Es ist bekannt, elektrische Verbraucher mit hoher Leistung durch Elemente wie mechanische Relais zu schalten. Diese sind jedoch nur bedingt zuverlässig und besonders gegenüber mechanischen Belastungen empfindlich. In zunehmendem Ma e werden integnerte Halbleiterschalter zum Schalten von elektrischen Verbrauchern mit hoher Leistung eingesetzt, da diese Halbleiterschalter eine höhere Zuverlässigkeit und eine geringe Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Erschütterungen aufweisen. Der Nachteil liegt jedoch darin, da diese Bauelemente ihrer p/n-Sperrschichten wegen gegenüber elektrischer und/oder thermischer Überlastung erheblich empfindlicher sind als mechanische Relais.

Dauerhafter Betrieb bei hohen Temperaturen nahe der maximal zulässigen Sperrschichttemperatur beschleunigt die Degradation des Halbleiter-Bauelements, zudem ist die Empfindlichkeit gegenüber anderen Überlastbedingungen erhöht. Überstrom gefährdet das Halbleiter-Bauelement auf zwei Arten. Einerseits kann es durch Überschreiten der zulässigen Stromdichten zur Schädigung der Metallisierung und/oder des Bondsystems kommen.

Andererseits besteht die Gefahr, da der Überstrom zu einer extrem stark ansteigenden Verlustleistung und damit das Überschreiten der maximalen Sperrschichttemperatur zum Bauelementausfall führt.

Überlastschutzeinrichtungen für Leistungshalbleiter sind in verschiedenen Varianten bekannt.

Der Schutz konzentriert sich im wesentlichen auf die Überwachung der Sperrschichttemperatur (on-Chip-Temperaturmessung), wie in DE 41 22 653 C2 offenbart oder die Überwachung des Laststroms des Leistungshalbleiters, wie aus DE 43 20 021 Al bekannt ist.

Bei monolithisch integrierten Leistungshalbleiterschaltern, sogen. Smart-Power-Schaltkreisen, findet häufig eine Temperaturüberwachung mit einem Sensor Verwendung, der in thermischem Kontakt zu der den Hauptstrom schaltenden Halbleitersperrschicht steht. In der Patentschrift DE 41 22 653 C2 ist offenbart, einige der Schaltzellen der Schalteinrichtung besonders schwach zu dimensionieren und dort deren Sperrschichttemperatur direkt zu messen, so da an diesen künstlich erzeugten Schwachstellen die höchste Bauelementtemperatur gemesssen wird. Bei Überschreiten einer maximalen lokalen Bauelementtemperatur wird der Schalter abgeschaltet, ohne da die anderen Schaltzellen des Schalters thermisch überlastet werden. Diese Anordnung stellt jedoch erhebliche Anforderungen an die Technologie dar und erfordert z.B. zusätzliche

Kontaktanschlüsse für den Temperatursensor. Die Alternative, die Bauelementtemperatur sperrschichtfern, z.B. am Gehäuse, zu bestimmen, führt wegen der gro en räumlichen Distanz zu etwaigen thermisch belasteten Sperrschichten zu nicht tolerierbaren Zeitverzögerungen bei einem plötzlichen Temperaturanstieg und damit letzlich zur Zerstörung der Sperrschicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Au entemperatur eines Bauelements, insbesondere eines kontaktlosen Schalters, auf einfache Weise zu messen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemä durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Weiterführende und vorteilhafte Ausgestaltungen sind den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen. Durch die Erfindung ist es möglich, die Bauelementttemperatur mit weniger Aufwand zu ermitteln und zu überwachen.

Die Erfindung geht davon aus, bei einem Schalter, welcher Last- und Steuerkreis aufweist, durch die Kombination von Restspannungsüberwachung und Temperaturüberwachung die aktive, zu steuernde Zone J bzw. die aktiven, zu steuernden Zonen J des Schalters vor Überlastung zu schützen. Durch die erfindungsgemä e Anordnung zur Temperaturmessung und ein vorteilhaftes Kompensationsverfahren wird der Überlastschutz weiter verbessert.

Der Steuerkreis wird so dimensioniert, da zur Begrenzung des maximalen, im Schalter flie enden Laststroms die thermischen Widerstände berücksichtigt werden, welche den Wärmeabflu zwischen der und/oder den aktiven Zonen J im Innern des Schalterkörpers, die durch Verlustleistung besonders in Mitleidenschaft gezogen sind und einem Temperatursensor an der Au enwelt des Schalterkörpers behindern. Damit wird erreicht, da die maximal zulässige Temperatur an der aktiven, zu steuernden Zone J des Schalters nicht überschritten werden kann.

Die Erfindung kann bevorzugt für Schalter eingesetzt werden, welche mit Verlustleistung behaftet sind, besonders bevorzugt für MOSFET-Schalter.

Vorteilhaft ist, da durch die Dimensionierung derartige Schalter in einem weiteren Leistungsbereich ausgenutzt werden können als üblich. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist die Dimensionierung nicht mehr eine 'Worst-Case'-Abschätzung. Der maximale Laststrom im Schalter wird zuverlässig begrenzt. Daher ist es möglich, den Schalter im Dauerbetrieb nahe der Maximaltemperatur zu betreiben, ohne da kurze, nicht oder nur verzögert erkennbare Temperaturspitzen eine aktive, zu steuernde Zone J im Schalterkörper zerstören können. Es entfällt die Notwendigkeit einer schnellen Temperaturmessung zur Temperaturüberwachung, insbesondere von Temperaturspitzen an der aktiven Zone J, so da zweckmä igerweise preiswerte, einfache und auch langsamere Temperaturme verfahren eingesetzt werden können.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, da es durch die Dimensionierung des Schalter-Steuerkreises möglich wird, die Temperatur des Schalters nicht sperrschichtnah, sondern zweckmä igerweise gehäusenah zu messen, was die Me anordnung vereinfacht. Erfindungsgemä wird dabei zur Temperaturmessung ein Bipolar-Transistor oder eine Diode eingesetzt.

Erflndungsgema wird einer der elektrischen Kontakte des Temperatursensors sowohl elektrisch als auch thermisch zumindest mittelbar am Schalter und/oder am Schaltergehäuse anzuordnen.

Besonders geeignet sind Transistoren oder Dioden, zweckmä igerweise mit im wesentlichen flächigen Kontakten, die eine besonders gute thermische Ankopplung an den Schalter ermöglichen. Eine ganz besonders bevorzugte Anordnung ist die direkte Verbindung des Kollektoranschlusses eines vorzugsweise verwendeten Bipolar-Transistors mit dem Drain eines vorzugsweise verwendeten MOSFET-Schalters. Zusammen mit der erfindungsgemä en Dimensionierung des Schalter-Steuerkreises stellt diese einfache und billige Temperaturme anordnung eine weitere Vereinfachung und Verbesserung der Überlastüberwachung dar.

Der Temperaturme punkt kann z.B. durch eine Leiterbahn, eine Sperrschicht, ein Gehäuse oder dergl. eines oder mehrerer zu überwachender Schalter gebildet sein. Diese vorteilhafte Art der Temperaturmessung ist für verschiedene Bauelemente geeignet und nicht auf die Anwendung bei Halbleiterschaltern beschränkt.

Eine besonders vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung besteht darin, die Temperaturabhängigkeit der Schaltschwelle des Schalter-Steuerkreises zu kompensieren. Die Temperatur kann dabei sperrschichtnah oder sperrschichtfern gemessen werden. Das erfindungsgemä e Verfahren kann daher vorteilhaft nicht nur bei der bevorzugten Anordnung, sondern auch bei Schaltern, insbesondere Halbleiterschaltern, eingesetzt werden, bei denen zumindest mittelbar die Sperrschichttemperatur selbst überwacht wird.

Im folgenden sind die Merkmale, soweit sie für die Erfindung wesentlich sind, eingehend erläutert und anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 eine Anordnung zum Überlastschutz mit Restspannungs- und Temperaturüberwachung, Fig. 2 einen Schalter mit aktiver Zone und Laststrom, Fig. 3 den Querschnitt durch eine Anordnung mit lokalen Temperaturen und Wärmewiderständen, Fig. 4 den Querschnitt durch eine erfindungsgemä e Anordnung mit Temperatursensor und zugehörigen Wärmewiderständen, Fig. 5 eine bevorzugte Schaltungsanordnung, Fig. 6 eine bevorzugte Schaltungsanordnung,

Fig. 7 eine bevorzugte Schaltungsanordnung, Fig. 8 eine Aufsicht und den Querschnitt durch eine erfindungsgemä e Anordnung, Fig. 9 die Abhängigkeit der Basis-Emitterspannung eines Transistors von der Temperatur, Fig. 10 die Abhängigkeit des Einschaltwiderstands eines Transistors von der Temperatur, Fig. 11 eine bevorzugte Schaltungsanordnung zur Kompensation der Schaltschwelle des Steuerkreises eines Schalters, Fig. 12 eine bevorzugte Schaltungsanordnung zur Kompensation der Schaltschwelle des Steuerkreises eines Schalters, Fig. 13 eine Beschaltung einer bevorzugte Schaltungsanordnung zur Kompensation der Schaltschwelle des Steuerkreises eines Schalters.

Eine Anordnung zum Überlastschutz ist modellhaft am Beispiel einer Anordnung mit einem MOSFET-Schalter in Fig. 1 dargestellt. Die Erfindung ist nicht auf diese einfache Anordnung beschränkt, sie eignet sich vielmehr für Schalter, welche im Betrieb eine Restspannung und somit eine Verlustleistung aufweisen. Bevorzugt weist der Schalter einen Lastkreis und einen Steuerkreis mit lastkreisseitigen und steuerseitigen elektrischen Eingängen und/oder Ausgängen auf. Ein Schalter M1 wird bei Überschreiten einer Schwellspannung UR im Steuerkreis und/oder bei Überschreiten einer Grenztemperatur Trnax des Schalters M1 zumindest mittelbar vorzugsweise über eine Logik L und einen Gatetreiber G abgeschaltet. Bevorzugt ist der Schalter M1 aus einem Leistungs-MOSFET gebildet. Die Temperatur T wird mit einem Sensor T erfa t.

Ein Komparator im Steuerkreis vergleicht die Restspannung am Schalter, insbesondere den lastkreisseitigen aktuellen Spannungsabfall UDs am MOSFET M1, mit einer Komparatorschwelle UR.

In Fig. 2 ist schematisch ein Schalter M1 mit einer im Schalterkörper angeordneten aktiven Zone J abgebildet. Die Temperatur der aktiven Zone J ist Ts. Ein Laststrom ID flie t durch die aktive Zone J. Etwaige lastkreisseitige oder steuerseitige Anschlüsse sind nicht dargestellt.

Unterhalb der Sättigungsspannung des Schalters M1 ist der Spannungsabfall UDs am Schalter M1 proportional zum. Drainstrom ID und dem Einschaltwiderstand RDs.on, welcher eine bauelementtypische Grö e des Schalters M1 ist. Im allgemeinen ist der Einschaltwiderstand RDs,on der Messung nicht zugänglich, sondern nur die Restspannung UDs am Schalter. Es gilt UDs=ID RDs.on Die Abhängigkeit der Restspannung UDs kann zur Messung des Laststromes, insbesondere des Drainstromes ID, am Einschaltwiderstand RDs.C, und damit zu einer relativ genauen Überstromabschaltung genutzt werden. Vorteilhaft ist, den Laststrom ID zu begrenzen. Die Abschaltung erfolgt schon bei vergleichsweise geringen Spannungen, so da die Verlustleistung <BR> <BR> <BR> PV=UDS in am Schalter M1 gering bleibt. Auch der Schutz eines etwaigen angeschlossenen Verbrauchers auf der Lastseite kann auf diese Art und Weise gewährleistet werden.

Die Komparatorschwelle UR für die Restspannungsüberwachung kann durch die erfindungsgemä e Dimensionierung des Steuerkreises des Schalters M1 dergestalt verändert werden, da der Schalter M1 wesentlich höhere Ströme zulassen kann als beim Einsatz üblicher, im Handel erhältlicher Steuerkreise für Schalter, welche mit einer konventionellen Restspannungsüberwachung betrieben werden.

Der maximale Laststrom, vorzugsweise der Drainstrom ID bei einem MOSFET-Schalter M1, wird bevorzugt durch die maximal abführbare Verlustleistung PV,ma" bestimmt. Die prinzipiell zu berücksichtigenden Grö en sind in Fig. 3 skizziert. Eine Schalteranordnung 1 mit einem Schalter M1 in einem Gehäuse 2 und einer Kühlfahne 3 ist auf einem Kühlkörper 4 angeordnet. Der Kühlkörper 4 kann durch einen metallischen Kühlkörper oder eine Platine oder dergl. gebildet sein. Die Temperatur der steuerbaren, aktiven, zu schützenden Zone J des Schalters M1, insbesondere der Sperrschicht des MOSFET-Schalters, ist TJ, die Temperatur der Rückseite des Gehäuses 2 ist Tc, die Umgebungstemperatur des Kühlkörpers ist TA. Rths,c bezeichnet der Wärmewiderstand zwischen der aktiven Zone J des Schalters M1, insbesondere der Sperrschicht des MOSFET, zur Rückseite des Gehäuses 2, welche durch die Kühlfahne 3 gebildet wird. Die Kühlfahne 3 kann durch einen Bauelementanschlu des Schalters M1, insbesondere den Drainanschlu des MOSFET-Schalters, gebildet sein. RthcA bezeichnet den Wärmewiderstand, welcher den Transport der Wärme von der Rückseite des Gehäuses 2 und/oder der Kühlfahne 3 durch einen etwaigen Kühlkörper 4 hindurch zur Umgebung der Schaltereinrichtung bestimmt.

Der thermische Gesamtwiderstand Rth,JA von der aktiven Zone J des Schalters M1 zur Umgebung ergibt sich als Summe der beiden einzelnen Wärmewiderstände. Für die maximal zulässige Verlustleistung Pv,, ergibt sich PV.max= (TJ.maxTA,max)/Rth.JA,max = 12D.rnax RDS,on,max Diese Gleichung ist eine 'Worst-Case'-Abschätzung für den schlimmsten eintretenden Fall mit der maximal zulässigen Temperatur der aktiven Zone J, Tj.max, der unter ungünstigsten Umgebungs- und/oder Betriebsbedingungen des Schalters M1 zu erwartenden maximalen Umgebungstemperatur TA,max und dem sicher erreichbaren maximalen Wärmewiderstand Rth.JA.max zwischen aktiver Zone J und Umgebung der kompletten Schaltereinrichtung.

Der Wert des Einschaltwiderstands R DS.on des Schalters M1 ist Streuungen unterworfen und hängt insbesondere von der Temperatur des Schalters M1 ab. Für die Begrenzung der Verlustleistung Pv mu vom statischen Fall ausgegangen werden, wenn sich der Schalter M1 bereits auf die maximale Temperatur aufgeheizt hat. Nach dem Stand der Technik wird hier mit dem maximalen Einschaltwiderstand RDS,cn.max gerechnet, wobei sich für die Restspannung UDs.m, bei welcher der Schalter M1 schlie lich durch den Steuerkreis abgeschaltet wird, dann in der 'Worst-Case'-Abschätzung zur Dimensionierung des Steuerkreises ergibt

UDS.max= 4((TJ,maxTA.max) RDS,on,max/Rth,JA,max) Der Abschaltstrom ist temperaturabhängig und ergibt sich als ID.max = UDS.max/RDS,on(TJ) Die nur schwer zu fällenden Aussagen über maximal erreichbare Betriebstemperaturen des Schalters M1 im Betrieb und das Problem, einen bestimmten Wärmewiderstand sicherstellen zu müssen, führen bei den bekannten Anordnungen entweder zur Überdimensionierung der Kühlung des Schalters M1, was zu erhöhtem Platzbedarf der gesamten Anordnung führt, und/oder aber zu einer geringen Ausnutzung des Schalters M1. Weiterhin kann der Abschaltstrom ID.mnv über den gesamten Temperaturbereich um den Faktor 2 bis 3 variieren. Durch die Erwärmung des Schalters ist zwar eine Abschaltung vor Erreichen der maximal zulässigen Verlustleistung Po marx garantiert, einer etwaigen Anwendung als elektronische Sicherung steht jedoch die gro e Stromvariation entgegen.

Fig. 4 zeigt die erfindungsgemä e Anordnung aus Fig. 3 mit einem Temperatursensor 5, welcher die Temperatur TM an einem Temperaturme punkt der Schaltungsanordnung 1 mi t.

Vorzugsweise wird der Temperaturme punkt gehäusenah gewählt. Ebenfalls geeignet kann als Temperaturme punkt eine elektrische Leitfähigkeitsfläche des Schalters, vorzugsweise eine Leiterbahn oder ein Drainanschlu , gewählt werden. Zweckmä ig ist ein Temperaturme punkt, der eine hinreichend gute thermische Ankopplung an die aktive Zone J des Schalters aufweist, insbesondere elektrische Zuführungen zum Schalterkörper.

Vereinfacht lassen sich bei diesem Aufbau vier Wärmewiderstände unterscheiden. Die Temperatur TM am Temperaturme punkt unterscheidet sich von der Gehäusetemperatur Tc aufgrund der Aufteilung des Wärmeflusses durch Rth.CM> dem Wärmewiderstand zwischen Gehäuse 2 und Temperaturme punkt und Rth,MA, dem Wärmewiderstand zwischen Me punkt und Umgebung. Da der Wärmewiderstand RthscM zwischen Gehäuse und Temperaturme punkt klein ist, insbesondere bei Anordnung des Temperaturme punktes auf einer elektrischen Leitfähigkeitsfläche des Schalters, unterscheidet sich die Me temperatur TM nur geringfügig von der Gehäusetemperatur Tc.

Zur weiteren Betrachtung wird ein äquivalenter Wärmewiderstand Rth,JM eingeführt, welcher den Temperaturunterschied zwischen aktiver Zone J des Schalters, insbesondere der Sperrschicht, und Temperaturme punkt auf den Gesamtwärmeflu bezieht und die Betrachtung der schwer zugänglichen einzelnen Wärmewiderstände Rth,cM und Rth,MA ersetzt. Es gilt Rth,JM=(TJ-TM)/Pv

R,JM ist zwar von der Wärmeabfuhr an die Umgebung abhängig, die Abhängigkeit ist jedoch geringer als bei den real auftretenden Wärmewiderständen im und am Schalter-Bauelement. Je besser die Wärmeabfuhr ist, desto höher fällt der äquivalente Wärmewiderstand aus. Genauere Aussagen lassen Simulationsrechnungen, Schätzungen oder Messungen zu. Insbesondere ist der äquivalente Wärmewiderstand Rth.M jedoch nicht von der Umgebungstemperatur TA des Schalters abhängig.

Wird als maximal zulässige Umgebungstemperatur die maximal zulässige Temperatur TM.max am Temperaturme punkt eingeführt und der maximale äquivalente Wärmewiderstandes R..max verwendet, ergibt sich eine neue Dimensionierungsvorschrift für den Steuerkreis des Schalters mit UDS,max=((TJ.max-TM.max) RDS.on.max/Rth,JM,ma,c) Die bei der Dimensionierung schwer im voraus zu bestimmende maximale Umgebungstemperatur TA,max ist durch eine leicht me bare Temperatur TMmL, und der schwer zugängliche Wärmewiderstand Rth.JA,max ist durch den abschätzbaren äquivalenten Wärmewiderstand R.JM,max ersetzt. Der Schalter wird abgeschaltet, sobald im Steuerkreis eine Spannung UDs detektiert wird, die grö er als eine vorgegebene Schwellspannung UR=UDs,max ist und/oder sobald die maximal zulässige Bauelementtemperatur TM.max überschritten wird. In einer Anordnung wie in Fig. 1 wird eine Komparatorschwelle UR auf UDs.ma, eingestellt.

Die Vorteile der Dimensionierung des Schalter-Steuerkreises liegen zum einen darin, da die Maximaltemperatur im Betrieb des Schalters keine reine Abschätzung mehr darstellt, sondern gemessen werden kann. Dabei kommt es nicht darauf an, ob die Temperaturmessung in unmittelbarem Kontakt zu einer aktiven Zone J, insbesondere einer Sperrschicht, im Schalterkörper durchgeführt wird. Vielmehr besteht jetzt die vorteilhafte Möglichkeit, die Temperatur am Äu eren des Schalters zu bestimmen, vorzugsweise am Gehäuse 2 oder an der Kühlfahne 3 des Schalters M1, ohne da die Gefahr einer Überhitzung der aktiven Zone J durch kurzzeitige Verlustleistungsspitzen oder lokale Temperaturunterschiede besteht. Besonders zweckmä ig ist die Anordnung eines Temperatursensors an einem elektrisch und thermisch gut an die aktive Zone J des Schalters gekoppelten Kontakt-Anschlu . Zwar müssen die Unsicherheiten hinsichtlich der Wärmeabfuhr bei der Dimensionierung für den Dauerbetrieb noch berücksichtigt werden, haben jedoch keinen Einflu auf die Funktion des Selbstschutzes des Schalters.

Die Vorteile der Erfindung zeigen sich ganz besonders bei Aufbautechniken mit geringer Wärmeabfuhr in die Umgebung, wie sie häufig beim Einbau von Leistungshalbleitern in Steuergeräte auftritt.

Der äquivalente Wärmewiderstand Rth,JM ist nicht so stark wie der Wärmewiderstand zwischen aktiver Zone J und Umgebung R,hWlA von den Umgebungsbedingungen des Aufbaus des Schalters abhängig. Au erdem sind die fertigungstechnischen Toleranzen bei der Herstellung eines Schalters relativ gering und Rth,JM daher auch für eine Mehrzahl von Schaltern mit ausreichender Genauigkeit abschätzbar.

Die Dimensionierung erlaubt vorteilhafterweise, da zumindest kurzzeitig hohe Ströme im Schalter zugelassen werden können. Dies ermöglicht eine deutlich bessere Ausnutzung des Schalters.

Die Gefahr einer Überhitzung des Schalters besteht nicht, da die Verlustleistung im Gegensatz zur rein thermischen Abschaltung nach dem Stand der Technik begrenzt bleibt. Erfindungsgemä werden als Dimensionierungskriterium für den Steuerkreis die statischen Wärmewiderstände herangezogen. Aus diesem Grund kann der Schalter hohe Einschaltstromspitzen tolerieren. Die an der aktiven Zone J anfallende Verlustleistung kann durch die die aktive Zone J umgebenden Wärmekapazitäten aufgenommen werden, bis TM,m" am Me punkt erreicht ist. Vorteilhaft ist es, kurzzeitig die Überstromabschaltung des Schalters auszublenden, vorzugsweise während des Einschaltvorgangs. Der erhöhte Laststrom kann den Schalter nur solange erwärmen, bis die maximal erlaubte Temperatur TM,max erreicht ist und/oder solange die maximal erlaubte Verlustleistung Pv.rnax nicht überschritten ist.

Fig. 5 zeigt eine weitere vorteilhafte Gestaltung der Anordnung. Hier wird das Temperatursignal T zu einer Variation der Schaltschwelle UR der Restspannungsüberwachung im Steuerkreis herangezogen. Auf diese Weise kann die durch die Temperaturabhängigkeit des Einschaltwiderstandes RDS,on des Schalters M1 hervorgerufene Variation des Abschaltstromes ID kompensiert werden.

Als Temperatursensoren sind prinzipiell alle üblicherweise zu diesem Zweck verwendeten Sensoren einsetzbar. Besonders zweckmä ig ist der Einsatz von Transistoren oder Dioden. Eine derartige Schaltungsanordnung ist in Fig. 5 dargestellt. Erfindungsgemä wird beim Anbringen des Temperatursensors, insbesondere eines Kleinsignal-Bipolartransistors, an einen Temperaturme punkt einer der elektrischen Anschlüsse, welcher montagetechnisch einen sehr guten Wärmeübergang zum Halbleiterkörper des Temperatursensors besitzt, gleichzeitig auch zur thermischen Kopplung des Temperatursensors an den Me punkt verwendet. Besonders bevorzugt ist die Anordnung, einen derartigen Kontakt des Sensors mit einem elektrischen Kontakt des Schalters M1 zu verbinden, welcher ebenfalls einen guten Wärmeübergang zum Körper, insbesondere Halbleiterkörper, des Schalters aufweist.

In Fig. 6 ist sowohl ein Leistungs-MOSFET, der als Schalter M1 eingesetzt ist, als auch ein üblicher Kleinsignal-Bipolartransistor Q1 als Temperatursensor dargestellt. Beide Transistoren M1, Q1 weisen einen elektrischen Anschlu mit guter thermischer Kopplung zum jeweiligen Halbleiterkörper auf. Beim Leistungs-MOSFET M1 ist vorzugsweise der Drainanschlu , beim Bipolartransistor Q1 vorzugsweise der Kollektoranschlu dafür ausgewählt. Vorzugsweise ist der Drainanschlu des MOSFET M1 mit dem Kollektor des Bipolartransistors Q1 verbunden.

Die Basis des Transistors Q1 wird auf einem Referenzpotential Uo gehalten. Über eine an sich bekannte Biaseinrichtung B, vorzugsweise ein Widerstand oder eine Stromquelle, wird ein vorbestimmter Kollektorstrom eingestellt. Die Basis-Emitterspannung UBE des Transistors Q1 dient als Ma für die Temperatur TM. Vorteilhaft ist, da die Basis-Emitterspannung UBE nicht nur zur Überwachung der maximal zulässigen Schalter-Temperatur eingesetzt werden kann, sondern zweckmä igerweise auch zur Beeinflussung der Abschaltschwelle UR des Steuerkreises der Restspannungsüberwachung. Eine andernfalls auftretende Temperaturabhängigkeit des maximal zulässigen Laststromes ID.ma, wird dadurch vermieden, so da bei jeder zulässigen Schaltertemperatur TM,max derselbe maximale Lastrom in 1D,max im Schalter M1 zulässig ist.

In Fig. 7 ist eine weitere erfindungsgemä e Schaltungsanordnung mit guter Wärmeankopplung zwischen Temperatursensor Q1 und Schalter M1 dargestellt. Dort ist nicht nur der Kollektor des Transistors Q1 mit dem Drainanschlu des Halbleiterschalter-MOSFETs M1, sondern auch die Basis von Q1 mit dem Source-Anschlu von M1 verbunden. Diese Art der Anordnung des Temperatursensor-Transistors Q1 an den Schalter M1 ist ganz besonders vorteilhaft, wenn der Transistor Ql nicht als diskretes Bauteil, sondern als parasitäre Struktur auf oder in dem Halbleiterkörper des Schalters M1 verfügbar ist.

Fig. 8 zeigt eine Aufsicht und einen seitlichen Schnitt durch eine erfindungsgemä e Anordnung von Bauelementen einer Schutzanordnung, die sich besonders für den Einsatz in elektronischen Steuergeräten eignet. Der Schalter M1 und der Temperatursensor 5, insbesondere ein Bipolartransistor Q1, sind als Bauelemente für Oberflächenmontage ausgeführt. Der Schalter M1 im Gehäuse 2 ist mit der Kühlfahne 3, welche insbesondere den Drainanschlu des Schalters M1 darstellt, zumindest mittelbar auf einem Kühlkörper 4 angeordnet, welcher bevorzugt durch eine Platine gebildet wird. Zwischen Kühlkörper 4 und Kühlfahne 3 sind elektrische Kontaktflächen 6, z.B. eine oder mehrere Kupferleiterbahnen, angeordnet. Die Kontaktfläche 6, die mit dem Drainanschlu 3 des MOSFET-Schalters verbunden ist, dient als Wärmespreizer. Der Kollektoranschlu 5.1 des Bipolartransistors Q1 ist nahe der Kühlfahne 3 des Schalters M1 auf der Kontaktfläche 6 angeordnet, vorzugsweise angelötet.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, bevorzugt unter Verwendung des Temperatursensors Q1, die Schwellspannung UR des Steuerkreises unter Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit des Restwiderstandes RDs,on des Schalters M1 so zu verändern, da der Schalter bei

unterschiedlichen Betriebstemperaturen bei einem vorgegebenen, konstanten Laststrom IDma" abgeschaltet wird.

In einem Dimensionierungsbeispiel sind die Vorteile der bevorzugten Anordnung dargestellt. Die Erfindung ist nicht auf die im Beispiel angegebenen Werte beschränkt.

Bei einem maximalen Einschaltwiderstand des Schalters M1, insbesondere ein Leistungstransistor, von RDS,on.max=2S mQ und einer maximal zulässigen Temperatur der aktiven Zone J, insbesondere einer Sperrschicht, von TJ,max=175CC, mit Rth,JC=1,5 K/W und Rth.CA=25 K/W und der maximal zu erwartenden Umgebungstemperatur von 80"C ergibt sich für eine Schutzanordnung ohne Temperaturüberwachung ein maximal zulässigen Laststrom von ID,mD,=12 A. Der Schalter wird bei Erreichen dieses Wertes zumindest mittelbar abgeschaltet. Besonders zu beachten ist, da der maximal zulässige Laststrom ID m D nicht überschritten werden darf.

Wird die bevorzugte Anordnung mit Temperatur- und Restspannungskontrolle unter denselben Randbedingungen überwacht, ist dieser Wert ID,m,, ebenfalls der maximal erlaubte Dauer- Laststrom des Schalters M1. Mit einer vorgegebenen oberen Schaltertemperatur von TM,ma,=125°C und einem äquivalenten Wärmewiderstand Rth,JM=2 K/W ergibt sich jedoch ein weit höherer Wert für einen zulässigen Spitzenstrom von IDm"Ç=32 A. Dieser Laststrom darf kurzzeitig, insbesondere bis zu mehreren Sekunden, im Schalter M1 flie en, ohne da der Schalter geschädigt wird. Dabei erwärmt sich der Schalter M1, und die Übertemperaturüberwachung schaltet bei Erreichen der maximal erlaubten Schaltertemperatur ab. Über den prinzipiellen Gewinn an Sicherheit hinaus, insbesondere im statischen Fall, bedeutet dies im beschriebenen Beispiel eine um den Faktor 2,5 bessere Ausnutzung des Schalters M1.

Ein weiteres, besonders zweckmä iges Verfahren zum Überlastschutz von Schaltern kann vorzugsweise bei MOSFET-Schaltern verwendet werden. Die präzise Messung des Lastroms 1D.max erfordert die Einbeziehung der Temperaturabhängigkeit des Einschaltwiderstandes RDs.on(TI) des Schalters, wobei gilt ID.max=UDS,max/RDS,on(TJ). Über den gesamten Temperaturbereich, in dem das System eingesetzt wird, kann sich dieser Wert um einen Faktor 2- 3 ändern. Durch die Erwärmung des Halbleiters ist zwar die Abschaltung bei einer unzulässigen Verlustleitstung gewährleistet, jedoch scheitert der Einsatz als elektronische Sicherung an der gro en Variation des Laststromes 1D,max Vorzugsweise wird die Schaltschwelle UR durch ein aus der Durchla spannung UBE eines thermisch eng mit dem Halbleiterschalter M1 gekoppelten Temperatursensors Q1, vorzugsweise ein Bipolartransistor oder eine Diode, gewonnenes Signal verändert. Dabei wird auf den Schwellwert UR durch Überlagerung des Temperaturme signals eingewirkt, so da der Schalter durch Verändern der Schwellspannung UR unabhängig von der Betriebstemperatur bei einem

konstanten Wert des maximalen Lastromes IDmax abgeschaltet wird. Bleibt die Schwellspannung UR unverändert, wird der Schalter bei mit ansteigender Temperatur steigendem Einschaltwiderstand RDs.on(TJ) zu früh bei einem zu niedrigen Laststrom 1D abgeschaltet.

Die Basis-Emitter-Spannung UBE eines Bipolartransistors ist in erster, hinreichend guter Näherung linear von der Temperatur abhängig, wobei gilt UBE(T)=UBE(To)-X(T-To). To ist eine Referenztemperatur. Fig. 9 verdeutlicht die Qualität dieser Näherung anhand des Vergleichs zwischen typischen Me werten der Basis-Emitterspannung UBE(T) eines Bipolartransistors als Funktion der Temperatur und einer Ausgleichsgeraden. UBE(T) sinkt mit steigender Temperatur.

Auch der Temperaturgang des Einschaltwiderstandes eines MOSFETs lä t sich mit ausreichender Genauigkeit durch eine lineare Näherung beschreiben, wobei die Beziehung gilt RDs.on(T)=RDs'on(To)( l+ct.(T-T0)). Fig. 10 zeigt die lineare Temperaturabhängigkeit anhand eines Vergleichs von Me punkten und Ausgleichsgerade. Der Einschaltwiderstand RDs'0fl(T) steigt mit steigender Temperatur. Ähnliche Annahmen können auch für andere Bauelemente in hinreichender Genauigkeit getroffen werden.

Da der Einschaltwiderstand RDs.Cfl(T) und damit auch der lastkreisseitige Spannungsabfall UDs am Schalter M1 bei einem konstanten Laststrom ID mit der Temperatur ansteigt, wird erfindungsgemä eine zur Temperaturme spannung proportionale Spannung im richtigen Verhältnis zur Drain-Source-Spannung hinzuaddiert, um eine konstante Abschaltschwelle UR ZU erhalten.

In Fig. 11 ist die prinzipielle erfindungsgemä e Schaltungsanordnung zur Durchführung des bevorzugten Verfahrens dargestellt. Der Schalter M1 wird über eine an sich bekannte Logik L und einen Gatetreiber G, der auch eine Ladungspumpe enthalten kann, angesteuert. Der Bipolartransistor Q1 dient erfindungsgemä als Temperatursensor. Der Temperatursensor kann dabei sperrschichtnah oder sperrschichtfern zumindest mittelbar am Schalter, am Gehäuse, an einem etwaigen Kühlkörper oder einem anderen geeigneten Me punkt der Schalteranordnung angeordnet sein. Der Arbeitspunkt des Transistors Q1 wird über eine an sich bekannte Biasschaltung B, vorzugsweise eine Konstantstromquelle, und die Biasvorspannungsquelle 11 mit U0 eingestellt. Statt der Spannungsquelle 11 kann auch eine veränderliche Spannung angelegt werden.

Eine Variante ist, die Basis B des Transistors Q1 statt mit der Biasspannung Uo mit der Source- Elektrode S von M1 zu verbinden. Diese Variante ist nicht in der Figur dargestellt. Die Restspannung am Schalter M1 wird über einen an sich bekannten Spannungsmesser 7, die Basis- Emitter-Spannung UBE über einen an sich bekannten Spannungsmesser 8 abgegriffen und jeweils mit einem konstanten Faktor k7, ks bewertet. Bei 7 und 8 handelt es sich im einfachsten Fall um direkte Verbindungen oder Pegelschieber. In einem Addierer 12 werden die Ausgangssignale von

7 und 8 aufsummiert. Der Addierer 12 wird im einfachsten Fall durch einen Widerstand gebildet, an dem zwei Ströme überlagert werden. Ein an sich bekanter Komparator 9 vergleicht das Ausgangssignal mit einer Referenzspannung 10 mit dem Wert UR. Bei Überschreiten von UR wird der Leistungsschalter M1 über die Logik L abgeschaltet.

In einem erfindungsgemä en Ausführungsbeispiel ist das Ausgangssignal von 7 und 8 eine Spannung. Die Ausgangsspannung von 8 ist die mit einem Faktor k8 bewertete Basis- Emitterspannung von Q1 mit Us = k8 [UBE(TO) B-(T-T°)]- Die Restspannung UDs von M1 wird mit einem Faktor k7 gewichtet, und es gilt U7 = k7 [ID RDs.on(T0)(#+α(T-T0))].

Mit der für die Referenztemperatur gewünschten maximalen Restspannung UDS,max=IDRDS.0n(TO) ergibt sich als Spannungswert U12 am Ausgang von 12 folgender Ausdruck U12 = k7 #UDS,max+ k8'UBE(TO)+ k7 UDSmax#α#(T-T0)-k8###(T-T0).

Dieser Ausdruck wird dann temperaturunabhängig, wenn gilt (k7/ k8) = Äi (UDS,max#α).

Im einfachsten Fall kann k7 oder k5 frei gewählt werden, z.B. k7=l. Bevorzugt wird ein Parameter, besonders bevorzugt k7, so gewählt, da die Dimensionierung der Beschaltung der Schutzanordnung mit für die Auslegung sinnvollen Werten erfolgen kann. Der andere Parameter ergibt sich entsprechend.

Die Referenzspannungsquelle 10 wird auf UR = k5.(Äia+ UBE(TO)) eingestellt.

Dasselbe Ergebnis lä t sich erzielen, wenn das Temperatursignal mit der Referenzspannung UR für die Abschaltschwelle addiert wird. In Fig. 12 ist dieses erfindungsgemä e Ausführungsbeispiel dargestellt. Der Ausgang von 8 wird von der Spannung der Spannungsquelle 10 subtrahiert. Das Ergebnis ist das gleiche wie oben beschrieben.

In Fig. 13 ist ein Beispiel zur Beschaltung einer erfindungsgemä en Schaltungsanordnung dargestellt. Logik und Gatetreiber U2 werden mit einem üblichen Baustein (z.B. LM9061 der Firma National Semiconductor) realisiert, welcher bereits eine übliche Restspannungsüberwachung enthält. Mit R4 wird die Spannung am Eingang THRE eingestellt.

Unterschreitet die Spannung an SENSE diesen Wert, wird der Leistungsschalter M1 abgeschaltet. Zur Temperaturmessung dient erfindungsgemä der Transistor Q3, der mit R2 und UlA als Stromquelle betrieben wird. Die Rolle von Block 8 aus Fig. 11 übernehmen U1B, Q2 und R5. Block 7 ist nicht explizit ausgeführt, er wird vereinfachend als Verbindung dargestellt.

U1C, Q 1 und R1 setzen die Spannung an R5 in einen Strom um, der am Widerstand R3 einen proportionalen Spannungsabfall hervorruft. An SENSE liegt die Summe von Restspannung und Temperatursignal an. Auf diese Weise wird der Addierer 12 realisiert. Die Konstanten X und a ergeben sich aus der Dimensionierung der Widerstände des Beschaltungsbeispiels.