Leistungs-Schalttransitor mit integrierten Schutzfunktionen Monolithischer „Smart IGBT“ für elektronische Zündsysteme

Die „Smart IGBT“-Technologie von STMicroelectronics kombiniert einen vertikalen IGBT mit einem NMOS-Treiber sowie Polysilizium-Dioden und -Widerständen. Damit lassen sich Funktionen wie z.B. Strombegrenzung, Spannungsklemmung sowie Schutz vor Überhitzung und Schäden durch elektrostatische Entladungen in den Leistungstransistor implementieren. Das Grundkonzept dieser Technologie – die Herstellung des Leistungs-transistors und der Steuerungsfunktionen mit ein und demselben Prozess – bietet sich für zahlreiche Leistungs-Halbleiterbauelemente an.

Leistungs-Schalttransitor mit integrierten Schutzfunktionen

Die „Smart IGBT“-Technologie von STMicroelectronics kombiniert einen vertikalen IGBT mit einem NMOS-Treiber sowie Polysilizium-Dioden und -Widerständen. Damit lassen sich Funktionen wie z.B. Strombegrenzung, Spannungsklemmung sowie Schutz vor Überhitzung und Schäden durch elektrostatische Entladungen in den Leistungstransistor implementieren. Das Grundkonzept dieser Technologie – die Herstellung des Leistungs-transistors und der Steuerungsfunktionen mit ein und demselben Prozess – bietet sich für zahlreiche Leistungs-Halbleiterbauelemente an.

Der Trend zu immer kompakteren und kostengünstigeren Schaltungen veranlasst die Halbleiterunternehmen zur Entwicklung von Technologien, mit denen sich Leistungs-, Schutz- und Diagnosefunktionen auf einem Chip kombinieren lassen.

Ein von STMicroelectronics entwickelter Leistungs-Schaltkreis nutzt die IGBT-Technologie zur Realisierung eines hochspannungstauglichen, intelligenten Leistungschalters mit umfassenden Schutzfunktionen. In diesem monolithischen, „Smart IGBT“ genannten Bauteil sind Leistungsstufe (Treiber) und Kleinsignalstufen (Schutzfunktionen) in einem Siliziumkristall integriert. Damit bietet dieser Baustein für elektronische Zündsysteme ein entscheidendes Plus an Leistungsfähigkeit – verglichen mit konventionellen Zündspulen-Treibern. Er ermöglicht außerdem einen kosteneffektiven Schaltungsaufbau, der weniger Platz- und Kostenaufwand erfordert.

Die Smart-Power-IGBT-Technologie

Die Smart-Power-IGBT-Technologie ermöglicht die Integration einer IGBT-Leistungsstufe mit folgenden Kleinsignal-Funktionen:

  • NMOS-Anreicherungstransistoren,
  • Polysilizium-Widerstände,
  • Polysilizium-Dioden,
  • Strommess-IGBT,
  • Hochspannungs-Widerstände (von ST zum Patent angemeldet).

Der Produktionsprozess dieser Smart-Technologie entspricht dem eines herkömmlichen IGBT, und auch die Zahl der Masken für die Fotolithographie ist identisch. Als Leistungsstufe dient ein vertikaler IGBT im Strip-Layout, dessen Technologie für einen sehr geringen Spannungsabfall im eingeschalteten Zustand und für erhöhte Durchbruchfestigkeit (Latch-up Immunity) bürgt. Wie Bild 1 zeigt, ist zwischen das P+-Substrat und die N–-Driftregion eine N+-Pufferschicht eingefügt, um einen Punch-Through-IGBT zu realisieren. In einer solchen Struktur lässt sich die Dicke der N–-Driftregion ohne Beeinträchtigung der Sperrspannung in Durchlassrichtung reduzieren, da sich die Sperreigenschaften durch die N+-Pufferschicht verbessern. Dies führt zu einer Verringerung des Spannungsabfalls im eingeschalteten Zustand.

Bei den Kleinsignal-N-Kanal-MOSFETs handelt es sich um lateral diffundierte Anreicherungs-Transistoren (Bild 2). Gateoxid und Polysilizium sind mit der Leistungsstufe identisch. Drain und Source werden außerdem gemeinsam mit der Source-Implantation des IGBT hergestellt. Die Kanallänge ist auf dem gesamten Chip identisch, und die unterschiedlichen Stromtragfähigkeiten werden durch unterschiedlich große Umfänge realisiert. Bulk- und Source-Elektroden eines Transistors müssen kurzgeschlossen werden, und die Bulk-Zone ist elektrisch mit der Body-Zone des IGBT verbunden. Aus diesem Grund müssen die MOSFETs in Source-Schaltung betrieben werden.

Nun zu den Polysilizium-Elementen: Die Widerstände (Bild 3) werden aus P+-dotierten Polysilizium-Streifen gebildet, deren Eigenschaften von Temperaturänderungen kaum beeinflusst werden. Dies ist ein sehr wichtiges Kriterium, da diese Elemente hauptsächlich zur Implementierung der Spannungsteiler für die eingebauten Schutzfunktionen verwendet werden. Die P+-dotierten Streifen eignen sich außerdem besser als N+-dotierte Zonen zur Herstellung von Kontakten.

Die Polysilizium-Dioden basieren auf PN-Sperrschichten aus N+- und P+-dotierten Polysilizium-Streifen und dienen zur Integration verschiedener Strukturen:

  • Kollektor-Emitter-Klemmung
    Hiermit wird die Kollektor-Emitter-Spannung des Leistungs-Transistors auf einen bestimmten Maximalwert begrenzt. Zum Schutz der Sperrschicht zwischen Substrat und N-Driftregion muss dieser Grenzwert deutlich unterhalb der Durchbruchsspannung angesetzt werden, die durch die Dicke und Dotierung beider Schichten bestimmt wird.
  • Schutz vor Elektrostatischer Entladung (ESD, Electrostatic Discharge)
    Hiermit wird eine Beschädigung der Oxidschicht durch elektrostatische Entladungen verhindert.
  • Temperatursensor-Diode
    Dank der Temperaturabhängigkeit der Durchlassspannung einer PN-Sperrschicht (Bild 4) lässt sich die interne Sperrschichttemperatur des Bausteins erfassen.

Der Strommess-IGBT wird durch Aufteilung des Leistungs-Teils in mehrere identische Zellen realisiert. In Verbindung mit einem internen Strommesswiderstand ermöglicht dieses Element das Erfassen eines Stroms, der proportional zum Kollektorstrom ist und zur Regelung der Ansteuerspannung für den IGBT herangezogen werden kann. Überdies wird der maximale Ausgangsstrom der Leistungsstufe auf einen unkritischen Wert begrenzt.

Das letzte und zugleich innovativs-te integrierte Element ist der Hochspannungs-Widerstand (von ST zum Patent angemeldet). Er besteht aus einer JFET-Struktur, die als Hochspannungs-Widerstand dient und eine Rückkopplung vom Kollektor zum Gate des IGBT bewirkt.

Mit diesen Elementen – zusammen mit einem Leistungstransistor integriert – entsteht ein intelligenter Leistungsschalttransistor mit verschiedenen Schutzfunktionen; Schutzfunktionen, die für zahlreiche Anwendungen erforderlich sind und normalerweise mit externen Komponenten realisiert werden.

Elektronisches Zündsystem auf IGBT-Basis

Das elektronische Zündsystem erzeugt den Funken, mit dem in einem Benzinmotor das Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet wird. In den meisten Fällen werden zu diesem Zweck induktive Zündsysteme (Inductive Discharge Ignition, IDI) benutzt. Bei Motoren mit höheren Drehzahlen setzt man dagegen auf andere Lösungen, die jedoch komplexer und deshalb auch teurer sind als konventionelle, induktive Systeme. Ein IDI-Zündsystem besteht aus einer Zündspule, einem elektronischen Schalter und einer Zündkerze (Bild 5). Die Zündspule ist im Prinzip ein Transformator mit einem Windungsverhältnis im Bereich von 1:100. Nach dem Einschalten des primärseitigen Schalters fließt in der Primärwicklung ein Strom, der ein Magnetfeld in der Primärinduktivität erzeugt. In dieser Phase wird die Stromstärke auf der Primärseite durch den Spannungsabfall am Hochspannungsschalter (Uein) bestimmt. Die gespeicherte Energie beträgt 1/2 x L x I2; es baut sich ein magnetisches Feld auf. Sobald der primärseitige Schalter öffnet, bricht der Strom in der Primärwicklung – und damit das magnetische Feld – abrupt zusammen, wodurch die gespeicherte Energie in Form einer hohen Spannungsspitze freigesetzt wird. Der Maximalwert dieser Spannung wird meist auf einige hundert Volt an der Primärwicklung begrenzt, um die Sekundärspannung genau zu regeln. Diese Spannung liegt, um das Windungsverhältnis vervielfacht, an der Sekundärwicklung an, sodass eine genügend hohe Spannung (30 bis 40 kV) entsteht, um den Elektrodenabstand der Zündkerze mit einem Lichtbogen zu überbrücken. Der gesamte Vorgang läuft unter der direkten Kontrolle eines Mikrocontrollers ab, um zu gewährleisten, dass die Zündfunken zum richtigen Zeitpunkt und im richtigen Zylinder erzeugt werden.

Ein IGBT bringt ideale Voraussetzungen für die Anforderungen mit, die das neue elektronische Zündsystem an die Stromtragfähigkeit stellt, denn er verbindet die einfache Ansteuerung eines MOSFET mit der hohen Stromfestigkeit eines bipolaren Transistors. Verglichen mit einer bipolaren Struktur punktet ein IGBT mit folgenden Vorteilen:

  • höhere Stromtragfähigkeit als ein bipolarer Sperrschicht-Transistor mit gleicher Halbleiterfläche,
  • die Ansteuerung durch eine Spannung ist einfacher und reduziert die Verluste,
  • eingebauter Verpolungsschutz. Die interne P+/N+/N/P-Struktur bildet eine Folge von Dioden und schützt den Baustein somit vor Schäden, wenn die Batterieanschlüsse vertauscht werden.

In der vorliegenden Applikation wird sogar ein Merkmal, das sonst zu den Schwächen des IGBT gezählt werden muss, zu einem Vorteil. Bei der hier vorliegenden Struktur handelt es sich, wie erwähnt, um eine bipolare PNP-Stufe, die durch einen N-MOSFET angesteuert wird. Wenn der Baustein abgeschaltet wird und das Gate-Signal auf einen niedrigen Pegel zurückgeht, kann der Kollektorstrom nicht sofort auf Null fallen, da die Minoritätsträger in der Ausgangsstufe zunächst abfließen müssen. Dieser Effekt bewirkt einen Nachlaufstrom, der sich geringfügig auf die Verlustleistung des Bausteins auswirkt und die Ausschaltzeit des Schalttransistors erhöht. Die Folgen sind ein weniger steiler Rückgang des Stroms beim Abschalten und eine Verringerung der elektromagnetischen Störstrahlung (EMV), insbesondere bei hohen Motordrehzahlen. Diese Aspekte im Verbund mit dem Trend zum Einsatz von Stabzündspulen (Pencil Coils), bei denen es auf minimalen Platzbedarf ankommt, macht die Verwendung intelligenter Leistungs-IGBTs unumgänglich.

Der monolithische Smart IGBT von STMicroelectronics ist ein Baustein mit drei Anschlüssen, der sich ganz besonders für elektronische Zündsysteme eignet. In einem solchen Bauelement sind neben der eigentlichen Leistungsstufe die folgenden Funktionen integriert (Bild 6):

  • Überstromschutz
    Der Strommess-IGBT liefert ein um einen definierten Faktor herabskaliertes Abbild des Haupt-Ausgangsstroms, das zur Überwachung des Ausgangsstroms dient. Mit dieser Funktion lässt sich eine Strombegrenzung als Überlastungsschutz realisieren.
  • Überhitzungsschutz
    Der Überhitzungsschutz wirkt dynamisch auf das Treibersignal am Gate des Haupt-IGBT ein, um den Laststrom zu reduzieren, wenn die interne Temperatur einen bestimmten Grenzwert erreicht. Diese Funktion wird auch als „Soft Thermal Shutdown“ bezeichnet, da der Kollektorstrom nicht abrupt unterbrochen, sondern je nach der internen Sperrschichttemperatur lediglich reduziert wird (Bild 7).
  • Kollektor-Überspannungs-Schutz
    Um die unerwünschte Erzeugung von Zündfunken insbesondere bei einem Ansprechen der Strombegrenzung und des Überhitzungsschutzes zu verhindern, sorgen bestimmte eingebaute Schaltungen für eine Verbesserung der Sprungantwort. Durch Glätten der Kollektor-Oszillationen – mit Ausnahme der Abschaltphase – ist ein ordnungsgemäßer Betrieb des angesteuerten Zylinders gewährleistet (Bild 8).

Dipl.-Ing. Giovanni Luca Torrisi trat 1995 bei STMicroelectronics ein. Als IC-Designer arbeitete er im Bereich Power Electronic speziell an AC/AC-Wandlern und elektronischen Zündungen. Auf diesen Gebieten hält er mehrere Patente. 2002 wechselte er zum Technical Marketing Team und leitet jetzt eine Gruppe, die japanische und US-amerikanische Händler betreut.
Dipl.-Ing.Doriana Montella studierte Elektronik an der Universtät Catania auf Sizilien. Nach dem Diplom im Jahre 1999 begann sie bei STMicroelectronics als Product Engineer in der PMOS & IBGT Product Group. Zu ihren Aufgaben zählte das Testen der PMOS-FETs und IGBTs sowie die Überführung der Prozesstechnologie in die Serienfertigung. Seit 2002 arbeitet sie im technischen Marketing der Automotive Marketing Group.