DE102010043109A1

DE102010043109A1 - Circuit device of e.g. lamp, has MOSFET which is actuated by pulse width modulation (PWM) signal and NTC resistor which is established to influence rising and falling edges of PWM signal

Info

Publication number: DE102010043109A1
Application number: DE201010043109
Authority: DE
Inventors: Timo Knecht
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2012-05-03

Abstract

The circuit device (2) has a negative temperature coefficient (NTC) resistor (10) that is coupled with a MOSFET (4), through a coupling portion (14). The MOSFET is actuated by pulse width modulation (PWM) signal (8). The NTC resistor is established to influence the rising and falling edges of the PWM signal. An independent claim is included for method for operation of MOSFET using pulse width modulated signal.

Description

Stand der TechnikState of the art

Elektrische Lasten wie beispielsweise Motoren, Lampen, Relais und Spulen werden im mittleren Leistungsbereich meist mit einem Schaltelement, zum Beispiel ausgebildet als ein Transistor, insbesondere ein MOSFET, angesteuert. Um einen Strom durch diesen Verbraucher bzw. durch diese elektrische Last einstellen zu können, werden die Schaltelemente bzw. Transistoren meist in einem Taktbetrieb bzw. pulsweitenmoduliert angesteuert, das heißt, der Transistor wird im Schaltbetrieb an- und abgeschaltet. Durch ein Verhältnis von Einschaltzeit zu Ausschaltzeit wird ein effektiver Strom einstellbar bzw. bestimmt.Electrical loads such as motors, lamps, relays and coils are usually in the middle power range with a switching element, for example, designed as a transistor, in particular a MOSFET, driven. In order to set a current through this consumer or by this electrical load, the switching elements or transistors are usually driven in a clock mode or pulse width modulated, that is, the transistor is switched on and off in switching mode. By means of a ratio of switch-on time to switch-off time, an effective current can be set or determined.

Im Umschaltzeitpunkt bzw. Umschaltmoment geht der Transistor von einem hochohmigen in einen niederohmigen Zustand bzw. umgekehrt von einem niederohmigen in einen hochohmigen Zustand, je nachdem, ob das Schaltelement ein- bzw. ausgeschaltet wird. Hierbei durchwandert das Schaltelement seinen linearen Bereich. Im linearen Bereich jedoch mag eine Verlustleistung des Schaltelementes bzw. des Transistors als am höchsten angenommen werden. Die bei dieser Umschaltung im Schaltelement auftretende unerwünschte Verlustleistung mag näherungsweise proportional zur Umschaltzeit sein.In the switching time or switching moment, the transistor goes from a high-impedance state to a low-resistance state, or vice versa, from a low-impedance state to a high-resistance state, depending on whether the switching element is switched on or off. In this case, the switching element traverses its linear region. In the linear range, however, a power loss of the switching element or of the transistor may be assumed to be the highest. The unwanted power loss occurring in the switching element during this switching may be approximately proportional to the switching time.

Um eine Minimierung der Verlustleistung zu erzielen, ist zu fordern, dass das Schaltelement in einer möglichst kurzen Schaltzeit seinen Zustand zu wechseln vermag. Hierdurch können Umschaltverluste minimiert werden, wodurch gleichfalls eine Temperaturerhöhung eines Schaltelementes bzw. Transistors, insbesondere hervorgerufen durch die auftretende unerwünschte Verlustleistung im linearen Bereich, minimiert wird, und sich so die Betriebstemperatur des Schaltelementes verringert lässt. Durch eine Verringerung der Betriebstemperatur mögen gleichfalls kleinere Schaltelemente bzw. Transistoren eingesetzt werden, welche einen geringeren Platzbedarf aufweisen und auch preisgünstiger sind.In order to achieve a minimization of the power loss, it is to be demanded that the switching element be able to change its state in as short a switching time as possible. As a result, switching losses can be minimized, whereby also a temperature increase of a switching element or transistor, in particular caused by the unwanted power loss occurring in the linear range, is minimized, and thus the operating temperature of the switching element can be reduced. By reducing the operating temperature like smaller switching elements or transistors may be used, which have a smaller footprint and are also cheaper.

Allerdings treten bei einem Taktbetrieb von Schaltelementen auch unerwünschte elektromagnetische Störungen auf. Die elektromagnetischen Störungen mögen größer werden bzw. zunehmen, je kürzer die Umschaltzeit ist. Aufgrund festgelegter zulässiger EMV-Grenzwerte für elektromagnetische Störungen mag somit eine kleinstmöglich zulässige Umschaltzeit realisierbar sein. Die Umschaltzeit eines getakteten Schaltelementes mag nun derart gewählt werden, so dass die elektromagnetische Störung innerhalb der festgelegten Grenzwerte verbleibt und somit die zulässigen Grenzwerte nicht überschreitet.However, unwanted electromagnetic interference also occurs during cyclic operation of switching elements. The electromagnetic disturbances may increase or increase, the shorter the switching time. Due to the specified permissible EMC limit values for electromagnetic interference, it is therefore possible to implement a switching time which is as short as possible. The switching time of a clocked switching element may now be selected such that the electromagnetic interference remains within the specified limits and thus does not exceed the permissible limit values.

Zur Abführung einer durch eine nicht weiter reduzierbare Umschaltzeit auftretende Verlustleistung des Schaltelementes müssen sodann entsprechende Maßnahmen vorgesehen werden, zum Beispiel eine thermische Anbindung des Schaltelementes an einen geeigneten Kühlkörper. Diese benötigen jedoch ein erhebliches Volumen, insbesondere bei Einsatzbereichen mit hohen Umgebungstemperaturen wie sie zum Beispiel im Automobilbereich auftreten, um trotz dieser hohen Umgebungstemperaturen noch ausreichend Verlustleistung abführen zu können.In order to dissipate a power dissipation of the switching element occurring due to a switching time which can not be reduced any further, appropriate measures must be provided, for example a thermal connection of the switching element to a suitable heat sink. However, these require a considerable volume, especially in applications with high ambient temperatures such as occur in the automotive sector, for example, to be able to dissipate sufficient power loss despite these high ambient temperatures.

Jedoch besteht die Forderung insbesondere im Kfz-Bereich, Steuergeräte möglichst klein auszubilden, da nur ein begrenztes Volumen für den Einbau von Steuergeräten zur Verfügung steht. Somit mag gefordert sein, Kühlkörper in bzw. an Steuergeräten bzw. an den Schaltelementen bzw. Transistoren nach Möglichkeit klein auszugestalten.However, the requirement exists, in particular in the automotive sector, to design control devices as small as possible, since only a limited volume is available for the installation of control devices. Thus, it may be required to design heatsinks in or on control devices or on the switching elements or transistors as far as possible small.

Es mag somit ein Bedarf bestehen, eine Verlustleistung von Schaltelementen von Leistungssteuergeräten zu reduzieren.Thus, there may be a need to reduce a power dissipation of switching elements of power control devices.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung mag darin gesehen werden, die Umschaltzeit des Schaltelementes variabel auszugestalten. Je höher die Temperatur des bzw. der Umgebung des Schaltelementes ist, umso kürzer soll die Umschaltzeit und desto kleiner mag die beim Umschalten erzeugte Verlustleistung sein. Hierdurch mag ein Kühlkörper, der an das Schaltelement angebunden wird, kleiner ausgebildet werden.One aspect of the present invention may be seen in variably designing the switching time of the switching element. The higher the temperature of the environment or the switching element, the shorter the switching time and the smaller the power loss generated during switching should be. As a result, a heat sink which is connected to the switching element may be made smaller.

Die Flankensteilheit eines pulsweitenmodulierten Ansteuersignals des Schaltelementes bestimmt insbesondere die Verlustleistung im Schaltelement. Bei einer steilen Ansteuerung mag die Verlustleistung als gering angenommen werden, während bei einer flachen Ansteuerrampe die Verlustleistung zunimmt, jedoch das Abstrahlverhalten bzw. die elektromagnetische Abstrahlung verbessert und somit eine elektromagnetische Störung reduziert werden mag.The slope of a pulse width modulated drive signal of the switching element determines in particular the power loss in the switching element. With a steep control, the power loss may be assumed to be low, while in a flat Ansteuerrampe the power loss increases, however, improves the radiation or the electromagnetic radiation and thus may be reduced electromagnetic interference.

Die Umschaltzeit eines Schaltelementes, beispielsweise eines MOSFET, wird durch den zeitlichen Verlauf der Spannung am Eingang, im Falle eines MOSFET seines Gates, bestimmt. Der Spannungsverlauf am Eingang wird zum einen durch die typischen Eingangskapazitäten eines Schaltelementes und zum anderen durch den Strom in den Eingang, bestimmt. Der Stromverlauf wiederum mag durch einen ohmschen Widerstand eingestellt werden. Der Widerstand mag hierbei einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweisen, in anderen Worten sinkt der Widerstandswert des Widerstandes bei steigender Temperatur. The switching time of a switching element, such as a MOSFET, is determined by the time course of the voltage at the input, in the case of a MOSFET of its gate. The voltage profile at the input is determined firstly by the typical input capacitances of a switching element and secondly by the current in the input. The current curve in turn may be adjusted by an ohmic resistance. The resistor may in this case have a negative temperature coefficient, in other words, the resistance of the resistor decreases with increasing temperature.

Ein Aspekt der Erfindung mag darin gesehen werden, dass der Widerstandswert des stromsteuernden Widerstandes temperaturabhängig ist, beispielsweise ein NTC-Widerstand, das temperaturabhängige Element in der Nähe des Schaltelementes platziert und mit diesem thermisch gekoppelt ist, so dass das temperaturabhängige Element stets eine im Wesentlichen ähnliche Temperatur wie das Schaltelement aufweist.One aspect of the invention may be seen in that the resistance of the current-controlling resistor is temperature-dependent, for example an NTC resistor, the temperature-dependent element placed in the vicinity of the switching element and thermally coupled with it, so that the temperature-dependent element is always a substantially similar Temperature as the switching element has.

Die Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung weist am temperaturabhängigen Element beispielsweise einen Tiefpass auf, der im Längszweig aus einem NTC-Widerstand und einem Kondensator bestehen mag. Der NTC-Widerstand mag thermisch mit dem Leistungstransistor, welche eine Last schaltet, verbunden sein. Der Leistungstransistor als Schaltelement mag durch ein pulsweitenmoduliertes Signal angesteuert werden. Im Falle, dass das Schaltelement kalt ist, ist aufgrund der thermischen Kopplung der Widerstand des NTC-Widerstandes hoch, wodurch die Filterwirkung des Tiefpasses groß sein mag. Hieraus resultieren abgerundete Flanken des Rechtecksignals des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals. Am Eingang des Schaltelementes liegt somit das Ausgangssignal des Tiefpasses an. Somit mag das Schaltelement nun, im kalten Zustand, mit abgerundeten Flanken angesteuert werden.The circuit arrangement according to the present invention has, for example, a low-pass filter on the temperature-dependent element, which in the longitudinal branch may consist of an NTC resistor and a capacitor. The NTC resistor may be thermally connected to the power transistor which switches a load. The power transistor as a switching element may be controlled by a pulse width modulated signal. In the case that the switching element is cold, the resistance of the NTC resistor is high due to the thermal coupling, whereby the filtering effect of the low-pass filter may be large. This results in rounded edges of the square wave signal of the pulse width modulated drive signal. At the input of the switching element is thus the output of the low-pass filter. Thus, the switching element may now be controlled in the cold state with rounded edges.

Hierdurch mag das Schaltelement nun relativ langsam seinen linearen Bereich durchlaufen, die Verlustleistung mag hierbei relativ hoch sein.As a result, the switching element may now pass through its linear region relatively slowly, the power loss may be relatively high.

Durch eine lange Ansteuerung des Schaltelementes mag dieses sich im Weiteren erwärmen, so dass durch die thermische Kopplung des NTC Widerstandes mit dem Schaltelement auch der Widerstand auf eine höhere Temperatur aufgeheizt werden mag. Hierdurch sinkt der Widerstand des NTC-Widerstandes, wodurch die Flanken des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals aufgrund des nun geänderten Verhaltens des Tiefpasses wieder steilflankiger werden. Hierdurch mag die Verlustleistung im Weiteren abnehmen, jedoch mag gleichzeitig die EMV-Abstrahlung zunehmen, solange bis sich der Transistor aufgrund der verminderten Verlustleistung wieder abgekühlt hat.By a long control of the switching element this may heat up further, so that may be heated by the thermal coupling of the NTC resistor with the switching element, the resistance to a higher temperature. As a result, the resistance of the NTC resistor decreases, as a result of which the edges of the pulse-width-modulated drive signal again become steep-edged due to the now changed behavior of the low-pass filter. As a result, the power dissipation may decrease further, but at the same time the EMC radiation may increase until the transistor has cooled down again due to the reduced power loss.

Die Kennlinie des NTC-Widerstandes mag hierbei derart ausgewählt werden, so dass er zusammen mit dem Schaltelement die Verlustleistung derart herabsetzt, dass sich ein statischer Zustand bei Daueransteuerung einstellt, welcher das Schaltelement nicht überhitzt.The characteristic curve of the NTC resistor may in this case be selected such that, together with the switching element, it reduces the power loss in such a way that a static state occurs during continuous activation which does not overheat the switching element.

Durch Erweiterung der Ansteuerschaltung des Tiefpasses durch Erweiterung um Serien- bzw. Parallelwiderstände zum NTC-Widerstand bzw. weiteren thermischen Elementen mag eine einfache und kostengünstige Adaption auf eine gewünschte bzw. geforderte Kennlinie möglich sein.By expanding the drive circuit of the low-pass filter by adding serial or parallel resistors to the NTC resistor or other thermal elements, a simple and cost-effective adaptation to a desired or required characteristic may be possible.

Eine Schaltung mag somit insbesondere derart zu dimensionieren bzw. auszugestalten sein, dass die Flanken des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals geringe Anstiegszeiten aufweisen. Das heiß, ein temperaturabhängiges Element, beispielsweise ein temperaturabhängiger Widerstand, insbesondere ein NTC-Widerstand, mag derart auszuwählen sein bzw. durch ein Widerstandsnetzwerk auszubilden sein, so dass bei normaler Ansteuerung, bezogen auf Zeit und Last, ein Schaltelement sich nur so stark erwärmt, dass seine thermische Masse sowie ein angeordneter Kühlkörper einen zu starken Temperaturanstieg abzufangen vermag.A circuit may thus in particular be dimensioned or designed in such a way that the edges of the pulse-width-modulated drive signal have low rise times. That is, a temperature-dependent element, for example a temperature-dependent resistor, in particular an NTC resistor, may be to be selected in such a way or to be formed by a resistance network, so that with normal activation, based on time and load, a switching element only heats up so much, that its thermal mass and an arranged heat sink is able to absorb an excessive increase in temperature.

Wird in seltenen Fällen länger angesteuert, so mag sich das Schaltelement erwärmen, wodurch sich gleichfalls das temperaturabhängige Element, welches thermisch an das Schaltelement angebunden ist, erwärmt. Unter Verwendung des temperaturabhängigen Elementes mag somit die Zeitkonstante eines Tiefpasses in der Ansteuerleitung des Schaltelementes, beispielsweise in der Gateleitung eines Transistors derart verstimmt werden, dass die Anstiegszeit eines pulsweitenmodulierten Ansteuersignals abnimmt bzw. verkleinert wird, mithin eine steilere Flanke aufweist. In anderen Worten findet eine temperaturabhängige Änderung der Anstiegszeit bzw. der Steilheit einer Signalflanke statt. Das temperaturabhängige Element bzw. das Netzwerk oder der Tiefpass mag hierbei derart auszulegen sein, dass bei maximaler Ansteuerung die Steilheit derart weit ansteigt, dass die Verlustleistung im Transistor auf einen Wert begrenzt wird, welcher nicht zur Zerstörung des Schaltelementes führen mag.If it is activated in rare cases, then the switching element may heat up, as a result of which the temperature-dependent element, which is thermally connected to the switching element, likewise heats up. Thus, using the temperature-dependent element, the time constant of a low-pass filter in the drive line of the switching element, for example in the gate line of a transistor, may be detuned such that the rise time of a pulse-width-modulated drive signal decreases or decreases, thus having a steeper edge. In other words, a temperature-dependent change of the rise time or the steepness of a signal edge takes place. The temperature-dependent element or the network or the low-pass filter may in this case be interpreted such that at maximum activation, the slope increases so much that the power loss in the transistor is limited to a value that may not lead to the destruction of the switching element.

Hierbei mag insbesondere in Kauf genommen werden, dass bei hohen Umgebungstemperaturen durch die Verkürzung der Umschaltzeit Grenzwerte für elektromagnetische Abstrahlung zeitweise überschritten werden. Dies mag jedoch akzeptabel sein, wenn der Anteil der Betriebszeit bei hohen Umgebungstemperaturen, somit mit erhöhter elektromagnetischer Abstrahlung, bezogen auf die Gesamtbetriebszeit relativ gering ist. In this case, it may be accepted in particular that limit values for electromagnetic radiation are temporarily exceeded at high ambient temperatures due to the shortening of the switching time. However, this may be acceptable if the proportion of operating time at high ambient temperatures, thus with increased electromagnetic radiation, relative to the total operating time is relatively low.

Unter Berücksichtigung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) wird eine spezielle Ansteuerung eines Schaltelementes bzw. eines Leistungshalbleiters durch Pulsweitenmodulation berücksichtigt. Durch eine relativ steilflankige Ansteuerung mit im Wesentlichen Rechtecksignalen verschlechtert sich das EMV-Verhalten eines Schaltelementes, und eine Abstrahlungsmessung ergibt möglicherweise Messwerte, welche vorgegebene Grenzwerte überschreiten. Durch flachere Ansteuerung mögen sich elektromagnetische Störungen reduzieren lassen, gleichzeitig steigt jedoch die Verlustleistung im Leistungshalbleiter an.Taking into account the electromagnetic compatibility (EMC), a special control of a switching element or a power semiconductor by pulse width modulation is taken into account. Due to a relatively steep edge drive with substantially square-wave signals, the EMC behavior of a switching element deteriorates, and a radiation measurement possibly results in measured values which exceed predetermined limit values. Flatter control may reduce electromagnetic interference, but at the same time the power dissipation increases in the power semiconductor.

Um vorgegebene Grenzwerte nicht zu überschreiten, werden Flanken des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals abgerundet. Eine derartige Abrundung mag jedoch mit einer flacherflankigen Ansteuerung des Schaltelementes bzw. Leistungshalbleiters gesehen werden. Die vorliegende Erfindung stellt bevorzugte EMV-Eigenschaften bei gleichzeitiger kurzer Ansteuerung eines Schaltelementes zur Verfügung. Findet jedoch eine längere Ansteuerung statt, erwärmt sich der Leistungshalbleiter. und die Ansteuerung wird steilflankiger.In order not to exceed predetermined limit values, edges of the pulse-width-modulated drive signal are rounded off. However, such a rounding may be seen with a flatter-edge control of the switching element or power semiconductor. The present invention provides preferred EMC properties with simultaneous short drive of a switching element. However, if a longer activation takes place, the power semiconductor heats up. and the control is steep flankiger.

Hierdurch resultieren schlechtere EMV-Eigenschaften und gleichzeitig eine. geringere Verlustleistung. Somit mag sich ein Gleichgewicht zwischen elektromagnetischer Störstrahlung und Verlustleistung einstellen.This results in poorer EMC properties and at the same time one. lower power loss. Thus, a balance between electromagnetic interference and power loss may occur.

Gegenüber Schaltungen mit reiner Temperaturüberwachung ergibt sich somit als ein Vorteil, dass bei hohen Umgebungstemperaturen der Betrieb nicht unterbrochen wird, sondern nur die elektromagnetische Störstrahlung erhöht wird.Compared to circuits with pure temperature monitoring thus results as an advantage that at high ambient temperatures, the operation is not interrupted, but only the electromagnetic interference is increased.

Durch eine kurze Umschaltzeit mag die Anstiegsgeschwindigkeit des Laststroms als sehr klein angenommen werden. Hierdurch mögen Störungen in einem sehr breiten Frequenzspektrum entstehen. Derartige Störungen mögen sich nur mit großem Aufwand, beispielsweise Filter, bestehend aus Spulen und Kondensatoren, welche für den erforderlichen Laststrom ausgelegt sind, herausfiltern lassen.By a short switching time, the slew rate of the load current may be considered very small. This may cause interference in a very broad frequency spectrum. Such disturbances may be filtered out only with great effort, such as filters, consisting of coils and capacitors, which are designed for the required load current.

In vielen Anwendungen mag eine Ansteuerung jedoch nicht dauerhaft erfolgen. Bei kurzen Einschaltzeiten mag auch eine höhere Verlustleistung tolerabel sein, da sich die Abwärme langsam über Kühlkörper bzw. das Bauelement selbst verteilen mag. Falls nun doch eine längere Ansteuerung erfolgt, mag sich das Schaltelement aufgrund der gesteigerten Verlustleistung erwärmen. Aufgrund der Erwärmung des thermisch gekoppelten temperaturabhängigen Elementes mag die Ansteuerung steilflankiger erfolgen, aufgrund eines pulsweitenmodulierten Ansteuersignals mit steilerer Flanke. Hierdurch mag die Verlustleistung sinken, jedoch gleichzeitig die EMV-Abstrahlung ansteigen. Für einen kurzen Zeitraum mag dies jedoch in vielen Fällen akzeptabel sein.In many applications, however, activation may not be permanent. For short turn-on times, a higher power dissipation may be tolerable, since the waste heat may be distributed slowly over the heat sink or the component itself. However, if a longer activation takes place, the switching element may heat up due to the increased power loss. Due to the heating of the thermally coupled temperature-dependent element, the control may take place steep-edged, due to a pulse-width-modulated drive signal with a steeper edge. As a result, the power loss may decrease, but at the same time increase the EMC radiation. For a short period, however, this may be acceptable in many cases.

Es ist ein Kompromiss zwischen Verlustleistung und EMV-Abstrahlung zu finden. Falls die Verlustleistung klein gehalten werden muss, ist eine aufwändige Filterung notwendig.There is a trade-off between power dissipation and EMC emissions. If the power loss must be kept small, a complex filtering is necessary.

Der Aufbau der Schaltung mag jedoch auch in anderer Weise als mit Verwendung eines Tiefpasses erfolgen. Beispielsweise denkbar ist ein Temperaturfühler am Transistor, welcher die Signalformung des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals vornimmt. Ein Temperatursignal mag auch direkt aus einem Leistungs-FET abgegriffen werden und kann über einen Analog-Digital-Konverter in einen Mikroprozessor eingelesen werden, welcher wiederum das pulsweitenmodulierte Ansteuersignal derart generiert, dass es die Signalform, insbesondere die Flankensteilheit ändert oder aber das Tastverhältnis, das Verhältnis von Ein- zu Ausschaltzeit des pulsweitenmodulierten Signals beeinflusst, insofern dies von einer geforderten Anwendung ermöglicht wird.However, the structure of the circuit may be done in other ways than using a low-pass filter. For example, conceivable is a temperature sensor on the transistor, which performs the signal shaping of the pulse width modulated drive signal. A temperature signal may also be tapped directly from a power FET and can be read via an analog-to-digital converter in a microprocessor, which in turn generates the pulse width modulated drive signal such that it changes the waveform, in particular the edge steepness or the duty cycle, the Affects the ratio of on and off time of the pulse width modulated signal, if this is made possible by a required application.

Eine Beeinflussung der Flankensteilheit ist auch über ein digitales Potentiometer im Tiefpass oder eine Änderung der Kapazität des Tiefpasses durch zuschaltbare bzw. variable Kondensatoren oder aber, insbesondere bei kleinen Kapazitäten, mittels Varikaps oder spannungsgesteuerten Kondensatoren möglich.Influencing the edge steepness is also possible via a digital potentiometer in the low-pass filter or a change in the capacity of the low-pass filter through switchable or variable capacitors or, in particular in the case of small capacitors, by means of varicap or voltage-controlled capacitors.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1a bis c zeigen eine schematische Darstellung einer exemplarischen Ausgestaltung einer Schaltungsanordnung der vorliegenden Erfindung; und 1a to c show a schematic representation of an exemplary embodiment of a circuit arrangement of the present invention; and

2a bis e zeigen exemplarische Ausgestaltungen von Schaltungsanordnungen der vorliegenden Erfindung. 2a to e show exemplary embodiments of circuit arrangements of the present invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In 1a dargestellt ist eine exemplarischen Ausgestaltung einer Schaltungsanordnung 2 gemäß der vorliegenden Erfindung, aufweisend ein Schaltelement 4, welches ausgangsseitig mit einer Last 6, beispielsweise einem Motorelement, verschaltet ist. Eine Spannungsversorgung ist an Last 6 sowie an Schaltelement 4 angeschlossen. Im geschlossenen Zustand fließt ein Strom I_last durch Last 6, Schaltelement 4 ist somit im leitenden Zustand. Im nicht leitenden bzw. offenen Zustand von Schaltelement 4 fließt kein Strom durch Last 6. Unter Verwendung von Pulsweitenmodulation (PWM) wird Schaltelement 4 wiederholt ein- und ausgeschaltet. Über das Tastverhältnis, dem Verhältnis von Einschaltdauer zu Ausschaltdauer, wird die zum Betrieb von Last 6 benötigte Energie bereit- und eingestellt.In 1a an exemplary embodiment of a circuit arrangement is shown 2 according to the present invention, comprising a switching element 4 , which on the output side with a load 6 , For example, a motor element is connected. A power supply is on load 6 and to switching element 4 connected. When closed, a current I _{last flows} through the load 6 , Switching element 4 is thus in a conductive state. In non-conductive or open state of switching element 4 no current flows through load 6 , Using pulse width modulation (PWM) becomes switching element 4 repeatedly switched on and off. The duty cycle, the ratio of the switch-on duration to the switch-off duration, is used to operate the load 6 required energy ready and set.

Schaltelement 4 weist einen Eingang 20a sowie eine Ausgangsseite 20b auf. Am Eingang 20a des Schaltelements 4 angeordnet ist ein temperaturabhängiges Element 10, beispielsweise ein temperaturabhängiger Widerstand R, welcher exemplarisch als NTC-Widerstand ausgeführt sein mag. Weiterhin weist die Eingangsseite 20a von Schaltelement 4 ein zur Masse verbundenes Kondensatorelement 12 auf, welches zusammen mit dem temperaturabhängigen Element 10 einen Tiefpass 16 ausbildet.switching element 4 has an entrance 20a as well as an exit page 20b on. At the entrance 20a of the switching element 4 arranged is a temperature-dependent element 10 , For example, a temperature-dependent resistor R, which may be exemplified as NTC resistor. Furthermore, the input side 20a of switching element 4 a capacitor element connected to ground 12 on, which together with the temperature-dependent element 10 a low pass 16 formed.

Die Eingangsseite 20a mag nun mit pulsweitenmoduliertem Ansteuersignal 8 beaufschlagt werden, um eine Schaltfolge des Schaltelements 4 hervorzurufen.The entrance page 20a likes now with pulse width modulated drive signal 8th be applied to a switching sequence of the switching element 4 cause.

Schaltelement 4 ist temperaturgekoppelt 14 mit temperaturabhängigem Element 10. Somit mag angenommen werden, dass das temperaturabhängige Element 10 im Wesentlichen die gleiche Temperatur wie Schaltelement 4 aufweist und dieser somit im Wesentlichen instantan folgen mag.switching element 4 is temperature-coupled 14 with temperature-dependent element 10 , Thus, it may be assumed that the temperature-dependent element 10 essentially the same temperature as switching element 4 and thus it may essentially follow instantaneously.

Ist nun Schaltelement 4 in einem relativ niedertemperaturigen Betriebsmodus, beispielsweise wie in 1c dargestellt, werden aufgrund des Tiefpassverhaltens von Tiefpass 16 die Flanken des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals 8 verschliffen und somit flacher. Aufgrund der relativ flachen Ansteuerflanken des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals ergibt sich ein gutes EMV-Verhalten, gleichzeitig durchläuft das Schaltelement seinen linearen Bereich relativ langsam, wodurch verhältnismäßig hohe Verlustleistung P_V auftritt.Is now switching element 4 in a relatively low temperature operating mode, such as in 1c shown are due to the low pass behavior of low pass 16 the edges of the pulse width modulated drive signal 8th sanded and thus flatter. Due to the relatively flat Ansteuerflanken the pulse width modulated drive signal results in a good EMC behavior, at the same time the switching element undergoes its linear range relatively slowly, whereby relatively high power dissipation P _V occurs.

Die Verlustleistung P_V wiederum resultiert in einer Erwärmung des Schaltelements 4. Wenn nun die Temperatur T von Schaltelement 4 ansteigt, verändert auch das temperaturabhängige Element 10, beispielsweise ausgeführt als ein NTC-Widerstand, seine Eigenschaften, beispielsweise seinen Widerstand, derart, dass der Tiefpass 16 eine unterschiedliche Charakteristik gegenüber einer niedrigen Temperatur aufweist.The power loss P _V in turn results in a heating of the switching element 4 , Now if the temperature T of switching element 4 increases, also changes the temperature-dependent element 10 , For example, as an NTC resistor, its properties, such as its resistance, such that the low-pass 16 has a different characteristic from a low temperature.

Gemäß 1b, im Falle einer hohen Temperatur T, werden die Flanken des pulsweitenmodulierten Ansteuersignals 8 steilflankiger, beispielsweise im Wesentlichen rechteckförmig. Hieraus resultiert nun eine verschlechterte EMV bei gleichzeitig reduzierter Verlustleistung P_V, da nun der lineare Bereich von Schaltelement 4 schneller durchlaufen wird. Aufgrund der reduzierten Verlustleistung P_V wird eine weitere Temperaturerhöhung bzw. Erhitzung von Schaltelement 4 vermieden, je nach Dimensionierung des temperaturabhängigen Elementes 10 bzw. des Tiefpasses 16 ist sogar eine Temperaturverminderung denkbar. Bei einer Temperaturverminderung reduziert sich auch die Temperatur des temperaturabhängigen Elementes 10, wodurch gleichfalls eine Veränderung des Tiefpassverhaltens von Tiefpass 16 resultiert.According to 1b in the case of a high temperature T, the edges of the pulse width modulated drive signal 8th steep flank, for example, substantially rectangular. This now results in a deteriorated EMC while reducing power loss P _V , since now the linear range of switching element 4 going through faster. Due to the reduced power loss P _V is a further increase in temperature or heating of switching element 4 avoided, depending on the dimensions of the temperature-dependent element 10 or the low pass 16 even a temperature reduction is conceivable. When the temperature is reduced, the temperature of the temperature-dependent element is also reduced 10 , which also causes a change in the low-pass behavior of low-pass 16 results.

Im Wesentlichen soll ein Gleichgewichtszustand zwischen auftretender Temperatur T und Verlustleistung P_V erzielt werden. Gegenüber herkömmlichen Realisierungen ist bei Überschreiten einer zulässigen Höchstverlustleistung kein Abschalten bzw. Aussetzen des Ansteuervorgangs von Last 6 nötig. Vielmehr reguliert sich die Temperatur T des Schaltelements 4 selbst über das gegensteuernde Verhalten von Tiefpass 16. Zwar wird die EMV kurzfristig verschlechtert, möglicherweise sogar derart, dass ein vorgegebener Grenzwert überschritten werden mag, dies mag jedoch tolerabel sein, da mit der Temperaturerhöhung von Temperatur T des Schaltelements 4 gleichzeitig eine gegensteuernde Änderung von Tiefpass 16 hervorgerufen wird.In essence, a state of equilibrium between occurring temperature T and power loss P _{V should be} achieved. Compared with conventional implementations, when a maximum allowable power loss is exceeded, there is no switch-off or suspension of the activation process of the load 6 necessary. Rather, the temperature T of the switching element is regulated 4 even about the counter-controlling behavior of lowpass 16 , Although the EMC is worsened in the short term, possibly even so that a predetermined limit may be exceeded, but this may be tolerable, as with the temperature increase of temperature T of the switching element 4 at the same time a gegensteuernde change of low pass 16 is caused.

In 2a bis e sind exemplarische Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung 2 dargestellt.In 2a to e are exemplary embodiments of the circuit arrangement 2 shown.

In 2a ist Schaltelement 4 exemplarisch ausgeführt als ein MOSFET 4a, aufweisend eine interne parasitäre Kapazität C_int 12a. An der Ausgangsseite 20b ist Last 6 angekoppelt. An der Eingangsseite 20a ist exemplarisch ein NTC-Widerstand 10 angeordnet, welcher zusammen mit der internen parasitären Kapazität 12a Tiefpass 16 ausbildet. Bei einer getakteten Ansteuerung von Schaltelementen, wird mit Hilfe einer Ansteuerschaltung eine Steuerspannung bzw. ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal 8 erzeugt, welches zwischen zwei Pegeln wechselt. Dieses mag beispielsweise zwischen Nullpegel (0 Volt) und einem weiteren Pegel wechseln, welcher typischerweise zwischen 8 und 18 Volt eingerichtet ist, beispielsweise 10 Volt. Schaltelement 4a und Widerstand 10 sind hierbei temperaturgekoppelt 14.In 2a is switching element 4 exemplified as a MOSFET 4a comprising an internal parasitic capacitance C _int 12a , At the exit side 20b is load 6 coupled. At the entrance side 20a is an example of an NTC resistor 10 arranged, which together with the internal parasitic capacitance 12a lowpass 16 formed. In a clocked control of switching elements, with the aid of a drive circuit, a control voltage or a pulse width modulated drive signal 8th generated, which changes between two levels. This may, for example, alternate between zero level (0 volts) and another level, which is typically set at between 8 and 18 volts, for example 10 volts. switching element 4a and resistance 10 are temperature-coupled 14 ,

Eine Variante ist in 2b dargestellt. Hier wird zur internen, parasitären Eingangskapazität 12a eine externe Kapazität C_ext 12b, beispielsweise ein Kondensatorelement, angeordnet. Hierdurch mag der Einfluss einer möglichen Schwankung der Eingangskapazität von Schaltelement 4a verringert werden.A variant is in 2 B shown. This becomes the internal, parasitic input capacitance 12a an external capacity C _ext 12b , For example, a capacitor element arranged. As a result, the influence of a possible fluctuation of the input capacitance of the switching element 4a be reduced.

Gemäß Gleichung 1 ergibt sich eine Gesamtkapazität C_ges des Systems, bestehend aus interner Kapazität C_int 12a sowie externer Kapazität C_ext 12b.According to equation 1, a total capacity C _{tot of} the system results, consisting of internal capacitance C _int 12a as well as external capacity C _ext 12b ,

Im Weiteren verbleibt Schaltungsanordnung 2 gemäß 2b wie Schaltungsanordnung 2 von 2a.In addition, circuitry remains 2 according to 2 B like circuitry 2 from 2a ,

Gemäß 2c wird nun ein Schaltelement 4b, ausgebildet als ein Bipolartransistor 4b, verwendet. Dies wird insbesondere durch die Verwendung des externen Kondensatorelementes C_ext 12b ermöglicht.According to 2c now becomes a switching element 4b formed as a bipolar transistor 4b , used. This is achieved in particular by the use of the external capacitor _element C _ext 12b allows.

Auch hier verbleibt Schaltungsanordnung 2 im Übrigen wie zuvor dargestellt.Again, circuitry remains 2 otherwise as previously stated.

Gemäß 2d werden in einer weiteren exemplarischen Ausbaustufe weitere Widerstandselemente 18a, b als serielle bzw. parallele Widerstände zu temperaturabhängigem Element 10 angeordnet. Mittels Widerstandselementen 18a, b mag somit die Temperaturabhängigkeit der Umschaltzeit des Schaltelements 4 eingestellt werden, in 2d wiederum exemplarisch ausgeführt als MOSFET-Element 4a.According to 2d become in another exemplary stage further resistance elements 18a , b as serial or parallel resistors to temperature-dependent element 10 arranged. By means of resistance elements 18a , b thus the temperature dependence of the switching time of the switching element 4 be set in 2d again exemplified as a MOSFET element 4a ,

Gemäß 2e ist zusätzlich seriell zu temperaturabhängigem Element 10 ein weiteres temperaturabhängiges Element 10' verschaltet, welches beispielsweise einen unterschiedlichen negativen Temperaturkoeffizienten bzw. eine unterschiedliche Widerstands-Verlaufskurve in Abhängigkeit der Temperatur T des Schaltelementes 4 aufweist. Beide temperaturabhängige Elemente 10, 10' sind temperaturgekoppelt 14 mit Schaltelement 4, auch in 2e exemplarisch ausgeführt als ein MOSFET-Element 4a.According to 2e is additionally serial to temperature-dependent element 10 another temperature-dependent element 10 ' interconnected, which, for example, a different negative temperature coefficient or a different resistance curve as a function of the temperature T of the switching element 4 having. Both temperature-dependent elements 10 . 10 ' are temperature-coupled 14 with switching element 4 , also in 2e exemplified as a MOSFET element 4a ,

Claims

Circuit arrangement ( 2 ) with temperature-dependent, variable pulse width modulation, comprising a switching element ( 4 . 4a , b); and a temperature dependent element ( 10 ), temperature coupled ( 14 ) connected to the switching element ( 4 . 4a , b); wherein the switching element ( 4 . 4a , b) by a pulse width modulated signal ( 8th ) is controlled; characterized in that the temperature-dependent element ( 10 ) is arranged, at least one of the rising edge and the falling edge of the pulse width modulated signal ( 8th ) to influence.

Circuit arrangement according to claim 1, wherein the temperature-dependent element ( 10 ) is arranged for signal shaping of the pulse width modulated signal ( 8th ).

Circuit arrangement according to claim 1 or 2, wherein the temperature-dependent element ( 10 ) is the generation of the signal shaping of the pulse width modulated signal ( 8th ) to influence.

Circuit arrangement according to one of claims 1 to 3, wherein the temperature-dependent element ( 10 ) is a temperature-dependent resistance element, in particular NTC resistor.

Circuit arrangement according to one of claims 1 to 4, further comprising a capacitive element ( 12 . 12a , b), which with the temperature-dependent element on the input side ( 20a ) of the switching element ( 4 . 4a , b) a low pass ( 16 ) trains.

Circuit arrangement according to claim 5, wherein the capacitive element ( 12 . 12a , b) an element is selected from the group consisting of internal / parasitic capacitive element and external capacitive element.

Circuit arrangement according to one of claims 1 to 6, wherein the switching element ( 4 . 4a , b) an element is selected from the group consisting of transistor element, bipolar transistor, FET and MOSFET.

Circuit arrangement according to one of claims 1 to 7, further comprising a microprocessor, wherein a temperature information regarding the current temperature of at least one of the elements of the group consisting of temperature-dependent element ( 10 ) and switching element ( 4 . 4a , b) can be provided to the microprocessor; and wherein the microprocessor is configured to signal shaping at least one edge of the rising edge and the falling edge of the pulse width modulated signal ( 8th ) depending on the temperature information.

Operating method of a switching element ( 4 . 4a , b) using a pulse width modulated signal, comprising the steps of detecting a current operating temperature of a switching element ( 4 . 4a , b); and adjusting at least one edge of the rising edge and the falling edge of the pulse width modulated signal ( 8th ) in dependence on the detected operating temperature of the switching element ( 4 . 4a , b) for influencing the current power loss P _{V of} the switching element ( 4 . 4a , b).