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Die
Erfindung betrifft einen Halbleiterschalter sowie ein Verfahren
zum Betreiben eines Halbleiterschalters.
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Insbesondere
in Kraftfahrzeugen, aber auch in anderen Bereichen werden zunehmend
mechanische Relais durch Halbleiterschalter wie beispielsweise Transistoren
jeglicher Art ersetzt. Dabei kommen vorrangig Halbleiterschalter
zur Anwendung, die zudem mit einer Logik ausgestattet sind, durch
die unerwünschte
Betriebszustände
wie beispielsweise Kurzschluss, Überlast, Übertemperatur
und/oder Open-Load diagnostiziert und verhindert werden können. Eine
gebräuchliche
Anwendung solcher „intelligenter” elektronischer
Schalter sind z. B. Module für
Automobilbeleuchtungen, wobei beispielsweise Glühlampen und ähnliche
Lampen eine problematische Last für elektronische Schalter darstellen.
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Um
einerseits die Verluste im leitenden Zustand der elektronischen
Schalter so gering wie möglich
zu halten und andererseits dabei die Fläche des Transistors nicht wesentlich
ansteigen zu lassen, werden deren flächenspezifische Einschaltwiderstände minimiert.
Sie liegen derzeit beispielsweise bereits bei Werten zwischen 150
mOHm·mm2 bis 75 mOHm·mm2 bei
150°. Aufgrund
des PTC-Verhaltens (PTC steht für
positiver Temperaturkoeffizient) der Glühlampen kommt es anfangs zu
hohen Einschaltströmen,
da der Glühlampenwiderstand
zunächst
gering ist und erst mit zunehmender Brenndauer ansteigt. Die hohen
Einschaltströme
bewirken in Verbindung mit den niedrigen flächenspezifischen Einschaltwiderständen hohe
Verlustleistungsdichtendichten und dadurch große Temperaturhübe im Transistor.
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Moderne
elektronische Schalter haben in der Regel einen Kurzschlussschutz,
der bei zu hohen Ströme
ein Abschalten der Lampe bewirkt. Insbesondere bei Kurzschlusskonzepten
mit Temperaturmessung, aber auch bei solchen mit Strommessung kann es
während
des Einschaltvorganges von Lampen in kurzer Zeit dann wieder zum
Abschalten kommen bedingt durch größere Temperaturhübe infolge
der großen
Einschaltströme
der Lampen. Der ausgeschaltete Zustand besteht so lange fort, bis
der Schalter wieder ausreichend abgekühlt ist. Daraufhin erfolgt
ein erneutes Einschalten mit anschließendem temperaturbedingten
(oder strombedingten) Abschalten. Somit kommt es zu einem kontinuierlichen
Ein- und Ausschalten der Lampe, so dass diese nicht dauerhaft eingeschaltet
und damit nicht ordnungsgemäß betrieben
werden kann. Infolgedessen verringern sich die maximal schaltbaren
Lasten.
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Eine
bislang praktizierte Vorgehensweise, dieses so genannte „Einschalttakten” zu vermeiden, basiert
darauf, dass die Schaltverlustleistung durch Erhöhen der Schaltgeschwindigkeit
verringert werden kann. Dieses Konzept ist jedoch in der Praxis insbesondere
im Hinblick auf die elektromagnetische Abstrahlung und die damit
verbundene EMV-Problematik (EMV = elektromagnetische Verträglichkeit) nachteilig.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht daher darin, das
Einschaltverhalten von Halbleiterschaltern insbesondere bei Lasten
mit hohem Einschaltstrom demgegenüber zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Halbleiterschalter gemäß Anspruch 1 bzw. durch das
Verfahren zum Betreiben eines Halbleiterschalters gemäß Anspruch
11 gelöst.
Beispielhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein
Halbleiterschalter gemäß einem
Beispiel der Erfindung umfasst ein Halbleiterelement, das einen
Steueranschluss und zwei, Schaltkontakte des Halbleiterschalters
bildende Lastanschlüsse
aufweist. Ferner ist eine Temperaturmesseinrichtung vorgesehen,
welche die Temperatur des Halbleiterelements misst und eine die
Temperatur repräsentierendes
Signal bereitstellt. Schließlich
ist eine Steuerschaltung zwischen die Temperaturmesseinrichtung und
dem Steueranschluss des Halbleiterelements geschaltet, welche einen
den Steuerkontakt des Halbleiterschalters bildenden Steuereingang
aufweist und die bei einem entsprechenden Signal am Steuereingang
einen Ansteuerstrom bestimmter Stärke in den Steueranschluss
des Halbleiterelementes treibt, um das Halbleiterelement zwischen
seinen Lastanschlüssen
leitend zu steuern. Dabei ist die Steuerschaltung dazu ausgebildet,
im dem Falle, dass das Halbleiterelement leitend gesteuert wird und
die Temperatur einen ersten Grenzwert überschreitet, den Ansteuerstrom
in seiner Stärke
zu erhöhen.
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Das
Verfahren zum Betreiben eines Halbleiterschalters, der einen Halbleiterelement
mit einem Steueranschluss und zwei, Schaltkontakte des Halbleiterschalters
bildenden Lastanschlüssen,
eine Temperaturmesseinrichtung zum Messen der Temperatur des Halbleiterelements
sowie eine zwischen die Temperaturmesseinrichtung und den Steueranschluss
des Halbleiterelements geschaltete Steuerschaltung mit einem den
Steuerkontakt des Halbleiterelements bildenden Steuereingang aufweist,
sieht gemäß einem
weiteren Beispiel der Erfindung die nachfolgenden Verfahrensschritte
vor: Messen der Temperatur des Halbleiterelements und Bereitstellen eines
die Temperatur repräsentierenden
Signals; Treiben eines Ansteuerstroms bestimmter Stärke in den
Steueranschluss des Halbleiterelementes, wenn ein entsprechendes
Signal am Steuereingang anliegt, um das Halbleiterelement zwischen
seinen Lastanschlüssen
leitend zu steuern; Erhöhen
des Ansteuerstroms in seiner Stärke,
wenn das Halbleiterelement leitend gesteuert wird und die Temperatur
einen ersten Grenzwert überschreitet.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von in den folgenden Figuren dargestellten
Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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1 ist
ein Blockschaltbild einer allgemeinen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterschalters,
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2 ist
ein Diagramm, das den Verlauf des Steuerstroms nach dem Einschalten über einer
gemessenen Temperaturdifferenz zeigt,
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3 ist
ein detailliertes Schaltbild einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterschalters,
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4 ist
ein Diagramm, das Einschaltstrom, Einschaltspannung, aufgenommene
Leistung und Temperaturdifferenz über der Zeit bei herkömmlichen Leistungshalbleiterschaltern
zeigt,
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5 ist
ein Diagramm entsprechend 4, jedoch
für einen
erfindungsgemäßen Halbleiterschalter,
und
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6 das
anfängliche
Einschaltverhalten eines erfindungsgemäßen Halbleiterschalters.
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bzw.
Signale mit gleicher Bedeutung.
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Gemäß 1 umfasst
ein erfindungsgemäßer Halbleiterschalter 1 ein
Halbleiterelement 2, das beispielsweise wie in 1 gezeigt
ein DMOS-Feldeffekttransistor sein kann, jedoch alternativ auch durch
einen beliebigen Feldeffekttransistor, einen Bipolartransistor,
einen Insulated-Gate-Bipolartransistor (IGBT) oder ein sonstiges
steuerbares Halbleiterelement gebildet sein kann. Das Halbleiterelement 2 weist
einen Steueranschluss 3 auf, der im vorliegenden Fall durch
den Gate-Anschluss des DMOS-Feldeffekttransistors gebildet wird.
Weiterhin hat das Halbleiterelement 2 zwei Lastanschlüsse 4 und 5,
die vorliegend durch die Drain- und Source-Anschlüsse des
DMOS-Feldeffekttransistors gebildet werden.
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Das
Halbleiterelement 2 weist darüber hinaus mindestens einen
Strom- oder Temperatursensor auf, um einen Überlastzustand des Halbleiterelements 2 zu
detektieren. Im vorliegenden Fall sind drei Sensoren vorgesehen,
von denen ein Sensor 6 zur Detektion des zwischen den Lastanschlüssen 4 und 5 fließenden Stromes
sowie zwei Sensoren 7 und 8 zur Erfassung der
Temperatur des Halbleiterelements 2 vorgesehen sind. Die
beiden Temperatursensoren 7 und 8 sind voneinander
beabstandet angeordnet und zwar derart, dass der Sensor 7 nahe der
aktiven Fläche
des Halbleiterelements 2 und der Sensor 8 am Rande
des Halbleiterelements 2, im vorliegenden Fall auf einen
Leadframe 9 wie auch das Halbleiterelement 2 montiert
ist. Jedoch sind andere beabstandete Anordnungen mit geeigneten
ortsabhängigen
Temperaturgradienten in gleicher Weise anwendbar wie zum Beispiel
solche, bei denen der zweite Sensor zwar am Rand des Halbleiterelements angeordnet
ist, aber in dieses mitintegriert ist (eine derartige Anordnung
liegt beispielsweise den Messungen gemäß 4 bis 6 zugrunde).
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Ein
vom Stromsensor 6 erzeugtes Signal wird dabei einer Auswerteschaltung 10 zugeführt, die den
gemessenen Laststrom mit einem Grenzwert vergleicht und bei Überschreiten
des Grenzwertes ein zeitverzögertes
Signal einer Steuerschaltung 11 zuführt. Bei Auftreten eines zu
hohen Laststroms bei leitendem Halbleiterelement 2 wird
sofort oder nach einer gewissen Totzeit (beispielsweise im msec-Bereich) über die
mit dem Steueranschluss 3 des Halbleiterelements 2 verbundene
Steuerschaltung 11 das Halbleiterelement 2 in
einen weniger leitenden Zustand (Strombegrenzung) wie beim Ausführungsbeispiel
nach 1 oder in den nicht-leitenden Zustand (Abschaltung)
wie beim Ausführungsbeispiel
nach 3 gesteuert.
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Die
beiden Temperatursensoren 7 und 8 sind mit einer
Auswerteschaltung 12 verbunden, die zum einen die Differenz
der anhand der Sensoren 7 und 8 gemessenen Temperaturen
ermittelt und diese Temperaturdifferenz mit einem Grenzwert vergleicht. Wird
dieser Grenzwert überschritten,
d. h., ist im vorliegenden Fall die Temperatur am Sensor 7 um
einen bestimmten Wert höher
als am Sensor 8, dann signalisiert die Auswerteschaltung 12 dies
der Steuerschaltung 11, welche daraufhin den in den Steueranschluss 3 fließenden Treiberstrom
und damit in den Gate-Anschluss des Halbleiterelements 2 auf
ein Vielfaches des normalerweise erzeugten Treiberstroms erhöht.
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In 2 ist
dargestellt, wie sich bei dem Halbleiterschalter nach 1 der
Steuerstrom, d. h. der Gate-Strom Igate verhält, nachdem an einem Steuerkontakt 13 des
Halbleiterschalters 1 ein Signal zum Durchschalten (Leitendschalten)
auftritt, so dass eine leitende Verbindung zwischen den Lastkontakte des
Halbleiterschalters 1 bildenden Lastanschlüssen 4 und 5 des
Halbleiterelements 2 hergestellt wird. Wie aus 2 zu
ersehen ist, beträgt
der Gate-Strom Igate zunächst
etwas mehr als 100 μA, was
zum Durchschalten des Halbleiterelements 2 führt. Der
dabei fließende
Laststrom führt
zu einer Erwärmung
des Halbleiterelements 2, und zwar derart, dass aufgrund
des zwischen den Sensoren 7 und 8 auftretenden
Wärmewiderstandes
der Sensor 7 schneller erwärmt wird als der Sensor 8.
Damit erhöht
sich die Temperaturdifferenz zwischen beiden Sensoren und bei Überschreiten
des entsprechenden Grenzwertes für
die Temperaturdifferenz wird dann der Gate-Strom Igate beispielsweise auf das ca.
Siebenfache erhöht.
Obwohl die Erhöhung
beliebig sein kann, hat sich ein Wert zwischen dem Fünf- und
Zehnfachen des Wertes des normalen Treiberstromes als günstig erwiesen.
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3 zeigt
eine andere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Halbleiterschalters 1.
Dabei wird wiederum wie bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 das
Halbleiterelement 2 in Verbindung mit den Sensoren 6, 7 und 8 verwendet.
Dem Stromsensor 6 ist dabei ein Verstärker 16 nachgeschaltet, der
das vom Stromsensor 6 erhaltene Signal verstärkt, aufbereitet
und an einen Komparator 19 weiterleitet, der wiederum das
aufbereitete, vom Sensor 6 stammende Signal mit einem Grenzwert 20 vergleicht.
Bei Überschreiten
dieses Grenzwertes 20, d. h. ab einer gewissen Laststromstärke, gibt
der Komparator ein Signal ab, das im vorliegenden Fall durch einen
Wechsel vom logischen Zustand „0” zum logischen
Zustand „1” gebildet
wird. Dieses Signal wird zum Einen direkt, jedoch invertiert einem
UND-Gatter 21 und zum Anderen mittels eines Verzögerungsgliedes 22 zeitverzögert und
invertiert einem UND-Gatter 23 zugeführt.
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Das
von dem Temperatursensor 7 erzeugte Signal wird durch einen
Verstärker 17 aufbereitet
und sowohl einem Komparator 24 als auch einem Subtrahierer 25 zugeführt. Der
Komparator 24 vergleicht das Signal vom Verstärker 17 mit
einem Grenzwert 26 und erzeugt bei Signalen über dem
Grenzwert 26 eine logische „1”, welche invertiert sowohl
an das UND-Gatter 21 als auch das UND-Gatter 23 angelegt ist.
An den Subtrahierer 25 ist das mittels eines Verstärkers 18 verstärkte und
aufbereitete Signal des Temperatursensors 8 angelegt, der
dabei das Signal vom Sensor 8 von dem Signal des Sensors 7 subtrahiert
und die Differenz sowohl einem Komparator 27 als auch einem
Komparator 28 zuführt.
Beide Komparatoren 27 und 28 liefern dabei eine
logische „1”, sobald
ein jeweils zugehöriger
Grenzwert 29 bzw. 30 überschritten wird. Dabei ist
der Grenzwert 30 größer als
der Grenzwert 29. Der Ausgang des Komparators 27 ist
direkt mit einem Eingang des UND-Gatters 23 verbunden.
Der Ausgang des Komparators 28 ist sowohl an einen Eingang
des UND-Gatters 21 als auch an einen Eingang des UND-Gatters 23 invertiert
angelegt. Die Ausgänge
der beiden UND-Gatter 21 und 23 sind über jeweils
einen Treiberverstärker 31 bzw. 32 mit
dem Steueranschluss des Halbleiterelementes 2 verbunden.
Dabei liefert der Treiberverstärker 32 ca.
den fünffachen
Strom, den der Treiberverstärker 31 bereitstellt.
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Daraus
ergibt sich ein Gesamtstrom im Falle, dass beide Treiberverstärker aktiv
sind, der den sechsfachen Wert des normalen, vom Treiberverstärker 31 zum
Schalten üblicherweise
bereitgestellten Stromes entspricht.
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In
den 4 und 5 ist das Verhalten eines herkömmlichen
Halbleiterschalters (vgl. 4) einem
erfindungsgemäßen Halbleiterschalter
(vgl. 5) gegenübergestellt.
Wie aus dem Graphen für den
Laststrom Ids links unten in 4 zu ersehen
ist, steigt der Strom bis 40 A an und löst damit den Überstromschutz
und/oder Übertemperaturschutz
aus, was dazu führt,
dass der Strom wieder auf 0 zurückgeht,
dort für
einige Zeit verharrt und wiederum ansteigt, bis er den jeweiligen
Grenzwert erreicht hat. Diesem Verhalten folgt die Spannung Vds über dem Halbleiterelement 2,
indem sie beispielsweise bei knapp 18 V verharrt, solange der Halbleiterschalter ausgeschaltet
ist, und geht auf einen Wert gegen null zurück, wenn der Halbleiterschalter
eingeschaltet ist. Dem entspricht ein bestimmter Verlustleistungsverlauf,
der rechts unten in 4 gezeigt ist. Die Leistung
P nimmt dabei mit dem Einschalten (leitender Halbleiterschalter)
zu, um dann nach Erreichen des einschlägigen Grenzwertes im Wesentlichen
dem Verlauf des Stroms Ids entsprechend wieder abzufallen, bis sie
mit dem nächsten
Einschalten wieder ihren Spitzenwert erreicht undsoweiter. Dementsprechend
bilden sich gemäß 4 rechts
oben Differenztemperaturverläufe
dT aus, die dem Abkühlen entsprechend
eine flachere abfallende Flanke haben. Wie daraus zu ersehen ist,
kommt es in diesem Fall nicht dazu, dass die Last (in diesem Fall
eine Glühlampe)
permanent eingeschaltet bleibt, wodurch nicht die volle zur Verfügung stehende
Leistung durch die Last abgenommen werden kann. Es kommt demnach
auch innerhalb von 20 msec nicht zum Einschalten der Last.
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Die
entsprechenden Verläufe
bei einem erfindungsgemäßen Halbleiterschalter
zeigt 5. Daraus ist zu ersehen, dass bei gleicher Last
dieser sich bereits nach ca. 16 msec in einen stabilen dauerhaft
eingeschalteten Betriebszustand befindet. Wie daraus insbesondere
zu ersehen ist, werden die Abstände
zwischen den Abschaltzeitpunkten hier aufgrund einer Strombegrenzung
(Ids = max.) fortwährend
größer, was
sich auch in den Verläufen
der Spannungen Vds, der Leistung p-Last und der Differenztemperatur
dT entsprechend niederschlägt.
Dabei kommt es nach 16 msec nach dem Einschalten zum letzten Mal
zu einer Strombegrenzung (oder alternativ zu einem in dieser Figur
nicht gezeigten Abschalten) und von da an zu einem stabilen Betrieb.
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Die
in den 1 und 3 gezeigten Halbleiterschalter
führen
dabei die nachfolgend dargestellten Verfahrensschritte durch: Es
wird die Temperatur des Halbleiterelements 2 an zwei voneinander beabstandeten
Messstellen gemessen. Daraus wird eine die Differenz beider Temperaturen
repräsentierendes
Signal generiert. Ein Ansteuerstrom bestimmter Stärke wird
in den Steueranschluss des Halbleiterelementes getrieben, wenn ein
entsprechendes Signal am Steuereingang der Steuerschaltung anliegt,
um das Halbleiterelement zwischen seinen Lastanschlüssen leitend
zu steuern. Dabei wird der Ansteuerstrom in seiner Stärke erhöht, wenn
das Halbleiterelement leitend gesteuert werden soll und die Temperaturdifferenz
den zugehörigen
Grenzwert überschreitet.
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In 6 ist
der erste Impuls nach dem Auftreten eines Einschaltsignals am Steuerkontakt 13 im Detail
dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird
bei einer Temperaturdifferenz dT = 10 K der Treiberstrom Igate_on
um einen weiteren Treiberladestrom Igate_fast_on erhöht, bis
der Wert der Stromlimitierung erreicht wird. Das in 5 gezeigte
Verhalten entspricht im Wesentlichen dem Verhalten des in 1 gezeigten
Halbleiterschalters.