DE102005057765A1 - Schaltungsanordnung mit einem Leistungstransistor und einer Überspannungsschutzschaltung - Google Patents

Schaltungsanordnung mit einem Leistungstransistor und einer Überspannungsschutzschaltung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, die folgende Merkmale aufweist:
- einen Leistungstransistor mit einem Steueranschluss (G) und einem ersten (D) und zweiten (S) Laststreckenanschluss,
- eine Spannungsbegrenzungsschaltung (20), die zwischen den ersten Laststreckenanschluss (D) und den Steueranschluss (G) geschaltet ist, die dazu ausgebildet ist, eine Spannung zwischen diesem ersten Laststreckenanschluss (D) und dem Steueranschluss (G) auf einen einstellbaren Spannungsgrenzwert zu begrenzen, und die einen Steueranschluss (21) zur Zuführung eines Einstellsignals (S30; S40) für den Spannungsgrenzwert aufweist,
- eine Steuerschaltung (30; 40), die dazu ausgebildet ist, das Einstellsignal (S30; S40) abhängig von einem Strom (Ids) durch den Lasttransistor (M) oder abhängig von einem elektrischen Potenzial an dem Steueranschluss (G) des Lasttransistors (M) zur Verfügung zu stellen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Leistungstransistor, der einen Steueranschluss und zwei Laststreckenanschlüsse aufweist, und mit einer Überspannungsschutzschaltung für den Leistungstransistor.
  • Leistungstransistoren werden vielfach als Schalter für elektrische Verbraucher eingesetzt. Die Laststrecke des Leistungstransistors wird hierbei in Reihe zu der Last zwischen Klemmen für eine Versorgungsspannung geschaltet und der Leistungstransistor wird abhängig vom jeweils gewünschten Schaltzustand des elektrischen Verbrauchers leitend oder sperrend angesteuert. Um den Leistungstransistor vor einer Überspannung zu schützen, wie sie beispielsweise beim Abkommutieren induktiver Lasten auftreten kann, ist es bekannt, eine Zenerdiode in Sperrrichtung zwischen einen der Laststreckenanschlüsse des Leistungstransistors und den Steueranschluss des Leistungstransistors zu schalten. Erreicht das Potential an diesem Laststreckenanschluss einen Wert, der um den Wert der Durchbruchsspannung der Zenerdiode oberhalb eines elektrischen Potentials an dem Steueranschluss des Leistungstransistors liegt, so wird der Leistungstransistor über die Zenerdiode leitend angesteuert, um dadurch den Spannungsabfall über dessen Laststrecke zu begrenzen. Dieses Prinzip der Spannungsbegrenzung wird als "aktive Zenerung" bezeichnet und ist beispielsweise in der DE 40 29 794 A1 beschrieben.
  • Die US 6,087,877 beschreibt eine Schaltungsanordnung mit einem Leistungstransistor und einer nach dem Prinzip der aktiven Zenerung arbeitenden Überspannungsschutzschaltung. Bei dieser Schaltungsanordnung ist vorgesehen, die Überspannungsschutzschaltung während einer vorgegebenen Zeitdauer nach ei ner Flanke eines Ansteuersignals des Leistungstransistors zu deaktivieren.
  • Die DE 103 39 689 B4 beschreibt eine Schaltungsanordnung mit einem Leistungstransistor und einer auf dem Prinzip der aktiven Zenerung basierenden Überspannungsschutzschaltung. Diese Überspannungsschutzschaltung wird deaktiviert, wenn ein Laststrom durch den Lasttransistor unter einen vorgegebenen Grenzwert absinkt oder wenn eine Ansteuerspannung des Leistungstransistors unter einen vorgegebenen Grenzwert absinkt.
  • 1 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einem als Leistungs-MOSFET ausgebildeten Leistungstransistor M, der einen Steueranschluss (Gate-Anschluss) G und einen ersten und einen zweiten Laststreckenanschluss (Drain- und Source-Anschluss) D, S aufweist. Die Laststrecke (Drain-Source-Strecke) D-S dieses Leistungstransistors M ist in Reihe zu einer Last 1 zwischen Klemmen für ein erstes und zweites Versorgungspotential V, GND bzw. positives Versorgungspotential V und Bezugspotential GND geschaltet. Zur Begrenzung einer zwischen Drain und Source D, S des MOSFET M anliegenden Spannung Vds ist eine Zenerdiode Z vorgesehen, die in Sperrrichtung zwischen den Drain-Anschluss D und den Gate-Anschluss G des MOSFET M geschaltet ist. Eine antiseriell zu dieser Zenerdiode Z geschaltete Diode DD verhindert bei leitend angesteuertem MOSFET M einen Stromfluss von der Ansteuerschaltung 10 über die Drain-Source-Strecke D-S des MOSFET M.
  • Mit Lp ist in 1 eine unvermeidliche Induktivität der Leitungsverbindung, über welche die Last Z und der MOSFET M miteinander verbunden und an die Versorgungspotentialanschlüsse angeschlossen sind, bezeichnet. Diese Leitungsinduktivität Lp kann unter den nachfolgend erläuterten Bedingungen zu einer Überspannung an dem Leistungs-MOSFET M führen, bei welcher die Zenerdiode Z leitet, um den MOSFET M auf zusteuern und dadurch einen weiteren Anstieg der Drain-Source-Spannung Vds zu begrenzen:
    Betrachtet sei das Auftreten eines Fehlers, bei dem ein Kurzschluss in der Last Z vorhanden ist. In Folge eines solchen Kurzschlusses steigt ein Laststrom Ids durch den Transistor M an, wobei die Steilheit des Stromanstieges durch die Leitungsinduktivität Lp begrenzt ist. Zur Detektion eines solchen Kurzschlusses ist es bekannt, geeignete Sensoren, wie beispielsweise einen Temperatursensor, der die in Folge des Kurzschlusses ansteigende Temperatur im Bereich des Leistungstransistors M erfasst, oder einen Stromsensor, vorzusehen. Die Spannungsbegrenzungsanordnung mit der Zenerdiode Z ermöglicht bei sperrender Ansteuerung des Leistungstransistors M nach Detektion eines solchen Kurzschlusses ein Abkommutieren der Leitungsinduktivität Lp:
    Bei sperrender Ansteuerung des Leistungstransistors M wirkt der MOSFET M zunächst einem weiteren Ansteigen des Kurzschlussstromes entgegen und bewirkt im weiteren Verlauf des Abschaltvorganges eine Verringerung des Kurzschlussstromes. Bedingt durch die in der Leitungsinduktivität Lp zuvor gespeicherte induktive Energie wird über der Laststrecke D-S des MOSFET eine Spannung induziert, die über die zwischen den Versorgungsklemmen anliegende Versorgungsspannung ansteigen kann. Ein Ansteigen dieser induzierten Gegenspannung wird dabei durch die Zenerdiode Z begrenzt, die einer sperrenden Ansteuerung des MOSFET durch die Ansteuerschaltung 10 solange entgegenwirkt, bis die Leitungsinduktivität Lp soweit abkommutiert ist, dass die Laststreckenspannung Vds unter einen Spannungsgrenzwert absinkt, bei dem die Zenerdiode Z anspricht.
  • Problematisch ist, dass während dieses Abkommutiervorganges vor einem vollständigen Sperren des Leistungs-MOSFET M kritische Betriebszustände auftreten können, nämlich dann, wenn die in dem Leistungstransistor in Wärme umgesetzte Verlustleistung außerhalb des sogenannten "sicheren Betriebsbereichs" (Safe Operating Area, SOA) liegt. Diese Verlustleis tung entspricht dabei dem Produkt aus der über dem MOSFET M anliegenden Laststreckenspannung Vds und dem Laststrom Ids.
  • 2 zeigt schematisch das Kennlinienfeld eines Leistungstransistors, in dem der Laststrom Ids über der Laststreckenspannung Vds für verschiedene Ansteuerspannungen bzw. Gate-Source-Spannung Vgs aufgetragen ist. Strichpunktiert eingezeichnet ist in diesem Kennlinienfeld eine Linie 100, die den sicheren Betriebsbereich markiert. Betriebszustände links bzw. unterhalb dieser Grenzlinie 100 liegen dabei im sicheren Betriebsbereich, während Betriebszustände rechts bzw. oberhalb dieser Grenzlinie 100 außerhalb des sicheren Betriebsbereiches liegen. Ein Betriebszustand des MOSFET ist dabei jeweils durch ein Wertepaar aus Laststreckenspannung Vds und Laststrom Ids gegeben.
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung mit einem Leistungstransistor und einer Spannungsbegrenzungsschaltung zur Verfügung zu stellen, bei der ein Betrieb des Leistungstransistors innerhalb des sicheren Betriebsbereiches sichergestellt ist.
  • Dieses Ziel wird durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst einen Leistungstransistor mit einem Steueranschluss und einem ersten und zweiten Laststreckenanschluss sowie einer Spannungsbegrenzungsschaltung. Die Spannungsbegrenzungsschaltung ist zwischen den ersten Laststreckenanschluss und den Steueranschluss des Leistungstransistors geschaltet und dazu ausgebildet, eine Spannung zwischen diesem ersten Laststreckenanschluss und dem Steueranschluss auf einen einstellbaren Spannungsgrenzwert zu begrenzen. Die Spannungsbegrenzungsschaltung weist einen Steueranschluss zur Zuführung eines Einstellsignals für diesen einstellbaren Spannungsgrenzwert auf.
  • Zur Bereitstellung dieses Einstellsignals ist eine Steuerschaltung vorhanden, die dazu ausgebildet ist, das Einstellsignal abhängig von einem Strom durch den Lasttransistor oder abhängig von einer an dem Steueranschluss des Lasttransistors anliegenden Ansteuerspannung zur Verfügung zu stellen.
  • Der Spannungsgrenzwert der Spannungsbegrenzungsschaltung bestimmt bei dieser Schaltungsanordnung eine maximale Spannung, die zwischen den Laststreckenanschlüssen des Leistungstransistors auftreten kann. Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung werden Betriebszustände des Leistungstransistors außerhalb des sicheren Betriebsbereiches vermieden, indem der Spannungsgrenzwert, und damit die maximal mögliche Laststreckenspannung, bei großen Lastströmen reduziert wird.
  • Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuerschaltung das Einstellsignal abhängig von dem Strom durch den Lasttransistor erzeugt und dass die Spannungsbegrenzungsschaltung und die Steuerschaltung derart aufeinander abgestimmt sind, dass der Spannungsgrenzwert über das Einstellsignal mit zunehmendem Strom durch den Lasttransistor verringert wird.
  • Die Spannungsbegrenzungsschaltung mit dem einstellbaren Spannungsgrenzwert umfasst beispielsweise ein erstes Spannungsbegrenzungselement und wenigstens ein zweites Spannungsbegrenzungselement, die parallel zueinander und jeweils zwischen den ersten Laststreckenanschluss und den Steueranschluss des Leistungstransistors geschaltet sind. In Reihe zu dem wenigstens einen zweiten Spannungsbegrenzungselement ist dabei eine Schalteranordnung geschaltet, die durch das Einstellsignal angesteuert ist. Die Schalteranordnung dient dazu, das zweite Spannungsbegrenzungselement zu deaktivieren, wobei der Spannungsgrenzwert in diesem Fall durch das erste Spannungsbegrenzungselement vorgegeben ist. Ein Spannungsgrenzwert des zweiten Spannungsbegrenzungselementes ist bei dieser Ausführungsform kleiner als der Spannungsgrenzwert des ersten Span nungsbegrenzungselementes, so dass der Spannungsgrenzwert der Spannungsbegrenzungsschaltung bei aktiviertem zweiten Spannungsbegrenzungselement durch dieses zweite Spannungsbegrenzungselement gegeben ist.
  • Darüber hinaus kann die Spannungsbegrenzungsschaltung auch dadurch realisiert werden, das ein erstes und wenigstens ein zweites Spannungsbegrenzungselement in Reihe zwischen den ersten Laststreckenanschluss und den Steueranschluss des Leistungstransistors vorhanden sind. Parallel zu wenigstens einem dieser beider Schalter ist dabei eine Schalteranordnung geschaltet, die dazu dient, das jeweilige Spannungsbegrenzungselement nach Maßgabe des Einstellsignals zu überbrücken. Der Spannungsgrenzwert dieser Spannungsbegrenzungsschaltung entspricht bei dieser Anordnung der Summe der Spannungsgrenzwerte des ersten und zweiten Spannungsbegrenzungselements, wenn die Schalteranordnung geöffnet ist und dem Spannungsgrenzwert des nicht überbrückten Spannungsbegrenzungselements, wenn die Schalteranordnung geschlossen ist.
  • Die Spannungsbegrenzungselemente können insbesondere Zenerdioden sein, die in Sperrrichtung zwischen den ersten Laststreckenanschluss und den Steueranschluss des Leistungstransistors geschaltet sind.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
  • 1 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einem Leistungstransistor und einer Spannungsbegrenzungsschaltung nach dem Stand der Technik.
  • 2 zeigt beispielhaft ein Kennlinienfeld eines Leistungstransistors, in dem der Laststrom des Leistungstransistors über dessen Laststreckenspannung für verschiedene Ansteuerspannungen aufgetragen ist.
  • 3 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit einem Leistungstransistor und einer Spannungsbegrenzungsschaltung mit einstellbarem Spannungsgrenzwert.
  • 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Spannungsbegrenzungsschaltung (4A) und den Spannungsgrenzwert der dargestellten Begrenzungsschaltung abhängig von einem Laststrom durch den Leistungstransistor (4B).
  • 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, bei der die Spannungsbegrenzungsschaltung abhängig von einem Laststrom durch den Leistungstransistor angesteuert ist.
  • 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, bei der die Spannungsbegrenzungsschaltung abhängig von einer Ansteuerspannung des Leistungstransistors angesteuert ist.
  • 7 zeigt ein Realisierungsbeispiel für die Spannungsbegrenzungsanordnung der Schaltung gemäß 6.
  • 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Spannungsbegrenzungsanordnung, bei der mehr als zwei Spannungsgrenzwerte einstellbar sind.
  • 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer weiteren Spannungsbegrenzungsanordnung, bei der mehr als zwei Spannungsgrenzwerte einstellbar sind.
  • In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Schaltungskomponenten und Signale mit gleicher Bedeutung.
  • 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Die Schaltungsanordnung umfasst einen Leistungstransistor mit einem Steueranschluss G sowie einem ersten und einem zweiten Laststreckenanschluss D, S. Der Leistungstransistor M ist in dem Beispiel als n-Kanal-MOSFET ausgebildet, dessen Gate-Anschluss den Steueranschluss und dessen Drain- und Source-Anschlüsse die ersten und zweiten Laststreckenanschlüsse D, S bilden.
  • Zur Ansteuerung des Leistungstransistors M ist eine Ansteuerschaltung 10 vorhanden, die einen Ausgang aufweist, der an den Steueranschluss G des Leistungstransistors M angeschlossen ist. Diese Ansteuerschaltung 10 stellt ein Ansteuersignal S10 zur Verfügung, nach dessen Maßgabe der Leistungstransistor M leitet oder sperrt. Der dargestellte n-Kanal-MOSFET M leitet, wenn das Ansteuersignal S10 zu einer Gate-Source-Spannung Vgs führt, die oberhalb einer Einsatzspannung des MOSFET M liegt.
  • An die Ansteuerschaltung 10 kann ein Überlastungssensor 50 angeschlossen sein, der ein Sensorsignal S50 bereitstellt, das der Ansteuerschaltung 10 zugeführt ist und nach dessen Maßgabe die Ansteuerschaltung den Leistungstransistor M sperrt. Dieser Überlastungssensor kann beispielsweise ein Temperatursensor zur Detektion einer Temperatur des Leistungs-MOSFET M sein, der dazu dient, Übertemperaturen zu detektieren, wie sie beispielsweise bei einem Kurzschluss einer in Reihe zu dem Leistungstransistor geschalteten Last 1 auftreten können. Der Überlastsensor kann alternativ auch als Stromsensor ausgeführt sein, der einen Laststrom durch den Leistungstransistor M erfasst.
  • Der dargestellte Leistungstransistor M dient als Schalter für die elektrische Last 1, die in 3 zum besseren Verständnis ebenfalls dargestellt ist. Lp bezeichnet die Leitungsinduktivität. Die Last 1 ist während eines Betriebs der Schaltungsanordnung in Reihe zu der Laststrecke D-S des Leistungs transistors M geschaltet, wobei die Reihenschaltung zwischen Klemmen für ein erstes und ein zweites Versorgungspotential bzw. positives Versorgungspotential V und Bezugspotential GND geschaltet ist. Der Leistungstransistor M ist bei der Schaltung gemäß 3 in Low-Side-Konfiguration verschaltet, d. h. der Leistungstransistor M liegt zwischen der Last und dem negativen Versorgungspotential bzw. Bezugspotential GND. Wahrend des Betriebs der Schaltung liegt ein Laststreckenspannung Vds über der Laststrecke D-S des Leistungstransistors M an, die unter anderem vom Schaltzustand des Leistungstransistors M abhängig ist.
  • Zur Begrenzung dieser Laststreckenspannung Vds ist eine Spannungsbegrenzungsanordnung 20 vorhanden, die erste und zweite Lastanschlüsse 22, 23 sowie einen Steueranschluss 21 aufweist. Diese Spannungsbegrenzungsanordnung 20 ist über ihre Lastanschlüsse 22, 23 zwischen den ersten Laststreckenanschluss D und den Steueranschluss G des Leistungstransistors M geschaltet und ist dazu ausgebildet, eine Spannung Vdg zwischen diesem ersten Laststreckenanschluss D und dem Steueranschluss G auf einen einstellbaren Spannungsgrenzwert zu begrenzen. Dieser Spannungsgrenzwert bestimmt unmittelbar die maximale Laststreckenspannung Vds des Leistungstransistors M und ist so gewählt, dass er größer ist als die während des Betriebs an die Reihenschaltung des Leistungstransistors M und der Last anliegende Versorgungsspannung V. Die maximale Laststreckenspannung Vds entspricht dabei der Summe aus dem durch die Spannungsbegrenzungsanordnung 20 vorgegebenen Spannungsgrenzwert und der Ansteuerspannung Vgs des Leistungstransistors M. Erreicht die Laststreckenspannung Vds einen Wert, bei dem die Spannung zwischen dem ersten Laststreckenanschluss D und dem Steueranschluss G den Wert des Spannungsgrenzwertes erreicht, so ermöglicht die Spannungsbegrenzungsanordnung einen Stromfluss von dem ersten Laststreckenanschluss D an den Steueranschluss G und steuert dadurch den Leistungs-MOSFET M über dessen Steueranschluss G leitend an, um dadurch einem weiteren Ansteigen der Laststreckenspannung Vds entgegenzuwirken.
  • Der Spannungsgrenzwert der Spannungsbegrenzungsanordnung 20 ist durch ein dem Steuereingang 21 zugeführtes Einstellsignal S30 einstellbar. Dieses Einstellsignal S30 wird von einer Steuerschaltung zur Verfügung gestellt. Diese Steuerschaltung ist bei der Schaltungsanordnung gemäß 3 als Strommessanordnung ausgebildet, die das Einstellsignal S30 abhängig von einem Strom Ids durch den Leistungstransistor M erzeugt.
  • Ein Betriebszustand des Leistungstransistors M ist jeweils gegeben durch dessen Laststreckenspannung Vds und den bei der jeweiligen Laststreckenspannung Vds den MOSFET M durchfließenden Laststrom Ids. Das Produkt dieser beiden Parameter bestimmt die Verlustleistung, die in dem Leistungstransistor in Wärme umgesetzt wird. Um diese Verlustleistung nach oben hin zu begrenzen und dadurch sicherzustellen, dass der Leistungstransistor M stets im sicheren Betriebsbereich (SOA) betrieben wird, sind die Strommessanordnung 30 und die Spannungsbegrenzungsanordnung 20 derart aufeinander abgestimmt, dass der über das Einstellsignal S30 eingestellte Spannungsgrenzwert der Spannungsbegrenzungsanordnung 20 mit zunehmendem Laststrom Ids des Leistungstransistors abnimmt. Bei großen Lastströmen wird die Laststreckenspannung Vds dadurch auf kleinere Maximalwerte begrenzt, wodurch ein Betrieb des Leistungstransistors im sicheren Betriebsbereich sichergestellt wird.
  • 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Spannungsbegrenzungsanordnung, die dazu ausgebildet ist, die Laststreckenspannung Vds des Leistungstransistors M auf zwei unterschiedliche Werte zu begrenzen. Diese Spannungsbegrenzungsanordnung 20 weist zwei Spannungsbegrenzungselemente Z1, Z2 auf. Diese Spannungsbegrenzungselemente Z1, Z2 sind in dem Beispiel als Zenerdioden ausgebildet, die parallel zueinander zwischen den ersten und zweiten Lastanschluss 22, 23 der Spannungsbegrenzungsanordnung 20 geschaltet sind. Die beiden Zenerdioden Z1, Z2 besitzen unterschiedliche Durchbruchsspannungen, wobei die Durchbruchsspannung der ersten Zenerdiode Z1 größer als die Durchbruchsspannung der zweiten Zenerdiode Z2 ist. In Reihe zu der zweiten Zenerdiode Z2 ist ein Schalter 24 geschaltet, der durch das Einstellsignal S30 angesteuert ist. Bei sperrend angesteuertem Schalter 24 ist die zweite Zenerdiode Z2 deaktiviert. In diesem Fall bestimmt die Durchbruchsspannung der ersten Zenerdiode Z1 den Spannungsgrenzwert der Spannungsbegrenzungsanordnung 20. Bei leitend angesteuertem Schalter 24 ist die zweite Zenerdiode Z2 aktiviert und deren im Vergleich zur Durchbruchsspannung der ersten Zenerdiode Z1 kleinere Durchbruchsspannung bestimmt in diesem Fall den Spannungsgrenzwert der Spannungsbegrenzungsanordnung 20.
  • Das Einstellsignal S30 ist ein zweiwertiges Signal, dass den Schalter 24 entweder leitend oder sperrend ansteuert. Dieses Einstellsignal S30 wird durch die Strommessanordnung in nicht näher dargestellter Weise derart erzeugt, dass es den Schalter 24 sperrend ansteuert, wenn der Laststrom Ids unterhalb eines vorgegebenen Stromgrenzwertes liegt, und dass es den Schalter 24 leitend ansteuert, wenn der Laststrom Ids oberhalb des vorgegebenen Stromgrenzwertes liegt. Die Funktionsweise der in 4A dargestellten Spannungsbegrenzungsanordnung 20 wird nachfolgend anhand von 4B erläutert.
  • 4B veranschaulicht den Spannungsgrenzwert, d. h. die maximal über der Spannungsbegrenzungsanordnung 20 anliegende Spannung V20 abhängig von dem Laststrom Ids des Leistungstransistors M. Dieser Spannungsgrenzwert V20 entspricht der Durchbruchsspannung Vz1 der ersten Zenerdiode Z1 für Lastströme Ids kleiner als ein Stromgrenzwert Ids0 und entspricht der Durchbruchsspannung Vz2 der zweiten Zenerdiode Z2 für Lastströme Ids größer als dieser Stromgrenzwert Ids0. Dargestellt ist in 4B außerdem der Verlauf des Einstellsignals S30 abhängig von dem Laststrom Ids. Dieses Einstellsignal S30 nimmt für Lastströme Ids oberhalb des Grenzwertes Ids0 einen zum Einschalten des Schalters 24 geeigneten Pegel, in dem Beispiel einen High-Pegel, an.
  • Der erste und zweite Spannungsbegrenzungswert Vz1, Vz2 und der Stromgrenzwert Ids0 sind auch in dem Kennlinienfeld in 2 dargestellt. Mit Hilfe dieser Grenzwerte Vz1, Vz2 sowie Ids0 lässt sich das Kennlinienfeld in drei Bereiche I–III unterteilen. Für diese einzelnen Bereiche gilt:
    • I: Ids > Ids0 und Vds < Vz2
    • II: Ids < Ids0 und Vds < Vz1
    • III: Ids > Ids0 und Vds > Vz2 oder Vds > Vz.
  • Wie 2 zu entnehmen ist, verläuft die Grenzlinie zwischen dem sicheren und dem unsicheren Betriebsbereich weitgehend durch den Bereich III des Kennlinienfeldes. Betriebszustände in diesem Bereich III können aufgrund der Begrenzung der Laststreckenspannung Vds auf den größeren Wert Vz1 bei kleinen Lastströmen (kleiner Ids0) bzw. auf den kleineren Grenzwert Vz2 bei größeren Lastströmen (größer Ids0) nicht auftreten. Der Bereich II des Kennlinienfeldes liegt vollständig innerhalb des sicheren Betriebsbereiches.
  • Der Bereich I des Kennlinienfeldes liegt zwar teilweise außerhalb des sicheren Betriebsbereiches. Die Lastströme, die fließen müssen, dass der Transistor M innerhalb des Bereiches I außerhalb des sicheren Betriebsbereiches betrieben wird, sind jedoch so groß, dass der Transistor durch den Kurzschlusssensor abgeregelt wird, noch bevor der Laststrom bis auf diese Werte ansteigen kann. Das Verhalten der Schaltung gemäß 3 bei einem Kurzschluss der Last und zunächst leitend angesteuertem Transistor M wird nachfolgend anhand von 2 erläutert. Der Verlauf des Laststromes Ids und der Laststreckenspannung Vds ist für diesen Fehlerfall durch die gezackte Kurve in 2 dargestellt.
  • In Folge des Kurzschlusses der Last Z steigt der Laststrom Ids zunächst linear an, bis der Kurzschluss durch den Sensor 50 detektiert wird und die Ansteuerschaltung 10 den Transistor M abregelt. Die Stelle des Kurvenverlaufs, ab dem der Transistor abgeregelt wird, ist mit 1 bezeichnet. Durch das Abregeln des Transistors M nach Detektion dieses Kurzschlusses steigt der Laststrom Ids durch den Transistor M zunächst langsamer an, wobei jedoch die Laststreckenspannung Vds über dem MOSFET M zunimmt. Erreicht die Laststreckenspannung Vds den Wert der kleineren zweiten Durchbruchsspannung Vz2 (Punkt 2 des Kurvenverlaufs), so wirkt die Spannungsbegrenzungsanordnung 20 der Ansteuerschaltung 10 entgegen und steuert den Transistors M auf, wodurch ein Ansteigen der Laststreckenspannung Vds begrenzt wird und wodurch die Leitungsinduktivität Lp abkommutieren kann. Sinkt der Laststrom Ids in Folge dieser Abkommutierung der Leitungsinduktivität Lp auf bzw. unter den Stromgrenzwert Ids0 ab (Punkt 3 des Kurvenverlaufs), so erhöht sich der Spannungsgrenzwert auf den Wert der ersten Durchbruchsspannung Vz1. Die Spannungsbegrenzungsanordnung sperrt dadurch zunächst, wodurch die Laststreckenspannung Vds auf den Wert dieser ersten Durchbruchsspannung Vz1 ansteigt, wodurch der Leistungstransistors M wieder leitend angesteuert wird (Punkt 4 des Kurvenverlaufs), um die Leitungsinduktivität Lp vollständig abzukommutieren. Der Abkommutierungsvorgang ist abgeschlossen, wenn die Laststreckenspannung Vds des Leistungstransistors M nach Abkommutieren der Leitungsinduktivität Lp auf den Wert der Versorgungsspannung V abgesunken ist.
  • 5A veranschaulicht ein schaltungstechnisches Realisierungsbeispiel der in 3 dargestellten Strommessanordnung 30 sowie des in 4A dargestellten Schalters 24. Die in 5 dargestellte Strommessanordnung 30 funktioniert nach dem sogenannten Strom-Sense-Prinzip. Hierzu ist ein Strommesstransistor 31 vorhanden, der vom gleichen Leitungstyp wie der als Lasttransistor eingesetzte Leistungstransistor M ist. Ein Drain-Anschluss dieses Messtransistors 31 ist an den Drain-Anschluss des Leistungstransistors M und ein Gate-Anschluss dieses Messtransistors 31 ist an den Gate-Anschluss des Leistungstransistors M angeschlossen. Zwischen einen Source-Anschluss des Messtransistors 31 und Bezugspotential ist ein Strommesswiderstand 32 geschaltet, der von einem Messstrom Im durchflossen ist. Ein durch diesen Messstrom Im über dem Messtransistor 32 hervorgerufener Spannungsabfall V32 steuert eine Schalteranordnung 25, 26, 27 in der Spannungsbegrenzungsanordnung 20 an, die die zweite Zenerdiode Z2 aktiviert oder deaktiviert.
  • Diese Schalteranordnung umfasst einen ersten Transistor 25, dessen Laststrecke in Reihe zu der zweiten Zenerdiode Z2 geschaltet ist. Dieser Transistor 25 ist in dem Beispiel als p-Kanal-MOSFET ausgebildet, dessen Source-Anschluss an die Zenerdiode Z2 angeschlossen ist und zwischen dessen Source-Anschluss und Gate-Anschluss ein Widerstand 26 geschaltet ist. Zwischen den Gate-Anschluss dieses ersten Transistors 25 und Bezugspotential GND ist ein zweiter Transistor 27 geschaltet, der durch die Spannung V32 über dem Messtransistor 32 angesteuert ist und der als n-Kanal-Transistor ausgebildet ist. Leitet dieser zweite Transistor 27 angesteuert durch die Messspannung V32 so leitet der erste Transistor 25 und aktiviert damit die zweite Zenerdiode Z2. Der zweite Transistor 27 leitet, wenn die Messspannung V32 dessen Einsatzspannung erreicht. Der Messwiderstand 32 sowie das Flächenverhältnis zwischen dem Strommesstransistor 31 und dem Lasttransistor M sind so aufeinander abgestimmt, dass die Messspannung V32 dann die Einsatzspannung des zweiten Transistors 27 erreicht, wenn der Laststrom Ids durch den Lasttransistor M den Stromgrenzwert Ids0 übersteigt. Unter der Annahme, dass die Messspannung V32 deutlich kleiner ist als die Gate-Source-Spannung des Lasttransistors M werden der Lasttransistor M und der Messtransistor 31 annähernd im gleichen Arbeitspunkt betrieben, wobei in diesem Fall der Messstrom Im über das Flächenverhältnis zwischen Messtransistor 31 und Lasttransistor M zu dem Laststrom Ids in Beziehung steht.
  • 5B zeigt eine Alternative zu der in 5A dargestellten Strombegrenzungsanordnung. Bei dieser Strombegrenzungsanordnung sind die erste und zweite Zenerdiode Z1, Z2 in Reihe zwischen den ersten und zweiten Lastanschluss 22, 23 der Spannungsbegrenzungsanordnung 20 geschaltet. Der als Schalter dienende erste Transistor 25 ist hierbei parallel zu der ersten Zenerdiode Z1 geschaltet und wird über den zweiten Transistor 27 in erläuterter Weise abhängig von der Messspannung V23 angesteuert. Bei der in 5B dargestellten Begrenzungsschaltung 20 wird die erste Zenerdiode Z1 abhängig von der Messspannung V32, und damit abhängig von dem Laststrom aktiviert oder deaktiviert. Die erste Zenerdiode ist deaktiviert, wenn der erste Transistor 25 leitend angesteuert ist. Der Spannungsgrenzwert der Begrenzungsschaltung 20 entspricht in diesem Fall – wie auch bei der Begrenzungsschaltung gemäß 5A – der Durchbruchsspannung der zweiten Zenerdiode. Die erste Zenerdiode ist aktiviert, wenn der erste Transistor 25 sperrend angesteuert ist. Der Spannungsgrenzwert der Begrenzungsschaltung 20 entspricht in diesem Fall – anders als bei der Begrenzungsschaltung gemäß 5A – der Summe der Durchbruchsspannungen der beiden Zenerdioden.
  • 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Ein Einstellsignal S40 zur Einstellung der Spannungsbegrenzung der Spannungsbegrenzungsanordnung 20 wird bei dieser Schaltungsanordnung abhängig von einer Ansteuerspannung Vgs erzeugt. Diese Ansteuerspannung Vgs wird hierzu durch einen Komparator 41 mit einer durch eine Referenzspannungsquelle 42 gelieferten Referenzspannung Vref verglichen. Am Ausgang dieses Komparators 41 steht das Einstellsignal S40 zur Verfügung. Die Spannungsbegrenzungsanordnung 20 ist bei dieser Schaltungsanordnung dazu ausgebildet, die Spannung zwischen dem ersten Laststreckenanschluss D und dem Steueranschluss G auf einen ersten Spannungsgrenzwert oder einen im Vergleich zum ersten Spannungsgrenzwert kleineren Spannungsgrenzwert zu begrenzen. Die das Einstellsignal S40 erzeugende Steuerschaltung 40 und die Spannungsbegrenzungsanordnung 20 sind hierbei so aufeinander abgestimmt, das eine Spannungsbegrenzung auf den größeren ersten Spannungsgrenzwert dann erfolgt, wenn die Ansteuerspannung Vgs kleiner als die Referenzspannung ist, und dass die Spannungsbegrenzung auf den kleineren zweiten Spannungsbegrenzungswert erfolgt, wenn die Ansteuerspannung Vgs größer als die Referenzspannung Vref ist. Im zuerst genannten Fall (Vgs < Vref) nimmt das am Ausgang des Komparators 41 zur Verfügung stehende Einstellsignal S40 einen High-Pegel an, während das Einstellsignal S40 im zweiten Fall (Vgs > Vref) einen Low-Pegel annimmt.
  • 7 zeigt ein schaltungstechnisches Realisierungsbeispiel für die Spannungsbegrenzungsanordnung 20 gemäß 6. Diese Spannungsbegrenzungsanordnung umfasst zwei parallel geschaltete Zenerdioden, eine erste Zenerdiode Z1 und eine zweite Zenerdiode Z2, von denen die zweite Zenerdiode Z2 eine geringere Durchbruchsspannung als die erste Zenerdiode Z1 besitzt. Zur Aktivierung der zweiten Zenerdiode Z2 ist ein Transistor 25 vorhanden, der als p-Kanal-MOSFET ausgebildet ist und dessen Laststrecke in Reihe zu der zweiten Zenerdiode Z2 geschaltet ist. Dieser Transistor 25 ist durch das Einstellsignal S40 angesteuert und leitet, wenn das Einstellsignal S40 einen Low-Pegel annimmt. Zwischen den Steueranschluss dieses Transistors 25 und den ersten Lastanschluss 22 der Spannungsbegrenzungsanordnung ist ein Widerstand 26 geschaltet, der als Pull-Up-Widerstand dient und der dafür sorgt, dass der Transistor 25 sperrt, wenn das Einstellsignal S40 einen High-Pegel annimmt.
  • Die anhand der 4A und 7 erläuterten Spannungsbegrenzungsanordnungen 20 sind dazu ausgebildet, die Drain-Gate-Spannung des Leistungstransistors M abhängig von einem Einstellsignal auf einen von zwei unterschiedlichen Spannungsbegrenzungswerten zu begrenzen. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, die Spannungsbegrenzungsanordnung so auszu gestalten, dass über ein Einstellsignal mehr als zwei unterschiedliche Spannungsbegrenzungswerte einstellbar sind. Bezug nehmend auf 8 werden zur Realisierung einer solchen Spannungsbegrenzungsanordnung 20 beispielsweise mehrere Zenerdioden Z1, Z2, Zn parallel geschaltet, die abhängig von einem Einstellsignal S30 aktivierbar oder deaktivierbar sind. Zur Aktivierung der einzelnen Zenerdioden sind Schaltelemente 24, 29 in Reihe zu den jeweiligen Zenerdioden geschaltet. Zur Ansteuerung dieser Schaltelemente nach Maßgabe des Einstellsignals ist eine Auswertelogik 28 vorhanden, die das Einstellsignal auswertet und abhängig von dieser Auswertung die einzelnen Schalter 24, 27 leitend oder sperrend ansteuert. Die einzelnen Zenerdioden Z1, Z2, Zn besitzen unterschiedliche Durchbruchsspannungen. Die Aktivierung dieser einzelnen Zenerdioden abhängig von einem Laststrom Ids durch den Leistungstransistor erfolgt beispielsweise derart, dass mit zunehmendem Laststrom die Zenerdioden mit kleinerer Durchbruchsspannung aktiviert werden, um mit zunehmendem Laststrom die Drain-Gate-Spannung des Leistungstransistors und damit dessen Laststreckenspannung Vds auf kleinere Werte zu begrenzen.
  • 9 zeigt eine weitere Spannungsbegrenzungsanordnung 20, bei der mehr als zwei Spannungsgrenzwerte einstellbar sind. Diese Anordnung 20 umfasst mehrere – in dem Beispiel drei – Zenerdioden Z1, Z2, Zn, von denen zur Einstellung des Spannungsgrenzwertes einige – in dem Beispiel zwei Z2, Zn – durch Schalter 24, 27 überbrückbar sind. Diese Schalter 24, 27 sind durch eine Logikschaltung 28 abhängig von dem Einstellsignal 30 angesteuert. Bei dieser Begrenzungsanordnung lassen sich vier unterschiedliche Spannungsgrenzwerte einstellen:
    • – ein erster Grenzwert, der der Durchbruchsspannung der ersten Zenerdiode Z1 entspricht und der eingestellt ist, wenn die beiden Schalter 24, 27 geschlossen sind, um die beiden weiteren Zenerdioden Z2, Zn zu überbrücken,
    • – ein zweiter Grenzwert, der der Summe der Durchbruchsspannungen der ersten und zweiten Zenerdiode Z1, Z2 entspricht und der eingestellt ist, wenn der erste Schalter 24 geöffnet ist und der zweite Schalter 27 geschlossen ist,
    • – ein dritter Grenzwert, der der Summe der Durchbruchsspannungen der ersten und dritten Zenerdiode Z1, Zn entspricht und der eingestellt ist, wenn der erste Schalter 24 geschlossen ist und der zweite Schalter 27 geöffnet ist,
    • – ein vierter Grenzwert, der der Summe der Durchbruchsspannungen der drei Zenerdioden Z1, Z2, Zn entspricht und der eingestellt ist, wenn beide Schalter 24, 27 geöffnet sind.
  • Die Anzahl der einstellbaren Grenzwerte reduziert sich bei der Begrenzungsschaltung 20 gemäß 5B auf drei, wenn die zweite und dritte Zenerdiode Z2, Zn gleiche Durchbruchsspannungen besitzen.
  • Die Reihenschaltung mehrerer Zenerdioden zur Realisierung der Spannungsbegrenzungsschaltung besitzt gegenüber einer Parallelschaltung den Vorteil, dass verschiedene Spannungsgrenzwerte unter Verwendung von Zenerdioden mit jeweils gleichen Durchbruchsspannungen einstellbar sind. Zur Realisierung solcher Zenerdioden mit gleiche Durchbruchsspannung können identische Prozesse durchgeführt werden, was deren Herstellung vereinfacht und verbilligt. Die zuvor erläuterten Zenerdioden können insbesondere in demselben Chip wie der Leistungstransistor M integriert werden.
  • 1
    Last
    10
    Ansteuerschaltung
    20
    Spannungsbegrenzungsanordnung
    21
    Steueranschluss der Spannungsbegrenzungsanordnung
    22, 23
    Lastanschlüsse der Spannungsbegrenzungsanordnung
    24
    Schalter
    25
    Transistor, p-Kanal-MOSFET
    26
    ohmscher Widerstand
    27
    n-Kanal-MOSFET
    28
    Logikschaltung
    29
    Schalter
    30
    Steuerschaltung, Strommessanordnung
    31
    Strommesstransistor, n-Kanal-MOSFET
    32
    Strommesswiderstand
    40
    Steuerschaltung
    41
    Komparator
    42
    Referenzspannungsquelle
    50
    Überlastungssensor
    D
    erster Laststreckenanschluss, Drain-Anschluss
    DD
    Diode
    G
    Steueranschluss, Gate-Anschluss
    GND
    zweites Versorgungspotential, Bezugspotential
    Ids
    Laststrom
    Ids0
    Stromgrenzwert
    Lp
    Leitungsinduktivität
    M
    Leistungstransistor, Leistungs-MOSFET
    S
    zweiter Laststreckenanschluss, Source-Anschluss
    S30
    Einstellsignal
    S40
    Einstellsignal
    V
    erstes Versorgungspotential, positives Versorgungspotential
    V32
    Spannung über dem Strommesswiderstand
    Vds
    Laststreckenspannung, Drain-Source-Spannung
    Vgs
    Ansteuerspannung, Gate-Source-Spannung
    Vref
    Referenzspannung
    Vz1, Vz2
    Zenerdioden, Durchbruchsspannungen
    Z
    Last
    Z
    Zenerdiode
    Z1, Z2, Zn
    Zenerdioden

Claims (8)

  1. Schaltungsanordnung, die folgende Merkmale aufweist: – einen Leistungstransistor mit einem Steueranschluss (G) und einem ersten (D) und zweiten (S) Laststreckenanschluss, – eine Spannungsbegrenzungsschaltung (20), die zwischen den ersten Laststreckenanschluss (D) und den Steueranschluss (G) geschaltet ist, die dazu ausgebildet ist, eine Spannung zwischen diesem ersten Laststreckenanschluss (D) und dem Steueranschluss (G) auf einen einstellbaren Spannungsgrenzwert zu begrenzen und die einen Steueranschluss (21) zur Zuführung eines Einstellsignals (S30; S40) für den Spannungsgrenzwert aufweist, – eine Steuerschaltung (30; 40) die dazu ausgebildet ist, das Einstellsignal (S30; S40) abhängig von einem Strom (Ids) durch den Lasttransistor (M) oder abhängig von einem elektrischen Potential an dem Steueranschluss (G) des Lasttransistors (M) zur Verfügung zu stellen.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die Steuerschaltung das Einstellsignal (S30) abhängig von dem Strom durch den Lasttransistor (M) erzeugt und bei der die Spannungsbegrenzungsschaltung (20) und die Steuerschaltung (30) derart aufeinander abgestimmt sind, dass der Spannungsgrenzwert über das Einstellsignals mit zunehmendem Strom (Ids) durch den Lasttransistor (M) verringert wird.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, bei dem die Spannungsbegrenzungsschaltung (20) die Spannung zwischen dem ersten Laststreckenanschluss (D) und dem Steueranschluss (G) abhängig von dem Einstellsignal (S30) auf einen ersten Spannungsgrenzwert oder einen zweiten Spannungsgrenzwert, der kleiner als der erste Spannungsgrenzwert ist, begrenzt.
  4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Spannungsbegrenzungsschaltung (20) aufweist: – ein erstes Spannungsbegrenzungselement (Z1) und wenigstens ein zweites Spannungsbegrenzungselement (Z2, Zn) aufweist, die parallel zwischen den ersten Laststreckenanschluss (D) und den Steueranschluss (G) geschaltet sind, – eine in Reihe zu dem wenigstens einen zweiten Spannungsbegrenzungselement (Z2) geschaltete Schalteranordnung (24, 25, 27), die durch das Einstellsignal (S30) angesteuert ist.
  5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Spannungsbegrenzungsschaltung (20) aufweist: – ein erstes Spannungsbegrenzungselement (Z1) und wenigstens ein zweites Spannungsbegrenzungselement (Z2, Zn) aufweist, die in Reihe zwischen den ersten Laststreckenanschluss (D) und den Steueranschluss (G) geschaltet sind, – eine parallel zu wenigstens einem der Spannungsbegrenzungselemente (Z1, Z2, Zn) geschaltete Schalteranordnung (24, 25, 27), die durch das Einstellsignal (S30) angesteuert ist.
  6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, bei der die Schalteranordnung (24) ein als Transistor (25) ausgebildetes Schaltelement aufweist.
  7. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die eine Ansteuerschaltung (10) mit einem Ausgang, der an den Steueranschluss des Lasttransistors (M) angeschlossen ist, aufweist.
  8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, die einen Temperatursensor (20) aufweist, der dazu ausgebildet ist, eine Temperatur des Lasttransistors (M) zu erfassen und der ein Tempera tursignal (S20) bereitstellt, das einem Eingang der Ansteuerschaltung (10) zugeführt ist.
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