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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines MOSFET im Rückwärtsbetrieb, eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens und einen DC/DC-Wandler mit einer solchen Schaltungsanordnung.
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Stand der Technik
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MOSFETs sind aktive Bauelemente mit mindestens drei Anschlüssen, nämlich Gate (Steuerelektrode), Drain (Abfluss) und Source (Quelle) und wirken als spannungsgesteuerte Widerstände, bei denen über die Gate-Source-Spannung der Widerstand zwischen Drain und Source beeinflusst werden kann.
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Ein MOSFET-Transistor umfasst den eigentlichen MOSFET-Kanal und eine Inversdiode, über die im Rückwärtsbetrieb ein Strom fließt, der einen Spannungsabfall über der Inversdiode bewirkt. Dabei können hohe Leistungen auftreten, die eine Zerstörung der Halbleiterstruktur des MOSFET verursachen können. Ein solcher Rückwärtsbetrieb kann bspw. bei Einsatz von MOSFETs in DC/DC-Wandlern im Falle einer Verpolung auftreten. Als DC/DC-Wandler werden Gleichspannungswandler bezeichnet, die eine an ihrem Eingang zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umwandeln.
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DC/DC-Wandler mit hohen Leistungen finden zunehmend Anwendung in Kraftfahrzeugen. Insbesondere beim Versorgen ganzer Bordnetzbereiche sind diese Wandler in vielen Fällen verpolsicher ausgeführt. Ein gängiger Ansatz des Verpolschutzes sieht dabei vor, ein Verpolschutzelement, wie bspw. eine Diode oder einen MOSFET, in den Ausgangskreis bzw. Eingangskreis zu schalten. Dieses Verpolschutzelement verhindert einen negativen Stromfluss und schützt auf diese Weise den Wandler. Da der Verpolschutz aber in den Strompfad eingebaut wird, produziert er im regulären Betrieb Verlustwärme bzw. -leistung und reduziert den Wirkungsgrad.
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Es ist zu beachten, dass bei den meisten Wandlerarchitekturen im Verpolfall und ohne Schutzdiode ein Strom durch die Inversdiode der MOSFETs fließt. Durch die Diodenflussspannung von ~1 V treten bei den hohen Verpolströmen Verlustleistungen von 400 W bis > 1.000 W auf, was zu einer thermischen Zerstörung der Halbleiterstruktur führt. Da es sich bei dem hierbei betrachteten Wandler um einen Hochleistungswandler handelt, sind die AVT-Struktur (AVT: Aufbau- und Verbindungstechnik) und die Bauelemente prinzipiell in der Lage den hohen Verpolstrom zu führen. Hierfür müsste aber der Lowsite-MOSFET aktiv an- bzw. aufgesteuert werden, um den Stromfluss aus der Inversdiode (hohe Verluste) in den MOSFET-Kanal zu bekommen (geringe Verluste).
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Innerhalb des MOSFET-Kanals können die Verpolströme bei geeigneter Dimensionierung ausreichend lange geführt werden, um die Verpolschutzanforderung abzudecken. Durch das Führen des hohen Stroms stellt der Wandler dabei ein zentrales Verpolschutzelement dar, wie es bei aktuellen Fahrzeugen meist durch die Dioden im Generator realisiert wird. Fehlt das zentrale Verpolschutzelement bei neuartigen Fahrzeugkonzepten ohne Generator im Verbraucherbordnetz, hat dies einen Einfluss auf die Auslegung aller Steuergeräte. Das Ableiten von hohen Verpolströmen durch den Wandler stellt daher einen gewissen Vorteil bei der Auslegung neuer Bordnetzkonzepte dar.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Schaltungsanordnung gemäß Patentanspruch 5 und ein DC/DC-Wandler nach Anspruch 10 vorgestellt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.
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Mit dem vorgestellten Verfahren und der beschriebenen Schaltungsanordnung ist es nunmehr möglich, eine thermische Zerstörung des MOSFET, bspw. bedingt durch eine Verpolung, zu vermeiden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass bei einem Einsatz in einem DC/DC-Wandler im Kraftfahrzeug die Verpolung keinen Dauerzustand darstellt, sondern in der Regel nach spätestens einer Minute beendet ist.
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Auch wenn die Erfindung nachfolgend in Zusammenhang mit einem DC/DC-Wandler unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben wird, ist zu beachten, das diese auch unabhängig vom Einsatz innerhalb von DC/DC-Wandlern zu betrachten ist. Es wird allgemein eine Technik zum Aufsteuern von MOSFETs im Rückwärtsbetrieb über den Spannungsabfall der Inversdiode vorgestellt. Einsatzgebiete des vorgestellten Verfahrens und der erläuterten Schaltungsanordnung sind demnach auch aktive Diodenschaltungen, bei denen der Spannungsabfall und die Verluste über die Diode, insbesondere von Inversdioden in MOSFETs, reduziert werden sollen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt einen DC/DC-Wandler nach dem Stand der Technik.
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2 zeigt einen DC/DC-Wandler nach dem Stand der Technik.
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3 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen DC/DC-Wandlers.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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In 1 ist ein bekannter DC/DC-Wandler, insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet, dargestellt. Dieser umfasst einen Ausgangskreis 12 und einen Eingangskreis 14. Im Eingangskreis 14 liegt die Spannung U1 (Pfeil 16) an. In dem Ausgangskreis 12 ist eine Batterie 18 vorgesehen, die (hier als Fehlerfall) verpolt ist (Pfeil 20) und an der eine Spannung U2 (Pfeil 22) anliegt.
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Der DC/DC-Wandler 10 weist weiterhin einen Highsite-MOSFET 30 und einen Lowsite-MOSFET 32 sowie eine Induktivität 34 auf. Im Ausgangskreis 12 ist ein MOSFET 36 vorgesehen, der als Verpolschutzelement dient und einen negativen Stromfluss verhindert und auf diese Weise den DC/DC-Wandler 10 schützt. Da der MOSFET 36 aber in dem Strompfad eingebaut ist, erzeugt dieser im regulären Betrieb Verlustwärme und verringert den Wirkungsgrad.
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In 2 ist ein weiterer DC/DC-Wandler 50 mit einem Ausgangskreis 52 und einem Eingangskreis 54 dargestellt. Im Eingangskreis 54 liegt die Spannung U1 (Pfeil 56) an. In dem Ausgangskreis 52 ist eine Batterie 58 vorgesehen, die verpolt ist (Pfeil 60) und an der eine Spannung U2 (Pfeil 62) anliegt.
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Es sind weiterhin ein Highsite-MOSFET 70 und ein Lowsite-MOSFET 72 sowie eine Induktivität 74 vorgesehen. Der Highsite-MOSFET 70 umfasst eine Inversdiode 82 und einen MOSFET-Kanal 84. Ebenso umfasst der Lowsite-MOSFET 72 eine Inversdiode 86 und einen MOSFET-Kanal 88.
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Durch die Verpolung ergibt sich ein Strom (Strompfad 80), der über die Inversdiode 86 des Lowsite-Transistors 72 fließt. Durch die Diodenflussspannung, die etwa 1 V beträgt, ergeben sich hierbei Verlustleistungen von mehr als 1.000 W, die eine Zerstörung der Halbleiterstruktur des Lowsite-MOSFET 72 bewirken können.
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Der dargestellte DC/DC-Wandler 50 ist ein Hochleistungswandler, der prinzipiell in der Lage ist, den hohen Verpolstrom zu führen. Hierzu müsste jedoch der Lowsite-MOSFET 72 auf- bzw. durchgesteuert werden, um den Stromfluss aus der Inversdiode 86 in den MOSFET-Kanal 88 umzuleiten. Innerhalb des MOSFET-Kanals 88 können die Verpolströme bei geeigneter Dimensionierung ausreichend lange geführt werden, um die Verpolschutzanforderung abzudecken.
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In 3 ist eine Ausführungsform des vorgestellten DC/DC-Wandlers dargestellt, der insgesamt mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet ist. Dieser DC/DC-Wandler 100 umfasst einen Ausgangskreis 102 und einen Eingangskreis 104. In dem Ausgangskreis 102 ist eine Batterie 108 vorgesehen, die verpolt ist (Pfeil 110) und an der eine Spannung U2 (Pfeil 112) anliegt.
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Es sind weiterhin ein erster MOSFET 120, der als Highsite-MOSFET dient, und ein zweiter MOSFET 122, der als Lowsite-MOSFET dient, vorgesehen. Der erste MOSFET 120 umfasst eine Inversdiode 130 und einen MOSFET-Kanal 132. Ebenso weist der zweite MOSFET 122 eine Inversdiode 140 und einen MOSFET-Kanal 142 auf. Die Darstellung zeigt weiterhin eine Induktivität 136.
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Weiterhin ist der 3 eine Schaltungsanordnung 150 zu entnehmen, die zum Ansteuern der MOSFETs 120 und 122, in diesem Fall des zweiten MOSFET 122, dient. Diese umfasst einen DC/DC-Wandler 152, ein Hystereseglied 154 und einen Treiber 156. Weiterhin zeigt die Darstellung eine Shottkydiode 158, ein logisches Glied 160 und ein Diodenpaar 162.
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Die Schaltungsanordnung 150 ist dafür vorgesehen, bei dem verpolten DC/DC-Wandler 100 den stromdurchflossenen zweiten MOSFET 122 aktiv an- bzw. durchzusteuern, um den Stromfluss aus der Inversdiode 140 in den MOSFET-Kanal 142 umzuleiten. Dadurch sinken die Verluste und eine thermische Zerstörung kann verhindert werden. Zum Ansteuern des zweiten MOSFET 122 dient dabei die über der Inversdiode 140 abfallende Spannung. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die Spannung über der Inversdiode 140 im Verpolfall etwa –1 V beträgt und daher keine Energiequelle zur Ansteuerung des zweiten MOSFET 122 mit 12 V zur Verfügung steht. In der dargestellten Ausführung kommt daher der spezielle DC/DC-Wandler 152 zum Einsatz, wie er derzeit bspw. für "Energy Harvesting Anwendungen" verfügbar ist.
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Diese Art von Wandlern ist für den Betrieb mit äußerst geringen Eingangsspannungen optimiert. Mit diesen Wandlern wird normalerweise Energie aus kleinen thermoelektrischen Generatoren oder Piezo-Generatoren in höhere Spannungen konvertiert.
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Über einen solchen speziellen Wandler 152 wird die geringe Verpolspannung der Inversdiode 140 in eine hohe Ausgangsspannung zur Versorgung des Treibers 156 konvertiert. Der DC/DC-Wandler 152 wird nur im Verpolfall aktiv und stellt an seinem Ausgang eine Spannung bereit, die ausreichend groß ist, um die MOSFETs 120 und 122 sicher anzusteuern bzw. den Treiber 156 zu betreiben. Zusätzlich wird über das Hystereseglied 154 und das logische Glied 160 ein Eingangssignal für den Treiber 156 generiert. Durch das Hystereseglied 154 wird sichergestellt, dass der zweite MOSFET 122 erst angesteuert wird, wenn der DC/DC-Wandler 152 eine ausreichend hohe Spannung erzeugt hat. Dies ist wichtig, da der Spannungsabfall an dem MOSFET 122 während der Ansteuerung zusammenbricht.
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Die Schaltungsanordnung 150 steuert somit immer für einen gewissen Zeitraum den zweiten MOSFET 122 sicher an, bis die Spannung unter die Hystereseschwelle sinkt. Danach wird der zweite MOSFET 122 gesperrt und der Strom fliesst wieder eine kurze Zeit über die Inversdiode 140, um über den Spannungsabfall wieder den DC/DC-Wandler 152 zu versorgen. Anstelle des DC/DC-Wandlers 152 kann bspw. auch eine Ladungspumpe verwendet werden. Wichtig ist, dass die Spannung über der Inversdiode 140 zunächst in eine höhere Spannung gewandelt wird, mit der dann der zweite MOSFET 122 angesteuert wird.
