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Elektrische Lasten werden oft gepulst angesteuert. Das veränderbare zeitliche Verhältnis zwischen Stromfluss und ausgeschaltetem Zustand – meist als Pulsweitenmodulation (PWM) bezeichnet – beeinflusst dabei die Zielgröße. Zum Beispiel wird der Zustand eines magnetischen Ventils über den durch die Induktivität fließenden Strom gesteuert, wobei die Pulsweitenmodulation der Beeinflussung des Stromwerts in einem Regelkreis dient. Ähnliches gilt für Schaltregler. Die Helligkeit einer Lampe hängt ebenfalls von ihrem Effektivstrom ab, welcher durch eine Pulsweitenmodulation eingestellt werden kann.
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Die Schaltvorgänge werden meist mittels elektronischer Leistungsschalter wie MOS-FETs oder IGBTs durchgeführt, in denen aufgrund des Stromflusses und ihres Widerstandes Verlustleistung entsteht. Die Verlustleistung im Leistungsschalter bzw. Treiber ist unerwünscht, da sie zur Erhitzung des Bauteils führt und technologisch bedingte Belastungsgrenzen evtl. überschritten werden können. Sie hat zwei wesentliche Komponenten: dem im eingeschalteten Zustand statisch fließenden Strom multipliziert mit dem hierdurch auftretenden Spannungsabfall am Treiber, sowie die Verlustleistung während des Schaltvorgangs.
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Letztere nimmt mit zunehmender Steilheit der Strom- und Spannungsflanken ab. Allerdings können die Flanken nicht beliebig steil eingestellt werden, da dies die unerwünschte elektromagnetische Abstrahlung (EMV) verstärken würde. Insbesondere bei Systemen mit hoher PWM-Taktrate muss bzgl. der Flankensteilheit ein Kompromiss zwischen Verlustleistung und EMV gefunden werden.
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Die physikalischen Eigenschaften des Gehäuses eines Halbleiterbausteins tragen zur Hitzeabführung bei. Je besser der thermische Übergangswiderstand dessen Materials ist, desto mehr Verlustleistung ist innerhalb des Gehäuses möglich. Dies geht jedoch mit höheren Gehäusepreisen sowie höherem Platzbedarf auf der Platine einher.
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Die
DE 10 2011 077 387 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Schalten eines Stromes in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Schaltsignal mit einer einen Halbleiterleistungsschalter ansteuernden Treiberschaltung, wobei die Treiberschaltung eine Steuerspannung an den Halbleiterleistungsschalter anlegt, deren Schaltflanke von der Temperatur des Halbleiterleistungsschalters abhängt. Zur Ausführung ist vorgeschlagen, diese Temperatur über einen Analogdigitalwandler einzulesen und die Werte dann mit den Vorgaben einer Kennlinie zu vergleichen und abhängig davon die Steuerspannung zu beeinflussen. Alternativ kann in einer vereinfachten Variante ein Stellsignal zur Beeinflussung der Steuerspannung mittels einer Komparatorschaltung erzeugt werden. Es ist jedoch nicht angegeben, wie dies im Einzelnen erfolgen soll.
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Die
US 2009/0167413 A1 offenbart eine Schaltung und ein Verfahren zur temperaturabhängigen Einstellung der Steilheit von Ansteuersignalen für Schalt-MOSFETs. Hierbei wird die Temperatur eines die Schalt-MOSFETs enthaltenden Halbleiterbauteils ermittelt und bei Erreichen vorgegebener fester Schwellwerte Flaggensignale erzeugt. Abhängig von diesen Flaggensignalen wird durch Ein- und Ausschalten von Verzögerungsgliedern die Steilheit der Ansteuersignalen beeinflusst. Dies erfordert jedoch bei einer höheren Auflösung der einzustellenden Steilheiten eine hohe Anzahl von Temperaturkomparatoren und Verzögerungsgliedern.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Einstellung der Steilheit einer Schaltflanke eines Steuersignals für einen elektronischen Leistungsschalter abhängig von dessen Umgebungstemperatur anzugeben, die oder das mit einfachen Mitteln zu erreichen ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Einstellung der Steilheit einer Schaltflanke eines Steuersignals für einen elektronischen Leistungsschalter abhängig von dessen Umgebungstemperatur gemäß der unabhängigen Ansprüche 1 und 2.
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Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zur Einstellung der Steilheit einer Schaltflanke eines Steuersignals für einen elektronischen Leistungsschalter abhängig von dessen Umgebungstemperatur gemäß der Ansprüche 6 und 7.
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Demgemäß weist die Vorrichtung einen Komparator mit einem ersten Eingang für ein dem aktuellen Temperaturwert entsprechendes Signal, mit einem zweiten Eingang für ein einen ersten, einer bestimmten Steilheit zugeordneten Temperaturwert repräsentierendes Signal und mit zumindest einem Ausgang, und eine ansteuerbare Treiberschaltung für den Leistungsschalter, die das Steuersignal bereitstellt, wobei der Ausgang des Komparators mit der Treiberschaltung zur Einstellung der Steilheit der Schaltflanke verbunden ist, wobei eine Einstelleinheit vorgesehen ist, die mit dem zweiten Eingang und dem zumindest einen Ausgang des Komparators sowie mit der Treiberschaltung verbunden ist und ausgebildet ist, das den ersten Temperaturwert repräsentierende Signal an den zweiten Eingang des Komparators anzulegen und abhängig von einem Signal am Ausgang des Komparators, das ein Überschreiten dieses Signals durch das den aktuellen Temperaturwert repräsentierende Signal anzeigt, die Amplitude des den ersten Temperaturwert repräsentierenden Signals zu erhöhen und an die Treiberschaltung ein Signal zur Erhöhung der Schaltflankensteilheit anzulegen.
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In einer ersten Ausbildung der Erfindung wird die Steilheit der Schaltflanke nicht nur bei steigenden Temperaturen angepasst sondern auch bei sinkenden Temperaturen, indem entweder ein zweiter, niedrigerer Vergleichstemperaturwert herangezogen wird, der zusammen mit dem ersten Vergleichstemperaturwert erhöht oder verringert wird, je nachdem ob der erste Vergleichstemperaturwert durch die aktuelle Temperatur überschritten oder der zweite Vergleichstemperaturwert durch die aktuelle Temperatur unterschritten wird.
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Alternativ wird in einer zweiten Ausbildung der Erfindung der erste Vergleichstemperaturwert für kurze, jedoch für einen Vergleich ausreichend lange Zeitdauern verringert, um zu überprüfen, ob die Temperatur wieder gesunken ist und bei einem Unterschreiten des verringerten Vergleichstemperaturwerts dieser beibehalten und ausgehend davon eine zyklische Verringerung durchgeführt.
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Durch die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und die erfindungsgemäßen Verfahren wird erreicht, dass unter normalen Temperaturbedingungen – zum Beispiel bei 20°C Umgebungstemperatur – mit möglichst langsam ansteigenden Flanken gearbeitet werden kann, wodurch nur eine geringe Störstrahlung verursacht wird. Steigt oder fällt die gemessene Temperatur, so wird die Flankensteilheit angepasst, um ein weiteres Aufheizen zu verhindern, beziehungsweise um eine Störstrahlung noch weiter zu reduzieren. Diese Vorgabe kann entweder kontinuierlich erfolgen, so dass die Flankensteilheit in einem weiten Bereich quasi übergangslos verstellt wird, oder in diskreten Schritten, wobei zur Konfiguration der Flankensteilheit eine vorgegebene Anzahl von Einstellungsbereichen zur Verfügung steht.
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In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung können Minimal- und Maximalwerte der Flankensteilheit bzw. der korrespondierenden Vergleichstemperaturwerte vorgegeben werden, oberhalb bzw. unterhalb derer die Regelung beziehungsweise die Einstellung selbständig arbeiten kann. So ist es möglich, Erfahrungswerte zur elektromagnetischen Verträglichkeit und Temperaturerhöhung durch Verlustleistung einfließen zu lassen und den Regler in einem erfahrungsgemäß sinnvollen Bereich starten zu lassen.
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Die Erfindung kann besonders vorteilhaft eingesetzt werden, wenn ein bereits existierender Temperatursensor zur Notabschaltung bei Übertemperatur zur Temperaturerfassung herangezogen wird.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher beschrieben werden. Dabei zeigen
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1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 einen zeitlichen Verlauf der Erhöhung und Verringerung eines hohen und eines niederen Vergleichstemperaturwerts abhängig vom Verlauf der aktuellen Temperatur und
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3 einen zeitlichen Verlauf der Erhöhung und Verringerung eines Vergleichstemperaturwerts, dessen Amplitude in vorgegebenen Abständen kurz verringert wird.
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In 1 ist als Beispiel eine an eine Versorgungsspannung UV angeschlossene Last L dargestellt, die eine ohmsche oder eine induktive oder eine sonstige Last sein kann, die mittels eines Halbleiterleistungsschalters LS, der im dargestellten Ausführungsbeispiel als IGBT ausgebildet ist, ein- oder ausgeschaltet werden kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Halbleiterleistungsschalter LS als sogenannter Low-Side-Schalter ausgebildet, da er die mit einem Anschluss mit der Versorgungsspannung UV verbundene Last L gegebenenfalls mit dem Masseanschluss verbindet, er kann jedoch in gleicher Weise als High-Side-Schalter ausgebildet sein, indem er die mit einem Anschluss fest mit dem Masseanschluss verbundene Last L gegebenenfalls mit der Versorgungsspannung UV verbindet. Außerdem wäre es auch möglich, sowohl einen High-Side- als auch einen Low-Side-Schalter zu verwenden.
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Die Ansteuerung des Steueranschlusses des Halbleiterleistungsschalters LS erfolgt in herkömmlicher Weise mittels einer Treiberschaltung TS, die ihrerseits beispielsweise von einem Mikroprozessor μP angesteuert wird. Die Treiberschaltung TS stellt über ein Steuersignal Stsig einen Ein- oder Ausschaltpegel geeigneter Amplitude zur Verfügung. Außerdem weisen die Ein- und Ausschaltsignale eine einstellbare Steilheit ihrer Flanken auf, was in der 1 durch Doppelpfeile angedeutet ist. In erfindungsgemäßer Weise soll diese Flankensteilheit des Steuersignals Stsig abhängig von der Umgebungstemperatur des Halbleiterleistungsschalters LS, die über einen Temperatursensor TES erfasst wird, einstellbar sein.
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Hierzu wird das Ausgangssignal des Temperatursensors TES, der ein bereits existierender, für die Notabschaltung bei Übertemperatur vorgesehener Temperatursensor sein kann, verwendet. Sein Ausgangssignal, das die aktuelle Temperatur des Halbleiterleistungsschalters LS beziehungsweise dessen Umgebung repräsentiert, wird dem ersten Eingang 1 eines Komparators K zugeführt, an dessen zweitem Eingang 2 ein Signal beziehungsweise eine Spannung Ref_T1 anliegt, die einem ersten vorgegebenen Temperaturwert entspricht, dem eine gewünschte Flankensteilheit des Schaltsignals Stsig zugeordnet ist. Die Amplitude dieses Signals beziehungsweise dieser Spannung soll linear oder in Stufen einstellbar sein. Die Ansteuerung beziehungsweise Einstellung erfolgt mittels einer Einstelleinheit EE, die außerdem einerseits mit einem ersten Ausgang 4 des Komparators K und andererseits mit einem Eingang der Treiberschaltung TS verbunden ist.
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Der Komparator K ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Fensterkomparator ausgebildet und weist außerdem einen dritten Eingang 3 und einen zweiten Ausgang 5 auf. Dieser ist ebenfalls mit der Einstelleinheit EE verbunden, während der dritte Eingang 3 mit einem einen zweiten vorgegebenen Temperaturwert Ref_T2 repräsentierenden Signal beaufschlagt ist. Der zweite vorgegebene Temperaturwert Ref_T2 korrespondiert ebenfalls einer bestimmten Flankensteilheit und ist geringer als der erste vorgegebene Temperarturwert Ref_T1. Die diese Temperaturwerte Ref_T1, Ref_T2 repräsentierenden Signale, die an den zweiten bzw. dritten Eingang des Komparators K angelegt werden können, können – wie in der 1 dargestellt – beispielsweise mittels einstellbarer Spannungsquellen erzeugt werden.
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Die Einstelleinheit EE ist ausgebildet, abhängig davon, ob ein Ausgangsignal an einem oder beiden Ausgängen 4, 5 des Komparators K anzeigt, dass der erste vorgegebene Temperaturwert Ref_T1 über- oder der zweite vorgegebene Temperaturwert Ref_T2 unterschritten ist, einerseits die Flankensteilheit des Steuersignals Stsig zu einem größeren oder einem kleineren Wert hin zu verändern und andererseits die vorgegebenen Temperaturwerte Ref_T1, Ref_T2 zu erhöhen oder zu verringern. Hierdurch wird erreicht, dass bei zunehmender Umgebungstemperatur des Halbleiterleistungsschalters LS die Flankensteilheit größer wird, so dass die Verlustleistung geringer wird oder bei abnehmender Umgebungstemperatur des Halbleiterleistungsschalters LS die Flankensteilheit geringer wird, um die elektromagnetische Abstrahlung zu verringern.
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In einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann diese auch dazu benutzt werden, bei Erreichen eines vorgegebenen Temperaturwerts Ref_T1, der einem maximalen Wert entspricht, der eine Übertemperatur anzeigt, über die Treiberschaltung TS den Halbleiterleistungsschalter LS zu deaktivieren.
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In der 2 ist ein erstes Beispiel dargestellt, wie die den ersten und den zweiten vorgegebenen Temperaturwert Ref_T1, Ref_T2 repräsentierenden Signale abhängig vom Verlauf der aktuellen Temperatur aT verändert werden. Die Signale sind zunächst auf einen niedersten Wert eingestellt. Wenn das die aktuellen Temperatur aT repräsentierende Signal das den ersten Temperaturwert Ref_T1 repräsentierende Signal zu einem Zeitpunkt t1 erreicht, werden die beiden Signale um einen bestimmten vorgegebenen Wert erhöht, wobei sowohl der Abstand der Pegel der beiden Signale als auch der Wert der Erhöhung bzw. Verringerung den Umständen, unter denen eine erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Einsatz kommt, ausgewählt werden.
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Eine entsprechende Erhöhung der Signalamplituden erfolgt in gleicher Weise zum Zeitpunkt t2, da das die aktuelle Temperatur aT repräsentierende Signal wiederum das den ersten (erhöhten) Temperaturwert Ref_T1 repräsentierende Signal erreicht. Dies erfolgt noch einige Mal, bis zum Zeitpunkt t3 das die aktuelle Temperatur aT repräsentierende Signal das den zweiten Temperaturwert Ref_T2 repräsentierende Signal unterschreitet, woraufhin die Pegel der beiden Signale abgesenkt bzw. verringert werden. Dies erfolgt ebenfalls zum Zeitpunkt t4 und ein weiteres Mal bis wiederum zum Zeitpunkt t5 das den ersten Temperaturwert Ref_T1 repräsentierende Signal durch das die aktuelle Temperatur aT repräsentierende Signal wieder überschritten wird.
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Zu allen Zeitpunkten, zu denen die die vorgegebenen Temperaturwerte Ref_T1, Ref_T2 repräsentierenden Signale erhöht oder verringert werden, wird in erfindungsgemäßer Weise auch die Steilheit der Schaltflanke für den Halbleiterleistungsschalter LS angepasst. Hierzu kann beispielsweise ein dem jeweiligen Temperaturwert Ref_T1, Ref_T2 korrespondierender Steilheitswert aus einem Kennfeld entnommen werden.
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In der 3 ist eine Variante der Erfindung dargestellt, bei der ausgehend von einem einen ersten Temperaturwerte Ref_T1 repräsentierenden Signal zu bestimmten Zeitpunkten t2', t3', t4', t6', t7' der Pegel dieses Signals um einen bestimmten Betrag abgesenkt wird und überprüft wird, ob der abgesenkte Wert von dem die aktuelle Temperatur aT repräsentierenden Signal gegebenenfalls unterschritten ist, um abhängig davon den Pegel des Signals neu einzustellen und die Schaltflankensteilheit anzupassen.
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So wird in dem dortigen als Beispiel dargestellten Verlauf des die aktuelle Temperatur aT repräsentierenden Signals im Verhältnis zu dem den ersten vorgegebenen Temperaturwert Ref_T1 repräsentierenden Signal zu einem Zeitpunkt t1' dieses Signal das erste Mal überschritten und entsprechend um einen bestimmten Betrag erhöht und auch die Schaltflankensteilheit angepasst (erhöht). Zu den Zeitpunkten t2', t3' und t4' wird das den ersten vorgegebenen Temperaturwert Ref_T1 repräsentierenden Signal für eine kurze Zeitdauer Δt in seiner Amplitude verringert und es wird überprüft, ob das die aktuelle Temperatur aT repräsentierenden Signal dieses verringerten Wert ggf. unterschreitet.
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Zum Zeitpunkt t5' wird jedoch zunächst das bereits erhöhte, den ersten vorgegebenen Temperaturwert Ref_T1 repräsentierende Signal noch einmal überschritten, so dass dessen Amplitude nochmals erhöht wird und ausgehend von diesem erhöhten Wert die kurzen Absenkungen um die Dauer Δt erfolgen. Erst zum Zeitpunkt t6' wird das – zu diesem Zeitpunkt bereits mehrfach erhöhte – den ersten vorgegebenen Temperaturwert Ref_T1 repräsentierende, für eine kurze Zeitdauer Δt abgesenkte Signal durch das die aktuelle Temperatur aT repräsentierenden Signal unterschritten, worauf das den ersten vorgegebenen Temperaturwert Ref_T1 repräsentierende Signal den verringerten Wert annimmt zum Zeitpunkt t7' von diesem aus für eine kurze Zeitdauer Δt eine weitere Verringerung erfolgt. Zum Zeitpunkt t6' wurde außerdem (in der 3 nicht dargestellt) in erfindungsgemäßer Weise die Schaltflankensteilheit angepasst.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren kann auf einfache Weise der Verlauf einer aktuellen Temperatur eines Leistungsschalters oder seiner Umgebung mit einer sich anpassenden Temperaturschwelle verglichen werden und abhängig vom Über- oder Unterschreiten von vorgegebenen, als Schwelle wirkenden Temperaturwerten eine Anpassung der Steilheit eines Steuersignals für den Leistungsschalter vorgenommen werden.
