DE102013001109B4

DE102013001109B4 - Verfahren zum Überwachen der Funktionalität eines Schalters und Ansteuerungseinheiten für Schalter

Info

Publication number: DE102013001109B4
Application number: DE102013001109.4A
Authority: DE
Inventors: Jens Barrenscheen; Laurent Beaurenaut
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2012-01-23
Filing date: 2013-01-22
Publication date: 2019-11-14
Anticipated expiration: 2033-01-23
Also published as: US9391604B2; US20130187656A1; DE102013001109A1; CN103219980B; CN103219980A

Abstract

Gate-Ansteuerungseinheit, die Folgendes aufweist:
eine Eingangsstufe (121);
eine Ausgangsstufe (122);
eine Lese-/Schreibschnittstelle (124); und
eine Überwachungsstufe (123);
wobei die Eingangsstufe (121) so konfiguriert ist, dass sie Steuersignale von einer externen Systemsteuereinheit (110) empfängt und die Steuersignale an die Ausgangsstufe und an die Überwachungsstufe weiterleitet;
die Lese-/Schreibschnittstelle (124) ist so konfiguriert, dass sie Konfigurationsdaten empfängt und die Konfigurationsdaten an die Überwachungsstufe weiterleitet; und
die Überwachungsstufe (123) ist so konfiguriert, dass sie Signale eines mit der Gate-Ansteuerungseinheit verbundenen Leistungsschalters (130) erfasst und auswertet und die Auswertung der Signale des Leistungsschalters mit den Steuersignalen synchronisiert,
wobei die Lese-/Schreibschnittstelle (124) ferner so konfiguriert ist, dass sie Rückmeldedaten von der Überwachungsstufe (123) an die externe Systemsteuereinheit (110) überträgt, und
wobei die Auswertung der Signale und die Synchronisierung der Auswertung auf den Konfigurationsdaten basieren.

Description

Die Erfindung betrifft Ansteuerungseinheiten für Schalter und Verfahren zum Überwachen der Funktionalität eines Schalters zur Verwendung in einer mit dem Schalter verbundenen Ansteuerungseinheit, insbesondere in sicherheitskritischen Stromversorgungssystemen mit Leistungsschaltern.
Sicherheitstechnik ist ein Wachstumsbereich, in dem Ingenieure Redundanztechniken verwenden, um nachteilige Folgen abzumildern, wenn ein Fehler auftritt. So weisen zum Beispiel Raumfahrzeuge und Luftfahrzeuge redundante Systeme auf, sodass in dem Fall, dass zum Beispiel eine Komponente der Triebwerkssteuerung während des Flugs ausfällt, eine andere Komponente der Triebwerkssteuerung aktiviert werden kann, damit das Luftfahrzeug sicher landen kann.
In ähnlicher Hinsicht können zeitgesteuerte Eingangs-/ Ausgangssignale (E/A-Signale) in sicherheitsrelevanten Systemen generiert und anschließend geprüft werden, um sicherzustellen, dass sie tatsächlich ordnungsgemäß übermittelt wurden. Dies kann in einer Vielzahl von Anwendungen nützlich sein. Wenn zum Beispiel bei einem Automobilsystem ein Ausgangs-Ansteuerungssignal (zum Beispiel ein Zündkerzensignal einer Motorsteuerung) dem Motor eines Automobils bereitgestellt wird, kann ein Rückmeldesignal (das aus dem tatsächlich an den Motor übermittelten Ausgangssignal abgeleitet wird) mit dem ursprünglichen Ausgangs-Ansteuerungssignal verglichen werden, um zu bestimmen, ob das Ausgangs-Ansteuerungssignal wirklich ordnungsgemäß übermittelt wurde. Falls eine „schlechte“ Verbindung zwischen der Motorsteuerung und dem Motor selbst vorliegt (oder falls ein anderes Fehlerereignis auftritt), kann somit ein Vergleich des ursprünglichen Ansteuerungssignals mit dem Rückmeldesignal diesen Fehler erkennen, wodurch es einem Steuerungssystem erlaubt wird, den Fahrer zu benachrichtigen, beispielsweise, indem das Aufleuchten einer Motorkontrollleuchte auf dem Armaturenbrett des Fahrers bewirkt wird. Auf diese Weise kann ein Fahrer darüber informiert werden, dass ein Motorproblem aufgetreten ist (zum Beispiel eine Fehlzündung der Zündkerze), und er kann dann sein Fahrzeug in eine Werkstatt bringen, um jegliche entsprechenden Probleme beheben zu lassen.
In sicherheitskritischen Stromversorgungssystemen mit Leistungsschaltern (zum Beispiel MOSFETs (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors, Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) oder IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors, Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode)) besteht die Anforderung, vor dem Starten des Betriebs des Systems Funktionsblöcke in dem Stromversorgungssystem zu analysieren, um für den Fall einer Störung einiger Funktionsblöcke Beschädigungen zu vermeiden. Ferner wird eine Diagnosemöglichkeit während der Laufzeit benötigt, um Alterungseffekte zu erkennen oder plötzliche Ausfälle zu analysieren.
Ein Standard-Ausgang einer normalen Steuervorrichtung ist nicht in der Lage, den Steuerungseingang (Gate) eines Leistungsschalters direkt anzusteuern. Daher wird eine Gate-Ansteuerungskomponente mit eigener Stromversorgung benötigt, um die Steuersignale zu verstärken und an die Anforderungen von Leistungsschaltern anzupassen. Um Verluste zu vermeiden und ein korrektes Schaltverhalten sicherzustellen, befinden sich die Gate-Ansteuerungskomponenten in der Regel in der Nähe des Leistungsschalters.
In einigen Fällen wird durch die Gate-Ansteuerungskomponente eine Barriere zur galvanischen Trennung zwischen der Steuervorrichtung und dem Leistungsschalter eingeführt, da sie sich nicht auf dasselbe Potenzial beziehen. Hier weist die Gate-Ansteuerung eine mit der Steuervorrichtung mit geringer Leistungsaufnahme verbundene Niederspannungs-Primärseite und eine mit dem Leistungsschalter verbundene Hochspannungs-Sekundärseite auf, wobei die Primärseite und die Sekundärseite mittels einer Barriere zur galvanischen Trennung getrennt sind. Folglich ist die Diagnosemöglichkeit des gesamten Systems verringert, da es ziemlich teuer ist, Analogwerte unter diesen Bedingungen zu handhaben.
Insbesondere bei der Ausführung einer FMEA (Failure Mode and Effects Analysis, Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse) sind Laufzeittests, insbesondere Mechanismen für die Plausibilitätsprüfung, sehr hilfreich, um ein Sicherheitskonzept zu implementieren, in dem die Spezifikation enthalten ist, dass eine Vorrichtung in einer definierten Weise reagieren muss, selbst wenn zum Beispiel Pin-Verbindungen ausfallen.
Zusätzlich erfordern einige Anwendungen eine so genannte „Notlauf“-Funktionalität: Selbst wenn eine Komponente ausfällt, müssen andere Teile des Systems weiterarbeiten, um über einen gewissen Zeitraum eine Minimalfunktionalität zu erreichen (so kann zum Beispiel ein dreiphasiger Elektromotor mit zwei Phasen, aber geringerer Leistung, laufen). Abhängig von der ursprünglichen Ursache des Ausfalls müssen unterschiedliche Notlaufstrategien angewendet werden. Daher werden detaillierte Kenntnisse der Ursache eines Fehlers, das heißt eine Diagnosemöglichkeit, benötigt.
Die 103 34 832 A1 beschreibt einen Steuerkreis zur Ansteuerung eines Leistungshalbleiterbauelements, wie beispielsweise eines IGBTs. Der Steuerkreis umfasst einen Gatespannungsdetektor, der eine Gate-Emitterspannung des Leistungshalbleiterbauelements über einen Erfassungszeitraum erfasst und der das Auftreten eines Fehlers im Leistungshalbleiterbauelement erkennt, wenn die Gate-Emitterspannung einen Referenzwert überschreitet.
Die US 2003/0197993 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung mit einem Leistungshalbleiterbauelement, wie beispielsweise einem MOSFET, und einer Ansteuereinheit für das Leistungshalbleiterbauelement. Die Ansteuereinheit umfasst eine Schnittstelle, über die die Ansteuereinheit durch einen externen Controller programmiert werden kann, um so Schwellenwerte, die für eine Fehlerdetektion verwendet werden, ändern zu können.
Die US 2007/0257725 A1 beschreibt eine Schutzschaltung für einen IGBT oder MOSFET. Die Schutzschaltung überwacht eine Gatespannung des IGBT oder MOSFET beim Einschalten und detektiert einen Kurzschluss oder einen Überstrom, wenn die Gatespannung einen Referenzwert übersteigt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die einen Mechanismus zur Plausibilitätsprüfung für Ansteuerungseinheiten für Schalter, insbesondere Leistungsschalter, bietet und die flexibel und kostengünstig ist, und ein entsprechendes Verfahren zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird durch eine Gate-Ansteuerungseinheit nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 7 gelöst.
Gemäß einem erfindungsgemäßen Aspekt wird eine Gate-Ansteuerungseinheit vorgesehen, die eine Eingangsstufe, eine Ausgangsstufe, eine Lese-/Schreibschnittstelle und eine Überwachungsstufe aufweist. Die Eingangsstufe ist so konfiguriert ist, dass sie Steuersignale empfängt und die Steuersignale an die Ausgangsstufe und an die Überwachungsstufe weiterleitet; die Lese-/Schreibschnittstelle ist so konfiguriert, dass sie Konfigurationsdaten empfängt und die Konfigurationsdaten an die Überwachungsstufe weiterleitet; und die Überwachungsstufe ist so konfiguriert, dass sie Signale eines mit der Gate-Ansteuerungseinheit verbundenen Leistungsschalters erfasst und auswertet und die Auswertung der Signale des Leistungsschalters mit den Steuersignalen synchronisiert. Die Lese-/Schreibschnittstelle ist ferner so knofiguriert, dass sie Rückmeldedaten von der Überwachungsstufe an die externe Systemsteuereinheit überträgt. Die Auswertung der Signale und die Synchronisierung der Auswertung basieren auf den Konfigurationsdaten.
Zweckmäßigerweise ist die Lese-/Schreibschnittstelle ferner so konfiguriert, dass sie aktualisierte Konfigurationsdaten empfängt und die aktualisierten Konfigurationsdaten an die Überwachungsstufe weiterleitet, und die Überwachungsstufe ist ferner so konfiguriert, dass sie weitere Signale des Leistungsschalters erfasst und auswertet und die Auswertung der weiteren Signale des Leistungsschalters mit den Steuersignalen synchronisiert, wobei die Auswertung der weiteren Signale und die Synchronisierung der Auswertung auf den aktualisierten Konfigurationsdaten basieren.
Zweckmäßigerweise ist die Lese-/Schreibschnittstelle ferner so konfiguriert, dass sie in regelmäßigen Abständen aktualisierte Konfigurationsdaten empfängt und die jeweiligen aktualisierten Konfigurationsdaten an die Überwachungsstufe weiterleitet; und die Überwachungsstufe ist ferner so konfiguriert, dass sie weitere Signale des Leistungsschalters erfasst und auswertet und die Auswertung der weiteren Signale des Leistungsschalters mit den Steuersignalen synchronisiert, wobei die Auswertung der weiteren Signale und die Synchronisierung der Auswertung auf den jeweiligen aktualisierten Konfigurationsdaten basieren.
Zweckmäßigerweise weisen die Konfigurationsdaten eine Verzögerung auf, welche einen Zeitpunkt für die Auswertung der Signale des Leistungsschalters im Verhältnis zu den Steuersignalen angibt.
Zweckmäßigerweise weisen die Konfigurationsdaten einen Wertebereich auf, und die Auswertung der Signale des Leistungsschalters umfasst das Bestimmen, ob ein zuletzt erfasstes Signal von dem Leistungsschalter innerhalb des Wertebereichs liegt.
Zweckmäßigerweise ist die Überwachungsstufe ferner so konfiguriert, dass sie eine Zeitmessung einleitet, wenn sie ein vordefiniertes Steuersignal empfängt, und einen Zeitwert als Reaktion auf ein vordefiniertes Ereignis erfasst.
Zweckmäßigerweise weisen die Konfigurationsdaten ferner ein Zeitintervall auf, und die Überwachungsstufe ist ferner so konfiguriert, dass sie bestimmt, ob der erfasste Zeitwert innerhalb des Zeitintervalls liegt.
Zweckmäßigerweise ist die Überwachungsstufe ferner so konfiguriert, dass sie die erfassten Signale des Schalters an die Lese-/Schreibschnittstelle weiterleitet, damit die erfassten Signale des Schalters an eine externe Systemsteuereinheit ausgegeben werden.
Zweckmäßigerweise ist die Überwachungsstufe ferner so konfiguriert, dass sie ein Ergebnis der Auswertung der erfassten Signale des Schalters an die Lese-/Schreibschnittstelle weiterleitet, damit das Ergebnis der Auswertung an eine externe Systemsteuereinheit ausgegeben wird.
Wenn die Auswertung der erfassten Signale des Schalters eine Störung des Leistungsschalters angibt, ist die Überwachungsstufe zweckmäßigerweise ferner so konfiguriert, dass sie ein Fehlersignal an die Ausgangsstufe ausgibt, um die Gate-Ansteuerungseinheit zu veranlassen, den Leistungsschalter so zu steuern, dass er in einen definierten Zustand schaltet.
Wenn die Überwachungsstufe ein Fehlersignal von der externen Systemsteuereinheit empfängt, welches eine Störung des Leistungsschalters angibt, ist die Überwachungsstufe zweckmäßigerweise ferner so konfiguriert, dass sie das empfangene Fehlersignal an die Ausgangsstufe ausgibt, um die Gate-Ansteuerungseinheit zu veranlassen, den Leistungsschalter so zu steuern, dass er in einen definierten Zustand schaltet.
Zweckmäßigerweise weisen die erfassten Signale des Leistungsschalters wenigstens eines der folgenden Elemente auf: einen Ladestrom; eine Schaltspannung; und/oder eine Gate-Spannung.
Zweckmäßigerweise handelt es sich bei den Steuersignalen um pulsbreitenmodulierte Signale (PWM-Signale).
Zweckmäßigerweise handelt es sich bei der Lese-/Schreibschnittstelle um eine serielle Schnittstelle, zum Beispiel eine serielle periphere Schnittstelle (SPI) oder eine I²C-Schnittstelle (Inter Integrated Circuit, zwischen integrierten Schaltungen).
Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt wird ein Verfahren vorgesehen, um die Funktionalität eines mit einer Gate-Ansteuerungseinheit verbundenen Leistungsschalters zu überwachen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:

Empfangen von Steuersignalen;
Empfangen von Konfigurationsdaten; und
Erfassen und Auswerten von Signalen des mit der Gate-Ansteuerungseinheit verbundenen Leistungsschalters und Synchronisieren der Auswertung der Signale des Leistungsschalters mit den Steuersignalen, wobei die Auswertung der Signale und die Synchronisierung der Auswertung auf den Konfigurationsdaten basieren.

Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren ferner die folgenden Schritte: Empfangen von aktualisierten Konfigurationsdaten; Erfassen und Auswerten weiterer Signale des Leistungsschalters und Synchronisierung der Auswertung der weiteren Signale des Leistungsschalters mit den Steuersignalen, wobei die Auswertung der weiteren Signale und die Synchronisierung der Auswertung auf den aktualisierten Konfigurationsdaten basieren.
Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren ferner die folgenden Schritte: Empfangen von aktualisierten Konfigurationsdaten in regelmäßigen Abständen; Erfassen und Auswerten weiterer Signale des Leistungsschalters und Synchronisierung der Auswertung der weiteren Signale des Leistungsschalters mit den Steuersignalen, wobei die Auswertung der weiteren Signale und die Synchronisierung der Auswertung auf den zuletzt empfangenen, aktualisierten Konfigurationsdaten basieren.
Zweckmäßigerweise weisen die Konfigurationsdaten eine Verzögerung auf, welche einen Zeitpunkt für die Auswertung der Signale des Leistungsschalters im Verhältnis zu den Steuersignalen angibt.
Zweckmäßigerweise weisen die Konfigurationsdaten einen Wertebereich auf, und die Auswertung der Signale des Leistungsschalters umfasst das Bestimmen, ob ein zuletzt erfasstes Signal von dem Leistungsschalter innerhalb des Wertebereichs liegt.
Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren ferner die folgenden Schritte: Einleiten einer Zeitmessung beim Empfangen eines vordefinierten Steuersignals und Erfassen eines Zeitwerts als Reaktion auf ein vordefiniertes Ereignis.
Zweckmäßigerweise weisen die Konfigurationsdaten ferner ein Zeitintervall auf, und der Schritt des Auswertens der Signale des Leistungsschalters umfasst das Bestimmen, ob der erfasste Zeitwert innerhalb des Zeitintervalls liegt.
Zweckmäßigerweise weisen die erfassten Signale des Schalters wenigstens eines der folgenden Elemente auf: einen Ladestrom; eine Schaltspannung; und/oder eine Gate-Spannung.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Gate-Ansteuerungseinheit außerdem einen Komparator, der so konfiguriert ist, dass er das verstärkte Steuersignal von der Ausgangsstufe empfängt, bestimmt, ob ein Kennwert des verstärkten Steuersignals innerhalb eines durch zwei Schwellenwerte angegebenen Intervalls liegt, und das Ergebnis der Bestimmung an eine Auswerteeinheit weiterleitet.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Gate-Ansteuerungseinheit außerdem: einen Zeitgeber, der so konfiguriert ist, dass er beim Empfangen des Steuersignals von der Eingangsstufe gestartet wird und dass er Zeitgeberwerte an eine Auswerteeinheit ausgibt; eine Komparator, der so konfiguriert ist, dass er einen Kennwert des verstärkten Steuersignals, das von der Ausgangsstufe ausgegeben wurde, mit einem Referenzwert vergleicht und ein Trigger-Signal an die Auswerteeinheit sendet, wenn der Kennwert des verstärkten Steuersignals den Referenzwert erreicht; wobei die Auswerteeinheit so konfiguriert ist, dass sie beim Empfangen des Trigger-Signals einen Zeitgeberwert mit einem Zeitgeber-Schwellenwert vergleicht.
Weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich.
Figurenliste
Die begleitenden Zeichnungen sind beigefügt, um ein tieferes Verständnis der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen, und sind in diese Schrift aufgenommen und bilden einen Teil davon. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erklären. Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und viele der angestrebten Vorteile der vorliegenden Erfindung können ohne Weiteres gewürdigt werden, da sie durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung besser verstanden werden.

1 zeigt beispielhaft ein vereinfachtes Schaltbild eines Systems, das eine Ansteuerungseinheit gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform aufweist.
2 veranschaulicht eine beispielhafte Anwendung für das in 1 gezeigte System.
3 veranschaulicht eine weitere beispielhafte Anwendung für das in 1 gezeigte System.
4 veranschaulicht eine weitere beispielhafte Anwendung für das in 1 gezeigte System.
5 veranschaulicht eine weitere beispielhafte Anwendung für das in 1 gezeigte System.
6 zeigt ein Verfahren zum Überwachen der Funktionalität eines Schalters gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform.
7 zeigt beispielhaft ein vereinfachtes Schaltbild eines Systems, das eine Ansteuerungseinheit gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform aufweist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen dargestellt sind, mit denen die Erfindung in die Praxis umgesetzt werden kann. Es versteht sich, dass weitere Ausführungsformen verwendet werden können und strukturelle oder andere Änderungen vorgenommen werden können, ohne dass von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Die folgende ausführliche Beschreibung soll daher nicht in beschränkendem Sinn aufgefasst werden, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche definiert.
Die folgende Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen bezieht sich oft auf einen Vergleich eines bestimmten Werts, zum Beispiel einer Spannung, mit zwei Schwellenwerten, um zu bestimmen, ob der bestimmte Wert innerhalb eines vordefinierten Bereichs oder Akzeptanzfensters liegt. Der Vergleich des bestimmten Werts mit den beiden Schwellenwerten kann für die beiden Schwellenwerte parallel (das heißt im Wesentlichen gleichzeitig) ausgeführt werden, oder er kann nacheinander ausgeführt werden (das heißt, zu einem ersten Zeitpunkt wird der bestimmte Wert mit dem ersten Schwellenwert verglichen, und zu einem zweiten Zeitpunkt wird der bestimmte Wert mit dem zweiten Schwellenwert verglichen). Es versteht sich, dass die Formulierung „ein Vergleich eines Werts mit zwei Schwellenwerten“ nicht auf eine der beiden oben beschriebenen Alternativen beschränkt werden soll, sondern beide Alternativen abdeckt, das heißt insbesondere, zwei aufeinander folgende Vergleichsvorgänge mit jeweils einem Schwellenwert werden auch als „ein Vergleich eines Werts mit zwei Schwellenwerten“ betrachtet.
Ein solcher Vergleich eines bestimmten Werts mit zwei Schwellenwerten kann zum Beispiel durchgeführt werden, um Stuck-at-Fehler (zum Beispiel aufgrund eines Kurzschlusses) zwischen Schalter und Versorgungsspannung zu erkennen: Wenn nur bestimmt wird, ob der bestimmte Wert einen einzelnen Schwellenwert überschreitet oder nicht, wird ein Kurzschluss auf eine Spannung unter bestimmten Umständen möglicherweise nicht erkannt.
Gemäß einem erfindungsgemäßen Aspekt umfasst ein Verfahren zum Überwachen der Funktionalität eines Schalters zur Verwendung in einer mit dem Schalter verbundenen Ansteuerungseinheit, wobei die Ansteuerungseinheit eine Eingangsstufe zum Empfangen eines Steuersignals und eine Ausgangsstufe zum Verstärken des Steuersignals und zum Ausgeben des verstärkten Steuersignals an den Schalter aufweist, die folgenden Schritte:

Vergleichen eines Kennwerts des verstärkten, von der Ausgangsstufe ausgegebenen Steuersignals mit zwei Schwellenwerten, um zu bestimmen, ob der Wert innerhalb eines durch die beiden Schwellenwerte angegebenen Intervalls liegt;
beim Empfangen eines Steuersignals zum Bewirken einer Zustandsänderung des Schalters Weiterleiten des Steuersignals an ein Verzögerungselement, das so konfiguriert ist, dass es das Steuersignal nach einer vordefinierten Verzögerung ausgibt;
wenn das Verzögerungselement das Steuersignal ausgibt, Erfassen eines aktuellen Ergebnisses des Vergleichs des Kennwerts des verstärkten Steuersignals mit zwei Schwellenwerten, um zu bestimmen, ob der Kennwert des verstärkten Steuersignals innerhalb eines durch die beiden Schwellenwerte angegebenen Intervalls liegt, nachdem ein bestimmter Zeitraum, der durch die Verzögerung des Verzögerungselements definiert ist, abgelaufen ist.

Zweckmäßigerweise wird der Schritt des Vergleichens des Kennwerts des verstärkten, von der Ausgangsstufe ausgegebenen Steuersignals mit den beiden Schwellenwerten, um zu bestimmen, ob der Wert innerhalb eines durch die beiden Schwellenwerte angegebenen Intervalls liegt, ständig oder in regelmäßigen Abständen durchgeführt.
Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem Kennwert des verstärkten Steuersignals um eine Spannung, die an einem Steuereingang des Schalters anliegt.
Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem Schalter um einen Leistungsschalter, und die Eingangsstufe weist eine Barriere zur galvanischen Trennung auf.
Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren ferner die folgenden Schritte:

Ausgeben eines Fehlersignals, wenn der Kennwert des verstärkten Steuersignals nicht innerhalb des durch die beiden Schwellenwerte angegebenen Intervalls liegt, nachdem der bestimmte Zeitraum, der durch die Verzögerung des Verzögerungselements definiert ist, abgelaufen ist; und
Bewirken, dass der Schalter als Reaktion auf das Fehlersignal ausgeschaltet wird.

Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt umfasst ein Verfahren zum Überwachen der Funktionalität eines Schalters zur Verwendung in einer mit dem Schalter verbundenen Ansteuerungseinheit, wobei die Ansteuerungseinheit eine Eingangsstufe zum Empfangen eines Steuersignals und eine Ausgangsstufe zum Verstärken des Steuersignals und zum Ausgeben des verstärkten Steuersignals an den Schalter aufweist, die folgenden Schritte:

Starten eines Zeitgebers beim Empfangen eines Steuersignals, um eine Zustandsänderung des Schalters zu bewirken;
Vergleichen eines Kennwerts des verstärkten, von der Ausgangsstufe ausgegebenen Steuersignals mit einem Referenzwert;
wenn der Kennwert des verstärkten Steuersignals den Referenzwert erreicht, Vergleichen eines aktuellen Zeitgeberwerts mit zwei Zeitgeber-Schwellenwerten, um zu bestimmen, ob
der Kennwert des verstärkten Steuersignals den Referenzwert innerhalb eines Zeitintervalls erreicht, das durch die beiden Zeitgeber-Schwellenwerte angegeben ist.

Zweckmäßigerweise wird der Schritt des Vergleichens eines Kennwerts des verstärkten, von der Ausgangsstufe ausgegebenen Steuersignals mit einem Referenzwert ständig oder in regelmäßigen Abständen durchgeführt.
Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem Kennwert des verstärkten Steuersignals um eine Spannung, die an einem Steuereingang des Schalters anliegt.
Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem Schalter um einen Leistungsschalter, und die Eingangsstufe weist eine Barriere zur galvanischen Trennung auf.
Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren ferner die folgenden Schritte:

Ausgeben eines Fehlersignals, wenn der Kennwert des verstärkten Steuersignals den Referenzwert nicht innerhalb des durch die beiden Zeitgeber-Schwellenwerte angegebenen Intervalls erreicht; und
Bewirken, dass der Schalter als Reaktion auf das Fehlersignal ausgeschaltet wird.

Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt weist eine Ansteuerungseinheit für einen Schalter Folgendes auf:

eine Eingangsstufe zum Empfangen eines Steuersignals und zum Weiterleiten des Steuersignals an eine Ausgangsstufe und an ein Verzögerungselement;
die Ausgangsstufe zum Verstärken des Steuersignals und zum Ausgeben des verstärkten Steuersignals an den Schalter und an einen Komparator;
den Komparator, der so konfiguriert ist, dass er das verstärkte Steuersignal von der Ausgangsstufe empfängt, bestimmt, ob ein Kennwert des verstärkten Steuersignals innerhalb eines durch zwei Schwellenwerte angegebenen Intervalls liegt, und das Ergebnis der Bestimmung an eine Auswerteeinheit weiterleitet;
das Verzögerungselement, das so konfiguriert ist, dass es das Steuersignal von der Eingangsstufe empfängt und das empfangene Steuersignal nach einer vorbestimmten Verzögerung an eine Auswerteeinheit ausgibt;
die Auswerteeinheit, die so konfiguriert ist, dass sie das Ergebnis der Bestimmung des Komparators auswertet, wenn sie das verzögerte Steuersignal von dem Verzögerungselement empfängt, um zu bestimmen, ob der Kennwert des verstärkten Steuersignals innerhalb des durch die beiden Schwellenwerte angegebenen Intervalls liegt, nachdem ein bestimmter Zeitraum, der durch die Verzögerung des Verzögerungselements definiert ist, abgelaufen ist.

Zweckmäßigerweise ist der Komparator ferner so konfiguriert, dass er ständig oder in regelmäßigen Abständen bestimmt, ob der Kennwert des verstärkten Steuersignals innerhalb des durch die beiden Schwellenwerte angegebenen Intervalls liegt, und das Ergebnis der Bestimmung an die Auswerteeinheit weiterleitet.
Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem Schalter um einen Leistungsschalter, und die Eingangsstufe weist eine Barriere zur galvanischen Trennung auf.
Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem Steuersignal um ein pulsbreitenmoduliertes Signal.
Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem Kennwert des verstärkten Steuersignals um eine Spannung, die an einem Steuereingang des Schalters anliegt.
Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem Kennwert des verstärkten Steuersignals um einen Strom des verstärkten Steuersignals.
Zweckmäßigerweise ist die Auswerteeinheit ferner so konfiguriert, dass sie ein Fehlersignal an die Ausgangsstufe überträgt, wenn der Kennwert des verstärkten Steuersignals nicht innerhalb des durch die beiden Schwellenwerte angegebenen Intervalls liegt, nachdem ein bestimmter Zeitraum, der durch die Verzögerung des Verzögerungselements definiert ist, abgelaufen ist, und die Ausgangsstufe ist ferner so konfiguriert, dass sie den Schalter so steuert, dass er ausgeschaltet wird, wenn er das Fehlersignal von der Auswerteeinheit empfängt.
Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt weist eine Ansteuerungseinheit für einen Schalter Folgendes auf:

eine Eingangsstufe zum Empfangen eines Steuersignals und zum Weiterleiten des Steuersignals an eine Ausgangsstufe und an einen Zeitgeber;
die Ausgangsstufe zum Verstärken des Steuersignals und zum Ausgeben des verstärkten Steuersignals an den Schalter und an einen Komparator;
den Zeitgeber, der so konfiguriert ist, dass er beim Empfangen des Steuersignals von der Eingangsstufe gestartet wird und dass er Zeitgeberwerte an eine Auswerteeinheit ausgibt;
den Komparator, der so konfiguriert ist, dass er einen Kennwert des verstärkten Steuersignals, das von der Ausgangsstufe ausgegeben wurde, mit einem Referenzwert vergleicht und ein Trigger-Signal an die Auswerteeinheit sendet, wenn der Kennwert des verstärkten Steuersignals den Referenzwert erreicht; und
die Auswerteeinheit, die so konfiguriert ist, dass sie beim Empfangen des Trigger-Signals einen aktuellen Zeitgeberwert mit zwei Zeitgeber-Schwellenwerten vergleicht, um zu bestimmen, ob der Kennwert des verstärkten Steuersignals den Referenzwert innerhalb eines durch die beiden Zeitgeber-Schwellenwerte angegebenen Zeitintervalls erreicht.

Zweckmäßigerweise ist der Komparator ferner so konfiguriert, dass er ständig oder in regelmäßigen Abständen einen Kennwert des verstärkten, von der Ausgangsstufe ausgegebenen Steuersignals mit einem Referenzwert vergleicht.
Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem Schalter um einen Leistungsschalter, und die Eingangsstufe weist eine Barriere zur galvanischen Trennung auf.
Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem Steuersignal um ein pulsbreitenmoduliertes Signal.
Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem Kennwert des verstärkten Steuersignals um eine Spannung, die an einem Steuereingang des Schalters anliegt.
Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem Kennwert des verstärkten Steuersignals um einen Strom des verstärkten Steuersignals.
Zweckmäßigerweise ist die Auswerteeinheit ferner so konfiguriert, dass sie ein Fehlersignal an die Ausgangsstufe überträgt, wenn der Kennwert des verstärkten Steuersignals den Referenzwert nicht innerhalb des durch die beiden Zeitgeber-Schwellenwerte angegebenen Zeitintervalls erreicht, und die Ausgangsstufe ist ferner so konfiguriert, dass sie den Schalter so steuert, dass er ausgeschaltet wird, wenn er das Fehlersignal von der Auswerteeinheit empfängt.
Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt umfasst ein Verfahren zum Überwachen der Funktionalität eines Schalters zur Verwendung in einer mit dem Schalter verbundenen Ansteuerungseinheit die folgenden Schritte:

beim Empfangen eines Steuersignals zum Ändern eines Zustands des Schalters Einleiten der Messung eines für den Schalter charakteristischen Werts und Weiterleiten des Steuersignals an ein Verzögerungselement, das so konfiguriert ist, dass es das Steuersignal nach einer vordefinierten Verzögerung ausgibt; und
wenn das Verzögerungselement das Steuersignal ausgibt, Vergleichen eines aktuell gemessenen Werts mit zwei Schwellenwerten, um zu bestimmen, ob der gemessene Wert innerhalb eines durch die beiden Schwellenwerte angegebenen Intervalls liegt, nachdem ein bestimmter, durch die Verzögerung des Verzögerungselements definierter Zeitraum abgelaufen ist.

1 zeigt beispielhaft ein vereinfachtes Schaltbild eines Systems, das eine Ansteuerungseinheit gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform aufweist. Das System weist einen Generator für pulsbreitenmodulierte (PWM) Steuersignale 10 auf, vorzugsweise einen Mikrocontroller, eine Ansteuerungseinheit 20, einen Schalter 30 und eine Spannungsversorgung 40, wobei die Ansteuerungseinheit 20 mit dem Generator für pulsbreitenmodulierte Steuersignale 10 und mit dem Schalter 30 verbunden ist.
Die Ansteuerungseinheit 20 weist eine Eingangsstufe 21, eine Ausgangsstufe 22, einen Zeitgeber oder Zähler 24, eine erste Auswerteeinheit 25, einen Auswertungsschwellenwert-Komparator 26, ein Verzögerungselement 27, eine zweite Auswerteeinheit 28 und einen Fensterkomparator 29 auf.
Der Eingang der Eingangsstufe 21 ist mit dem Generator für PWM-Steuersignale 10 verbunden, und ihr Ausgang ist mit einem Eingang des Zeitgebers 24, einem ersten Eingang der Ausgangsstufe 22 und einem Eingang des Verzögerungselements 27 verbunden. Der Ausgang der Ausgangsstufe 22 ist mit dem Schalter 30, einem Eingang des Auswertungsschwellenwert-Komparators 26 und einem Eingang des Fensterkomparators 29 verbunden. Der erste Eingang der ersten Auswerteeinheit 25 ist mit einem Ausgang des Zeitgebers 24 verbunden, ihr zweiter Eingang ist mit einem Ausgang des Auswertungsschwellenwert-Komparators 26 verbunden, und ihr Ausgang ist mit einem zweiten Eingang der Ausgangsstufe 22 verbunden. Der erste Eingang der zweiten Auswerteeinheit 28 ist mit einem Ausgang des Verzögerungselements 27 verbunden, ihr zweiter Eingang ist mit einem Ausgang des Fensterkomparators 29 verbunden, und ihr Ausgang ist mit einem dritten Eingang der Ausgangsstufe 22 verbunden.
Im Folgenden wird der Betrieb des in 1 gezeigten Systems beschrieben. Die Eingangsstufe 21 empfängt das PWM-Steuersignal von dem Generator für PWM-Steuersignale 10 und leitet das PWM-Steuersignal an die Ausgangsstufe 22, den Zeitgeber 24 und das Verzögerungselement 27 weiter. Die Eingangsstufe 21 kann eine Barriere zur galvanischen Trennung aufweisen, wenn der Generator für PWM-Signale 10 und die Ausgangsstufe 22 sich auf unterschiedliche Potenziale beziehen.
Die Ausgangsstufe 22, die mit der Spannungsversorgung 40 verbunden ist, verstärkt das von der Eingangsstufe 21 empfangene PWM-Steuersignal und gibt das verstärkte Signal an einen Steuereingang des Schalters 30, zum Beispiel ein Gate oder die Basis eines Transistors (zum Beispiel MOSFET oder IGBT), aus, um das Schalten des Schalters 30 zu steuern. Die Ausgangsstufe 22 gibt ferner das verstärkte Signal an den Auswertungsschwellenwert-Komparator 26 und an den Fensterkomparator 29 aus.
Der Auswertungsschwellenwert-Komparator 26 vergleicht das verstärkte Spannungssignal mit einem Auswertungsschwellenwert, zum Beispiel einem bestimmten Spannungspegel, um zu bestimmen, ob die an dem Steuereingang, zum Beispiel einem Gate des Schalters anliegende Spannung den Schwellenwert für die Auswertungsspannung erreicht hat. Wenn der Auswertungsschwellenwert-Komparator 26 bestimmt, dass die an dem Steuereingang des Schalters anliegende Spannung gleich dem (oder größer als der) Schwellenwert für die Auswertungsspannung ist, sendet er ein Trigger-Signal an die erste Auswerteeinheit 25.
Der Zeitgeber 24 empfängt das PWM-Steuersignal von der Eingangsstufe 21. Wenn der Zeitgeber 24 ein bestimmtes PWM-Steuersignal empfängt, zum Beispiel ein Signal in dem Zustand „ein“ oder „high“, insbesondere einen Wechsel von einem Signal in dem Zustand „aus“ zu einem Signal in dem Zustand „ein“, beginnt der Zeitgeber 24 (oder Zähler), die Zeit zu messen, die seit dem Wechsel des PWM-Steuersignals zum Beispiel von „aus“ nach „ein“ vergangen ist.
Die erste Auswerteeinheit 25 empfängt ständig die Zeitgeberwerte von dem Zeitgeber 24. Wenn die erste Auswerteeinheit 25 das Trigger-Signal von dem Auswertungsschwellenwert-Komparator 26 empfängt, wertet sie den aktuell empfangenen Zeitgeberwert aus bzw. bestimmt, ob er in einem vorbestimmten Zeitfenster liegt oder nicht. In Abhängigkeit von dem Ergebnis der Bestimmung kann die erste Auswerteeinheit 25 bestimmte Operationen ausführen. Wenn zum Beispiel der aktuelle Zeitgeberwert nicht innerhalb des vorbestimmten Zeitfensters liegt, kann die erste Auswerteeinheit 25 ein Fehlersignal an die Ausgangsstufe 22 übertragen, das die Ansteuerungseinheit 20 veranlassen kann, den Schalter 30 so zu steuern, dass er in einen definierten Zustand geschaltet wird, zum Beispiel in den ausgeschalteten Zustand. Bei einigen spezifischen Anwendungen kann der definierte Zustand auch der Zustand „ein“ sein.
Der Fensterkomparator 29 empfängt das verstärkte Signal von der Ausgangsstufe 22 und vergleicht den Spannungspegel des empfangenen verstärkten Signals mit zwei vorbestimmten Spannungs-Schwellenwerten, welche einen vorbestimmten Spannungsbereich oder ein vorbestimmtes Spannungsfenster definieren, um zu bestimmen, ob der Spannungspegel des verstärkten Signals innerhalb des vorbestimmten Spannungsbereichs oder Spannungsfensters liegt oder nicht. Der Fensterkomparator 29 überträgt dann ein entsprechendes Signal an die zweite Auswerteeinheit 28, das angibt, ob der aktuelle Spannungspegel des verstärkten Signals in dem vorbestimmten Spannungsbereich oder Spannungsfenster liegt oder nicht. Zusätzlich kann der Fensterkomparator 29 auch einen Wert übertragen, der den tatsächlichen Spannungspegel des verstärkten Signals angibt, das aktuell von der Ausgangsstufe 22 empfangen wird.
Somit empfängt die Auswerteeinheit 28 ständig Signale von dem Fensterkomparator 29, die wenigstens angeben, dass der aktuelle Spannungspegel des verstärkten Signals innerhalb des vorbestimmten Spannungsbereichs oder Spannungsfensters liegt oder nicht.
Das Verzögerungselement 27 empfängt das PWM-Steuersignal von der Eingangsstufe 21. Wenn das Verzögerungselement 27 ein bestimmtes PWM-Steuersignal empfängt, zum Beispiel ein Signal in dem Zustand „ein“ oder „high“, leitet das Verzögerungselement das PWM-Steuersignal nach einer vorbestimmten Verzögerung an die zweite Auswerteeinheit 28 weiter. Somit verzögert das Verzögerungselement 27 das PWM-Steuersignal so, dass die zweite Auswerteeinheit 28 das PWM-Steuersignal zu einem gewünschten, wohldefinierten Zeitpunkt empfängt. Die Verzögerung des Verzögerungselements kann konfigurierbar sein, um die Verzögerung an die Anforderungen verschiedener Anwendungen anzupassen, insbesondere an unterschiedliche Transistoren wie MOSFET, IGBT, usw.
Das verzögerte PWM-Steuersignal kann als ein Trigger-Signal für die zweite Auswerteeinheit 28 betrachtet werden. Wenn die zweite Auswerteeinheit 28 das verzögerte PWM-Steuersignal empfängt, wertet sie das aktuell von dem Fensterkomparator 29 empfangene Signal aus und kann eine bestimmte Operation durchführen. Wenn zum Beispiel das von dem Fensterkomparator 29 empfangene Signal angibt, dass der aktuelle Spannungspegel des verstärkten Signals nicht innerhalb des vorbestimmten Spannungsbereichs oder -fensters liegt, kann die zweite Auswerteeinheit 28 ein Fehlersignal an die Ausgangsstufe 22 übertragen, das die Ansteuerungseinheit 20 veranlassen kann, den Schalter 30 so zu steuern, dass er in einen definierten Zustand geschaltet wird, zum Beispiel in den ausgeschalteten Zustand.
2 veranschaulicht eine beispielhafte Anwendung für das in 1 gezeigte System. In dieser beispielhaften Anwendung wird geprüft, ob die Spannung Vgate, die an einem Steuereingang (Gate, Basis, usw.) eines Transistors (MOSFET, IGBT, usw.) anliegt, wenn der Transistor eingeschaltet wird, zu einem bestimmten Zeitpunkt, nachdem das Steuersignal von dem Zustand „aus“ in „ein“ gewechselt hat, innerhalb eines konfigurierbaren Spannungsbereichs oder Akzeptanzfensters liegt. Zur Vereinfachung wird diese Spannung Vgate im Folgenden einfach als „Gate-Spannung“ bezeichnet. Insbesondere wird geprüft, ob eine Höhe eines Gate-Spannungsplateaus, das ausgebildet wird, wenn sich in dem Transistor ein leitfähiger Kanal aufbaut, innerhalb eines konfigurierbaren Spannungsbereichs oder Akzeptanzfensters liegt.
Zu einem Zeitpunkt t₁ (der zum Beispiel durch Anpassen des Verzögerungselements 27 des Systems gemäß 1 konfigurierbar ist), zu dem die Gate-Spannung einen bestimmten Plateaupegel erreicht haben sollte, wird der Gate-Spannungspegel des Transistors (zum Beispiel mittels des Fensterkomparators 29 und der zweiten Auswerteeinheit 28 des Systems gemäß 1) mit zwei vorbestimmten Spannungs-Schwellenwerten, V_t1,max und V_t1,min verglichen, die einen vorbestimmten Spannungsbereich oder ein vorbestimmtes Spannungsfenster definieren, um zu bestimmen, ob der Spannungspegel des verstärkten Signals innerhalb dieses konfigurierbaren Akzeptanzfensters liegt oder nicht.
Wenn der aktuelle Gate-Spannungspegel nicht innerhalb des Akzeptanzfensters liegt, funktioniert die Gate-Ansteuerungseinheit nicht ordnungsgemäß: Wenn einerseits der Gate-Spannungspegel unterhalb des Mindestschwellenwerts V_t1,min liegt, ist die Last der Ansteuerungseinheit zu hoch, was seine Ursache zum Beispiel in einem Kurzschlussfehler der Ansteuerungseinheit haben kann. Wenn andererseits der Gate-Spannungspegel oberhalb des Maximalschwellenwerts V_t1,max liegt, ist die Last der Ansteuerungseinheit zu gering, was seine Ursache in einer defekten oder unterbrochenen Verbindung zwischen der Ansteuerungseinheit und dem Schalter haben kann.
3 veranschaulicht eine weitere beispielhafte Anwendung für das in 1 gezeigte System. In dieser beispielhaften Anwendung wird geprüft, ob die Spannung V_gate, die an einem Steuereingang (Gate, Basis, usw.) eines Transistors (MOSFET, IGBT, usw.) anliegt, wenn der Transistor eingeschaltet wird, innerhalb eines bestimmten, konfigurierbaren Zeitfensters, nachdem das Steuersignal von dem Zustand „aus“ in „ein“ gewechselt hat, einen vordefinierten Spannungspegel V₂, auch als „Auswertungsschwellenwert“ bezeichnet, erreicht. Zur Vereinfachung wird diese Spannung Vgate im Folgenden einfach als „Gate-Spannung“ bezeichnet.
Wenn das Steuersignal von dem Zustand „aus“ in „ein“ gewechselt hat, wird ein Zeitgeber oder Zähler gestartet, und die Gate-Spannung wird ständig überwacht. Insbesondere wird der aktuelle Gate-Spannungspegel (zum Beispiel mittels des Auswertungsschwellenwert-Komparators 26 des Systems nach 1) mit einem Auswertungsschwellenwert verglichen, um zu bestimmen, ob die Gate-Spannung den Schwellenwert für die Auswertungsspannung V₂ erreicht hat. Wenn der Auswertungsschwellenwert-Komparator 26 bestimmt, dass die an dem Steuereingang des Schalters anliegende Spannung gleich dem (oder größer als der) Schwellenwert für die Auswertungsspannung ist, wird der Zeitgeber angehalten, um den Zeitraum t₂ zu erfassen, der vergangen ist, seit das Steuersignal von dem Zustand „aus“ in „ein“ gewechselt hat. Der erfasste Zeitgeberwert t₂ wird dann mit den beiden vorbestimmten Zeitgrenzwerten t_2,max und t_2,min verglichen, die ein vorbestimmtes Zeitfenster (Akzeptanzfenster) definieren, um zu bestimmen, ob der erfasste Zeitgeberwert t₂ innerhalb des Zeitfensters liegt oder nicht. Zum Beispiel kann der Auswertungsschwellenwert-Komparator 26 ein Trigger-Signal an die erste Auswerteeinheit 25 ausgeben, die den aktuellen Wert des Zeitgebers 24 erfasst und mit dem Zeit-Akzeptanzfenster vergleicht.
Wenn der Zeitgeberwert nicht innerhalb des Akzeptanzfensters liegt, funktioniert die Gate-Ansteuerungseinheit nicht ordnungsgemäß: Wenn einerseits der Zeitgeberwert t₂ geringer ist als der Mindestschwellenwert t_2,min, das heißt, wenn die Gate-Spannung den definierten Spannungspegel vor dem Beginn des Akzeptanz-Zeitfensters erreicht, ist die Last der Ansteuerungseinheit zu gering, was seine Ursache zum Beispiel in einer defekten oder unterbrochenen Verbindung zwischen der Ansteuerungseinheit und dem Schalter haben kann. Wenn andererseits der Zeitgeberwert größer ist als der Maximalschwellenwert t_2,max, das heißt, wenn die Gate-Spannung den definierten Spannungspegel nach dem Ende des Akzeptanz-Zeitfensters erreicht, ist die Last der Ansteuerungseinheit zu groß, was seine Ursache zum Beispiel in einem Kurzschlussfehler der Ansteuerungseinheit haben kann.
4 veranschaulicht eine weitere beispielhafte Anwendung für das in 1 gezeigte System. Diese beispielhafte Anwendung betrifft einen Ausschaltprozess in einem 2-Pegel-Modus (2L-Modus) für einen Leistungsschalter. Bei einem 2-Pegel-Ausschaltvorgang wird die Gate-Spannung in einem ersten Schritt verringert, bevor der Schalter in einem zweiten Schritt tatsächlich ausgeschaltet wird. Beim Ausschalten in dem 2L-Modus kann vorzugsweise geprüft werden, ob die Gate-Spannung zu einem bestimmten Zeitpunkt einen Zwischenpegel erreicht, das 2L-Plateau, um sicherzustellen, dass der Ausschaltpfad über den 2L-Modus ordnungsgemäß angeschlossen ist. Wenn dieser Pegel nicht erreicht wird (zum Beispiel wenn der Ausschaltpfad nicht angeschlossen ist), kann ein alternativer Pfad (zum Beispiel ein redundanter Pfad) aktiviert werden, um ein weiches Ausschalten des Leistungsschalters durchzuführen. Durch diesen Ansatz kann ein Kurzschluss in dem Leistungsschalter vermieden und die Belastung innerhalb des Schalters verringert werden.
In der beispielhaften Anwendung von 4 wird geprüft, ob die Spannung V_gate, die an einem Steuereingang (Gate, Basis, usw.) eines Transistors (MOSFET, IGBT, usw.) anliegt, zu einem bestimmten Zeitpunkt, nachdem ein Ausschaltbefehl empfangen wurde, innerhalb eines konfigurierbaren Spannungsbereichs oder Akzeptanzfensters liegt. Zur Vereinfachung wird diese Spannung Vgate im Folgenden einfach als „Gate-Spannung“ bezeichnet. Insbesondere wird geprüft, ob eine Höhe des 2L-Gate-Spannungsplateaus zu einem bestimmten Zeitpunkt erreicht wird, das heißt ob die Gate-Spannung zu dem bestimmten Zeitpunkt innerhalb eines konfigurierbaren Spannungsbereichs oder Akzeptanzfensters liegt.
Zu einem Zeitpunkt t₃ (der zum Beispiel durch Anpassen des Verzögerungselements 27 des Systems gemäß 1 konfigurierbar ist), zu dem die Gate-Spannung einen bestimmten Plateaupegel erreicht haben sollte, wird der Gate-Spannungspegel des Transistors (zum Beispiel mittels des Fensterkomparators 29 und der zweiten Auswerteeinheit 28 des Systems gemäß 1) mit zwei vorbestimmten Spannungs-Schwellenwerten, V_t3,max und V_t3,min verglichen, die einen vorbestimmten Spannungsbereich oder ein vorbestimmtes Spannungsfenster definieren, um zu bestimmen, ob der Spannungspegel des verstärkten Signals innerhalb dieses konfigurierbaren Akzeptanzfensters liegt oder nicht.
Wenn der aktuelle Gate-Spannungspegel nicht innerhalb des Akzeptanzfensters liegt, funktioniert die Gate-Ansteuerungseinheit nicht ordnungsgemäß, und der Leistungsschalter kann mittels eines alternativen Prozesses, wie einem weichen Ausschalten, ausgeschaltet werden.
5 veranschaulicht eine weitere beispielhafte Anwendung für das in 1 gezeigte System. Diese beispielhafte Anwendung betrifft auch einen 2-Pegel-Ausschaltprozess für einen Leistungsschalter. In dieser beispielhaften Anwendung wird geprüft, ob die Spannung V_gate, die an einem Steuereingang (Gate, Basis, usw.) eines Transistors (MOSFET, IGBT, usw.) anliegt, innerhalb eines bestimmten, konfigurierbaren Zeitfenster, nachdem ein Ausschaltbefehl empfangen wurde, einen vorbestimmten Spannungspegel V₄ erreicht, der im Folgenden auch als „Schwellenwert für die ‚Aus‘-Prüfung“ bezeichnet wird. Zur Vereinfachung wird diese Spannung Vgate im Folgenden einfach als „Gate-Spannung“ bezeichnet.
Wenn das Steuersignal zu dem Zeitpunkt t₀ von dem Zustand „ein“ in „aus“ gewechselt hat, wird ein Zeitgeber oder Zähler gestartet, und die Gate-Spannung wird ständig überwacht. Insbesondere wird der aktuelle Gate-Spannungspegel (zum Beispiel mittels des Auswertungsschwellenwert-Komparators 26 des Systems gemäß 1) mit einem Schwellenwert für die ‚Aus‘-Prüfung verglichen, um zu bestimmen, ob die Gate-Spannung den Spannungsschwellenwert V₄ erreicht hat. Wenn der Auswertungsschwellenwert-Komparator 26 bestimmt, dass die an dem Steuereingang des Schalters anliegende Spannung gleich dem (oder größer als der) Schwellenwert für die ‚Aus‘-Prüfung ist, wird der Zeitgeber angehalten, um den Zeitraum t₄-t₀ zu erfassen, der vergangen ist, seit das Steuersignal von dem Zustand „aus“ in „ein“ gewechselt hat. Der erfasste Zeitgeberwert t₄ wird dann mit den beiden vorbestimmten Zeitgrenzwerten t_4,max und t_4,min verglichen, die ein vorbestimmtes Zeitfenster (Akzeptanzfenster) definieren, um zu bestimmen, ob der erfasste Zeitgeberwert t₄ innerhalb des Zeitfensters liegt oder nicht. Zum Beispiel kann der Auswertungsschwellenwert-Komparator 26 ein Trigger-Signal an die erste Auswerteeinheit 25 ausgeben, die den aktuellen Wert des Zeitgebers 24 erfasst und mit dem Zeit-Akzeptanzfenster vergleicht.
In vielen Fällen kann es nur erwünscht sein zu prüfen, ob die Gate-Spannung spätestens zu dem Zeitpunkt t_4,max unter den Schwellenwert für die ‚Aus‘-Prüfung gefallen ist (das heißt, ob t₄ (der Zeitpunkt, zu dem die Gate-Spannung unter den Schwellenwert für die ‚Aus‘-Prüfung gefallen ist), kleiner als oder gleich t_4,max ist. Dies ist jedoch nur ein Sonderfall des oben beschriebenen Zeitfensters: In diesem Fall ist der untere Grenzwert t_4,min des Zeitfensters nicht erforderlich und kann gleich 0 gesetzt werden.
6 zeigt ein Verfahren zum Überwachen der Funktionalität eines Schalters gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform. Das Verfahren ist für die Verwendung in einer Ansteuerungseinheit ausgelegt, die mit dem zu überwachenden Schalter verbunden ist, und umfasst die folgenden Schritte:

Vergleichen eines Kennwerts des verstärkten, von einer Ausgangsstufe der Ansteuerungseinheit ausgegebenen Steuersignals mit zwei Schwellenwerten, um zu bestimmen, ob der Wert innerhalb eines durch die beiden Schwellenwerte angegebenen Intervalls liegt (Schritt 602);
beim Empfangen eines Steuersignals zum Bewirken einer Zustandsänderung des Schalters Weiterleiten des Steuersignals an ein Verzögerungselement, das so konfiguriert ist, dass es das Steuersignal nach einer vordefinierten Verzögerung ausgibt (Schritt 604);
wenn das Verzögerungselement das Steuersignal ausgibt, Erfassen eines aktuellen Ergebnisses des Vergleichs des Kennwerts des verstärkten Steuersignals mit zwei Schwellenwerten, um zu bestimmen, ob der Kennwert des verstärkten Steuersignals innerhalb eines durch die beiden Schwellenwerte angegebenen Intervalls liegt, nachdem ein bestimmter Zeitraum, der durch die Verzögerung des Verzögerungselements definiert ist, abgelaufen ist (Schritt 606).

7 zeigt beispielhaft ein vereinfachtes Schaltbild eines Systems, das eine Ansteuerungseinheit gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform aufweist. Das System weist eine Systemsteuereinheit 110, eine Gate-Ansteuerungseinheit 120, einen Schalter 130 und optional einen externen Spannungsverstärker 140 auf. Die Ansteuerungseinheit 120 ist mit der Systemsteuereinheit 110 und dem Schalter 130 verbunden. Der externe Spannungsverstärker 140 ist optional und kann zwischen der Gate-Ansteuerungseinheit 120 und dem Leistungsschalter 130 eingefügt werden, um die von der Gate-Ansteuerungseinheit 120 für den Leistungsschalter 130 ausgegebenen Steuersignale zu verstärken.
Die Systemsteuereinheit 110 weist einen Generator für pulsbreitenmodulierte (PWM) Steuersignale 111, einen Konfigurationsdatenausgang 112 und einen Rückmeldeeingang 113 auf.
Die Gate-Ansteuerungseinheit 120 weist eine Eingangsstufe 121, eine mit der Eingangsstufe 121 verbundene Ausgangsstufe 122, eine mit der Eingangsstufe 121 und der Ausgangsstufe 122 verbundene Überwachungsstufe 123 sowie eine mit der Überwachungsstufe 123 verbundene Lese-/Schreibschnittstelle 124 auf.
Bei der Lese-/Schreibschnittstelle 124 kann es sich um eine serielle Schnittstelle, zum Beispiel eine serielle periphere Schnittstelle (SPI) oder eine I²C-Schnittstelle (Inter Integrated Circuit, zwischen integrierten Schaltungen) handeln.
Die Eingangsstufe 121 empfängt PWM-Steuersignale von dem Generator für PWM-Steuersignale 111 und leitet die PWM-Steuersignale an die Ausgangsstufe 122 und an die Überwachungsstufe 123 weiter. Die Eingangsstufe 121 kann eine Barriere zur galvanischen Trennung aufweisen, wenn der Generator für PWM-Signale 111 und die Ausgangsstufe sich auf unterschiedliche Potenziale beziehen.
Die Ausgangsstufe 122 verstärkt das von der Eingangsstufe 121 empfangene PWM-Steuersignal und gibt das verstärkte Signal an den externen Spannungsverstärker 140 aus, der das von der Ausgangsstufe 122 empfangene Signal zusätzlich verstärkt und das weiter verstärkte Signal an den Leistungsschalter 130 ausgibt. Falls das System keinen externen Spannungsverstärker 140 aufweist, gibt die Ausgangsstufe 122 das verstärkte Signal direkt an den Leistungsschalter 130 aus.
Die Überwachungsstufe 123 ist auf geeignete Weise mit dem Leistungsschalter 130 verbunden, um einen Laststrom, eine Schaltspannung und/oder eine Gate-Spannung des Leistungsschalters 130 zu erfassen. Die Überwachungseinheit 123 empfängt außerdem die PWM-Steuersignale von der Eingangsstufe 121, um die Synchronisierung einer Auswertung der Leistungsschaltersignale mit dem PWM-Steuersignal zu erlauben.
Die Überwachungsstufe 123 empfängt ferner über die Lese-/Schreibschnittstelle 124 Konfigurationsdaten von dem Konfigurationsdatenausgang 112 der Systemsteuereinheit 110, um die Konfiguration von Parametern (zum Beispiel Verzögerungen, Schwellenwerte, Wertebereiche, usw.) für die Auswertung der Signale des Leistungsschalters (das heißt Laststrom, Schaltspannung und/oder Gate-Spannung) und/oder die Synchronisierung der Auswertung zu erlauben. Somit ist das System so konfiguriert, dass es eine erste (statische) Konfiguration der oben genannten Parameter erlaubt, um zum Beispiel die Anforderungen einer bestimmten Anwendung zu erfüllen.
Zudem kann das System auch eine weitere (dynamische) Anpassung der oben genannten Parameter, insbesondere eine dynamische Anpassung der Schwellenwerte und Wertebereiche während des Betriebs des Leistungsschalters 130 erlauben. Dazu kann die Überwachungsstufe 123 weitere Konfigurationsdaten von dem Konfigurationsdatenausgang 112 der Systemsteuereinheit 110 empfangen, zum Beispiel in regelmäßigen oder in unregelmäßigen Abständen.
Die Überwachungsstufe 123 kann die erfassten Signale von dem Leistungsschalter 130 (das heißt Laststrom, Schaltspannung und/oder Gate-Spannung) und/oder das Ergebnis bzw. die Ergebnisse der Auswertung der erfassten Signale des Leistungsschalters 130 über die Lese-/Schreibschnittstelle 124 an den Rückmeldeeingang 113 der Systemsteuereinheit 110 ausgeben. Einerseits erlaubt es diese Rückmeldung von Daten des Schalters, die erfassten Signale des Leistungsschalters (das heißt Laststrom, Schaltspannung und/oder Gate-Spannung) und/oder das Ergebnis bzw. die Ergebnisse der Auswertung der erfassten Signale des Leistungsschalters zu überwachen und/oder zu verarbeiten. Andererseits erlaubt es diese Rückmeldung von Daten des Schalters, die Konfigurationsdaten (für die mittels der Überwachungsstufe 123 durchgeführte Auswertung) auf der Grundlage der Rückmeldedaten des Schalters (das heißt der erfassten Signale des Leistungsschalters und/oder des Ergebnisses bzw. der Ergebnisse der Auswertung der erfassten Signale des Leistungsschalters) zu aktualisieren.
Wenn die mittels der Überwachungsstufe 123 durchgeführte Auswertung eine Störung des Leistungsschalters 130 angibt, kann die Überwachungsstufe 123 ein Fehlersignal an die Ausgangsstufe 122 übertragen, um die Gate-Ansteuerungseinheit 120 zu veranlassen, den Leistungsschalter 130 so zu steuern, dass er in einen definierten Zustand geschaltet wird, zum Beispiel ausgeschaltet wird („lokale Hardware-Ausschaltung“). Außerdem kann die Systemsteuereinheit 110 auch so konfiguriert werden, dass sie eine Störung des Leistungsschalters 130 bestimmt und bei Erkennung einer Störung ein Fehlersignal an die Gate-Ansteuerungseinheit 120 sendet, um die Gate-Ansteuerungseinheit 120 zu veranlassen, den Leistungsschalter 130 so zu steuern, dass er in einen definierten Zustand geschaltet wird, zum Beispiel ausgeschaltet wird („ferne Software-Ausschaltung“).
Beispiele für verschiedene Möglichkeiten der Auswertung der erfassten Signale des Leistungsschalters und deren Synchronisierung mit den PWM-Steuersignalen wurden bereits ausführlich unter Bezugnahme auf 2 bis 5 beschrieben.
Obwohl in diesem Dokument spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben wurden, werden es die Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet würdigen, dass die gezeigten und beschriebenen, spezifischen Ausführungsformen durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen ersetzt werden können, ohne dass von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Diese Anmeldung soll jegliche Adaptionen oder Variationen der in diesem Dokument erörterten, spezifischen Ausführungsformen umfassen. Daher soll die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt werden.

Claims

Gate-Ansteuerungseinheit, die Folgendes aufweist: eine Eingangsstufe (121); eine Ausgangsstufe (122); eine Lese-/Schreibschnittstelle (124); und eine Überwachungsstufe (123); wobei die Eingangsstufe (121) so konfiguriert ist, dass sie Steuersignale von einer externen Systemsteuereinheit (110) empfängt und die Steuersignale an die Ausgangsstufe und an die Überwachungsstufe weiterleitet; die Lese-/Schreibschnittstelle (124) ist so konfiguriert, dass sie Konfigurationsdaten empfängt und die Konfigurationsdaten an die Überwachungsstufe weiterleitet; und die Überwachungsstufe (123) ist so konfiguriert, dass sie Signale eines mit der Gate-Ansteuerungseinheit verbundenen Leistungsschalters (130) erfasst und auswertet und die Auswertung der Signale des Leistungsschalters mit den Steuersignalen synchronisiert, wobei die Lese-/Schreibschnittstelle (124) ferner so konfiguriert ist, dass sie Rückmeldedaten von der Überwachungsstufe (123) an die externe Systemsteuereinheit (110) überträgt, und wobei die Auswertung der Signale und die Synchronisierung der Auswertung auf den Konfigurationsdaten basieren.
Gate-Ansteuerungseinheit nach Anspruch 1, wobei die Lese-/Schreibschnittstelle (124) ferner so konfiguriert ist, dass sie aktualisierte Konfigurationsdaten empfängt und die aktualisierten Konfigurationsdaten an die Überwachungsstufe weiterleitet, die Überwachungsstufe (123) ist ferner so konfiguriert, dass sie weitere Signale des Leistungsschalters erfasst und auswertet und die Auswertung der weiteren Signale des Leistungsschalters mit den Steuersignalen synchronisiert, wobei die Auswertung der weiteren Signale und die Synchronisierung der Auswertung auf den aktualisierten Konfigurationsdaten basieren.
Gate-Ansteuerungseinheit nach Anspruch 1, wobei die Lese-/Schreibschnittstelle (124) ferner so konfiguriert ist, dass sie in regelmäßigen Abständen aktualisierte Konfigurationsdaten empfängt und die jeweiligen aktualisierten Konfigurationsdaten an die Überwachungsstufe weiterleitet; und die Überwachungsstufe ist ferner so konfiguriert, dass sie weitere Signale des Leistungsschalters erfasst und auswertet und die Auswertung der weiteren Signale des Leistungsschalters mit den Steuersignalen synchronisiert, wobei die Auswertung der weiteren Signale und die Synchronisierung der Auswertung auf den jeweiligen aktualisierten Konfigurationsdaten basieren.
Gate-Ansteuerungseinheit nach Anspruch 1, wobei die Konfigurationsdaten eine Verzögerung aufweisen, welche einen Zeitpunkt für die Auswertung der Signale des Leistungsschalters im Verhältnis zu den Steuersignalen angibt.
Gate-Ansteuerungseinheit nach Anspruch 1, wobei die Konfigurationsdaten einen Wertebereich aufweisen und die Auswertung der Signale des Leistungsschalters das Bestimmen umfasst, ob ein zuletzt erfasstes Signal von dem Leistungsschalter innerhalb des Wertebereichs liegt.
Gate-Ansteuerungseinheit nach Anspruch 1, wobei die Überwachungsstufe ferner so konfiguriert ist, dass sie eine Zeitmessung einleitet, wenn sie ein vordefiniertes Steuersignal empfängt, und einen Zeitwert als Reaktion auf ein vordefiniertes Ereignis erfasst.
Verfahren zum Betreiben einer Gate-Ansteuerungseinheit, wobei das Verfahren folgendes umfasst: Empfangen von Steuersignalen an einer Eingangsstufe (121), und Weiterleiten der Steuersignale an eine Ausgangsstufe (122) und eine Überwachungsstufe (123); Empfangen von Konfigurationsdaten an einer Lese-/Schreibschnittstelle (124), und Weiterleiten der Konfigurationsdaten an die Überwachungsstufe, wobei an der Überwachungsstufe (123) Signale eines mit der Gate-Ansteuerungseinheit verbundenen Leistungsschalters (130) erfasst werden, wobei an der Überwachungsstufe (123) die Signale gemäß den Konfigurationsdaten ausgewertet werden; Synchronisieren des Auswertens mit den Steuersignalen gemäß den Konfigurationsdaten; und wobei an der Lese-/Schreibschnittstelle (124) Rückmeldedaten von der Überwachungsstufe an eine externe Systemsteuereinheit übertragen werden.
Gate-Ansteuerungseinheit nach Anspruch 1, die außerdem aufweist: einen Komparator, der so konfiguriert ist, dass er ein auf den Steuersignalen basiertes verstärktes Steuersignal von der Ausgangsstufe empfängt, und bestimmt, ob ein Kennwert des verstärkten Steuersignals innerhalb eines durch zwei Schwellenwerte angegebenen Intervalls liegt, und das Ergebnis der Bestimmung an eine Auswerteeinheit weiterleitet.
Gate-Ansteuerungseinheit nach Anspruch 1, die außerdem aufweist: einen Zeitgeber, der so konfiguriert ist, dass er beim Empfangen der Steuersignale von der Eingangsstufe gestartet wird und dass er Zeitgeberwerte an eine Auswerteeinheit ausgibt; einen Komparator, der so konfiguriert ist, dass er einen Kennwert eines auf den Steuersignalen basierten verstärkten Steuersignals, das von der Ausgangsstufe ausgegeben wurde, mit einem Referenzwert vergleicht und ein Trigger-Signal an die Auswerteeinheit sendet, wenn der Kennwert des verstärkten Steuersignals den Referenzwert erreicht; wobei die Auswerteeinheit so konfiguriert ist, dass sie beim Empfangen des Trigger-Signals einen Zeitgeberwert mit einem Zeitgeber-Schwellenwert vergleicht.