DE2401701A1

DE2401701A1 - Transistorleistungsschalter

Info

Publication number: DE2401701A1
Application number: DE2401701A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Phys Conzelmann; Helmut Dipl Ing Keller; Karl Nagel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1974-01-15
Filing date: 1974-01-15
Publication date: 1975-07-17
Also published as: NL171765B; JPS6035852B2; BR7500289A; AU7701674A; DE2401701B2; NL171765C; FR2258058A1; NL7500413A; US4054828A; FR2258058B1; IT1028351B; GB1498271A; DE2401701C3; JPS50104562A

Description

R. 19 10

24.11.1973 Fb/Hö

Anlage zur

Patent- und

Ge"b r auchsmus t e rhi 1 f s anme ldung

ROBERT BOSCH GMBH, Stuttgart'

Transistorleistungsschalter

Die Erfindung "betrifft einen zum Schalten einer Last dienenden Transistorleistungsschalter mit einem Trei"bertransistor und einem Leistungstransistör.

Es ist "bereits ein Transistorleistungsschalter dieser Art bekannt, "bei dem der Kollektor des Leistungstransistors an den Kollektor des Treibertransistors und die Basis des Leistungstransistors an den Emitter des Treibertransistors angeschlossen ist. Diese als Darlingtonschaltung bekannte Schaltung wird häufig, beispielsweise in Spannungsreglern für Lichtmaschinen, als Transistorleistungsschalter verwendet, um mit niedrigen Steuerströmen auszukommen. Die mit dieser Schaltung erzielbare minimale Sättigungsspannung setzt sich zusammen aus der Basis-Emitter-Spannung des Leistungstransistors und

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der Kollektor-Emitter-Spannung des Treibertransistors. Beide Spannungen zusammen liegen in der Regel über 1 Volt, während mit einem Leistungstransistor allein noch Sättigungsspannungen unter 0,5 Volt zu erzielen sind.

Der mit einer Darlingtonschaltung ausgestattete Transistorleistungsschalter weist im eingeschalteten Zustand eine große Verlustleistung, im ausgeschalteten Zustand dagegen die Verlustleistung Hull auf. Wird diese Darlingtonschaltung nun mit unterschiedlichem Tastverhältnis betrieben, wobei unter Tastverhältnis das Verhältnis von Einschaltdauer zu Periodendauer zu verstehen ist, wie zum Beispiel im Spannungsregler einer Lichtmaschine, so schwankt die mittlere Verlustleistung zwischen einem Minimalwert in der Gegend von Null und dem bei Dauerstrich auftretenden Maximalwert, bei dem als Beispiel genannten Spannungsregler etwa zwischen 0,6 und 6 Watt. Enthält die Schaltung, zu der'der Transistorleistungsschalter gehört, temperaturabhängige Funktionen, so werden diese vom Tastverhältnis abhängig, es sei denn, daß es gelingt, den Transistorleistungsschalter von der übrigen Schaltung thermisch zu entkoppeln. Die thermische Entkopplung führt unter Umständen schon bei konventionellem Aufbau der Schaltungen mit diskreten Komponenten zu aufwendigen Konstruktionen, ist bei hybrid integriertem Aufbau noch schwieriger und bei monolithischer Integration der Gesamtschaltung nahezu unmöglich.

Diese Nachteile werden bei einem Transistorleistungsschalter der eingangs genannten Art vermieden, wenn gemäß der Erfindung die im Transistorleistungsschalter umgesetzte Verlustleistung unter Berücksichtigung der üblichen Streuung der Parameter der Bauelemente mindestens in einer nullten Näherung unabhängig vom Tastverhältnis ist.

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Dabei ist es besonders zweckmäßig, den Kollektor des Treibertransistors über einen ersten Widerstand mit dem einen Pol der Betriebsspannung und die Emitter der beiden Transistoren gemeinsam mit dem anderen Pol der Betriebsspannung zu verbinden, die Basis des Leistungstransistors mit dem Kollektor des Treibertransistors über einen zweiten Widerstand zu verbinden, die Summe der beiden Widerstände so zu wählen, daß bei gesperrtem Treibertransistor der auf die Basis des Leistungstransistors fließende Strom diesen in allen vorkommenden Betriebszuständen im Bereich der Sättigung hält, den ersten Widerstand so zu dimensionieren, daß bei eingeschaltetem Treibertransistor die Summe der in diesem Widerstand und im Kollektor-Emitter-Kreis des Treibertransistors umgesetzten Verlustleistung gleich beziehungsweise ungefähr gleich ist die Summe der Verlustleistungen, die bei gesperrtem Treibertransistor in den beiden Widerständen und im Leistungstransistor auftritt.

Besteht die durch den Transistorleistungsschalter zu schaltende Last aus einem ohmschen Widerstand, so wird durch diese Maßnahme erreicht, daß die in dem Transistorleistungsschalter umgesetzte Verlustleistung völlig beziehungsweise unter Berücksichtigung der üblichen Streuung der Parameter der Bauelemente nahezu völlig unabhängig vom Tastverhältnis wird. Besteht die durch den Transistorleistungsschalter zu schaltende Last dagegen aus einer mittels einer Freilaufdiode geklammerten Induktivität, so läßt sich durch diese Maßnahme nur erreichen, daß die in dem Transistorleistungsschalter umgesetzte Verlustleistung in einer nullten Näherung unabhängig vom Tastverhältnis wird, da in diesem Falle die¹ Amplitude des getakteten Stroms vom Tastverhältnis abhängig ist. Aus dieser nullten Näherung läßt sich in Weiterbildung der Erfindung eine erste Näherung dadurch erreichen, daß die in der Freilaufdiode umgesetzte Verlustleistung mit in div/Energiebilanz einbezogen wird.

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Enthält der Steuerkreis des Treibertransistors einen zum Treibertransistor komplementären Transistor, so ist auch die im Steuerkreis des Treibertransistors umgesetzte Verlustleistung mit in die Energiebilanz einzubeziehen derart, daß der Kollektorwiderstand des Treibertransistors so dimensioniert wird, daß bei eingeschaltetem Treibertransistor die Summe der in diesem Widerstand und im Kollektor-Emitter-Kreis des Treibertransistors umgesetzten Verlustleistung einschließlich der im Steuerkreis des Treibertransistors umgesetzten Verlustleistung gleich beziehungsweise ungefähr gleich ist der Summe der Verlustleistungen, die bei gesperrtem Treibertransistor in den beiden Widerständen und im Leistungstransistor auftritt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Leistungstransistor als Darlingtontransistor ausgebildet sein, was insbesondere in Schaltungen, die für hohe Betriebsspannungen ausgelegt sind, von Vorteil ist.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Schaltplan eines zum Schalten einer Last dienenden Transistorleistungsschalters gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt durch eine monolithisch integrierte Struktur einer Schaltung nach Fig. 1 ;

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 2;

Fig. 4 die Schaltung eines Leistungstransistors in einer Multizellenanordnung;

Fig. 5 einen Schnitt durch eine monolithisch integrierte Struktur einer Schaltung nach Fig. 1, in der der zweite Widerstand durch die Leitschichtdiffusion gebildet ist;

Fig. 6 eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 5; Fig. 7 einen Schnitt durch eine monolithisch integrierte

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Struktur einer Schaltung nach Fig. 1, in der der erste Widerstand durch die Leitschichtdiffusion und der zweite Widerstand durch die Basisdiffusion gebildet ist;

Fig. 8 eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 7;

Fig. 9 eine Draufsicht auf eine monolithisch integrierte Struktur einer Schaltung nach Fig. 1, in der der Treibertransistor senkrecht zu dem in einer Multizellenstruktur ausgeführten Leistungstransistor angeordnet ist;

Fig. 10 einen Treibertransistor in einer Kettenschaltung aus zwei Transistoren;

Fig. 11 eine aus zwei Transistoren bestehende, gegenüber Fig. abgewandelte Kettenschaltung für einen Treibertransistor;

Fig. 12 einen auf einen header montierten chip, der einen Transistorleistungsschalter gemäß der Erfindung enthält;

Fig. 13 die mechanische Ausführung eines Spannungsreglers für eine Lichtmaschine mit einem Transistorleistungsschalter ohne integrierte Freilaufdiode als Anwendungsbeispiel;-

Fig. 14 ein gleichartiges Anwendungsbeispiel wie das der Fig. 13, jedoch mit monolithisch integrierter Freilaufdiode;

Fig..15 die Struktur einer monolithisch integrierten Freilaufdiode.

Fig. 1 zeigt einen Transistorleistungsschalter zusammen mit der durch ihn zu schaltenden Last. Mit'1 ist der Treibertransistor, mit 2 der Leistungstransistor bezeichnet. R.. ist der Kollektorwiderstand des Treibertransistors 1 und Rp der Widerstand zwischen dem Kollektor des Treibertransistors 1 und der Basis des Leistungstransistors 2. Mit R, L ist die durch den Transistor-

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leistungsschalter zu schaltende Last bezeichnet, wobei R den Lastwiderstand und L, falls vorhanden, seine Induktivität bedeutet. Ferner sind R. der Kollektorbahnwiderstand und u_? das innere Kollektar-Emitter-Potential des Leistungstransistors 2, sowie D die Freilaufdiode mit ihrem inneren Potential Ug und ihrem Bahnwiderstand R-,. Mit L·.. ist der Strom durch R.. und R~ bezeichnet, wenn der Treibertransistor 1 stromlos ist, mit I,₂ der Strom durch R.., wenn der Treibertransistor 1 leitfähig ist; ferner ist I-, der Kollektorstrom des Leistungstransistors 2 im ständig eingeschalteten Fall und I₃ der Strom durch die Freilaufdiode; U. ist die Betriebsspannung.

Bei einer vorwiegend induktiven Last übernimmt die Freilaufdiode D den Strom Ip, sobald der Leistungstransistor 2 ausgeschaltet wird. Bezeichnet man mit m das Tastverhältnis, also das Verhältnis von Einschaltdauer zu Periodendauer, so ist

(1) I- = I_.m.

Mit Gleichung (1) ergeben sich aus Figur 1 die mittleren Verlustleistungen für den Steuerkreis Ng, und für den Lastkreis N_L zu (2) bzw. (3): .

(2) N₅^U₁I₁₂ - U₁. (I₁₂ - I₁₁J-

(3) Ü_L = (R₄-R₃).I^ m³ + T(U₂-U₃)

Besteht die Last im Kollektorkreis des Leistungstransistors 2 aus einem rein ohm'sehen Widerstand, so tritt an die Stelle der Beziehung ΤΪ. von Gleichung (3) die in Gleichung (4) wiedergegebene Beziehung N„:

(4) N_R = (u₂l₂ + R₄I₂ ² ).m

Wird die Freilaufdiode nicht mit in die Betrachtung einbezogen, so ist in Gleichung (3) U₃ und R₃ = 0 zu setzen. Gleichung (3)

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geht damit über in Gleichung (3a)

(3a)

N_L =

₂ m³ +

Die Parameter sind nun so zu wählen, daß die Summe aus der im Steuerkreis umgesetzten und der im Lastkreis umgesetzten Verlustleistung möglichst konstant bleibt. Es gilt somit die Beziehung (5) bzw. (5a):

(5)
(5a)

N,

+ Ni

const.

= const.

Die inneren Potentiale u_, u-, des Leistungstransistors 2 bzw. der Diode D können für diese Näherungsbetrachtung ohne weiteres als vom Strom Ip unabhängig betrachtet werden.

Der Erfolg einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung im Vergleich zu einer üblichen Darlington-Schaltung sei an einem Beispiel erläutert. Für das beschriebene Modell seien folgende Werte angenommen:

U₁ = 14 V I₂ = 5 A ■ I₁₁ = 0,2 A U₉ = 0,2 V

R₄ = 70 mSl

	^U3	^D1	8	V	^D2	8 V	^D3	7 V
Diode	^R3	0,	1		0,	07	■ 0,	07
Diode	0,		0,	0,

Vergleiche Darlington:; u- = 1,2 V = const.

In der Regel wird es nicht sinnvoll sein, die mittlere Gesamtverlustleistung N als Funktion des Tastverhältnisses m möglichst wenig um einen Mittelwert schwanken zu lassen, da für die Temperaturschwankung die Differenz zwischen der maximal und der minimal auftretenden Verlustleistung maßgebend ist. Der Strom I,.-

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läßt sich deshalb leicht bestimmen aus den Gleichungen (2) und
(3), indem man N₅^ für m = 0 gleichsetzt l\l, für m = 1. Die
Schwankung der Verlustleistung als Funktion des Tastverhältnisses ließe sich zwar minimieren durch geeignete Wahl der Diodenparameter, doch dürfte dieser Aufwand kaum gerechtfertigt sein. Um
die Abhängigkeit von den Diodenparametern aufzuzeigen, sind drei verschiedene Dioden D., D-, D„ angesetzt worden.

Aus Gleichung (6)

(6) N_st (m = 0) = N_L (m = 1)

ergibt sich für den Steuerstrom bei eingeschaltetem Treibertransistor 1 I,~ = 0,4 A.

In Tabelle 1 ist die mittlere Verlustleistung in Abhängigkeit vom Tastverhältnis m zusammengestellt für eine übliche Darlingtonschaltung und vier Anordnungen gemäß der der Erfindung, und zwar einmal ohne Einbeziehung der Freilaufdiode D und zum anderen unter Einbeziehung der Freilaufdiode mit verschiedenen Parametern.

Xastverh. m Sch a It u nq^~~~~ —-~.	0	0,2	0,4	0,6	0,8	1
Darlington	0	0,24	0,96	2,16	3,84	6
Erfindg. ohne Diode	5,6	5,1	4,75	4,7	4,9	5,55
Erfindg. mit D₁.	5,6	5,8	6,0	6,0	5,9	5,55
" mit D₂	5,6	5,8	5,9	5,9	5,8	5,55
" mit D₃	5,6	5,7	5,8	5,8	5,7	5,55

Tabelle 1:

Mittlere Verlustleistung in Watt in Abhängigkeit vom Tastverhältnis m für eine Darlington-Schaltung und Schaltungen gemäß der Erfindung mit induktiver Last.

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Γο/Ηΰ

Für diese Anordnungen ist in Tabelle 2 die als Fehler wirksame, maximal auftretende Verlustleistungsdifferenz zusammengestellt. Wie man sieht, geht die beim Darlington auftretende Schwankung von 6 W durch die Anwendung der Erfindung bereits ohne Einbeziehung der Freilaufdiode auf 0,9 W, also auf 15/a zurück. Mit Freilaufdiode beträgt die Schwankung der Verlustleistung sogar nur noch 0,25 W bis 0,45 W.

Schaltunq	ohne	Diode	max.Fehler
Darlington	mit mit mit	^D1 ^D2 ^D3	6 W
Erfindg.		0,9 W
Erfindg. I! U		0,45 W 0,35 W 0,25 W

Tabelle 2:

Maximale Schwankung der mittleren Verlustleistung im Bereich des Tastv/erhältnisses zwischen m = ο und m = 1 für eine Darlington-Schaltung und Schaltungen gemäß der Erfindung "bei induktiver Last.

Weisen die Parameter Fertigungsstreuungen auf, so wird der Fehler selbstverständlich größer. In Tabelle 3 ist dieser Fehler für drei verschiedene Strompaarungen Ι., λ , L·^ wiedergegeben. Wie man sieht, verdoppelt sich der Fehler, wenn die Widerstände bzw. die Ströme um - 15% schwanken. Der Vorteil gegenüber der Darlington-Schaltung ist aber immer noch beachtlich.

Ströme	ο,	2	A,	I	1	2 -	o,	4	A	A	max.	,35	Fehler
¹H =	D,	2	A,	I	1	2 ⁼	o,	35	A	0	,72	W
¹H =	D,	1	5 ,	I	1	2 ⁼	o,	3	0	,72	W
I₁₁ =									0	W

Tabelle 3:

Max. auftretende Fehler bei Schwankungen der Ströme I-i*» I^ i 15%. bzw. entsprechender Schwankungen der Widerstände FL, FL·

^um

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Werden diese Schaltungen in Dick- oder Dünnschichttechnik bzw. konventionell mit gedruckten Leiterplatten hergestellt, so können die Parameter wenigstens teilweise ausgeglichen bzw. recht genau eingehalten werden. In diesen Fällen kann es angebracht sein, auch noch die Verlustleistung des Ansteuerkreises für den Treibertransistor 1 mit zu betrachten. Dies dürfte dem Fachmann nach dem hier Gesagten keine Schwierigkeiten bereiten.

In der Struktur nach den Fig. 2 und 3 ist links der Treibertransistor 1 und rechts der Leistungstransistor 2 angeordnet, wobei die Achsen der streifenförmigen Elektroden senkrecht zueinander stehen, was bei einer Multizellenstruktur des Leistungstransistors 2 eine besonders günstige, platzsparende Anordnung ergibt. Es ist 90 das Substrat, 91 die darauf abgeschiedene epitaxiale 5chicht, 92 die Isolierungsdiffusion, 93 eine isolierende Deckschicht, 94 eine sogenannte Kollektoranschlußdiffusion, die in diesem Beispiel eine niederohmige Verbindung herstellt zwischen der Leitschicht L₁ und dem aus einem Metall, wie etwa Aluminium, bestehenden Anschlußkontakt 96 des Kollektors des Treibertransistors 1; ferner ist 95 die Verbindungsleitung von dem durch die Basisdiffusion gebildeten Widerstand R_? zu der Basis B2 des Leistungstransistors 2, 97 die Verbindungsleitung der Teilkollektoren C21, C22, C2n des Leistungstransistors 2 und 98, 99 die beiden Anschlußfenster des Widerstands R~ ♦

In der Multizellenstruktur nach Fig. 4 ist der Leistungstransistor 2 aufgespalten in die Teiltransistoren 21, 22, 23 ... 2n, ebenso der Widerstand R-, in 41, 42, 43 ... 4n, wobei jeder Teilwiderstand den η-fachen Wert des Widerstandes R^ aufweist. Bei einer Dimensionierung des Widerstandes R- gemäß der Erfindung ist der Spannungsabfall in den Teilwiderständen so groß_r daß die Stromverteilung auf die einzelnen Zellen stabil bleibt, sofern der Leistungstransistor 2 mit seinen Teiltransistoren 21, ...2n in dem Bereich der Emitterstramdichte betrieben wird,

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in welchem die Stromverstärkung mit zunehmendem Kollektorstrom abnimmt. Es sind deshalb keine Symmetrie- und Stabilisierungswiderstände in den einzelnen Zuleitungen zu den Emittern der Teiltransistoren 21, 22 ... 2n erforderlich.

In den Figuren 5 und 6 ist der Widerstand R^ bzw. die Teilwiderstände 41 ... mittels der Leitschichtdiffusion hergestellt; 100 ist hier der mittels der Kollektoranschlußdiffusion hergestellte Kontakt zwischen dem basisseitigen Ende des Widerstands R- und der Verbindungsleitung 95 zur Basis B2 des Leistungstransistors 2* Die übrigen Bezeichnungen stimmen mit denen der Fig. 2 und 3 überein.

Um Fläche zu sparen, ist es besonders zweckmäßig, die Widerstände R.. und Rp in zwei Ebenen übereinander anzuordnen. Die Figuren 7 und B zeigen eine Anordnung, in der der Widerstand durch die Leitschichtdiffusion und der Widerstand R₂ durch d: Basisdiffusion'gebildet ist.

Der Widerstand R.. weist die höchste Leistungsdichte auf. Um die Kristallfläche besser zu nutzen, kann es deshalb zweckmäßig sein, auch diesen Widerstand in mindestens zwei Teilwiderstände

aufzuspalten, wobei diese Teilwiderstände 3 1, 3 2, 3 3,

bis 3m parallel und/oder in Reihe geschaltet sein können; auch kann es zweckmäßig sein, die Teilwiderstände aus unterschiedlichen Diffusionszonen zu bilden.

Darüber hinaus ist die Multizellenstruktur des Leistungstransistors 2 angedeutet. Die Verbindung zwischen dem spannungsseitigen Ende des Widerstands R,. und der zur Betriebsspannung führenden Leitung 102 wird durch das Element 101, das mittels der Kollektoranschlußdiffusion erzeugt ist, hergestellt.

Bei Anordnungen für größere Ströme ist es vorteilhaft, wie in Fig. 9 spiegelbildlich zum Treibertransistor 1 eine zweite Multi-

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Zellengruppe des Leistungstransistors 2 anzuordnen.

Um den Leistungstransistor 2 auch bei höheren Kristalltemperaturen sicher zu sperren, muß der Treibertransistor 1 eine hinreichend niedrige Sättigungsspannung haben. Diese Bedingung läßt sich besonders einfach dadurch erreichen, daß der Treibertransistor 1 in Form einer Kettenschaltung ausgebildet wird. In dem dazugehörigen Schaltbild nach Fig. 10 sind 11 und 12 die den Treibertransistor 1 bildenden Transistoren. Der Kollektorwiderstand R₁ des Treibertransistors 1 ist jetzt in zwei Teilwiderstände aufgespalten, einen größeren Anteil 3a und einen niederohmigeren Anteil 3b. Die zwischen den Basen B11 und B12 und dem Basisanschluß B1 liegenden Widerstände 61 und 62 dienen dazu, die beiden Basisströme Ι_αΛΛ und I_n,-, sicher zu beherrschen.

till D 1 C

Eine weitere Möglichkeit für die Kettenschaltung des Treibertransistors 1 ist in Fig. 11 dargestellt. Dort sind die Transistoren 11 und 12 als Emitterfolger geschaltet, das heißt, der Emitter E11 ist mit der Basis B12 verbunden. Der Widerstand 63 dient als Basis-Ableitwiderstand.

Der großflächige chip wird zweckmäßigerweise auf den header mit leitfähigem Klebstoff aufgeklebt. Dabei läßt sich gleich die Verbindung zwischen dem header und den an Massepotential liegenden Teilen der gesamten integrierten Schaltung, wie etwa E1, E2 und andere nicht dargestellte Elemente, herstellen. In Fig. 12 ist 80 der header, 82 der chip, 83 der Klebstoff und 84 die Metallisierung der an Massepotential liegenden Teile.

Als Anwendungsbeispiel zeigt Fig. 13 den mechanischen Aufbau eines Spannungsreglers für eine Lichtmaschine. Der header 80 bildet gleich den Träger für die gesamte Konstruktion. Auf ihn ist mit leitfähigem Klebstoff 83 der Chip 82, der die Steuerschaltung in Verbindung mit einem Transistorleistungsschalter

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gemäß der Erfindung enthält, aufgeklebt; mit 74 sind die in den header BO vakuumdicht eingeschmolzenen Anschlüsse der integrierten Schaltung bezeichnet, die über die Bonddrähte 75 mit den nicht bezeichneten Anschlußflecken des chips 82 verbunden sind; 76 sind die beiden Bürsten, über die die Schleifringe des Ankers angeschlossen werden und die mittels des Bürstenhalters 77 gehalten werden; 71 sind Befestigungsnieten, 72 Isolierstücke und 73 eine Kontaktfeder für die Zuführung der Betriebsspannung. Die elektrische Schaltung kann durch weitere elektrische Bauelemente ergänzt sein; so ist 50 eine Freilaufdiode parallel zur Wicklung des Erregerfeldes und 51 ein Kondensator.

Figur 14 stellt dasselbe Anwendungsbeispiel dar. Hier ist jedoch die Freilaufdiode 50 monolithisch integriert und der Kondensator 51 mit im hermethisch dichten Gehäuse untergebracht. Der ganze Regler besitzt nur noch zwei isolierte Durchführungen für die Anschlüsse der positiven Betriebsspannung und des Erregerfelds. Den Masseanschluß bildet wieder das Gehäuse.

Figur 15 zeigt die Struktur einer monolithisch integrierten Freilaufdiode. In das Substrat 105 ist die vergrabene Leitschicht 106 eindiffundiert und darüber die Epitaxie 107 abgeschieden worden. Danach wurde die Isolierungsdiffusion 108 und teilweise mit ihr zusammen eine tiefe Anschlußdiffusion 109 eingetrieben. Die ebenfalls eindiffundierte Zone 110 bildet normalerweise die Basis der Transistoren; hier ist sie die eine Elektrode der Freilaufdiode D. Die andere Elektrode wird durch die epitaktische Schicht 107, die Leitschicht 106 und die Anschlußdiffusion 109 gebildet. Entscheidend für die Funktion ist, daß die tiefe Anschlußdiffusion die Diode ringförmig umgibt und sicher auf der vergrabenen Leitschicht 106 aufsitzt. Wird diese Diode nämlich in Durchlaßrichtung betrieben, so bildet die Elektrode 110 den Emitter, die andere Elektrode 106, 107 und 109 die Basis und das Substrat 105 den Kollektor eines parasitären T_ran-

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sistors. An diesem Transistor liegt die volle Betriebsspannung. Schon bei kleinen Kollektorströmen würde sich eine große Verlustleistung ergeben. Es muß deshalb sicher vermieden werden, daß Minoritätsladungsträger aus der epitaktischen Schicht 106 in den durch das Substrat 105 gebildeten Kollektorraum gelangen. Dies wird durch die hochdotierte Anschlußdiffusion erreicht, sofern diese, wie in der Zeichnung dargestellt, die andere Elektrode 110 ringförmig umgibt, da die Minoritätsladungsträger in den hochdotierten Zonen 106, 108 rekombinieren.

Der hier mit npn-Transistoren ausgeführte Transistorleistungsschalter läßt sich auch mit pnp-Transistoren ausführen. Bei monolithisch integrierter Bauweise sind die Strukturen komplementär; Spannungen und Ströme haben die umgekehrte Polarität beziehungsweise Richtung.

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Claims

ι ■: χ ? Robert Bosch GmbH j^ Fb/Hö Stuttgart Ansprüche

1. Zum Schalten einer Last dienender Transistorleistungsschalter mit einem Treibertransistor und einem Leistungstransistor, dadurch gekennzeichnet, daß die im Transistorleistungsschalter umgesetzte Verlustleistung unter Berücksichtigung der üblichen Streuung der Parameter der Bauelemente mindestens in einer nullten Näherung unabhängig vom Tastverhältnis ist.

,

2. Transistorleistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des Treibertransistors (1) über einen ersten Widerstand ■ (R,,) mit dem einen Pol der Betriebsspannung und die Emitter der beiden Transistoren (1, 2) gemeinsam mit dem anderen Pol der Betriebsspannung verbunden sind, daß die Basis des Leistungstransistors (2) mit dem Kollektor des Treibertransistors (1) über einen zweiten Widerstand (R₂) verbunden ist, daß die Summe der beiden Widerstände (R., R~) so gewählt ist, daß bei gesperrtem Treibertransistor (1) der auf die Basis des Leistungstransistors (2)fließende Strom diesen in allen vorkommenden Betriebszuständen im Bereich der Sättigung hält, wobei der erste Widerstand (R,,) so

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dimensioniert ist, daß bei eingeschaltetem Treibertransistor (1) die Summe der in diesem Widerstand (E.) und im Kollektor-Emitter-Kreis des Treibertransistors (1) umgesetzten Verlustleistung gleich beziehungsweise ungefähr gleich ist der Summe der Verlustleistungen, die bei gesperrtem Treibertransistor (1) in den beiden Widerständen (R,,, Ep) und im Leistungstransistor (2) auftritt.

3. Transistorleistungsschalter nach Anspruch 2 zum Schalten einer mittels einer Freilaufdiode geklammerten Induktivität, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Freilaufdiode (D) umgesetzte Verlustleistung mit in die Energiebilanz einbezogen ist.

4-, Transistorleistungsschalter nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der Steuerkreis (8) des Treibertransistors (1) einen zum Treibertransistor (1) komplementären Transistor enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die im Steuerkreis (8) des Treibertransistors (1) umgesetzte Verlustleistung mit in die Energiebilanz einbezogen ist derart, daß der Kollektorwiderstand (E.) des Treibertransistors (1) so dimensioniert ist, daß bei eingeschaltetem Treibertransistor (1) die Summe der in diesem Widerstand (E.) und im

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Kollektor-Emitter-Kreis des Treibertransistors (1) umgesetzten Verlustleistung einschließlich der im Steuerkreis (8) des Treibertransistors (1) umgesetzten Verlustleistung gleich beziehungsweise ungefähr gleich ist der Summe der Verlustleistungen, die bei gesperrtem Treibertransistor
(1) in den beiden Widerständen (IL, Eo) und im Leistungstransistor (2) auftritt.

5· Transistorleistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungstransistor (2) als Darlingtontransistor ausgebildet ist.

6. Transistorleistungsschalter nach Anspruch 3 in monolithisch integrierter Bauform mit einer durch die Basis-Kollektor-Strecke eines Transistors gebildeten JFreilauf diode, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, wie etwa eine tiefe Anschlußdiffusion an die vergrabene Leitschicht, welche die Stromverstärkung des sich mit dem Substrat bildenden, parasitären Transistors hinreichend weit unter 1
absenken.

7. Transistorleistungsschalter nach Anspruch 2 in monolithisch integrierter Bauförm, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen dem Kollektor des Treibertransistors (1) und der Ba-

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sis des Leistungstransistors (2) liegende Widerstand als Brücke vom Kollektor des Treibertransistors (1) zur Basis des Leistungstransistors (2) führt und daß die Metallisierung des Kollektors beziehungsweise Emitters des Leistungstransistors (2) auf der isolierenden Deckschicht über diesem Widerstand (Ro) angeordnet ist.

8. Transistorleistungsschalter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 in monolithisch integrierter Bauform, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungstransistor (2) aus einzelnen Zellen besteht.

9. Transistorleistungsschalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Basis jeder Zelle des Leistungstransistors (2) ein Teilwiderstand (41, 42, ... 4n) vorgeschaltet ist, wobei sämtliche Teilwiderstände (4-1, 42, ... '4n) den von der Basis des Leistungstransistörs (2) zum Kollektor des Treibertransistors (1) führenden Widerstand (Rp) ergeben.

10. Transistorleistungsschalter in monolithisch integrierter Bauform nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß der von der Basis des Leistungstransisbors (2) zum Kollektor des Treibertran-

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sistors (1) führende Widerstand (R2) beziehungsweise seine Teilwiderstände (41, 42, ... 4n) durch die Basisdiffusion gebildet werden.

11. Transistorleistungsschalter in monolithisch integrierter Bauform nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9> dadurch gekennzeichnet, daß der von der Basis des Leistungstransistors (2) zum Kollektor des Treibertransistors (1) führende Widerstand (Rp) beziehungsweise seine Teilwiderstände (41, 42, ... 4n) durch die Leitschichtdiffusion gebildet werden.

12. Transistorleistungsschalter in monolithisch integrierter Bauform nach mindestens einem der. Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Basis des Leistungstransistors (2) zum Kollektor des Treibertränsistors (1) führende Widerstand (Rp) beziehungsweise alle seine Teilwiderstände (41, 42, ...4n) in einer gesonderten Widerstandswanne untergebracht sind.

13. Transistorleistungsschalter in monolithisch integrierter Bauform nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektorwiderstand (R,,) des Treibertransistors (1) und/oder der von der Basis des Leistungstransistors (2) zum Kollektor des Treibertran-

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sistors (i) führende Widerstand (Rp) beziehungsweise die diesen Widerständen (R^, Rg) entsprechenden Teilwiderstände (31, 32, ... 3m und/oder 41, 42, ... 4n) in einer gerne ins aminen Wanne mit dem Treibertransistor (1) untergebracht sind.

14. Transistorleistungsschalter in monolithisch integrierter Bauform nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch geke71nzeich.net, daß der von der Basis des Leistungstransistors (2) zum Kollektor des Treibertransistors (1) führende Widerstand (Ro) beziehungsweise seine Teilwiderstände (41, 42, ... 4n) durch die Basisdiffusion gebildet sind, daß der Kollektorwiderstand (R,,) des Treibertransistors (1) beziehungsweise seine Teilwiderstände (31, 32, ... 3m) durch die Leitschichtdiffusion gebildet sind und daß diese beiden Widerstände (Rp, R,,) beziehungsweise ihre Teilwiderstände in einer gemeinsamen Wanne ganz oder teilweise übereinander angeordnet sind.

15· Transistorleistungsschalter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das kollektorseitige Ende des Kollektorwiderstandes (R,-) des Treibertransistors (1) beziehungsweise bei unterteiltem Kollektorwiderstand (R,,) die kollektorseitigen Enden der Teilwiderstände (31, 32, ... 3m) mit der Leitschicht des Kollektors des Treibertransistofs (1) direkt verbunden sind.

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16. Transistorleistungsschalter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierungsdiffusion, die zur Abgrenzung der Kollektorwanne des Treibertransistors (1) gegen die Widerstandswanne, in welcher der Kollektorwiderstand (R₁) des Treibertransistors (1) und der von der Basis des Leistungstransistors (2) zum Kollektor des Treibertransistors (1) führende Widerstand (Rp) beziehungsweise ihre Teilwiderstände (31, 32, ... 3m; 41, 42, ... 4n) untergebracht sind, dient, an der Verbindungsstelle des kollektorseitigen Endes des Kollektorwiderstandes (R^) des Treibertransistors (1) beziehungsweise an den Verbindungsstellen der kollektorseitigen Enden seiner Teilwiderstände (31, 32, ... 3m) mit der Leitschicht des Kollektors des Treibertransistors (1) unterbrochen ist.

17· Transistorleistungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche in monolithisch integrierter Bauform, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Treibertransistors (1), die durch die parallele Anordnung der Emitter-Basis-Kollektor-Anschlußbahnen gebildet wird, senkrecht zu der Achse des Leistungstransistors (2) steht und daß der KoI-lektorwiderstand (R,i) des Treibertransistors (i) und/oder der von der Basis des Leistungstransistors (2) zum Kollektor des Treibertransistors (1) führende Widerstand (R2)

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beziehungsweise ihre Teilwiderstände (31, 32, ... 3m und/oder 41, 42, ... 4n) zwischen dem Treibertransistor

(1) und dem Leistungstransistor (2) angeordnet sind.

18. Transistorleistungsschalter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen des Leistungstransistors

(2) in zwei Zellengruppen aufgeteilt sind, daß der Kollektorwiderstand (R,,) des Treibertransistors (1) und/oder der von der Basis des Leistungstransistors (2) zum Kollektor des Treibertransistors (i) führende Widerstand (Rp) beziehungsweise ihre Teilwiderstände (31, 32, ... 3m und/oder 41, 42, ... 4n) in zwei Widerstandsgruppen aufgeteilt sind und daß die beiden Zellengruppen und die beiden Widerstandsgruppen symmetrisch zur Mittelachse des Treibertransistors (1) angeordnet sind.

19· Transistorleistungsschalter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleiterbahn der einzelnen Emitter des Leistungstransistors (2) beziehungsweise die Leiterbahnen bei Zellengruppen entlang einer oder mehrerer Kristallkanten verlaufen.

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20. Transistorleistungsschalter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall mit elektrisch leitfähigem Klebstoff auf eine elektrisch, leitfällige Unterlage geklebt ist, die auf Emitterpotential liegt, und daß der elektrisch, leitfällige Klebstoff den Kontakt zwischen der auf der Kante der Kristalloberflache verlaufenden Verbindungsleitung der Emitter des Leistungstransistors (2) beziehungsweise den Verbindungsleitungen der Emitter und der elektrisch leitfähigen Unterlage herstellt.

21. Transistorleistungsschalter nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch eine Unterlage aus gut wärmeleitendem Material wie beispielsweise den Metallen Silber, Kupfer, Aluminium, Stahl oder keramischen Massen wie Beryllium-Oxid, Aluminium-Oxid oder anderen isolierenden Massen oder einem Verbund aus zwei oder mehreren der vorhergenannten Werkstoffe.

22. Transistorleistungsschalter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibertransistor (1) aus zwei Teiltransistoren (11, 12) besteht, deren Emitter direkt miteinander verbunden sind, deren Basen entweder direkt oder über ihnen jeweils vorgeschaltete Teilwiderstände (61, 62) mitein-

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ander verbunden sind und deren Kollektoren über einen Widerstand (3b) miteinander verbunden sind' (Fig. 10).

23. Transistorleistungsschalter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibertransistor (1) aus zwei Teiltransistoren (11, 12) besteht, deren Kollektoren über einen Widerstand (3b) miteinander verbunden sind und von denen der Emitter (E11) des ersten Teiltransistors (11) mit der Basis (B12) des zweiten Teiltransistors (12) verbunden ist (Pig. 11).

24. Transistorleistungsschalter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 23 ₅ dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der beschriebenen npn-Transitoren dazu komplementäre pnp-Transistoren verwendet sind.

25. Transistorleistungsschalter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Leistungstransistor aus mehreren Zellen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß jede einzelne Zelle des Transistors mindestens bei ihrem maximalen Betriebsstrom· in einem Stromdichijbereich betrieben wird, in dem die Stromverstärkung mit zunehmendem Kollektorstrom abnimmt.

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26. Transistorleistungsschalter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die größte Leistungsdichte aufweisende Kollektorwiderstand (2) des Treibertransistors (1) in mindestens zwei parallel und/oder in Reihe geschaltete Teilwiderstände aufgespalten ist.

27· Transistorleistungsschalter nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch parallel und/oder in Reihe geschaltete Teilwiderstände, die aus unterschiedlichen Diffusionszon^en gebildet werden.

28. Beliebige Schalöungsgruppe in Verbindung mit einem Transistorleistungsschalter nach mindestens einem der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beliebige Schaltungsgruppe ganz beziehungsweise nahezu ganz in einem Teilstück des den Transistorleistungsschalter enthaltenden Kristalles untergebracht ist.

29. Beliebige Schaltungsgruppe nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die beliebige Schaltungsgruppe in einem Teilstück des gemeinsamen Kristalles untergebracht ist, das sich an einem der freien Enden senkrecht zur Achse des Treibertransistors (1) und parallel zur Achse der Zellen des Leistungstransistors (2) befindet.

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30. Trägerkörper für den Kristall eines Transistorleistungsschalters nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 27 dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper für den Kristall so ausgebildet ist, daß seine Oberfläche zur Wärmeabgabe an die Umgebung durch ein U-förmiges beziehungsweise mit Rippen versehenes Profil vergrößert ist.

31. Trägerkörper nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere elektrische und/oder mechanische Bauelemente mit auf dem Trägerkörper untergebracht sind.

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