 sorgt.

Erkennt der Mikroprozessor einen kritischen Zustand der Schaltungsstrukturen, so veranlasst er die Sicherungsschal¬ tungselemente 50, die Verbindung zur Last 230b oder zum Kondensator 210 zu unterbrechen. Gleichzeitig steuert der Mikroprozessor 250 auch die Last 230b über den Schalter 220b an.

Das Temperatursicherungsschaltungselement 140 versorgt an seinem Ausgang die Last 230a mit einer Spannung, und si¬ chert diese in Abhängigkeit von einem Temperatursensorsig¬ nal 270 ab. Überschreitet die Temperatur an der Last 230a einen kritischen Wert, so verändert sich das Temperatursen¬ sorsignal 270 und veranlasst .das Temperatursicherungsschal- tungselement 140, die Versorgung der Last 230a zu unterbre¬ chen. Gleichzeitig wird die Last 230a vom Mikroprozessor 250 über den Schalter 220a angesteuert.

Eine hochwertige Schaltungsstruktur 240 wird in dem Gerät, das die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung einsetzt, durch das Überspannungsschutzelement 160 ge¬ schützt. Das Überspannungsschutzelement 160 erhält ein Spannungsteilereingangssignal 260, wodurch sichergestellt wird, dass die Spannung an der hochwertigen Schaltung 240 nie einen kritischen Wert überschreitet.

Fig. 7 zeigt eine Implementierung des in Fig. 1 dargestell¬ ten Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung. Hierbei handelt es sich um ein monolithisch auf einem SiIi- ziumchip aufgebautes Schaltungselement, wobei das Schal¬ tungselement auf dem Halbleitersubstrat 325 aufgebracht ist. Dargestellt ist hier eine Anordnung mit einem latera¬ len Thyristor als Schalter bzw. Auslöseelement 80. Das Un¬ terbrechungselement 70 besteht hier aus einem Graben 280 bzw. einer Trench-Struktur, die zum Teil unter einer Lei¬ terbahn 320 zwischen dem Eingang 60 und dem Ausgang 100 verläuft. Das Unterbrechungselement 70, das die Sicherungs¬ strecke bzw. den Abschnitt der Leiterbahn 320 zwischen dem Eingang 60 und der Katode 290 umfaßt, ist direkt neben der Kreuzungsstelle von der Leiterbahn 320 und der Metallisie¬ rung des Auslöseelements 80 bzw. Schalters, der hier als Thyristor ausgeführt ist, vollständig mit der Trench- Struktur bzw. dem Graben 280 untergraben. Die beschriebene Anordnung umfasst also neben einem aktiven Bauelement, das hier als Auslöseelement 80 eingesetzt wird, eine Trench-Struktur 280 und eine Leiterbahn 320, die das Unterbrechungselement bzw. die Sicherungsstrecke bilden. Diese Anordnung kann entweder als diskretes Bauelement rea¬ lisiert sein oder auch monolithisch auf dem Halbleiterchip integriert werden. Damit ist auch direkt auf einem Chip ei¬ ne sichere Unterbrechung eines Strompfads realisierbar.

Im Auslösefall führt das Auslöselement 80 zu einem Strom zwischen den Anschlüssen 100 und der Anode 300, der sich im Bereich des Unterbrechungselements 70 dem Betriebsstrom zwischen den Anschlüssen 60 und 100 überlagert. Durch die Summe beider Ströme wird die Leiterbahn über dem Graben bzw. Trench 280 zum Schmelzen gebracht.

Die in der Querschnittsskizze eingezeichnete Trench- oder Grabenstruktur 280, die einen Hohlraum unterhalb der Lei- terbahn erzeugt, erfüllt zum einen den Zweck, dass der Ak¬ tivierung der Auslösestruktur eine lokale Überhitzung genau oberhalb des Trenches 280 folgt, da eine in diesem Hohlraum befindliche Luft die entstehende Wärme sehr schlecht ablei¬ tet. Zum anderen wirkt der schmale Trench 280 wie eine Ka- pillare und sorgt damit für eine sichere mechanische Tren¬ nung der Leiterbahn durch Absaugen des flüssigen Materials in den Graben.

Das hier beschriebene Sicherungselement gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann beispielswei¬ se auf Siliziumhalbleitermaterial hergestellt werden.

Es umfasst den Leistungsschalter, der das Gate 310, die A- node 300 und die Kathode 290 aufweist, und die Graben- bzw. Trench-Struktur 280, die als Teil des Unterbrechungsele¬ ments das Unterbrechen der Leiterbahn 320 zwischen den An¬ schlüssen 60, 100 unterstützt. Das Unterbrechungselement 70 wird durch Herauslösen eines Stücks aus der Leiterbahn 320, das dann in den Graben 280 hineinfällt, realisiert.

Der Thyristor umfasst hier eine Struktur, die aus vier Zo- nen wechselnder Dotierung, n- bzw. p-Dotierung im Halblei¬ ter bestehen. Die Dotierungsfolge ist von der jeweils ver¬ wendeten Technologie, das heißt der Dotierungsart des Sub¬ stratmaterials abhängig. Verwendet man n-dotiertes Sub¬ stratmaterial 320, so ist die Wanne unterhalb des Kathoden- kontakts 290 und unterhalb der Gatemetallisierung 310 p- dotiert. Die Wannen unterhalb der Anodenkontakte 300 sind n-dotiert. Bei Verwendung von p-dotiertem Substratmaterial sind die zuvor genannten n- und p-Dotierungen zu tauschen.

Der Leistungsschalter kann aber auch als Bipolarstruktur, als eine Darlingtonschaltung, als MOSFET- oder IGBT- Struktur oder beliebige andere stromverstärkende Halblei¬ terstrukturen ausgeführt sein. Diese können als vertikale oder horizontale Bauelemente realisiert sein. Im Falle ei- nes Leistungsschalters mit MOSFET-Gate kann dieses sowohl als p-Kanal oder auch als n-Kanaltransistor realisiert wer¬ den. Im Falle der Verwendung von Bipolartransistoren können diese als npn- oder pnp-Strukturen ausgeführt sein.

Der Trench 280 kann mit Hilfe eines anisotropen Ätzverfah¬ rens, wie z. B. einem Trockenätzverfahren oder einem KOH- Ätzen hergestellt werden, das es ermöglicht, hohe Aspekt¬ verhältnisse zu erzeugen, um die Kapillarwirkung des Tren- ches bzw. Grabens zu erhalten. Der Trench kann entweder als ein einziger Trench ausgeführt sein oder als eine Anordnung mehrerer Trenches gleicher oder differierender Geometrie.

Die Grabenstruktur oder Trenchstruktur unterhalb eines Ab¬ schnitts der Leiterbahn, der als Sicherungsstrecke fun- giert, bzw. im Bereich des ünterbrechungselements 70 können auch mittels isotroper Ätzverfahren, wie z. B. dem Na߬ chemischen Ätzen realisiert werden. Die Metallisierungsbah¬ nen sind aus Aluminium oder anderen metallischen Schichten, wie z. B. Kupfer, Gold, Platin, Silber, Wolfram, Blei, Zink oder aus metallischen Legierungen oder sonstigen elektrisch leitfähigen Schichten.

Fig. 8a erläutert eine Implementierung eines Schaltungsele¬ ments zum Sichern einer Lastschaltung gemäß einem Ausfüh¬ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei hier das Auslöseelement 80 durch einen Thyristor gebildet ist. Das Schaltungselement umfasst den Eingang 60, den Ausgang 100, die Anode des Thyristors 300 und das Gate 310 des Thy¬ ristors 330. Über das Gate 310 wird der Strom durch den Thyristor 330 gesteuert, wobei der Strom durch den Thy¬ ristor 330 sich mit dem Strom am Ausgang 100 überlagert.

Wenn nun der Strom durch den Thyristor 330 eine kritische Schwelle überschreitet, so beginnt der Strom durch das Un¬ terbrechungselement 70 dieses zu erhitzen, solange bis es sich selbst zerstört.

In Fig. 8b ist eine Implementierung der in Fig. 8a darge¬ stellten Schaltungsstruktur erläutert, inklusive der Kon¬ takte 60, 100, 300, 310. Das Schaltungselement zum Sichern einer Lastschaltung kann bevorzugt auch als gehäuselose Ausführungsform oder als bond-drahtloses Chipscale package bzw. Chipscale-Gehäuse zum Einsatz kommen.

Die Kontaktierung 60, 100, 300, 310 erfolgt dann bevorzugt in einer Flip-Chip- oder BGA- bzw. Ball-grid-area- Technologie. In dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die Anschlusspads bzw. Anschlusshöcker 60, 100, 300, 310 mit lötbaren Metalloberflächen versehen, so dass sich das Sicherungselement wie ein Flip-Chip- Bauelement direkt auf einen Schaltungsträger, wie z. B. ei¬ ne Leiterplatte löten lässt.

Fig. 9a und Fig. 9b zeigen eine weitere Implementierung der in Fig. 8a gezeigten Schaltungsstruktur gemäß einem Ausfüh¬ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Aus Fig. 9a ist zu erkennen, dass die Schaltungsstruktur dieselbe Funktio¬ nalität umfasst wie die in Fig. 8a gezeigte Schaltung. Je¬ doch ist aus Fig. 9b zu erkennen, dass die Implementierung auf dem Halbleitersubstrat geändert worden ist. Statt eines einzigen Grabens 280, wie in Fig. 8b, sind in der Halblei¬ terstruktur gemäß Fig. 9b drei Gräben 280 unterhalb der Leiterbahn zwischen dem Eingang 60 und dem Ausgang 100 ein¬ gebracht.

Dies macht die Funktionalität des Unterbrechungselements 70 sicherer, da, falls das Durchtrennen der Leiterbahn ober¬ halb eines der drei Gräben 280 nicht korrekt erfolgen soll¬ te, immer noch die beiden restlichen Gräben verbleiben, um die Leiterbahnen in der beabsichtigten Weise zu durchtren- nen.

Fig. 10a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorlie¬ genden Erfindung, das sich von dem Schaltungselement zur Sicherung einer Last in Fig. 8a dadurch unterscheidet, dass in Fig. 10a sämtliche Dotierungen gegenüber Fig. 8a ver¬ tauscht sind. Hierdurch ergibt sich auch die entgegenge¬ setzte Polung des Thyristors 330, der wiederum an den Kontakten 100, 290, 310 angeschlossen ist.

Fig. 10b erläutert die Implementierung der in Fig. 10a ge¬ zeigten Schaltungsstruktur, wobei deutlich wird, dass die Dotierungsarten genau entgegengesetzt zu der Halbleiter¬ struktur von Fig. 8b sind.

Die Kathode 290 liegt dabei an der Versorgungsspannung, das heißt der Thyristor bzw. ein aktiver Schalter der die Funk¬ tion des Auslöseelements übernommen hat, liegen an der Ver¬ sorgungsspannung, wie z. B. einer Fahrzeugbatterie an, wo¬ bei die Versorgungsspannung größer als die Spannung am Aus- gang 100 ist.

Fig. IIa zeigt wieder dieselbe Schaltungsstruktur wie in Fig. 10a, wobei in Fig. IIb analog zu Fig. 9b wieder eine Mehrzahl an Gräben ausgeführt ist. Die Mehrzahl von Gräben in diesem Ausführungsbeispiel erhöht wiederum die Sicher¬ heit des Auslösens des Unterbrechungselements 70.

Obige Ausführungsbeispiele haben gezeigt, dass es im Falle eines Defekts einzelner Komponenten einer elektronischen Schaltung das Ziel ist, weitergehende Schäden, wie bei¬ spielsweise Brandschäden durch eine sichere Unterbrechung des Strompfads zu verhindern. Obige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können in allen Anwendungsgebie¬ ten von elektronischen Schaltungen, insbesondere Schaltun¬ gen mit Betriebsspannungen im Niederspannungsbereich, das heißt kleiner 25 Volt, eingesetzt werden.

Da obige Ausführungsbeispiele ein Sicherungselement umfas¬ sen, das beispielsweise auf Siliziumbasis gefertigt werden kann, und in den Strompfad eingesetzt werden kann, und auch noch selbst oder fremd aktiviert durch den Stromfluss im Fehlerfall unterbricht, ist dieses System sowohl integriert als auch diskret realisierbar.

Obige Ausführungsbeipiele haben gezeigt, dass ein Schal- tungselemt zum Sichern einer Lastschaltung bzw. ein Siche¬ rungselement auf Halbleiterbasis mit integriertem elektro- nischen Auslösemechanismus ausgeführt sein kann, beispiels¬ weise in diskretem Aufbau bestehend aus Sicherungselement und elektronischem Auslösemechanismus. Vorzugsweise kann dies auf Silizium als Substratmaterial, auf Siliziumcarbid als Substratmaterial oder Silizium-Germanium als Substrat- material hergestellt sein.

Außerdem haben obige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dargestellt, dass der elektronische Auslösemecha¬ nismus z. B. als Thyristor, als Varistor, als MOSFET als IGBT oder als bipolarer Transistor ausgeführt ist.

In obigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung umfasst ein Sicherungselement eine stromleitfähige Verbin- düng, unter der sich eine oder mehrere Aussparungen im Sub¬ stratmaterial befinden. Diese Aussparungen können in obigen Ausführungsbeispielen mit luftgefüllte Hohlräume aufweisen, oder mit einem Explosivstoff oder einem Blähstoff gefüllt sein.

Obige Ausführungsbeispiele haben gezeigt, dass die Ausspa¬ rungen vorzugsweise hohe Aspektverhältnisse aufweisen, vor¬ teilhafterweise wie Kapilaren wirken und durch anisotrope Ätzvorgänge, Trockenätzvorgänge oder nasschemische Ätzvor¬ gänge erzeugt sind. Vorteilhaft ist auch, wenn diese Aus¬ sparungen eine schlechte Wärmeleitfähigkeit besitzen.

In obigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind die Schaltungselemente zum Sichern einer Lastschaltung vorteilhafterweise kompatibel zu Standard SMD-Gehäusen und vorzugsweise mit Standard SMT-Prozessen auf Schaltungsträ¬ gern montierbar.

Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können als Schaltungselemente ausgeführt sein, die einen Thy¬ ristor, bei dem bei einer definierten Temperatur ein Über- kopfzünden auftritt oder einen elektrischen Schalter, der bei einer definierten Temperatur in den Durchlaß schaltet, umfassen.

In obigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann ein Temperatursensor in dem Schaltungselement zum Si¬ chern der Lastschaltung einen Crowbar-Schalter bei einer definierten Temperatur zünden, eine Spannungserfassung bei Erreichen einer Spannungsschwelle den Crowbar-Schalter zün¬ den oder eine Laststromerfassung bei Erreichen eines Strom¬ schwellwerts den Crowbar-Schalter zünden.