DE10137499C1 - Schaltungsanordnung zur Überwachung eines Schaltelements - Google Patents

Abstract

Schaltungsanordnung zur Überwachung eines steuerbaren Schaltelements (T), insbesondere zur Kurzschlusserkennung bei einem MOSFET, mit einer Messeinheit (3) mit zwei Messeingängen zur Spannungsmessung, wobei das Schaltelement (T) zwischen den beiden Messeingängen angeordnet ist, um die über dem Schaltelement (T) abfallende Spannung zu messen, einer eingangsseitig mit der Messeinheit (3) verbundenen Auswerteeinheit (3-6) zur Erzeugung eines Fehlersignals in Abhängigkeit von der gemessenen Spannung, wobei den beiden Messeingängen der Messeinheit (3) zusätzlich zu dem Schaltelement (T) eine Induktivität (1) in Reihe mit dem Schaltelement (T) angeordnet ist, um die Temperaturabhängigkeit der Spannungsmessung durch den induktiven Spannungsanteil zu verringern bzw. die Stromsteilheitsabhängigkeit zu beeinflussen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Überwa­ chung eines steuerbaren Schaltelements, insbesondere zur Kurzschlusserkennung bei einem MOSFET, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In Wechselrichtern und in Gleichspannungswandlern für Nie­ derspannungs-Hochstromanwendungen (z. B. für das 42 V-Bordnetz in Kraftfahrzeugen) werden vorrangig Power-MOSFETs als Schaltelemente verwendet. Derartige MOSFETs weisen im voll­ ständig eingeschalteten Zustand eine annähernd lineare Strom- Spannungs-Kennlinie auf und besitzen dann einen annähernd ohmschen Charakter.

Der ohmsche Charakter derartiger MOSFETs bietet den Vorteil, dass die elektrischen Verluste im eingeschalteten Zustand da­ durch reduziert werden können, dass man die aktive Fläche des Halbleiters (Silizium) vergrößert. Im einfachsten Fall er­ reicht man dies durch eine Parallelschaltung einer geeigneten Anzahl von MOSFETs.

Nachteilig an der annähernd linearen Strom-Spannungs- Kennlinie derartiger MOSFETs ist jedoch deren Temperaturab­ hängigkeit, was die Erkennung von Kurzschlüssen erschwert. So unterteilt sich der gesamte Strombereich in drei Teilberei­ che, nämlich einen normalen Arbeitsbereich, einen Fehlerbe­ reich und eine sog. "blind region". Der normale Arbeitsbe­ reich ist hierbei der Strombereich, innerhalb dessen der Messwert des durch das Schaltelement fließenden elektrischen Stroms auch unter Berücksichtigung der temperaturbedingten Toleranzen sicher anzeigt, dass kein Kurzschluss vorliegt. Der Fehlerbereich ist dagegen der Strombereich, bei dem der Messwert des durch das Schaltelement fließenden Stroms auch in Anbetracht der temperaturbedingten Schwankungen sicher anzeigt, dass ein Kurzschluss vorliegt. Die sog. "blind region" ist dagegen der Strombereich, in dem der Messwert des durch das Schaltelement fließenden Stromes aufgrund der temperatur­ bedingten Toleranzen keine Aussage über das Vorliegen eines Kurzschlusses ermöglicht.

Die temperaturbedingten Toleranzen der Strom-Spannungs- Kennlinie eines MOSFETs schränken also entweder den verfügba­ ren normalen Strombereich ein oder führen zu einer fehlerhaf­ ten Erkennung von Kurzschlüssen.

Aus DE 199 13 455 A1 ist eine Schutzschaltung für Leistungs­ halbleiterschalter bekannt, bei der eine parasitäre Indukti­ vität in Reihe mit dem Leistungshalbleiterschalter geschaltet ist und die Spannung über der Induktivität durch eine Mess­ einheit gemessen wird.

Schließlich ist aus US 5 789 951 eine Schutzschaltung für ein Schaltelement bekannt, bei der von einer Messeinheit die Spannung gemessen wird, die über dem Schaltelement selbst ab­ fällt.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine Schal­ tungsanordnung zu schaffen, die es insbesondere bei MOSFETs ermöglicht, Kurzschlüsse sicher zu erkennen, ohne den Ar­ beitsbereichs des MOSFETs unnötig einzuschränken.

Die Aufgabe wird, ausgehend von einer bekannten Schaltungsan­ ordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung umfaßt die allgemeine technische Lehre, zur Er­ kennung eines Kurzschlusszustandes die elektrische Spannung zu messen, die über einer Reihenschaltung aus dem zu überwa­ chenden Schaltelement und einer Induktivität abfällt. Bei ei­ nem MOSFET mit einer annähernd linearen Strom-Spannungs- Kennlinie setzt sich die gemessene Spannung also aus einem ohmschen Spannungsanteil und einem induktiven Spannungsanteil zusammen, wobei der ohmsche Spannungsanteil über den MOSFET abfällt, während der induktive Spannungsanteil über der zu­ sätzlichen Induktivität abfällt.

Vorteilhaft an der Einbeziehung einer Induktivität in die Spannungsmessung ist die Tatsache, dass die Temperaturabhän­ gigkeit der Induktivität üblicherweise wesentlich geringer ist als die Temperaturabhängigkeit der Strom-Spannungs- Kennlinie, wodurch die Temperaturabhängigkeit des gesamten Messwertes einschließlich des induktiven Spannungsanteils verringert wird.

Die Induktivität ist vorzugsweise so groß, dass der induktive Spannungsanteil bei einem Kurzschluss zwischen 10% und 150% des über dem Schaltelement abfallenden ohmschen Spannungsan­ teils beträgt. In der bevorzugten Ausführungsform liegt der induktive Spannungsanteil jedoch im Bereich von 100% bis 110% des über dem Schaltelement abfallenden Spannungsanteils.

Die im Rahmen der Spannungsmessung verwendete Induktivität kann beispielsweise als separates diskretes Bauelement ausge­ führt sein, jedoch wird in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hierzu eine ohnehin vorhandene Streuinduktivi­ tät verwendet. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Induktivität und das Schaltelement Bestandteil einer in­ tegrierten Schaltung sind.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Auswertungseinheit vorgesehen, die in Abhängigkeit von der gemessenen Spannung über der Reihenschaltung aus der Indukti­ vität und dem Schaltelement ein Fehlersignal erzeugt. Vor­ zugsweise weist diese Auswertungseinheit eine Vergleicherein­ heit auf, welche die gemessene Spannung mit einem Spannungs- Grenzwert vergleicht und beim Überschreiten des Spannungs­ grenzwertes ein Fehlersignal erzeugt.

Problematisch ist hierbei, dass während eines Schaltvorgangs des Schaltelementes kurzfristig relativ steile Stromflanken entstehen, so dass in der zusätzlichen Induktivität eine re­ lativ große Spannung induziert wird, was fälschlicherweise als Kurzschluss interpretiert werden könnte. Die vorstehend beschriebene Kurzschlussüberwachung wird deshalb vorzugsweise bei einem Schaltvorgang des Schaltelementes deaktiviert, um eine derartige Fehlerkennung eines Kurzschlusses zu verhin­ dern. Vorzugsweise erfolgt die Deaktivierung der Kurzschluss­ überwachung für eine vorgegebene Zeitspanne, die beispielsweise experimentell entsprechend der Schaltgeschwindigkeit der gesamten Schaltung bestimmt werden kann.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusam­ men mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Figur näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung als Blockschaltbild.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung ermöglicht das Schalten einer komplexen Last Z_LOAD, die einen ohmschen Anteil R_LOAD und einen induktiven Anteil L_LOAD aufweist.

Die komplexe Last Z_LOAD ist mit einem MOSFET-Transistor T und eine Induktivität 1 in Reihe zwischen Batteriespannung U_BAT und Masse GND geschaltet. Bei einem Durchschalten des Tran­ sistors T wird die komplexe Last Z_LOAD also mit der Batterie­ spannung U_BAT verbunden und damit angeschaltet, wohingegen die komplexe Last Z_LOAD beim Sperren des Transistors T abgeschal­ tet wird.

Die Steuerung des Schaltzustandes des Transistors T erfolgt hierbei durch eine nur schematisch dargestellte Steuereinheit 2, die ausgangsseitig mit dem Gate-Anschluss und dem Source- Anschluss des Transistors T verbunden ist.

Bei einem Kurzschluss der komplexen Last Z_LOAD besteht hierbei die Gefahr einer Überlastung des Transistors T durch den zwi­ schen der Batteriespannung U_BAT und Masse GND fließenden Kurz­ schlussstrom.

Die dargestellte erfindungsgemäße Schaltung ermöglicht des­ halb eine Überwachung des Schaltelementes T, um einen Kurz­ schlusszustand zu erkennen. Hierzu ist eine Messeinheit 3 vorgesehen, welche die elektrische Spannung U über der Reihenschaltung aus der Induktivität 1 und dem Transistor T misst.

Ausgangsseitig ist die Messeinheit 3 mit einer nur schema­ tisch dargestellten Vergleichereinheit 4 verbunden, die den Messwert der Spannung U mit einem Maximalwert U_MAX vergleicht und beim Überschreiten des Maximalwertes U_MAX ein vorläufiges Fehlersignal F_V erzeugt.

Dieses vorläufige Fehlersignal F_V wird an ein nachgeschalte­ tes Und-Gatter 5 weitergeleitet, das die Aufgabe hat, die Ausgabe eines Fehlersignals während eines Schaltvorgangs des Transistors T zu blockieren, da während eines Schaltvorgangs des Transistors T üblicherweise relativ steile Stromflanken auftreten, die ohne eine Überlastung des Transistors T zu ei­ nem Überschreiten des vorgegebenen Maximalwertes U_MAX der Spannung über der Reihenschaltung aus der Induktivität 1 und dem Transistor T führen können. Zwischen dem zweiten Eingang des Und-Gatters 5 und der Steuereinheit 2 ist deshalb ein Totzeit-Glied 6 angeordnet, das im Normalbetrieb der Schal­ tung einen High-Pegel ausgibt, so dass das Und-Gatter 5 das vorläufige Fehlersignal F_V als Fehlersignal F weiterleitet. Bei einer Ansteuerung des Transistors T durch die Steuerein­ heit 2 wechselt das Totzeit-Glied 6 dagegen für eine vorgege­ bene Zeitspanne auf einen Low-Pegel und sperrt damit das Und- Gatter 5, so dass das vorläufige Fehlersignal F_V unabhängig von der gemessenen Spannung nicht weitergegeben wird, um eine Fehlerkennung eines Kurzschlusses zu vermeiden.

Falls dagegen im eingeschalteten Zustand des Transistors T ein Kurzschluss der komplexen Last Z_LOAD auftritt, so steigt der Strom zwischen der Batteriespannung U_BAT und Masse GND sprunghaft an, was zu einem großen induktiven Spannungsabfall über der Induktivität 1 führt, wodurch der vorgegebene Span­ nungs-Grenzwert U_MAX schließlich überschritten wird, was zur Erzeugung des vorläufigen Fehlersignals F_V führt.

Die Induktivität 1 ist hierbei so groß, dass der induktive Spannungsanteil ungefähr 110% des über dem Schaltelement T abfallenden Spannungsanteils ist. Dies bietet den Vorteil, dass die Temperaturabhängigkeit der Strom-Spannungs-Kennlinie des Transistors T weniger ins Gewicht fällt, wodurch die Er­ kennung von Kurzschlüssen genauer erfolgt.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene be­ vorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die eben­ falls von dem erfindungsgemäßen Gedanken Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutzbereich fallen.

Claims (14)

1. Schaltungsanordnung zur Überwachung eines steuerbaren Schaltelements (T), insbesondere zur Kurzschlusserkennung bei einem MOSFET, mit
einer Messeinheit (3) mit zwei Messeingängen zur Spannungs­ messung, wobei das Schaltelement (T) zwischen den beiden Messeingängen angeordnet ist, um die über dem Schaltelement (T) abfallende Spannung zu messen,
einer eingangsseitig mit der Messeinheit (3) verbundenen Aus­ wertungseinheit (3-6) zur Erzeugung eines Fehlersignals in Abhängigkeit von der gemessenen Spannung,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen den beiden Messeingängen der Messeinheit (3) zusätzlich zu dem Schaltelement (T) eine Induktivität (1) in Reihe mit dem Schaltelement (T) angeordnet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität (1) und das Schaltelement (T) Bestand­ teil einer integrierten Schaltung sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (T) und die Induktivität (1) separate Bauelemente sind.

4. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität (1) so groß ist, dass die Spannung über der Induktivität (1) bei einem Kurzschluss zwischen 10% und 200% der über dem Schaltelement (T) abfallenden Spannung liegt.

5. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit (3-6) eine Vergleichereinheit (4) aufweist, die eingangsseitig mit der Messeinheit (3) verbun­ den ist und die gemessene Spannung mit einem Spannungs- Grenzwert vergleicht und beim Überschreiten des Spannungs- Grenzwertes ein Fehlersignal (F, F_V) erzeugt.

6. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit (3-6) einen Steuereingang auf­ weist, um die Auswertung und/oder die Erzeugung des Fehler­ signals während eines Schaltvorgangs des Schaltelements (T) zu inaktivieren.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung des Schaltelements (T) eine Steuerein­ heit vorgesehen ist, wobei die Steuereinheit ausgangsseitig mit dem Schaltelement (T) und mit dem Steuereingang der Aus­ wertungseinheit (3-6) verbunden ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit (3-6) ein Totzeit-Glied aufweist, um die Auswertung und/oder die Erzeugung des Fehlersignals während eines Schaltvorgangs des Schaltelements (T) für eine vorgegebene Zeitspanne zu inaktivieren.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit (3-6) eine Logikschaltung (5) aufweist, wobei die Logikschaltung (5) eingangsseitig mit dem Totzeit-Glied (6) und mit der Vergleichereinheit (4) verbun­ den ist.

10. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (T) im durchgeschalteten Zustand eine Strom-Spannungs-Kennlinie aufweist, die im wesentlichen line­ ar ist.

11. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (T) ein Feldeffekttransistor ist.

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (T) ein MOSFET, MESFET oder ein JFET ist.

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldeffekttransistor ein N-Kanal-MOSFET oder ein P- Kanal-MOSFET ist.

14. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (T) selbstleitend oder selbstsperrend ist.