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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Steuerung
eines Betriebes eines Halbleiterschalters. Die Erfindung betrifft
insbesondere den so genannten sicheren (zerstörungsfreien und/oder zuverlässigen)
Betrieb von Halbleiterschaltern, der auch mit dem Begriff „Safe Operation
Area" (SOA) bezeichnet
wird.
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Ein
bevorzugtes Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung ist die
Steuerung eines Halbleiterschalters in einem elektrischen Bordnetz
eines Straßen-Kraftfahrzeuges,
wobei der Halbleiterschalter dazu verwendet wird, elektrische Ströme zwischen
verschiedenen Energiespeichern des Bordnetzes zu steuern. Beispielsweise
weisen zumindest Teile von zukünftigen
Bordnetzen eine Nennspannung von 42 Volt auf. Solche Bordnetze können mehrere
Energiespeicher (z. B. konventionelle Bleiakkumulatoren, Doppelschichtkondensatoren
und/oder weitere Energiespeicher aufweisen. Weiterhin kann ein integrierter
Startergenerator (ISG) vorgesehen sein, der mit einem Umrichter
verbunden ist. Zwischen den genannten Komponenten des Bordnetzes können eine
oder mehrere der Halbleiterschalter angeordnet sein, um die Energieströme in dem
Bordnetz steuern zu können.
Insbesondere kann bei der Rückgewinnung
von Bremsenergie elektrische Leistung erzeugt und die entsprechende
elektrische Energie in einem Doppelschichtkondensator oder in mehreren
Doppelschichtkondensatoren gespeichert werden, um sie z. B. kurze
Zeit später
wieder in mechanische Energie umwandeln zu können. Auch kann die erzeugte
elektrische Energie dauerhaft z. B. in einem Bleiakkumulator gespeichert
werden.
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Der
Halbleiterschalter wird konventionell z. B. derart gesteuert, dass
die über
den Schalter übertragene
elektrische Leistung zeitlich konstant gehalten wird.
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Insbesondere
ist bereits vorgeschlagen worden, Halbleiterschalter-Chips zu verwenden,
die eine Vielzahl von parallel geschalteten Zellen aufweisen. Somit
sind große
Ströme
schaltbar. Die Zellen haben jedoch unterschiedliche physikalische
Eigenschaften, z. B. auf Grund von leichten Produktionsschwankungen,
und/oder es existieren für
die einzelnen Zellen unterschiedliche Randbedingungen. Beispielsweise
ist eine am Rand des Chips angeordnete Zelle in anderer Weise thermisch
an die Umgebung des Chips und an ein Gehäuse des Chips angekoppelt als
eine in der Mitte des Chips angeordnete Zelle. Aus diesen Gründen kann
es zu einer inhomogenen Stromverteilung über die Zellen kommen. Auch
kann dies dazu führen,
dass einzelne der Zellen sich stärker
erwärmen
als andere. U. U. kommt es zum Ausfall einer Zelle. Dies wiederum
gefährdet
die Integrität des
gesamten Halbleiterschalters, da insbesondere bei der genannten
Regelung mit konstanter Leistung nun der Stromfluss in den anderen
Zellen zunimmt. Im Extremfall kann deshalb der gesamte Halbleiterschalter
ausfallen.
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Insbesondere
bei der oben genannten Verwendung des Halbleiterschalters in einem
elektrischen Bordnetz treten sehr unterschiedliche, teilweise schwer
vorhersehbare Betriebzustände
auf. Es ist daher gerade bei dieser Verwendung häufig zu Ausfällen von
Halbleiterschaltern gekommen.
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Aus
EP 0012547 A1 ist
eine Schaltungsanordnung mit einem Halbleisterschalter bekannt,
der abhängig
von einem anormalen Strom für
eine vorgegebene maximale Zeitintervalllänge eingeschaltet wird. Dabei
ist die vorgegebene Zeitintervalllänge abhängig von einer Spannung über der
Kollektor-Emitter-Strecke
des Halbleiterschalters, die bei einem anormalen Strom, der höher ist
als ein Strom im Normalbetrieb, entsprechend ansteigt. Durch die
stromabhängige
Vorgabe der maximalen Zeitintervalllänge, wird eine Schädigung des
Halbleiterschalters vermieden.
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DE 10117892 A1 offenbart
eine Begrenzerschaltung mit einem Halbleiterschalter, der bei einem Ausgangsstrom
durch den Halbleiterschalter in einem Kurzschluss- oder Überlastfall
abhängig
von einem Zeitgeber angesteuert wird. Dabei gibt der Zeitgeber abhängig von
der Höhe
des Ausgangsstroms ein Tastverhältnis
eines zum Ansteuern des Halbleiterschalters vorgegebenen pulsweitenmodulierten Ansteuersignals
derart vor, dass eine Verlustleistung des Halbleiterschalters konstant
bleibt.
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DE 10155100 A1 offenbart
einen Lawineneffekt eines Bipolartransistors aufgrund seines negativen
Temperaturkoeffizienten der Basis-Emitter-Schwellenspannung. Dabei
nimmt aufgrund des Kollektorstroms die Sperrschichttemperatur zu,
wodurch der Kollektorstrom wiederrum weiter zunimmt. Dadurch kann
der Bipolartransistor zerstört
werden.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Steuerung eines Betriebes eines Halbleiterschalters
anzugeben, die einen sicheren Betrieb des Halbleiterschalters ermöglichen,
insbesondere wenn der Halbleiterschalter in einem instabilen Betriebsbereich
betrieben wird. In einem solchen instabilen Betriebsbereich erwärmt ein
durch den Halbleiterschalter fließender elektrischer Strom zumindest
Teile des Halbleiterschalters und führt eine Erwärmung des
Halbleiterschalters zu einer Zunahme des elektrischen Stroms (Betriebsbereich
mit positivem Temperaturkoeffizienten).
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Es
wird vorgeschlagen, für
einen Betrieb in dem instabilen Betriebsbereich eine Zeitintervalllänge eines
Zeitintervalls, während
dem der Halbleiterschalter eingeschaltet ist und/oder während dem
ein Steuersignal zum Einschalten des Halbleiterschalters und zum
Halten des Halbleiterschalters in eingeschaltetem Zustand an einem
Steuereingang des Halbleiterschalters anliegt, auf einen Maximalwert
zu begrenzen. Der Maximalwert wird abhängig von zumindest einer, einen
Betriebszustand des Halbleiterschalters charakterisierenden Zustandsgröße ermittelt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass insbesondere
neuartige Halbleiterschalter, wie sie beispielsweise für die genannte Verwendung
in Kraftfahrzeug-Bordnetzen hergestellt werden, häufig in
dem instabilen Betriebsbereich betrieben werden. Dies ist ein wesentlicher
Grund für die
häufigen
aufgetretenen Ausfälle.
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Durch
die Begrenzung des Zeitintervalls kann der Gefahr des Ausfalls wirksam
begegnet werden. Somit steht dem konventionellen Verfahren ein neues,
sicheres Verfahren gegenüber,
gemäß dem Halbleiterschalter
bei konstanter über
den Halbleiterschalter übertragener
elektrischer Leistung betrieben wer den. Allerdings können beide
Verfahren miteinander kombiniert werden. Beispielsweise ist es möglich, im
stabilen Betriebsbereich wie bei dem konventionellen Verfahren vorzugehen
und im instabilen Betriebsbereich das Zeitintervall erfindungsgemäß zu begrenzen.
Z. B. kann unter Berücksichtigung
eines Sollwertes der zumindest einen Zustandsgröße ermittelt werden, ob ein
entsprechender Betrieb des Halbleiterschalters in dem instabilen
Betriebsbereich liegt.
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Im
Allgemeinen hängt
die maximal mögliche Zeitintervalllänge von
verschiedenen Zustandsgrößen ab,
die den Betriebszustand des Halbleiterschalters charakterisieren.
Insbesondere sind diese Zustandsgrößen eine über den Halbleiterschalter
abfallende elektrische Spannung (z. B. die zwischen Drain und Source
eines MOSFET abfallende Schaltspannung), ein durch den Halbleiterschalter
fließender elektrischer
Strom (Schaltstrom, z. B. der Drain-Strom eines MOSFET) und eine
Umgebungstemperatur des Halbleiterschalters. Es ist jedoch denkbar,
die maximal mögliche
Zeitintervalllänge nicht
oder nicht in jedem Betriebszustand voll auszunutzen. Vielmehr ist
es möglich,
einen sicherheitshalber kleineren Maximalwert zu verwenden, der
u. U. für
den gesamten instabilen Betriebsbereich oder zumindest für einen
Teil des instabilen Betriebsbereichs gültig ist. Vorzugsweise jedoch
wird die maximal mögliche
Zeitintervalllänge
gleich dem Maximalwert gesetzt. Dabei kann diese maximal mögliche Zeitintervalllänge, wie
noch beschrieben wird, näherungsweise
ermittelt werden oder ermittelt worden sein, beispielsweise unter
Verwendung eines physikalischen Rechenmodells.
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Beim
Betrieb des Halbleiterschalters wird (oder ist) beispielsweise jeweils
ein Sollwert für
die elektrische Spannung und den elektrischen Strom vorgegeben.
Der Maximalwert wird dann abhängig von
den Sollwerten ermittelt und der Betrieb des Halbleiterschalters
wird unter Berücksichtigung
des Maximalwerts derart gesteuert oder geregelt, dass bei eingeschaltetem
Halbleiterschalter die Sollwerte erreicht werden.
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Vorzugsweise
wird der Maximalwert individuell für jeden zu steuernden Halbleiterschalter
ermittelt, insbesondere durch Messung. Es ist jedoch auch möglich, den
Maximalwert für
eine Vielzahl von Exemplaren des Halbleiterschalters gemeinsam zu
ermitteln. Die Entscheidung hierüber
hängt insbesondere
davon ab, mit welchen Fertigungstoleranzen zu rechnen ist und welche
Anforderungen an die Genauigkeit, Sicherheit und/oder Leistungsfähigkeit
des Halbleiterschalters der Anwender stellt.
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Auf
ein Verfahren zum Ermitteln der Maximalwerte für verschiedene Betriebszustände wird
in der Figurenbeschreibung noch näher eingegangen. Dabei kann
z. B. ein dreidimensionales thermisches Modell des Halbleiterschalters
und u. U. weiterer, mit dem Halbleiterschalter verbundener Materialien
(z. B. Package) verwendet werden, um eine Beziehung zwischen den
Zustandsgrößen und
der maximal möglichen
Zeitintervalllänge
herzustellen. Der Maximalwert kann insbesondere in Abhängigkeit
von einem Temperaturkoeffizienten, der eine Erwärmung des Halbleiterschalters
oder eines Teils des Halbleiterschalters beim Betrieb im instabilen
Betriebsbereich charakterisiert, ermittelt werden.
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U.
U. erlaubt es dieses Verfahren für
zumindest einen Teil des instabilen Betriebsbereichs statt der Mehrzahl
von Zustandsgrößen nur
eine Zustandsgröße zu verwenden.
Auch hierüber
entscheiden Faktoren wie Fertigungstoleranzen und Anforderungen
des Anwenders.
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Allgemein
formuliert kann der Maximalwert für zumindest einen Teil des
instabilen Betriebsbereichs in Abhängigkeit von der zumindest
einen Zustandsgröße ermittelt
werden und/oder es können Daten
gespeichert werden, aus denen der Maximalwert in Abhängigkeit
von den Zustandsgrößen ermittelbar
ist.
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Insbesondere
entspricht der Maximalwert einem sicheren Betriebsbereich (SOA)
in dem instabilen Betriebsbereich, wobei in dem sicheren Betriebsbereich
ein zerstörungsfreier
und zuverlässiger
Betrieb des Halbleiterschalters möglich ist.
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Die
Erfindung ist insbesondere für
die Steuerung einer Mehrzahl von Halbleiterschaltern geeignet, die
parallel zueinander geschaltet sind. Dabei sind die parallel geschalteten
Halbleiterschalter z. B. auf verschiedenen Chips angeordnet. Es
wird bevorzugt, für
jeden der einzelnen Chips die entsprechend erforderlichen Zustandsgrößen und
Eigenschaften (z. B. den Temperaturkoeffizienten) zu messen, zu ermitteln
und/oder auf sonstige Weise zu berücksichtigen, um jeweils einzeln
für jeden
Chip den Maximalwert der Zeitintervalllänge ermitteln zu können. Insbesondere
wird für
den Fall von zwei oder mehreren parallel geschalteten Halbleiterschaltern
vorgeschlagen, dass festgestellt wird oder bekannt ist, welcher oder
welche der Halbleiterschalter während
eines Betriebes in dem instabilen Betriebsbereich einen größeren oder
kleineren maximalen Strom führen kann
bzw. können
als zumindest ein anderer der parallel geschalteten Halbleiterschalter,
wobei der maximale Strom unter Berücksichtigung des Maximalwertes
der Zeitintervalllänge
einen sicheren Betrieb des jeweiligen Halbleiterschalters ermöglicht.
Auf diese Weise kann während
des Betriebes in dem instabilen Betriebszustand lediglich einer
der Halbleiterschalter für
einen Betrieb ausgewählt
werden. Falls eine Mehrzahl der Halbleiterschalter in dem insta bilen
Betriebsbereich einen gleich großen maximalen Strom führen kann,
kann lediglich diese Mehrzahl der Halbleiterschalter für einen
Betrieb ausgewählt
werden. Der Maximalwert der Zeitintervalllänge wird dann unter Berücksichtigung
des oder der für den
Betrieb ausgewählten
Halbleiterschalter ermittelt. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung besteht
darin, dass ein definierter, und daher sicherer und zuverlässig steuerbarer
Betrieb möglich
ist. In der Regel ist nämlich
die Verteilung des Stroms über
die parallel geschalteten Halbleiterschalter nicht bekannt, sodass
durch eine Begrenzung des Stroms oder des Zeitintervalls auf die
Werte für
den empfindlichsten Halbleiterschalter ein definierter Betriebszustand
erreicht wird.
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Vorzugsweise
wird berücksichtigt,
dass der Halbleiterschalter u. U. periodisch oder auf andere Weise
wiederholt eingeschaltet wird. Insbesondere kann der Maximalwert
gegenüber
dem Fall verkürzt werden,
dass der Halbleiterschalter nur einmal eingeschaltet wird. Einem
einmaligen Einschalten steht gleich, dass das vorangegangene letzte
Ausschalten des Halbleiterschalters ausreichend lange her ist, um die
dabei entstandene Wärme
an die Umgebung abzuführen.
Insbesondere wird bei dem wiederholten oder periodischen Betrieb
berücksichtigt,
dass sich der Halbleiterschalter im Mittel um einen bestimmten Betrag
erwärmt.
Beispielsweise wird als zusätzliche Zustandsgröße, von
der die Größe des Maximalwertes
abhängt,
der sogenannte "Duty
Cycle" verwendet,
also das Verhältnis
der Dauer des eingeschalteten Zustands des Halbleiterschalters zu
der Periodendauer. Bei höheren
Frequenzen können
zusätzlich
noch die Schaltverluste berücksichtigt
werden, d. h. die durch das Ein- und Ausschalten erzeugte Wärmeleistung
oder Wärme.
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Wie
bereits erwähnt
wird das Verfahren in einer oder mehrerer seiner Ausgestaltungen
vorzugsweise dann ausgeführt,
wenn der Halbleiterschalter in einem elektrischen Bordnetz eines
Kraftfahrzeuges verwendet wird, um einen elektrischen Strom zwischen
verschiedenen Energiespeichern zu steuern.
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Ferner
wird eine Anordnung zur Steuerung eines Betriebes eines Halbleiterschalters
in einem instabilen Betriebsbereich vorgeschlagen, in dem ein durch
den Halbleiterschalter fließender
elektrischer Strom zumindest Teile des Halbleiterschalters erwärmt und
in dem eine Erwärmung
des Halbleiterschalters zu einer Zunahme des elektrischen Stroms führt. Die
Anordnung weist eine Steuereinrichtung zur Erzeugung von Steuersignalen
für einen
Betrieb des Halbleiterschalters und eine Ermittlungseinrichtung
zur Ermittlung eines Maximalwerts auf. Der Maximalwert in dem instabilen
Betriebsbereich begrenzt eine Zeitintervalllänge eines Zeitintervalls, während dem
der Halbleiterschalter eingeschaltet ist und/oder während dem
ein Steuersignal zum Einschalten des Halbleiterschalters und zum
Halten des Halbleiterschalters in eingeschaltetem Zustand an einem
Steuereingang des Halbleiterschalters anliegt. Die Steuereinrichtung
ist ausgestaltet, den Betrieb des Halbleiterschalters über die
Steuersignale so zu steuern, dass der Maximalwert in dem instabilen
Betriebsbereich nicht überschritten
wird. Die Anordnung kann insbesondere an den zu steuernden Halbleiterschalter
angeschlossen sein oder auch separat vertrieben werden.
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Vorzugsweise
sind die Steuereinrichtung und die Ermittlungseinrichtung in einen
gemeinsamen Mikrocontroller integriert.
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Weiterhin
gehört
zum Umfang der Erfindung ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um
das erfindungsgemäße Verfahren
in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm von
einem Mikroprozessor ausgeführt
wird. Das Computerprogramm umfasst dabei zumindest die Berechnung
des Maximalwerts der Zeitintervalllänge.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die
in den Figuren schematisch dargestellt sind. Die Erfindung ist jedoch
nicht auf die Beispiele beschränkt.
Im Einzelnen zeigen:
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1 eine
Schaltungsanordnung mit einem Halbleiterschalter und einer besonders
bevorzugten Anordnung zum Steuern seines Betriebes,
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2 eine
Schaltung mit zwei Halbleiterschaltern und mit Temperatursensoren,
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3 ein
Flussdiagramm, das eine besonders bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
erläutert,
und
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4 ein
Flussdiagramm, mit dem die Ermittlung von Informationen als Grundlage
für die
Ermittlung des Maximalwertes erläutert
wird.
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1 zeigt
eine Anordnung 1 mit einem Halbleiterschalter 3,
der im bevorzugten Ausführungsbeispiel
ein MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ist.
Ein erster Anschluss S (hier: Source) des Halbleiterschalters 3 ist mit
Masse verbunden. Ein Steueranschluss G (hier: Gate) ist mit einem
Steuerausgang eines Mikrocontrollers 4 verbunden. Ein zweiter
Anschluss D (hier: Drain) ist über
einen Messwiderstand 7 mit einem höheren Potenzial verbunden,
wie durch ein Pluszeichen angedeutet ist. Die über den Messwiderstand 7 abfallende
elektrische Spannung wird Eingängen
eines Verstärkers 5 zugeführt, der
ausgestaltet ist, die Spannung zu verstärken und über eine Leitungsverbindung
einem Eingang des Mikrocontrollers 4 zuzuführen. An
dem Eingang wird die als analoges Signal vorliegende verstärkte Spannung
digitalisiert, wie durch die Bezeichnung A/D angedeutet ist. Somit steht
dem Mikrocontroller 4 ein Signal zur Verfügung, das
ein Maß für den durch
den Halbleiterschalter 3 fließenden Schaltstrom ID ist.
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Der
zweite Anschluss D ist über
einen Spannungsteiler mit den Widerständen 9, 11 ebenfalls
mit Masse verbunden. Zwischen den Widerständen 9, 11 befindet
sich ein Abgriff für
ein weiteres analoges Eingangssignal des Mikrocontrollers 4,
das wiederum (wie durch A/D angedeutet ist) zur Weiterverarbeitung
in dem Mikrocontrollers 4 digitalisiert wird. Somit steht
dem Mikrocontroller 4 ein Messsignal zur Verfügung, das
ein Maß für die über die
Schaltanschlüsse
D, S abfallende Schaltspannung VDS ist.
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Eine
Last kann bei der in 1 dargestellten Anordnung z.
B. zwischen dem ersten Anschluss S und Masse angeordnet sein. In
diesem Fall ist auch der Widerstand 11 über die Last mit Masse verbunden.
Alternativ oder zusätzlich
kann eine Last zwischen dem Messwiderstand 7 und dem mit „+" bezeichneten höheren Potenzial
angeordnet sein.
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Der
Aufbau des Mikrocontrollers 4 ist in 1 nur
auszugsweise und schematisch dargestellt. Er weist außer den
bereits beschriebenen Merkmalen Eingänge für äußere Messgrößen (insbesondere eine Umgebungstemperatur
TAB des Halbleiterschalters 3 und/oder
eine Chiptemperatur TC des Halbleiterschalters 3)
und für
Sollwerte (insbesondere Sollwerte für die Schaltspannung VDS und für
den Schaltstrom ID) des Halbleiterschalter-Betriebes
auf. Diese analogen Eingangsgrößen werden,
wie durch „A/D" links oben in dem
Mikrocontrollerrahmen in 1 angedeutet ist, für die Weiterverarbeitung
in dem Mikrocontroller 4 digitalisiert.
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In
einem Datenspeicher 2, der mit dem Mikrocontroller 4 verbunden
ist, sind alle erforderlichen Informationen abgelegt, um bei gegebenen
Sollwerten in einem definierten Betriebsbereich, der insbesondere
einen instabilen Betriebsbereich umfasst, Maximalwerte t* für ein Zeitintervall
zu berechnen, während
dem der Halbleiterschalter 3 eingeschaltet ist. Auf die
Art der gespeicherten Daten wird noch näher eingegangen.
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Eine
Ermittlungseinrichtung 6 zur Ermittlung des Maximalwertes
der Zeitintervalllänge
ist in dem Mikrocontroller 4 vor gesehen. Sie ist mit dem
Datenspeicher 2 und den Eingängen für die äußere Messgröße(n) und für die Sollwerte verbunden.
Weiterhin ist sie mit einer Steuereinrichtung 8 zur Erzeugung von
Steuersignalen für
einen Betrieb des Halbleiterschalters 3 verbunden. Die
Steuereinrichtung 8 ist wiederum über einen Digital-/Analogwandler
(D/A) mit dem Steuerausgang des Mikrocontrollers 4 verbunden.
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In
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel unterscheidet
sich das Zeitintervall, während
dem der Halbleiterschalter 3 eingeschaltet ist, nur unwesentlich
von einer Pulsdauer eines Steuerpulses, der von dem Mikrocontroller 4 an
dem Steuerausgang ausgegeben wird, um den Halbleiterschalter 3 einzuschalten
und für
die Dauer des Steuerpulses eingeschaltet zu halten. Die entsprechende
erforderliche Stromstärke,
die der Mikrocontroller 4 aufbringen kann, ist ausreichend
groß.
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2 zeigt
einen ersten Halbleiterschalter 12 und einen zweiten Halbleiterschalter 14,
die einen gemeinsamen Schaltanschluss s (Source) haben. Insbesondere
sind die Halbleiterschalter 12, 14 auf einem gemeinsamen
Chip 16 angeordnet. Bei den Halbleiterschaltern 12, 14 kann
es sich wiederum um MOSFET handeln. Durch Verbinden der weiteren Schaltanschlüsse d1 und
d2 der Halbleiterschalter 12, 14 würde eine
mögliche
Parallelschaltung der Halbleiterschalter 12, 14 vervollständigt. Jedoch
ist die gezeigte Schaltung dazu ausgestaltet, über die Schaltanschlüsse d1 und
d2 sowie über
die dazwischenliegende antiserielle Anordnung der Halbleiterschalter 12, 14 in
beide Richtungen einen abschaltbaren Strom fließen lassen zu können. Für die beiden Halbleiterschalter 12, 14 ist
jeweils ein Steueranschluss g1, g2 zum Steuern des Betriebes der
Halbleiterschalter 12, 14 vorgesehen. Die Steueranschlüsse können mit
separaten Steuereinrichtungen oder mit einer gemeinsamen Steuereinrichtung
verbunden sein, die den Betrieb erfindungsgemäß steuert. Auf ein Beispiel
für das
entsprechende Verfahren wird später
näher eingegangen,
unter Bezugnahme auf 3.
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2 zeigt
weiterhin zwei Temperatursensoren 13, 15 zur Bestimmung
der Temperatur an zumindest jeweils einer geeigneten Stelle in der
Umgebung und/oder am Chip der Halbleiterschalter 12, 14.
Auf diese Weise kann während
des Betriebes der Halbleiterschalter und/oder um bei der Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
verwendbare Informationen zu gewinnen, die Temperatur gemessen werden.
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Die
im Folgenden anhand von 3 beschriebene besonders bevorzugte
Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
kann mit geringen Modifikationen auch für einen einzelnen Halbleiterschalter,
z. B. den Halbleiterschalter 3 gemäß 1 ausgeführt werden.
In diesem Fall wird die Steuerung z. B. von dem Mikrocontroller 4 ausgeführt. Es
wird der daher sowohl auf die 1 als auch
auf die 2 Bezug genommen.
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Zunächst werden
Sollwerte für
den Betrieb des Halbleiterschalters oder der Halbleiterschalter von
der Steuereinrichtung eingelesen oder geladen, z. B. Sollwerte für die Schaltspannung
VDS und den Schaltstrom ID.
Weiterhin wird zumindest ein Wert für eine Umgebungstemperatur
TAMB und/oder für eine Chiptemperatur eingelesen
oder geladen. Im Fall von mehreren Halbleiterschaltern betrifft
der Sollwert für den
Schaltstrom ID die Summe der durch die einzelnen
parallel geschalteten Halbleiterschalter fließenden Ströme. Im nächsten Schritt wird geprüft, ob bei der
Kombination der eingelesenen Werte ein Betrieb in einem instabilen
oder in einem stabilen Betriebsbereich resultieren wird bzw. würde. Dies
ist durch die Prüfung
in 3 dargestellt, ob durch den Sollwert für die Schaltspannung
VDS ein kritischer Wert VDS,krit unterschritten
wird oder nicht.
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Im
Fall des stabilen Betriebsbereichs, in dem der Temperaturkoeffizient
negativ ist, also eine Erwärmung
des Halbleiterschalters nicht zu einem Anwachsen sondern Abfallen
des Schaltstromes führt, wird
im nächsten
Schritt die maximale zulässige Pulsdauer
tMAX des Steuerpulses (siehe oben Beschreibung
zu 1) berechnet. Dabei wird auf in einem Datenspeicher
abgelegte Informationen zurückgegriffen,
beispielsweise auf in dem Datenspeicher 2 gemäß 1 abgelegte
Informationen über
den stabilen Betriebsbereich. In einem folgenden Schritt wird die
Pulsdauer tp für
den Betrieb des Halbleiterschalters auf den Maximalwert tMAX gesetzt. Alternativ kann die Pulsdauer
tp auch auf einen niedrigeren Wert gesetzt werden.
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Nun
beginnt ein Regelungszyklus, der wiederholt durchlaufen wird, bis
die Zeitdauer der Zyklen den Wert tp erreicht hat. Zu Beginn des
ersten Zyklus wird insbesondere noch das an dem Steueranschluss
des Halbleiterschalters 3 gemäß 1 anliegende
elektrische Potenzial stufenartig erhöht, sodass der Halbleiterschalter
eingeschaltet wird. Dies ergibt die (u. U. erste von mehreren) steigende
Flanke des entsprechenden Steuerpulses. Das erforderliche Niveau,
um den Halbleiterschalter eingeschaltet zu halten bleibt solange überschritten,
bis der letzte Zyklus durchlaufen ist. Am Ende des letzten Zyklus wird
das elektrische Potenzial wieder auf einen niedrigen Wert erniedrigt.
Dies ergibt die (insbesondere letzte) fallende Flanke des Steuerpulses.
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In
jedem Zyklus werden die Istwerte für die zu regelnden Zustandsgrößen Schaltspannung
VDS und Schaltstrom ID eingelesen.
Danach wird bei einer Abweichung zwischen Sollwerten und Istwerten durch
Einstellung der Höhe
des an dem Steuereingang des Halbleiterschalters anliegenden Potenzials eine
Anpassung der Istwerte vorgenommen.
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Nachdem
der letzte Regelzyklus beendet ist, beginnt wieder das Einlesen
der Sollwerte wie oben beschrieben. Bei der folgenden Überprüfung, ob
mit den Sollwerten ein Betrieb in dem instabilen Betriebsbereich
stattfindet, kann ein zusätzlicher
Punkt berücksichtigt
werden: Ist seit dem letzten Abschalten des Halbleiterschalters
ausreichend Zeit vergangen, um die bei dem Betrieb des Halbleiterschalters
erzeugte Wärme
vollständig
oder nahezu vollständig abzuführen, kann
wie zuvor entschieden werden. Andernfalls muss die Restwärme mitberücksichtigt
werden. Anders ausgedrückt:
bei einer höheren
Temperatur des Halbleiterschalters kann er nicht so lange eingeschaltet
bleiben. Dementsprechend ist bei weiteren Wiederholungen des Einschaltens
nicht nur der letzte Schaltzyklus zu berücksichtigen, sondern sind die
Auswirkungen aller vorangegangenen Schaltzyklen (zumindest näherungsweise)
zu berücksichtigen. Außerdem werden
vorangegangene Schaltzyklen auch bei der Berechnung der maximalen
Pulsdauer und/oder beim Setzen der tatsächlichen Pulsdauer berücksichtigt.
Dies gilt nicht nur für
den bereits erläuterten
Zweig (stabiler Betriebszustand) sondern auch für den anderen noch zu erläuterten
Zweig (instabiler Betriebszustand) in 3.
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Wird
nach dem Einlesen der Sollwerte festgestellt, dass mit den Sollwerten
ein instabiler Betriebszustand erreicht würde, wird der rechts in 3 dargestellte
Zweig durchlaufen. Dabei wird der entsprechende Maximalwert der
Zeitintervalllänge für den instabilen
Betriebsbereich ermittelt und ein Wert für die tatsächliche Zeitintervalllänge gesetzt.
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Der
konkret in 3 dargestellte rechte Zweig
betrifft eine Mehrzahl von parallel geschalteten Halbleiterschaltern,
wie beispielsweise in 2 dargestellt. Dabei ist eine
spezielle Variante dargestellt, bei der der maximale Strom ID für
den schwächsten Transistor
(im Allgemeinen: der schwächste
Halbleiterschalter) verwendet wird. Jedoch wird in dem folgenden
Schaltzyklus nicht der schwächste
Transistor eingeschaltet, sondern der stärkste Transistor. Hierdurch
besteht eine doppelte Sicherheit, dass ein sicherer und zuverlässiger Betrieb
stattfindet. Zunächst
wird der Sollwert des Schaltstromes ID auf
den zulässigen
maximalen Stromwert reduziert. Dann wird der Sollwert der Schaltspannung
VGS für
alle anderen, nicht einzuschaltenden Transistoren auf Null gesetzt.
Anschließend
wird für
den einzuschaltenden Transistor unter Rückgriff auf die in dem Datenspeicher
gespeicherten Informationen bzw. Daten der Maximalwert t* der Zeitintervalllänge für das Einschalten
ermittelt. Anschließend
wird analog wie in dem letzten Schritt vor Beginn des eigentlichen Schaltzyklus,
der bereits anhand des linken Zweiges in 3 beschrieben
wurde, die Zeitintervalllänge
tp gesetzt. Anschließend
folgen die einzelnen Teilzyklen der Regelung wie bereits beschrieben.
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Alternativ
kann beispielsweise ein beliebiger der parallel geschalteten Halbleiterschalter
ausgewählt
werden, um als einziger der Halbleiterschalter in dem nun beginnenden
Schaltzyklus eingeschaltet zu werden.
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Es
wird nun unter Bezugnahme auf 4 ein Beispiel
dafür beschrieben,
wie die für
die Ermittlung des Maximalwertes der Zeitintervalllänge im instabilen
Betriebsbereich erforderlichen Informationen gewonnen werden können und
wie daraus der Maximalwert berechnet wird.
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Zunächst wird
in Schritt S1 bis Schritt S2 der Temperaturkoeffizient des Schaltstromes
für den
zu erwartenden Wertebereich der relevanten Zustandsgrößen gemessen.
Die Ergebnisse können
durch Speicherung von einzelnen Werten des Temperaturkoeffizienten
und/oder durch Angabe einer analytischen Vorschrift für die weitere
Verarbeitung der Information gesichert werden.
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Um
den Temperaturkoeffizienten zu messen, wird der Halbleiterschalter
wiederholt, periodisch für sehr
kurze Zeit eingeschaltet (Schritt S1). Beispielsweise betragen die
entsprechenden Pulslängen
der Steuerpulse 10 bis 50 Mikrosekunden. Die Pulsperiode wird derart
gewählt,
dass die auf Grund von Selbsterwärmung
des Halbleiterschalters aus dem vorigen Einschaltzyklus entstandene
Wärme bereits vollständig oder
annähernd
vollständig
abgeführt worden
ist. Typische geeignete Werte für
die Zeit zwischen zwei Pulsen liegen bei dem zwei- bis dreifachen der
Pulslänge.
Insbesondere wird während
der Messung die Umgebungstemperatur (z. B. unter Verwendung eines
Thermostats) konstant gehalten. Die Spannung des Steuerpulses bzw.
das Potenzial am Steuereingang des Halbleiterschalters wird jedoch variiert,
beispielsweise schrittweise von Puls zu Puls erhöht. Hierdurch wird also auch
der Schaltstrom variiert.
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Z.
B. durch Bildung des Verhältnisses
der Differenzen des Schaltstromes und der gemessenen Temperatur
des Halbleiterschalters (Schritt S2) erhält man den Temperaturkoeffizienten
für den
jeweiligen Betriebszustand. Im Ergebnis erhält man den Temperaturkoeffizienten
in Abhängigkeit
von dem Schaltstrom und in Abhängigkeit
von der Temperatur und/oder eine analytische Vorschrift.
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Insbesondere
unter Verwendung eines thermischen Modells, wie es in der Veröffentlichung „On the
Modeling of the Transient Thermal Behavior of Semiconductor Devices" von Niccolo Rinaldi,
IEEE Transactions an Electron Devices, Vol. 48, No. 12, December
2001 auf Seiten 2796 bis 2802 beschrieben ist, kann nun bei bekannten
Werten für
den Schaltstrom, die Schaltspannung und die Temperatur der jeweilige
Maximalwert der Zeitintervalllänge
ermittelt werden.
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Beispielsweise
resultiert aus dem Modell, das in der zitierten Veröffentlichung
beschrieben ist, eine thermische Impedanz Zth als
Funktion der Zeitintervalllänge
(Schritt S3). Das Modell führt
zu folgender Bestimmungsgleichung: Zth(t)·VDS·α(T, ID) = 1wobei α(T, ID)
der von der Temperatur T und dem Schaltstrom ID abhängige Temperaturkoeffizient
ist und wobei VDS die Schaltspannung ist.
Dabei wurde das Kriterium für
den Übergangspunkt
von dem stabilen zu dem instabilen Betriebsbereich angewendet. Dies
bedeutet, dass der resultierende Wert t der Zeitintervalllänge (im
Gültigkeitsbereich
und bei Richtigkeit des Modells) der für einen sicheren Betrieb maximal
zulässige
Wert ist. In 4 ist durch Schritt S4 symbolisiert,
dass der Sollwert bzw. vorgegebene Wert für die Schaltspannung VDS einer Berechnung gemäß der Bestimmungsgleichung
(Schritt S5) zugeführt
wird.
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Die
auf diese Weise erhaltenen Informationen können in dem Datenspeicher,
insbesondere in dem Datenspeicher 2 gemäß 1 auf verschiedene
Weise abgelegt werden. Beispielsweise sind alle erforderlichen Werte
für den
Temperaturkoeffizienten als Funktion der Schaltspannung und der
Temperatur in dem Datenspeicher abgelegt. Weiterhin kann die Ermittlungseinrichtung
derart ausgestaltet sein und/oder programmiert sein, dass sie die
in dem Datenspeicher 2 gespeicherten Informationen und
weitere Eingangsgrößen (insbesondere
die Schaltspannung VDS) entsprechend dem
Modell für
die thermische Impedanz und/oder entsprechend der oben angegebenen
Bestimmungsgleichung für
den Maximalwert der Zeitintervalllänge auswerten kann. Es sind jedoch
auch andere Ausgestaltungen möglich,
bei denen weitere Informationen in dem Datenspeicher abgespeichert
sind (beispielsweise Parameter von analytischen oder numerischen
Vorschriften zur Berechnung des Maximalwertes). Auch kann die Ermittlungseinrichtung
ausgestaltet und/oder programmiert sein, den Maximalwert gemäß diesen
Vorschriften zu berechnen.