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Die Erfindung bezieht sich auf eine Verpolschutzschaltung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.
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Elektrische und elektronische Geräte benötigen für den Betrieb eine Energieversorgung. In Kraftfahrzeugen werden diese Geräte typischerweise durch eine Energieversorgung mit einer Gleichspannungsquelle, wie zum Beispiel einer Batterie, betrieben. Die Energie wird hier den elektrischen und elektronischen Geräten über Verbindungsleitungen, die mittels Klemmen mit der Batterie verbunden sind, zugeführt. Es besteht hier auch die Gefahr, dass die Leitungsklemmen mit den falschen Polen der Batterie verbunden werden bzw. dass die Batterie verkehrt eingebaut wird. In diesem Falle werden die elektrischen und elektronischen Geräte mit der falschen Batteriegleichspannung, das heißt mit einer Spannung umgekehrter Polarität, versorgt. Man spricht hier von einer Verpolung. Diese Verpolung kann im Extremfall zur Zerstörung des elektronischen Gerätes führen.
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Zu diesem Zwecke weisen heutige Gleichspannungsenergieversorgungen typischerweise eine Verpolschutzschaltung auf, die die Gefahr der Zerstörung der anschließbaren elektronischen Geräte durch Verpolung verhindern soll.
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In der Publikation
US 5,546,264 A ist eine Verpolschutzschaltung der eingangs genannten Art beschrieben. Als Verpolschutzelement ist hier ein p-Kanal MOSFET-Transistor vorgesehen, dessen Laststrecke zwischen dem positiven Anschluss der Versorgungsspannungsquelle und einem Eingang der Elektronikschaltung angeordnet ist und dessen Steueranschluss über einen Messwiderstand mit dem negativen Anschluss der Versorgungsspannungsquelle sowie mit dem zweiten Eingang der Elektronikschaltung verbunden ist. Der MOSFET weist eine Inversdiode, die parallel zu dessen Laststrecke angeordnet ist, sowie zwei Zenerdioden als Überspannungsschutz, die zwischen dessen Source-Anschluss und Steueranschluss geschaltet sind, auf. Wesentlich an dieser Verpolschutzanordnung ist, dass der MOSFET nicht in der für ihn typischen Konfiguration verknüpft ist, das heißt die Drain-Source-Spannung ist umgekehrt zu der normalen Konfiguration.
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Im Normalbetrieb der Verpolschutzschaltung weist das Potential am Gate-Anschluss des MOSFETs über eine geeignete Dimensionierung des Widerstandes ein ausreichend hohes Potential auf, so dass der MOSFET leitend ist. Im Verpolungsfall weist das Potential am Gate-Anschluss über den Widerstand eine umgekehrte Polarität auf, so dass der MOSFET gesperrt ist. Im Normalbetrieb ist der MOSFET also eingeschaltet und im Verpolungsfall, das heißt bei Vertauschen der Polarität der Anschlussklemmen, ist der MOSFET abgeschaltet. Im Verpolungsfall verhält sich darüber hinaus die dem MOSFET inhärente Inversdiode zwischen Drain und Source wie ein Leerlauf und verhindert damit ebenfalls einen Stromfluss.
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Problematisch bei der in der
US 5,546,264 A dargestellten Verpolschutzschaltung ist die durch den MOSFET sowie durch den dessen Gatt-Anschluss ansteuernden Widerstand bedingte Verlustleistung, die im Normalbetrieb ständig verbraucht wird, weil der Stromfluss zwingend durch den eingeschalteten MOSFET-Transistor sowie durch den Widerstand fließen muss. Die Verlustleistung ist vor allem dann außerordentlich hoch, wenn durch den dem MOSFET nachgeschalteten Halbleiterschalter hohe Ströme bzw. Spannungen geschaltet werden müssen. In diesem Fall ist der Spannungsabfall, der im Normalbetrieb an der Verpolschutzschaltung ständig abfällt, unakzeptabel hoch, da dadurch die effektive Spannung an der nachgeschalteten Last bzw. der elektronischen Schaltung reduziert wird.
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Aus der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrunde liegenden Publikation
DE 694 18 286 T2 ist bereits ein Treiberschaltkreis mit schwebendem Gate als Verpolschutz bekannt. Bei Anschluss einer Batterie mit vertauschten Polen wird ein Mosfet zwischen seinem Gate- und Sourceanschluss kurzgeschlossen. Dadurch können Schäden an integrierten Schaltungen vermieden werden, die durch eine falsch angeschlossene Batterie hervorgerufen werden können.
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Publikation
US 5 426 334 A zeigt eine Ladungspumpe, die zum Laden eines Gateanschlusses an einem Transistor verwendet werden kann. Durch den Schaltkreis der Ladungspumpe kann ein Mosfet ein- und ausgeschaltet werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verpolschutzschaltung der eingangs genannten Art mit verbesserter Verlustleistung im Normalbetrieb bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Verpolschutzschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die Erfindung sieht vor, dass bei einer Verpolschutzschaltung das Steuerpotential eines Verpolschutzschalters über einen Oszillator einer Steuereinrichtung bis zu einem zweiten vorgegebenen Wert aufgeladen wird. Anschließend wird der Oszillator wieder abgeschaltet. In diesem abgeschalteten Zustand des Oszillators verbraucht die Steuereinrichtung keinen bzw. allenfalls einen minimalen Strom, wodurch ein in Bezug auf die Verlustleistung optimierter Betrieb der Verpolschutzschaltung gewährleistet wird. Dadurch, dass im ausgeschalteten Zustand die Steuereinrichtung keinen Strom verbraucht, wird auch keine unerwünschte EMV-Abstrahlung erzeugt.
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Sollte nach einer gewissen Zeit das Gate-Potential, beispielsweise über Sperr- oder Leckströme wieder entladen werden, so sieht die erfindungsgemäße Verpolschutzschaltung eine Messeinrichtung vor, die das Potential am Steueranschluss des Verpolschutzschalters misst und für den Fall, dass dieses Potential unter einen ersten vorgegebenen Wert fällt, den Oszillator wieder dazu veranlasst, das Gate-Potential aufzuladen. Zu diesem Zweck stellt die Messeinrichtung ein vom Steuerpotential abgeleitetes Signal – beispielsweise ein Strom- oder Spannungsmesssignal – bereit, welches die Steuereinrichtung bzw. den darin enthaltenen Oszillator bei Erreichen der beiden Schwellenwerte ein- bzw. ausschaltet. Der in der Steuereinrichtung enthaltene Oszillator erzeugt Impulse, die im eingeschalteten Zustand einem nachgeschalteten Pumpkondensator und Ladegleichrichter zugeführt werden, wodurch im wesentlichen gleichgerichtete Ladungsimpulse erzeugt werden, die dem Steueranschluss des Verpolschutzschalters zugeführt werden. Auf diese Weise wird die Gate-Kapazität des Verpolschutzschalters nur solange wie erforderlich aufgeladen.
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Der Oszillator ist somit lediglich für die Zeitdauer in Betrieb, in der das Gate-Potential von einem ersten vorgegebenen Wert bis zu einem zweiten vorgegebenen Wert aufgeladen werden soll. Ist das Gate-Potential ausreichend hoch, so bleibt der Oszillator ausgeschaltet und verbraucht somit auch keinen Strom.
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Die Zeitdauer, für die der Oszillator im ausgeschalteten Zustand verharrt, ist typischerweise sehr viel größer, als die Zeitdauer, in der er das Gate-Potential wieder auflädt. Bei sehr klein dimensionierten Verpolschutzschaltern, die geringe Lastströme schalten und die nahezu keine Leckströme bzw. geringste Sperrströme aufweisen, kann es sein, dass der Oszillator über mehrere Tage hinweg nicht aktiviert wird. Bei Verpolschutzschaltern zum Schalten großer Lasten, beispielsweise bei sogenannten Depletion-Leistungs-MOSFETs, ist die Zeitdauer, in der der Oszillator abgeschaltet ist aufgrund der größeren Leck- und Sperrströme zwar sehr viel geringer, jedoch wird insbesondere hier sehr viel Verlustleistung durch das Abschalten des Oszillators gespart.
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Erfindungswesentlich ist, dass der zweite Schwellenwert betragsmäßig größer ist als der erste Schwellenwert, wobei beide Wert größer sind als die Einsatzspannung des Verpolschutzschalters. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der erste und/oder der zweite Schwellenwert – beispielsweise durch eine programmgesteuerte Einheit – einstellbar sind. Der erste und/oder der zweite Schwellenwert können vorteilhafterweise gleich in der Funktionalität des Oszillators mitimplementiert sein, jedoch könnten sie auch allgemein in der Steuereinrichtung und/oder in der Messeinrichtung vorgesehen sein.
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Die Erfindung eignet sich besonders vorteilhaft, wenn jeweils ein Anschluss mit dem positiven Versorgungspotential und der andere mit dem Potential der Bezugsmasse beaufschlagt ist. Der Verpolschutzschalter kann dann im positiven Zweig, das heißt zwischen der Last und dem positiven Versorgungspotential, angeordnet sein. Jedoch eignet sich die Erfindung auch, wenn die Verpolschutzschaltung im negativen Zweig angeordnet ist.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn in der Messeinrichtung gleichzeitig auch eine Kurzschlussfunktionalität implementiert ist. Hier wird die Spannung zwischen dem Steueranschluss und einem Lastanschluss des Verpolschutzschalters gemessen. Im Fall einer Verpolung werden diese Anschlüsse miteinander kurzgeschlossen.
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In einer typischen Ausgestaltung der Erfindung ist der Verpolschutzschalter als MOSFET, insbesondere als Enhancement-MOSFET ausgebildet. Insbesondere für Verpolschutzschaltungen im Automobilbereich sind diese MOSFETs als Leistungs-MOSFETs ausgebildet. Ein derartiger MOSFET weist technologiebedingt typischerweise eine der Laststrecke des MOSFET parallel geschaltete Inversdiode auf, über der eine Spannung von 0,7 V abfällt. Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn der MOSFET des Verpolschutzschalters ohne diese Inversdiode auskommt. Ein MOSFET ohne mitintegrierte Inversdiode weist einen geringeren Spannungsabfall von etwa 0,1 mV auf. Die Verlustleistung dieses MOSFETs verursacht durch die entsprechenden Leckströme kann durch einen MOSFET ohne Inversdiode signifikant reduziert werden.
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Typischerweise weist die Verpolschutzschaltung eine mit dem Ausgang der Verpolschutzschaltung oder dessen Versorgungsspannungsquelle verbundene Spannungsreduziereinrichtung auf, die im Verpolungsfall ein Rückwärtsleiten des MOSFET verhindert. Im einfachsten Fall kann diese Spannungsreduziereinrichtung aus einer oder mehreren Dioden bestehen, die im Normalbetrieb in Flussrichtung gepolt sind und die im Verpolungsfall in Sperrrichtung gepolt sind. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann jedoch die Spannungsreduziereinrichtung auch einen mit dem Steueranschluss des Verpolschutzschalters und einem Versorgungspotential verschalteten steuerbaren Schalter aufweisen, der im Verpolungsfall den Verpolschutzschalter sperrend schaltet.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Verpolschutzschaltung in einem oder mehreren Halbleiterkörpern monolithisch integriert ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt dabei:
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1 das Blockschaltbild einer Anordnung mit Verpolschutzschaltung;
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2 eine Stromspannungskennlinie für eine Verpolschutzschaltung entsprechend 1;
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3 ein allgemeines Schaltbild einer erfindungsgemäßen Verpolschutzschaltung für eine elektronische Schaltung;
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4 den Signalverlauf des Gate-Potentials und des Gate-Stroms des Verpolschutz-MOSFETs;
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5 ein detailliertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verpolschutzschaltung.
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In allen Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente – sofern nichts anderes gesagt wird – mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung mit Verpolschutzschaltung. In 1 ist mit 1 die Verpolschutzschaltung bezeichnet. Die Verpolschutzschaltung 1 ist zwischen zwei Klemmen 2, 3 einer Gleichspannungsquelle angeordnet. Im vorliegenden Fall ist die erste Klemme 2 mit einem positiven Batteriepotential Vbb beaufschlagt, während die zweite Klemme 3 mit einem Bezugspotential GND beaufschlagt ist. Es wäre auch möglich, dass an der zweiten Klemme 3 ein negatives Versorgungspotential anliegt. Zwischen der Verpolschutzschaltung 1 und der zweiten Klemme 3 ist eine Last 4, die beispielsweise eine elektronische Schaltung sein kann, angeordnet. Die Last 4 weist typischerweise einen – in 1 nicht dargestellten – steuerbaren Halbleiterschalter zum Schalten der elektrischen Energie auf. Die Verpolschutzschaltung 1 ist typischerweise, jedoch nicht notwendigerweise, ebenfalls mit dem Potential der Bezugsmasse GND gekoppelt. Am Ausgang 5 der Verpolschutzschaltung 1 ist ein Ausgangspotential Vout abgreifbar, so dass über der Verpolschutzschaltung 1 die Spannung V abfällt und ein Strom I durch die Verpolschutzschaltung 1 fließen kann.
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2 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie für eine Verpolschutzschaltung 1 entsprechend 1. Wird die Verpolschutzschaltung 1 im Flussbetrieb betrieben, dann sollte die Stromspannungskennlinie im Normalbetrieb die Kurve A und im Verpolfall die Kurve C aufweisen. Im Sperrbetrieb der Verpolschutzschaltung zeigt die Kennlinie den Kurvenverlauf B.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verpolschutzschaltung 1. Die Verpolschutzschaltung 1 weist einen Verpolschutzschalter 10 auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Verpolschutzschalter 10 als steuerbarer Halbleiterschalter 10 ausgebildet. Der steuerbare Halbleiterschalter weist hier einen n-Kanal Enhancement-MOSFET 11 auf. Parallel zur Laststrecke des MOSFET 11 und damit zwischen dessen Drain-Anschluss D und Source-Anschluss S ist eine Inversdiode 12 geschaltet, wobei der Anodenanschluss der Inversdiode 12 mit dem Source-Anschluss S und der Kathodenanschluss mit dem Drain-Anschluss D verbunden ist. Der Verpolschutzschalter 10 ist zwischen der Klemme 2 mit dem positiven Versorgungspotential Vbb und dem Ausgang 5, an dem das Ausgangspotential Vout abgreifbar ist, angeordnet.
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Angesteuert wird der MOSFET 11 über seinen Gate-Anschluss G von einer Steuereinrichtung 13. Die Steuereinrichtung 13 ist eingangsseitig ebenfalls zwischen der Klemme 2 und dem Ausgang 5 angeordnet. Ausgangsseitig erzeugt die Steuereinrichtung 13 ein Ansteuersignal IG zur Ansteuerung des Gate-Anschlusses G des MOSFETs 11. Die Steuereinrichtung 13 weist eine Oszillatorschaltung 14 mit parallel geschalteter Zenerdiode 15 auf. Dem Ausgang der Oszillatorschaltung 14 ist ein Pumpkondensator 16 sowie ein Ladegleichrichter 17 bestehend aus zwei Dioden 18, 19 nachgeschaltet. Der Oszillator 14 weist einen weiteren Eingang auf, in den ein Enable-Signal EN einkoppelbar ist. Über das Enable-Signal EN ist die Oszillatorschaltung 14 ein- bzw. ausschaltbar.
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Erfindungsgemäß ist eine Messeinrichtung 20 vorgesehen, die parallel zu dem Gate-Anschluss G und dem Source-Anschluss S des MOSFETs 11 angeordnet ist. Die Messeinrichtung 20 ermittelt somit die Gate-Source-Spannung VGS und erzeugt an ihrem Ausgang ein vom Messsignal abgeleitetes Signal IM, das der Oszillatorschaltung 14 zuführbar ist. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Oszillatorschaltung 14 ein Statussignal IS erzeugt, welches der Messeinrichtung 20 zugeführt wird. Das Statussignal IS wurde in 3 lediglich strichliert dargestellt, da es für die Funktion der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nicht unbedingt notwendig ist.
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Die Schaltungsanordnung entsprechend 3 weist darüber hinaus eine Spannungsreduziereinrichtung 21 auf. Die Spannungsreduziereinrichtung 21 ist hier zwischen der Klemme 2 mit dem positiven Versorgungspotential Vbb und den Eingängen der Oszillatoreinrichtung 14 sowie der Messeinrichtung 20 angeordnet.
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Die Steuereinrichtung 13 ist darüber hinaus typischerweise ebenfalls mit dem Bezugspotential GND verbunden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der mit dem positiven Versorgungspotential gekoppelte Eingang der Oszillatoreinrichtung über einen Lastwiderstand 24 mit dem Bezugspotential GND verbunden. Der Widerstand 24 gewährleistet, dass im Verpolfall das Potential am Gate-Anschluss G des MOSFETs 11 definiert auf 0 Volt gezogen wird.
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Die dem Oszillator 14 parallel geschaltete Zenerdiode 15 gewährleistet einen Überspannungsschutz für die Oszillatorschaltung 14, das heißt eine Überspannung bzw. ein Überstrom wird stets über die Zenerdiode 15 abgeleitet und die Oszillatorschaltung 14 bleibt funktionsfähig.
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Als Oszillatorschaltung 14 kann jede Art von Oszillator, beispielsweise ein Sinusoszillator, Rechteckgenerator, Sägezahngenerator oder aber auch ein nur zum Teil integrierter Oszillator, wie der Pearce-Oszillator mit Fußpunktkondensator und extern angeschlossenem Schwingquarz, verwendet werden. Die Ausgestaltung eines Oszillators 14 zur Ansteuerung des MOS-FETs 11 über Pumpkondensatoren 16 und Ladegleichrichter 17 dürfte dem Fachmann hinreichend bekannt sein, so dass nachfolgend auf den genauen Aufbau eines solchen Oszillators 14 nicht weiter eingegangen wird.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Verpolschutzschaltung gemäß 3 anhand der Signalverläufe in 4 näher erläutert:
Im Normalbetrieb, das heißt bei richtig angeschlossenen Klemmen 2, 3 (wie in 3 dargestellt), ist der Source-Anschluss S des MOSFETs 11 mit dem positiven Versorgungspotential Vbb beaufschlagt und der Drain-Anschluss D über die Last 4 mit dem Bezugspotential GND gekoppelt. Bei positivem Versorgungspotential Vbb wird auch dem Oszillator eine Betriebsspannung zugeführt und der Oszillator 14 beginnt zu schwingen. Bei schwingendem Oszillator 14 erzeugt dieser ein Ausgangssignal, welches dem Pumpkondensator 16 und dem diesem nachgeschalteten Ladegleichrichter 17 zugeführt wird. Es werden dadurch Ansteuerimpulse IG erzeugt, die dem Gate-Anschluss G des MOSFETs 11 zugeführt werden. Die Gate-Kapazität des MOSFET 11 wird also vom Zeitpunkt t1, bei dem der Oszillator 14 zu schwingen beginnt, auf ein Gate-Potential VG, das größer ist als das Versorgungspotential Vbb sowie größer ist als die Einsatzspannung des MOSFETs 11, kontinuierlich aufgeladen. Der MOSFET 11 wird dadurch zunehmend niederohmig. Während des Aufladens des Gate-Potentials VG misst die Messeinrichtung 20 kontinuierlich das Gate-Potential VG, indem sie den Spannungsabfall VGS zwischen der Gate-Source-Strecke des MOSFETs 11 abgreift. Erreicht das Gate-Potential VG zum Zeitpunkt t2 einen zweiten Schwellenwert VS2, dann wird der Oszillator 14 abgeschaltet.
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Anschließend entlädt sich die Gate-Kapazität des MOSFET 11 bedingt durch Sperrströme der Spannungsreduziereinrichtung 21 und der Messeinrichtung 20 bzw. durch Leckströme des MOSFET 11 wieder. Erreicht das Gate-Potential VG zum Zeitpunkt t3 einen ersten Schwellenwert VS1, der niedriger als der zweite Schwellenwert VS2 ist, jedoch höher als die Batteriespannung Vbb und die Einsatzspannung des MOSFET 11, dann wird der Oszillator 14 wieder eingeschaltet. Der Oszillator 14 lädt dann das Gate-Potential VG wieder solange auf, bis das Gate-Potential VG zum Zeitpunkt t4 den zweiten Schwellenwert VS2 erreicht. Zum Zeitpunkt t4 wird der Oszillator wieder abgeschaltet.
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Die Messeinrichtung 20 stellt fest, wie groß die Gate-Source-Spannung VGS und somit das Gate-Potential VG ist und stellt darüber dem Oszillator 14 ein analoges Messsignal IM zur Verfügung. Der Oszillator 14 beinhaltet typischerweise die Ansteuerung entsprechend dem vorgegebenen unteren bzw. oberen Schwellenwert VS1, VS2, die den Oszillator 14 dazu veranlassen, zu ”laufen” oder ”nicht zu laufen”. Im ”Nicht-laufen”-Zustand des Oszillators 14 wird kein oder ein minimaler Strom von < 1 μA verbraucht.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung könnte der Oszillator 14 auch ein Statussignal IS bereitstellen, welches der Messeinrichtung 20 zugeführt wird. Über das Statussignal IS könnte beispielsweise der Messeinrichtung 20 signalisiert werden, in welchem Betriebszustand sich der Oszillator 14 befindet. Im Falle des ”Nicht-laufen”-Zustandes könnte dann beispielsweise die Messeinrichtung 20 ebenfalls in einen stromsparenden Modus gesteuert werden.
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Im Verpolungsfall, das heißt wenn an der Klemme 2 ein negatives Versorgungspotential bzw. das Bezugspotential GND und an der Klemme 3 das positive Versorgungspotential Vbb anliegt, wird die Gate-Source-Strecke des MOSFET 11 über die Messeinrichtung 20 kurzgeschlossen. Da in diesem Fall die Gate-Kapazität des MOSFET 11 vollständig entladen wird, ist der MOSFET 11 gesperrt und es fließt somit kein Laststrom I.
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Über die Spannungsreduziereinrichtung 21 wird gewährleistet, dass auch im Verpolungsfall der Knoten K1 nie über das Potential Vout am Ausgang 5 steigt.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel entsprechend 3 wurde die Messeinrichtung 20 als Bestandteil der Steuereinrichtung 13 dargestellt. Selbstverständlich könnte die Messeinrichtung 20 auch extern ausgebildet sein. Darüber hinaus wurde, wie vorstehend beschrieben, der Oszillator 14 so ausgestaltet, dass ihm ein vom Gate-Potential VG abgeleitetes Messsignal IM in analoger Form zugeführt wird und der Oszillator die Auswertung des analogen Messsignals IM in Zusammenhang mit den jeweiligen Schwellenwerten VS1, VS2 selbst vornimmt. Es wäre jedoch auch denkbar, dass die Auswertung des gemessenen Gate-Potentials VG in Abhängigkeit der Schwellenwerte VS1, VS2 bereits durch die Messeinrichtung 20 vorgenommen wird. Die Messeinrichtung 20 müsste dann lediglich ein Einschaltsignal IM bereitstellen, über welches der Oszillator 14 in den ”Laufen”-Zustand oder in den ”Nicht-laufen”-Zustand gesteuert wird.
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In den Signal-Zeit-Diagrammen entsprechend 4 sind die Zeitabstände dem besseren Verständnis wegen nur symbolisiert dargestellt. In der Praxis ist die Zeitdauer, in der der Oszillator 14 läuft, zum Beispiel t4 – t3, sehr viel kürzer, als die Zeitdauer, zum Beispiel t3 – t2, in der der Oszillator 14 nicht läuft. In der Praxis wird der Oszillator 14 typischerweise in weniger als 1% der Zeit laufen und damit Strom verbrauchen.
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5 zeigt ein detailliertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäß Verpolschutzschaltung, bei der insbesondere die Messeinrichtung 20 sowie die Spannungsreduziereinrichtung 21 schaltungstechnisch detaillierter dargestellt wurden.
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Die Messeinrichtung 20 weist, wie bereits oben erwähnt, einen Kurzschlussschutz auf. Zu diesem Zweck ist ein n-Kanal MOSFET 30 zwischen dem Steueranschluss G und der Klemme 2 mit dem Versorgungspotential Vbb angeordnet. Im Normalbetrieb ist dieser MOSFET 30 gesperrt und im Verpolungsfall durchgeschaltet, wodurch die Gate-Source-Strecke des MOSFET 11 kurzgeschlossen wird. Angesteuert wird der MOSFET 30 über einen Spannungsteiler bestehend aus zwei Widerständen 31, 32, deren Mittelabgriff 33 mit dem Steueranschluss des MOSFETs 30 verbunden ist, und einer in Sperrrichtung geschalteter Diode 34.
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Die Messeinrichtung 20 weist ferner einen weiteren n-Kanal MOSFET 35 auf, dessen Laststrecke in Reihe mit einem als Diode geschalteten MOSFET angeordnet ist. Der Steueranschluss des MOSFET 35 ist mit dem Steueranschluss G des Verpolschutz-MOSFET 11 verbunden. Über den MOSFET 35 und die Diode 36, die als Spannungsteiler fungiert, ist eine stromlose Erfassung des Gate-Potentials VG möglich. Am Mittelabgriff 37 zwischen MOSFET 35 und Diode 36 ist ein Signal 38 abgreifbar, welches dem Steueranschluss eines p-Kanal MOSFET 39 zuführbar ist. Die Laststrecke des MOSFET 39 ist in Reihe mit zwei Widerständen 40, 41 angeordnet und zwischen dem Versorgungspotential Vbb und dem Eingang der Oszillatoreinrichtung 14 geschaltet. Am drainseitigen Ausgang 42 des MOSFET 39 ist das Messsignal IN abgreifbar, welches in oben beschriebener Weise der Oszillatoreinrichtung 14 zuführbar ist.
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Darüber hinaus weist die Verpolschutzschaltung in 5 eine Spannungsreduzierereinrichtung auf, die durch einen Widerstand 43 und einen p-Kanal MOSFET 44 ausgebildet ist. Der Widerstand 43 ist hier zwischen einer Ladegleichrichter-Diode 18 und dem Versorgungspotential Vbb angeordnet. Der MOSFET 44 ist mit seiner Laststrecke über den Widerstand 43 zwischen die Klemme 2 und die Klemme 5 geschaltet. Der Steueranschluss des MOSFET 44 ist mit der Oszillatorschaltung 14 verbunden.
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Die Verpolschutzschaltung 1 kann in monolithisch integrierter Form oder in diskretem Aufbau realisiert sein. Bei monolithischer Integration bietet sich hier eine 2-Chip-Lösung an, wobei der eine Chip beispielsweise den Verpolschutzschalter 10 und der andere Chip die Steuereinrichtung 13 samt Messeinrichtung 20 und Spannungsreduziereinrichtung 21 enthält. Durch den herausgeführten Gate-Anschluss G des MOSFET 11, der mit der Steuereinrichtung 13 verbunden ist, lassen sich in bekannter Weise noch ein oder mehrere weitere Verpolschutz-MOSFETs 13 parallel dazuschalten und somit die Stromtragfähigkeit dieser Elemente steigern.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Verpolschutzschalter 10 auf einem einzigen Halbleiterchip integriert. Die Steuereinrichtung 13 zusammen mit der Messeinrichtung 20 und der Spannungsreduziereinrichtung 21 können dann auf einem anderen Halbleiterchip integriert sein. Diese beiden Halbleiterchips lassen sich dann extern miteinander verschalten und können vorteilhafterweise in einem einzigen Gehäuse, in dem Beispielsweise auch die Last 4 bzw. die elektronische Schaltung angeordnet ist, eingebaut werden.
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Die Erfindung sei nicht ausschließlich auf die Ausführungsbeispiele gemäß der 3 und 5 beschränkt. Vielmehr können beispielsweise durch Austauschen der Leitfähigkeitstypen n gegen p eine Vielzahl neuer Schaltungsvarianten angegeben werden. Darüber hinaus können insbesondere die in 3 angegebenen Schaltungsblöcke, das heißt der Oszillator 14, die Messeinrichtung 20, die Spannungsreduziereinrichtung 21 sowie der Ladegleichrichter 17, auf mannigfaltige Art und Weise schaltungstechnisch realisiert sein. Denkbar wäre hier auch eine programmgesteuerte Realisierung der Steuereinrichtung 13, beispielsweise durch einen Mikrocontroller oder einen Prozessor.
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Darüber hinaus wurde in den 3 und 5 die Erfindung jeweils anhand eines als MOSFET 11 ausgebildeten Verpolschutzschalters 10 dargestellt. Selbstverständlich ließe sich der Verpolschutzschalter 10 durch einen beliebig anders ausgebildeten steuerbaren Schalter, wie beispielsweise einen IGBT, einen Thyristor, einen Triac, einen Bipolartransistor und dergleichen ersetzen.
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Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass durch die wie beschrieben aufgebaute Verpolschutzschaltung mit der dem Verpolschutzschalter vorgeschalteter Steuereinrichtung auf einfache, jedoch nichts desto trotz sehr effektive Weise ein in Bezug auf die Verlustleistung und EMV-Abstrahlung optimierter Betrieb einer Verpolschutzschaltung bereitgestellt werden kann, ohne dass gleichzeitig die bei Verpolschutzschaltungen nach dem Stand der Technik einhergehenden Nachteile einer sehr hohen Verlustleistung und damit einer ebenfalls hohen EMV-Abstrahlung in Kauf genommen werden müssten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verpolschutzschaltung
- 2, 3
- Klemmen
- 4
- Last
- 5
- Ausgang der Verpolschutzschaltung (Eingang der Last)
- 10
- Verpolschutzschalter
- 11
- (Verpolschutz-)MOSFET
- 12
- Inversdiode
- 13
- Steuereinrichtung
- 14
- Oszillator(-schaltung)
- 15
- Zenerdiode
- 16
- (Pump-)Kondensator
- 17
- Ladegleichrichter
- 18, 19
- Dioden
- 20
- Messeinrichtung
- 21
- Spannungsreduziereinrichtung
- 24
- Widerstand
- 30
- n-Kanal MOSFET
- 31, 32
- Widerstände
- 33
- Mittelabgriff
- 34
- Diode
- 35
- n-Kanal MOSFET
- 36
- Diode
- 37
- Mittelabgriff
- 38
- Ansteuersignal
- 39
- p-Kanal MOSFET
- 40, 41
- Widerstände
- 42
- drainseitigen Ausgang
- 43
- Widerstand
- 44
- p-Kanal MOSFET
- D
- Drain-Anschluss
- EN
- Enable-Signal
- G
- Gate-Anschluss
- GND
- Bezugspotential
- I
- Laststrom
- IG
- Ansteuerimpulse
- IM
- Messsignal
- IS
- Statussignal
- K1
- Knoten
- S
- Source-Anschluss
- V
- Spannungsabfall über der Verpolschutzschaltung
- Vbb
- (positives) Versorgungspotential
- VG
- Gate-Potential
- VGS
- Gate-Source-Spannung
- VS1
- erste Schwellenspannung
- VS2
- zweite Schwellenspannung
- Vout
- Ausgangspotential
