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Die
Erfindung betrifft ein Bordnetz, insbesondere ein Kfz-Bordnetz, mit mindestens
einem feldeffektgesteuerten Leistungstransistor, der eine Bordnetzversorgungsspannung
VBB bei Ansteuerung durch eine Logikschaltung
an eine Last legt, wobei der Leistungstransistor eine Drain-Source-Durchbruchspannung
VDS mit einem positivem Temperaturkoeffizienten
TKDS aufweist. Ferner ist der Leistungstransistor
mit einem Klemmmittel zum Schutz vor im Bordnetz auftretenden Überspannungen
VÜ versehen.
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Insbesondere
im Kfz-Bordnetzen spielt der so genannte Loaddump-Fall (nachfolgend
Lastabwurf genannt) eine wichtige Rolle bei der Spezifikation der
Anforderungen an die im Bordnetz eingesetzten Leistungstransistoren.
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Dieser
Lastabwurf tritt dann ein, wenn im Kraftfahrzeug die Verbindung
zur Autobatterie ausfällt.
Der von der Lichtmaschine bereit gestellte Ladestrom fließt über eine
Zeit von einigen hundert Millisekunden weiter und muss von der Automobilelektronik
abgefangen bzw. aufgenommen werden, bis eine Regelung anspricht
und den Ladestrom von der Lichtmaschine des Kraftfahrzeugs voll
regelt.
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In
dieser Zeit fließt
jedoch ein mittels Lastwiderständen
auf eine typische Stromdichte von beispielsweise 50 A/cm2 stabilisierter Laststrom über die Leistungstransistoren,
wie sie in den 1A und 1B dargestellt
wird. Dazu ist aus dem Stand der Technik eine Zenerdiodenanordnung
ZDAZ wie in 1A gezeigt
und für
eine Zenerspannung VZ1 wie in 1B gezeigt
zwischen dem Gateanschluss G und dem Drainanschluss D vorgesehen.
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Dazu
weist der in 1A gezeigte Teil des herkömmlichen
Bordnetzes 10 drei Eingänge
und Ausgänge
einer Logikschaltung 3 mit IN für eine Eingangsspannung, IS
für einen
Sensorausgangsstrom und SEN für
eine Sensorenablespannung auf. Der über IN eingespeiste Strom in
die Logikschaltung 3 wird durch einen Eingangswiderstand
RIN und der Eingangsstrom vom Eingang SEN
wird durch einen Sensorenablewiderstand RSEN begrenzt.
Ferner sind die Eingänge
IN und SEN der Logikschaltung vor Überspannungen durch eine Zenerdiodenanordnung ZDESD geschützt,
die bei Überspannung
die durch RIN und RSEN begrenzten
Ströme
zu einer internen Erdung GNDi ableiten.
Außerdem
kann ein durch einen Erdungswiderstand RGND begrenzter
Strom beim Auftreten von Überspannungen
am Bordnetzversorgungsspannungsanschluss VBB über die
Zenerdiodenanordnung ZDL zur Erdung GND
hin über
den Erdungswiderstand RGND abgeleitet werden.
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Bei
einem Lastabwurf baut ein in den 1A und 1B nicht
gezeigter Generator zunächst
eine hohe Sperrspannung am Leistungstransistor 2 auf, wobei
bei Überschreiten
der in 1B gezeigten Zenerspannung VZ1 die dort gezeigte Zeneranordnung elektrisch
leitend wird, so dass eine weitere Erhöhung der Sperrspannung das
Gate G aufsteuert, d. h. ein Durchlassstrom durch den Leistungstransistor 2 von
der Source-Leistungselektrode zu der Drain-Leistungselektrode oder
umgekehrt, abhängig vom
Leitungstyp des Leistungstransistors 2, fließen kann.
Dieser von dem Generator getriebene Strom muss einige Zeit (beispielsweise
einige 100 ms) bei hoher Spannung von dem Leistungstransistor 2 als Durchlassstrom über den Ausgangsanschluss
VOUT und die Last 4 abgeführt werden
und heizt dabei den Leistungstransistor 2 auf.
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Um
bei den maximal auftretenden Loaddump-Spannungen von ca. 40 V im
Pkw-Bordnetz und ca. 58 V im Lkw-Bordnetz nicht in eine Zenerklemmung
zu gehen, werden die minimalen Zenerklemmspannungen von den Leistungstransistoren
im Pkw-Bordnetz
mit z. B. typisch 42 V und im Lkw-Bordnetz mit z. B. typisch 60
V gewählt.
Das Konzept der aktiven Zenerklemmung, wie es in den 1A und 1B gezeigt
wird, hat jedoch folgende entscheidende Nachteile:
- 1. Alle übrigen
am Spannungsnetz angeschlossene Komponenten müssen ebenfalls diesen hohen Spannungsanforderungen
standhalten, da der Überspannungsimpuls
nicht gedämpft
wird;
- 2. Beim Auftreten einer Loaddump-Überspannung erfolgt im Pkw
bis ca. 40 V kein Stromfluss, d. h. dem Überspannungsimpuls wird keine
Energie entzogen, so dass die Überspannung über eine
lange Zeitdauer anliegt;
- 3. Die Durchbruchspannung VDS der verwendeten Halbleitertechnologie
muss deutlich höher
gewählt
werden als die minimal garantierte Zenerklemmspannung unter Berücksichtigung
von Streuungen, Temperaturdrifts usw. Das hat einen negativen Einfluss
auf die Chipkosten. Notwendige Technologiespannungen ergeben sich
somit für
Pkw-Anwendungen
mit 60 V und für
Lkw-Anwendungen mit 80 V, was deutlich über den typischen maximal auftretenden
Loaddump-Spannungen von 40 V im Pkw-Bordnetz bzw. 58 V im Lkw-Bordnetz
liegt;
- 4. Je höher
die aktive Zenerklemmspannung desto höher wird auch die aufgenommene
Leistung, wenn der Leistungsschalter doch in die Klemmung geht.
Das führt
zu einer rascheren Temperaturerhöhung
und zu einer früheren
Zerstörung der
Leistungstransistoren.
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Aus
den Druckschriften
US 5,115,369 und
US 5,365,099 ist eine solche
aktive Zenerung bekannt, bei der eine Mehrzahl von Zenerdioden monolithisch
auf dem Halbleitermaterial des Leistungstransistors integriert wird.
Diese Lösung
hat den Nachteil, dass die benötigte
Chipfläche
deutlich vergrößert wird
und somit die Fertigungskosten beträchtlich erhöht werden. Damit wird auch
das Bauvolumen der Leistungstransistoren nachteilig vergrößert. Auch
die Zuverlässigkeit
von derartig hoch integrierten Leistungstransistoren erfordert einen
erhöhten
Analyseaufwand, wie es aus der Druckschrift von A. Castellazzi at
al "Reliability
Analysis and Modeling of Power MOSFETs in the 42-V PowerNet", IEEE Transactions
on Power Electronics, Vol. 21, No. 3, Mai 2006, Seiten 603-612 bekannt
ist.
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Dabei
sind sowohl der Logikteil als auch das Leistungshalbleiterbauelement
bisher mittels der aktiven Zenerklemmung geschützt, d. h. ab einer bestimmten
Zenerklemmspannung beginnt die Schutzstruktur mit einem niedrigeren
Innenwiderstand zu leiten, so dass ein weiterer Spannungsanstieg
am Halbleiterbauteil unterbunden wird. Die Höhe der Zenerklemmung wird dabei
so gewählt,
dass nur die hohen und kurzen dynamischen Überspannungen limitiert werden,
nicht jedoch die statischen Überspannungsüberhöhungen,
wie sie bei dem oben erwähnten
Loaddump-Impuls in der Kfz-Elektronik auftreten.
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Eine
Klemmung im statischen Zustand bedeutet eine hohe Verlustleistung,
nämlich
das Produkt aus Klemmspannung mal Stromfluss, und würde die
Schutzstrukturen unter Umständen
thermisch zerstören.
Dies ist besonders kritisch für
die Klemmung des Leistungshalbleiterbauteils, weil hier der Stromfluss
im Wesentlichen durch die angekoppelte Last 4, wie in 1A gezeigt,
bestimmt wird. Die Klemmung des Logikteils ist relativ unkritisch,
weil sie in Verbindung mit einem relativ hochohmigen strombegrenzenden
Widerstand RGND, wie es 1A zeigt,
erfolgt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Bordnetz mit mindestens einem Leistungstransistor
anzugeben, das über
eine effizientere Klemmung der Leistungstransistoren verfügt. Darüber hinaus
ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Schutz eines Bordnetzes
unter Einsatz eines entsprechend konzipierten Leistungstransistors
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird ein
Bordnetz mit mindestens einem feldeffektgesteuerten Leistungstransistor,
der eine Bordnetzversorgungsspannung VBB bei
Ansteuerung durch eine Logikschaltung an eine Last legt, geschaffen.
Die Leistungstransistoren des Bordnetzes weisen eine Drain-Source-Durchbruchspannung
VDS mit einem positiven Temperaturkoeffizienten
TKDS auf und sind mit einem Klemmmittel zum
Schutz vor im Bordnetz auftretenden Überspannungen VÜ versehen.
Das Klemmmittel weist eine Klemmspannung VCLAMP mit
einem positiven Temperaturkoeffizienten TKCLAMP auf,
wobei die Klemmspannung VCLAMP kleiner oder
gleich einer zu erwartenden maximalen Überspannung VÜmax in
dem Bord netz ist, und der Temperaturkoeffizient TKCLAMP ≈ TKDS, idealerweise TKCLAMP =
TKDS ist.
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Mit
dieser Ausgestaltung ist der Vorteil verbunden, dass die Durchbruchspannung
VDS des Leistungstransistors deutlich herabgesetzt
werden kann. Dadurch vermindern sich die Kosten für die Herstellung
des Bordnetzes drastisch, da Leistungstransistoren einer preiswerteren
niedrigeren Sperrspannungsklasse und mit einem damit verbunden niedrigeren
Einschaltwiderstand eingesetzt werden können. Ferner können kleinere
Gehäuse
für die
Leistungstransistoren zum Einsatz kommen und der Raumbedarf für die Bordnetzschaltungen
vermindert werden. Wie überschlägige Berechnungen,
Simulationen und Demonstratoraufbauten gezeigt haben, kann der Halbleiterbedarf
in Bezug auf benötigte Halbleiterfläche und
Volumina um 50 % bis 70 % reduziert werden.
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In
einer ersten Ausführungsform
der Erfindung weist der feldeffektgesteuerte Leistungstransistor
als Klemmmittel Zenerdioden auf, dass sowohl die Drain-Source-Durchbruchspannung
VDS als auch die Klemmspannung VCLAMP des Klemmmittels, mit der Temperaturzunahme
der Betriebstemperatur steigt und den Strom durch den Leistungstransistor
und durch die Last vermindert und sogar auf Null setzen kann. Die
Zenerdioden sind im Gegensatz zu dem aus dem Stand der Technik bekannten
Zenerdiodenanordnungen nicht temperaturkompensiert, sondern deren
Zenerdurchbruch ist auf den Temperaturkoeffizienten TKDS abgestimmt.
Bei der inhärenten
Klemmung wird der Leistungstransistor über seinen inhärenter Avalanche-Durchbruch
geklemmt, d. h. der Leistungstransistor wird so dimensioniert, dass
er bei Erreichen der Bedingung VCLAMP< VÜ in
einen reversiblen Avalanche Betrieb übergeht.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist als Klemmmittel eine auf einem Avalanche-Durchbruch basierende
inhärente
Klemmstruktur vorgesehen, deren Temperaturkoeffizient TKCLAMP dem Temperaturkoeffizienten TKDS des feldeffektgesteuerten Leistungstransistors
entspricht, sodass in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die
positiven Temperaturkoeffizienten TKCLAMP und
TKDS der Klemmspannung VCLAMP und
der Drain-Sourcespannung
VDS mit TKCLAMP =
TKDS identisch sind und die Klemmspannung
VCLAMP und mit der Drain-Sourcespannung
VDS synchron im Betriebstempertatturbereich
ansteigen.
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Dazu
weist der Leistungstransistor einen positiven Temperaturkoeffizienten
TKDS für
eine Avalanchespannung auf, um ihn vor Überlast zu schützen. Die
Avalanchespannung zur Auslösung
des Avalancheeffekts im Leistungstransistor ist kleiner oder gleich
der zu erwartende maximale Überspannung VÜmax in
dem zu schützenden
Bordnetz, so dass ein Überlaststrom
sowohl durch den sich selbst schützenden
Leistungstransistor mit inhärentem
Klemmmittel als auch durch die mit dem Leistungstransistor gekoppelte
Last abgeleitet werden kann.
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Da
bei der bisherigen Bordnetzstrukturierung darauf geachtet wurde,
dass die Avalanchespannung auch im Lastabwurffall für den Leistungstransistor nicht
erreicht wird, und da nach bisherigem Verständnis der Avalanche-Durchbruch
in jedem Fall zu vermeiden war, wurden Leistungstransistoren eingesetzt,
welche die kritische Stromdichte des Avalanchefalles erst bei überhöhten Spannungen
erreichen, die deutlich über
den maximalen Überspannungen VÜmax eines
Lastabwurfs liegen, oder es wurde herkömmlich durch aktive Zenerung
dafür gesorgt,
dass die Klemmspannung VCLAMP kleiner als
die Avalanchespannung gehalten wurde.
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Außerdem kann
durch Vorsehen eines inhärenten
Klemmmittels im Leistungshalbleiterbauelement dafür gesorgt
werden, dass der Avalanchefall dafür genutzt wird, um Überlastströme sowohl
durch den sich selbst mit Hilfe des inhärenten Klemmmittels schützenden
Leistungstransistor als auch durch die mit dem Leistungstransistor
gekoppelte Last abzuleiten. Dazu wurden Leistungshalbleiterbauelemente entwickelt,
bei denen das Auftreten von "Hot
Spots" im Avalanchefall
vermieden wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist das Bordnetz mehrere Leistungstransistoren auf,
die unterschiedliche Lasten im Sperrfall abschalten und im Durchlassfall
zuschalten, wobei die Leistungstransistoren mit ihrem inhärenten Klemmmittel
zwischen Last und Bordnetzbetriebsspannung VBB angeordnet
sind und im Überspannungsfall
eines Bordnetzes bei Überschreiten
der Avalanchespannung des Leistungstransistors das inhärente Klemmmittel
bezüglich
der Drain-Source-Spannung
aktivieren und die Überspannung
VÜ abbauen.
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Als
herausragende Applikation werden die überlastgeschützten Leistungstransistoren
als Schalter und/oder als schaltende Halbleiterelemente in Highside-
oder Lowsideschaltern oder in Halbbrückenschaltungen, in Vollbrückenschaltungen,
in Phasenbrückenschaltungen
und/oder in DC/DC-wandlern eingesetzt.
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Vorzugsweise
werden die überlastgeschützten Leistungstransistoren
zum Starten und Generieren einer Stromversorgung des Bordnetzes
eines Kraftfahrzeugs eingesetzt und dienen als elektrisch unterstützte Lenkhilfen
sowie der Ansteuerung verschiedener Gleichstrommotoren wie etwa
Kühlerlüfter oder
Fensterheber, aber auch dem Schalten einfacher Heizwiderstände, Blinkleuchten,
Fernlichter, Abblendlichter, Standlichter, Klimaanlagefunktionen, Glühkerzen,
Generatoren, Hydraulikven tile usw. die auf einfache und raumsparende
Weise über
einen Leistungstransistor mit inhärentem Klemmmittel auch noch
bei Überspannungen
VÜ von
60 V bis 70 V versorgt werden können.
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Mit
Erreichen des Avalanchefalls, der erfindungsgemäß mit einer geringeren Spannung
erreicht werden soll als die zu erwartenden Überspannungen VÜ ist
auch die thermische Belastbarkeit der Leistungstransistoren an Temperaturschwankungen
im Bordnetz zwischen –40 °C bis 350 °C angepasst. Diese
hohe Temperatursicherheit zwischen –40 °C und 350 °C ist für kurzzeitige dynamisch auftretende Überbelastungen
wie Kurzschluss oder Überspannungsimpulse
vorgesehen. Für
sonstige Temperaturbelastungen ist die thermische Belastbarkeit
der Leistungstransistoren des Bordnetzes an Betriebstemperaturschwankungen
zwischen –40 °C bis 150 °C angepasst.
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Da
die Klemmspannung VCLAMP in Form der Avalanchespannung
und die Technologiespannung in Form der Durchbruchspannung VDS des Leistungstransistors in einem Leistungshalbleiterbauelement verwirklicht
sind, zeigen beide Effekte, nämlich
die Durchbruchspannung VDS und die Avalanchespannung,
gleiches thermisches Verhalten und basieren auf einem positiven
Temperaturkoeffizienten TKDS = TKCLAMP, d. h. mit zunehmender Temperatur steigt
sowohl die Durchbruchspannung VDS als auch
die Avalanchespannung.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das Spannungsniveau der Avalanchespannung des
inerten Klemmmittels des Leistungstransistors kleiner als die auftretende Loaddump-Überspannung
im Lastabwurffall und größer als
die maximale statische Betriebsspannung VBB.
Diese maximale statische Betriebsspannung VBB kann
einen Bereich bis 28 V bei Pkw-Bordnetzen und bis 34 V bei Lkw-Bordnetzen
aufweisen.
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Als
Klemmmittel können
Zenerdioden vorgesehen werden, wenn sie einen entsprechenden positiven
Temperaturkoeffizienten TKCLAMP ihrer Klemmspannung
VCLAMP aufweisen.
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Bei
einer weiteren Verfahrenvariante wird ein inhärentes Klemmmittel des Leistungstransistors
eingesetzt. Dabei kann der Aufbau des Leistungstransistors derart
gestaltet werden, dass mit zunehmender Temperatur auch die Drain-Source-Durchbruchspannung
VDS wächst,
sodass Drain-Source-Durchbruchspannung
VDS und die Klemmspannung VCLAMP mit
TKDS = TKCLAMP identische
positive Temperaturkoeffizienten aufweisen.
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Ferner
kann für
das Verfahren zum Schutz eines Bordnetzes ein zenereffektfreier
Gate-Steuerkreis und das auf einem Avalanche-Durchbruch basierende
inhärente
Klemmmittel des feldeffektgesteuerten Leistungstransistors durch
Bereitstellen eines Leistungstransistors mit einem positiven Temperaturkoeffizienten
TKDS = TKCLAMP für eine Avalanchespannung
vorgesehen werden. Damit verlaufen die temperaturabhängigen Kurven
für die
Durchbruchspannung VDS bzw. für die Technologiespannung
und für
die Avalanchespannung bzw. für
die Klemmspannung VCLAMP vorzugsweise synchron
und linear oder nichtlinear positiv in Abhängigkeit von der Temperatur.
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Mit
einem weiteren Schritt wird die Avalanchespannung derart eingestellt,
dass die Avalanchespannung kleiner ist als eine zu erwartende maximale Überspannung
VÜmx in
dem zu schützenden
Bordnetz. Das kann durch entsprechende Dotierstoffkonzentrations-
und/oder Flächenanpassung
des Leistungshalbleitertransistors erfolgen. In einem weiteren Anpassungsschritt
wird die Drain-Source-Durchbruchspannung VDS derart
ange passt, dass die Drain-Source-Durchbruchspannung VDS größer oder gleich
der Avalanchespannung des inhärenten Klemmmittels
in den auftretenden Betriebstemperaturintervallen ist.
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Bei
gleichem Verlauf von Avalanchespannung und Durchbruchspannung VDS erhöhen
sich diese Spannungen synchron miteinander, wenn die Temperatur
steigt, andererseits ist es auch möglich, die Drain-Source-Durchbruchspannung
VDS derart anzupassen, dass sie etwas höher und
größer ist
als die Avalanchespannung. Ein Nebeneffekt dieses Verfahrens ist
zusätzlich,
dass bei den hohen Sperrströmen
die Überspannungssicherung
des Leistungstransistors flinker bzw. schneller wird.
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Weiterhin
ist es vorgesehen, dass zur Auslösung
des Avalancheeffekts durch Überschreiten
einer kritischen Stromdichte im Leistungstransistor die Avalanchespannung
kleiner ist als eine zu erwartende maximale Überspannung VÜmax in
einem der zu schützenden
Bordnetze. Der Vorteil dieser Verfahrensvariante wurde bereits ausführlich besprochen und
liegt im Wesentlichen darin, dass die Halbleiterchipfläche eines
Leistungstransistors mit lateraler Driftstrecke bzw. die Epitaxiedicke
eines Leistungstransistors mit vertikaler Driftstrecke auf die kritische Spannung
für den
Avalancheeffekt minimiert werden kann.
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Die
im Avalanchefall auftretende Verlustwärme aufgrund der Überlastströme an dem
inhärenten Klemmmittel
innerhalb des Leistungstransistors kann einerseits über Außenflächen der
Leistungselektroden abgegeben werden, so dass der Leistungstransistor
thermisch nicht überlastet
wird. Andererseits ist es auch möglich,
dass der Leistungstransistor mit Kühlfahnen zur Wärmeabgabe
ausgestattet wird, die mit den Leistungselektroden thermisch und
elektrisch gekoppelt werden.
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Ferner
ist bei dem Verfahren vorgesehen, dass das inhärente Klemmmittel und die thermische Leitfähigkeit
des Leistungstransistors derart aufeinander abgestimmt werden, dass
die Verlustenergie eines Loaddump-Vorfalls in einem Kfz-Bordnetz über den
Leistungstransistor im Avalanchezustand in Zusammenwirken mit einer
externen gekoppelten Last abgeleitet wird. Wie bereits oben erwähnt, kann
bei diesem Verfahren der Leistungstransistor mit seiner Durchbruchspannung
VDS und seiner Avalanchespannung an unterschiedliche
Bordnetzspannungen VBB derart angepasst
sein, dass Durchbruchspannung VDS und Avalanchespannung
den Bordnetzspannungen VBB entsprechen und
geringer sind als eine zu erwartende maximale Überspannung VÜmax im
Bordnetz. Die möglichen
Bordnetzspannungen VBB wurden bereits oben
diskutiert und werden an dieser Stelle nicht wiederholt. Auch die
Temperaturbereiche mit ihren thermischen Belastungen für den Leistungstransistor
wurden bereits oben erwähnt
und werden hier nicht noch einmal aufgeführt.
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Für die unterschiedlichen
Spannungsbereiche beim Pkw-Bordnetz sowie beim Lkw-Bordnetz werden
die entsprechenden Spannungsniveaus der Avalanchespannung des inhärenten Klemmmittels des
Leistungstransistors entsprechend derart eingestellt, dass die Avalanchespannung
kleiner oder gleich der auftretende Loaddump-Überspannungen ist, um diese über den
Leistungstransistor und über die
nachgeschaltete Last abzuleiten.
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Eine
Reihe derartiger Anwendungen ist z. B. die Kraftstoffdirekteinspritzung,
bei der mit Hilfe von hohen Spannungen ein schnelles Ansprechen
der Einspritzventile erreicht wird. Hierzu werden Leistungstransistoren
mit einer Spannungsfestigkeit über 80
V eingesetzt. Ähnliches
gilt auch für
Anwendungen, wo eine höhere
Spannungsfestigkeit von Leistungstran sistoren ausschließlich dazu
benötigt
wird, um Induktivitäten
bei höherer Überspannung
schneller zu entmagnetisieren. Hier besteht der Wunsch, dass die
Avalanchespannungen der Leistungstransistoren einen Bereich von
größer 60 V
erreichen. Der Vollständigkeit
halber kann noch erwähnt
werden, dass auch zahlreiche Industriebordnetze mit Betriebsspannungen
VBB von 24 V bzw. 48 V und entsprechend
angepassten Leistungsschaltern mit einer entsprechenden Spannungsfestigkeit
arbeiten.
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Ein
Vorteil angepasster Klemmspannungen VCLAMP für ein Bordnetz
liegt darin, dass die Chipfläche
für den
Leistungstransistor von der Bordnetzbetriebsspannung VBB abhängig ist
und bei unveränderter
Schaltleistung mit zunehmender Betriebspannung VBB abnimmt,
zumal die notwendige Leitfähigkeit
eines Leistungstransistors quadratisch mit der Bordnetzbetriebsspannung
VBB abnimmt, weshalb die resultierende Halbleiterchipfläche des
Leistungstransistors drastisch reduziert werden kann.
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Da
durch die neue Halbleiterlösung
der Aufwand für
eine überlastgeschützte Ansteuerschaltung gemindert
werden kann und aktive Zenerklemmungen für viele der Leistungstransistoren
eines Bordnetzes in einer Ausführungsform
der Erfindung entfallen können,
sind im Allgemeinen auch Einsparungen bei den Verbindungsleitungen
im Bordnetz möglich.
Zudem bieten die Bordnetze mit derartigen Leistungsschaltern mehr
Funktionalität
in Richtung der Diagnose. Durch die Möglichkeit der hier erörterten Erfindung,
kleinere Chipflächen
in kleineren Gehäusen
anzuwenden, kann die Schaltungsplatine für das Bordnetz deutlich kompaktiert
werden.
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Durch
die Selbstschutzmaßnahmen
des Leistungstransistors auch bei energiearmen dynamischen Überspannungen,
wie z. B. beim Schalten von Induktivitäten, ist der Betrieb des Leistungstransistors
im Avalanchebereich ein großer
Vorteil, wenn gleichzeitig auch die technologiebedingte Durchbruchspannung
VDS reduziert wird.
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Mit
diesem Verfahren wird im Bordnetz erreicht, dass beim Auftreten
einer Überspannung
VÜ die
Last für
kurze Zeit teilweise oder vollständig
eingeschaltet wird. Für
die meisten Lasten wie Motoren, Heizwiderstände oder größere Lampeneinheiten ist dies
im Allgemeinen von Vorteil oder ohne gravierenden Nachteil. Allerdings
verbietet sich diese Vorgehensweise bei sicherheitsrelevanten Anwendungen wie
ABS-Ventilen.
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Die
Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
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1A zeigt
eine Prinzipskizze eines Teils eines herkömmlichen Kfz-Bordnetzes mit
einem Leistungstransistor und typischer aktiver Zenerklemmung;
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1B zeigt
eine typische aktive Zenerklemmung eines Smart-Leistungsschalters
PROFET eines herkömmlichen
Kfz-Bordnetzes gemäß 1A;
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2 zeigt
ein schematisches Diagramm eines linearen temperaturabhängigen Verlaufs
einer Durchbruchspannung VDS eines Leistungstransistors und
einer Avalanchespannung eines inhärenten Klemmmittels des Leistungstransistors
für ein Kfz-Bordnetz;
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3 zeigt
ein schematisches Diagramm eines linearen temperaturabhängigen synchronen
Verlaufs einer Durchbruchspannung VDS eines
Leistungstransistors und einer Avalanchespannung eines inhärenten Klemmmittels
des Leistungstransistors für ein
Kfz-Bordnetz, wobei
Durchbruchspannung VDS und Klemmspannung
VCLAMP synchron miteinander verlaufen;
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4 zeigt
eine Prinzipskizze eines Teils eines erfindungsgemäßen Bordnetzes
mit einem Leistungstransistor mit inhärentem Klemmmittel.
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1A zeigt
eine Prinzipskizze eines Teils eines herkömmlichen Kfz-Bordnetzes 10 mit
einem Leistungstransistor 2 und typischer aktiver Zenerklemmung
gemäß dem Stand
der Technik, wie er bereits einleitend erörtert wurde.
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1B zeigt
eine typische aktive Zenerklemmung eines mit einem Logikteil 3,
wie in 1A gezeigt, zusammenwirkenden
Leistungstransistors eines herkömmlichen
Kfz-Bordnetzes 10, wie sie bereits eingangs erörtert wurde.
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2 zeigt
ein schematisches Diagramm eines linearen temperaturabhängigen Verlaufs
einer Durchbruchspannung VDS eines Leistungstransistors und
einer Avalanchespannung eines inhärenten Klemmmittels des Leistungstransistors
für ein
erfindungsgemäßes Kfz-Bordnetz.
Dazu ist auf der Ordinate die Betriebsspannung U in Volt V aufgetragen und
auf der Abszisse die Temperatur T in °C, wobei ein Temperaturintervall
von –40 °C bis +150 °C bzw. 350 °C auf der
Abszisse aufgetragen ist und ein Intervall einer Spannung zwischen
etwa 28 V und 40 V.
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Dabei
ist bei dieser erfindungsgemäßen Variante
die Durchbruchspannung VDS, welche im Diagramm
als Technologiespannung gekennzeichnet ist, da sie technologisch
durch die Länge
der Driftstrecke definiert werden kann, höher als die Avalanchespannung
eines inhärenten
Klemmmittels des Leistungstransistors, die in diesem Diagramm Klemmspannung
VCLAMP genannt wird, wobei die Avalanchespannung
einsetzt, wenn eine kritische Spannung an dem Leistungstransistor überschritten
wird. Diese Avalanchespannung zeigt in diesem Diagramm eine lineare Abhängigkeit
von der Temperatur T in dem Bereich von –40 °C bis 150 °C zwischen 28 V und 40 V, während die
Technologiespannung bzw. die Drain-Source-Durchbruchspannung VDS darüber
liegt und von etwa 35 V bei –40 °C auf etwa
45 V bei 150 °C
bzw. 350 °C
ansteigt.
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Der
in 2 zu sehende Abstand zwischen der Technologiespannung
und der Klemmspannung VCLAMP bietet keinen
unmittelbaren Vorteil für
die Applikation in einem Kfz-Bordnetz, sondern erzeugt vielmehr
zusätzliche
Kosten aufgrund der Notwendigkeit einer größeren Chipfläche, um
die höhere Technologiespannung
zu erreichen. Die niedrigsten Kosten ergeben sich, wenn Klemmspannung
VCLAMP und Technologiespannung synchron
und mit minimalem Abstand verlaufen. Dies kann durch Angleichen der
Technologiespannung an die Klemmspannung VCLAMP oder
umgekehrt erreicht werden, indem die Halbleitertechnologie, die
entsprechend angepasst wird, oder die Geometrie oder das Layout
oder auch die Schaltungstechnik entsprechend variiert wird. Ferner
kann der Verlauf der Technologiespannung und der Klemmspannung VCLAMP miteinander gekoppelt sein, indem z.
B. eine inhärente
Avalanche-Klemmung des Leistungsschalters genutzt wird.
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3 zeigt
ein schematisches Diagramm eines linearen temperaturabhängigen synchronen
Verlaufs einer Durchbruchspannung VDS eines
Leistungstransistors und einer Avalanchespannung eines inhärenten Klemmmittels
des Leistungstransistors für ein
Kfz-Bordnetz. Durch den synchron verlaufenden Bereich zwischen 28
V und 40 V für
die Klemmspannung VCLAMP und die Technologiespannung
des Leistungstransistors ist dieser für die Kfz-Anwendung optimiert.
Um die Chipkosten noch weiter zu reduzieren, kann speziell in der
Kfz-Anwendung die Klemmspannung VCLAMP bei –40 °C Bauteiltemperatur
nicht wie in 3 gezeigt größer als 28 V eingestellt werden, sondern
wird beispielsweise niedriger auf etwa 20 V gehalten. Der Hintergrund
hierfür
ist, dass eine Kfz-Bordnetz-Spannung von 20 V beliebig lange anliegen
kann, während
der sogenannte Jumpstart mit 28 V jedoch nur für ein bis zwei Minuten anliegt.
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Der
positive Temperaturkoeffizient TKCLAMP der
Klemmspannung VCLAMP bzw. Avalanchespannung
muss dann so gewählt
sein, dass bei Auftreten eines für
1–2 Min.
auftretenden Jumpstartimpulses von 28 V sowohl der Leistungstransistor
nicht mehr als erlaubt erhitzt wird, z. B. 25 °C bzw. 150 °C bzw. 350 °C, als auch die Last nicht mehr
als erlaubt mit Strom belastet wird, zumal sonst eine Zerstörung der Lampen
oder ein unerwünschtes
Anlaufen der Motoren auftreten kann. Der zeitliche Verlauf der Erwärmung des
Leistungstransistors wird in diesen Fällen speziell auf die Applikationsanforderungen
abgestimmt.
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4 zeigt
eine Prinzipskizze eines Teils eines erfindungsgemäßen Bordnetzes 1 mit
einem Leistungstransistor 2 mit inhärentem Klemmmittel. Komponenten
mit gleichen Funktionen wie in den 1A und 1B werden
mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Der deutliche
Unterschied zu der Prinzipskizze gemäß 1A liegt
darin, dass auf jede aktive Zenerabsicherung im Gate-Steuerkreis
des Leistungstransistors 2 verzichtet wird und zwischen
Drain und Gate keine Kombination aus Zenerdioden und Diode parallel
zum Leistungstransistor 2 geschaltet ist und somit einerseits
ein zenereffektfreier Gate-Steuerkreis 5 für den Leistungstransistor 2 vorgesehen
werden kann. Andererseits ist mit dem gestrichelt gezeichneten Schaltungszusatz
eine Möglichkeit
angedeutet, die Zenerdiode ZDL, die der
aktiven Zenerung des Logik IC's
dient, beizubehalten und nur die Avalanchespannung des Leistungstransistors
zu reduzieren.
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Damit
werden nicht nur diskrete Bauelemente sondern auch die gemäß
US 5,115,369 bekannten monolithisch
integrierten Zenerdioden eingespart. Ferner wird von vornherein
durch Ausnutzung des Avalanchefalls für den Leistungstransistor
2 ein
Einsetzen des Avalanchefalls zur Ableitung einer durch Überspannung
V
Ü eingeprägten Energie
diese über den
Leistungstransistor
2 und die nachgeschaltete Last
4 abgeleitet,
ohne den Leistungstransistor zu überhitzen.
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- 1
- Bordnetz
(gemäß Erfindung)
- 2
- Leistungstransistor
- 3
- Logikschaltung
- 4
- Last
- 5
- Steuerkreis
- 10
- Bordnetz
(gemäß Stand
der Technik)
- D
- Drain-Leistungselektrode
- G
- Gate-Leistungselektrode
- GND
- Erdung
- GNDi
- interne
Erdung
- IN
- Eingangsspannung
zur Logikschaltung
- IS
- Sensorspannung
- RGND
- Erdungswiderstand
- RIN
- Eingangswiderstand
- RSEN
- Sensorenablewiderstand
- S
- Source-Steuerelektrode
- SEN
- Sensorenablespannung
- TKDS
- Temperaturkoeffizient
der Drain-Soursespannung
- TKCLAMP
- Temperaturkoeffizient
der Klemmspannung
- VBB
- Bordnetzversorgungsspannung
- VDS
- Drain-Soursespannung
- VOUT
- Ausgangsspannung
- VCLAMP
- Klemmspannung
- VÜ
- Überspannung
- VÜmax
- maximale Überspannung
- VZ1
- Zenerspannung
zwischen Source und Gate
- ZDL
- Zenerdioden
zur Klemmung der Spannung des Logik Ics
- ZDAZ
- Zenerdiode
einer aktiven Zenerung
- ZDESD
- Zenerdioden
für Eingangs-
und Sensorspannung
-
- VÜ TKDS VBB VDS VÜmax VCLAMP TKCLAMP ≈ TKDS.