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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum thermischen Schutz eines Leistungshalbleiters, der bspw. zum Ansteuern eines Elektromotors für zahlreiche Anwendungen dienen kann.
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Stetig steigt die Nachfrage nach Elektronik, die sich in anspruchsvollen Umgebungen wie bspw. unter der Motorhaube oder in rauen industriellen Anwendungen einsetzen lässt. Dadurch wächst ebenso der Bedarf an neuen Materialien und effizienteren Leistungskomponenten. Hochleistungsanwendungen mit hohen Temperaturen können zu potenziell schwerwiegenden Wärmeproblemen führen, wenn Komponenten wie Leistungstransistoren (bspw. Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFETs)), Kondensatoren, Widerstände oder integrierte Schaltungen diesen rauen Bedingungen lange ausgesetzt sind.
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Zur Verbesserung des thermischen Managements wurden Designtechniken zur Verbesserung der Wärmeverteilung sowie Integration neuer Kühlkörpermaterialien vorgeschlagen. Darüber hinaus wurden sekundäre Schutzmaßnahmen vorgeschlagen, um eine thermische Instabilität zu stoppen, die durch das Versagen von Leistungskomponenten oder durch korrosionsbedingte Erwärmung verursacht wurde.
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Häufig wird die Verwendung thermischer Sicherungen bzw. eines thermischen Unterbrechers oder eines Thermoschalters vorgeschlagen. Solche Bausteine bieten umfassende und spezifische Temperatur-Aktivierungsmerkmale sowohl in Wechsel- als auch in Gleichstromanwendungen. Allerdings stellen sie große Herausforderungen an die Leiterplattenmontage. Da bei immer mehr Leiterplatten ausschließlich Komponenten zur Oberflächenmontage eingesetzt werden, kann ein Baustein mit Durchgangsbohrung spezielle Montageverfahren und zusätzliche Kosten und Komplexität bedeuten.
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In der rauen Kraftfahrzeugumgebung sind Leistungshalbleiter, wie bspw. Power-MOSFETs, regelmäßig extremen Temperaturschwankungen und extremer thermo-mechanischer Beanspruchung ausgesetzt. Intermittierende Kurzschlüsse, kalte Betriebsumgebungen, Lichtbögen sowie induktive Lasten und mehrfache Kurzschlüsse können im Laufe der Zeit zu Ermüdungserscheinungen am Bauteil führen, so dass dieses im offenen, kurzgeschlossenen oder resistiven Modus versagt.
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Obwohl Leistungshalbleiter wie MOSFETs zunehmend robuster werden, sind sie anfällig für Ausfälle, die sehr schnell eintreten können, wenn ihre Nennwerte überschritten werden. So erfolgt bspw. bei Überschreiten der maximalen Betriebsspannung ein Lawinendurchbruch (Avalanche Breakdown). Liegt die freigesetzte Energie oberhalb der nominalen Avalanche-Energie, so kann der Baustein beschädigt werden und ausfallen. Leistungshalbleiter im Kraftfahrzeugbereich sind nachweislich anfälliger für Ermüdung und Ausfall als Bauteile, die in weniger anspruchsvollen Anwendungen installiert sind. Nach fünf Jahren Einsatz kann der Unterschied der Ausfallraten größer als ein Faktor von zehn sein. Obwohl ein solcher Baustein anfängliche Tests bestehen kann, ist erwiesen, dass unter bestimmten Bedingungen zufällig darin verteilte Schwachstellen einen Ausfall während des Einsatzes verursachen können.
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Selbst in Situationen, in denen MOSFETs innerhalb der angegebenen Betriebsbedingungen arbeiten, wurden zufällig verteilte und unvorhersehbare resistive Kurzschlüsse bei unterschiedlichen Widerstandswerten beobachtet. Der Ausfall im resistiven Modus ist besonders bedenklich, nicht nur für die MOSFETs, sondern auch für die Leiterplatten. Bereits 10 W können einen lokalen Wärmestau (Hotspot) von mehr als +180°C erzeugen, was deutlich über der typischen Temperaturgrenze von +135°C für eine Leiterplatte liegt. Deren Epoxidstruktur wird dadurch beschädigt und ein thermisches Ereignis tritt ein.
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Lüfter-Module (Cooling Fan Modules (CFMs)) sind wesentliche Elemente in Klimaanlagen und Motorkühlungssystemen von Fahrzeugen. Sie kühlen den Motor ab und verhindern potentielle Überhitzung bei bestimmten Bedingungen, z. B. bei heißem Wetter und Fahrten auf steilen Strecken. CFMs werden in der Regel unter der Motorhaube integriert und sind im Vergleich zu Modulen im Fahrgastraum extremeren Temperaturschwankungen ausgesetzt. Diese thermische Belastung kann die Ermüdung des Power-MOSFETs beschleunigen und zu vorzeitigem Ausfall führen.
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Es besteht somit Bedarf an einem verbesserten thermischen Schutz von Leistungshalbleitern.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Schaltungsanordnung mit verbessertem thermischem Schutz für zumindest einen Leistungshalbleiter bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1.
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Durch Bereitstellen der ersten Stufe mit temperaturabhängiger Widerstandeinrichtung zum Verringern der Steuerspannung des Leistungshalbleiters bei Erreichen einer ersten Schwellwerttemperatur, und der zweiten Stufe mit thermisch gekoppeltem Sicherungselement zum Unterbrechen des Laststroms des Leistungshalbleiters bei Erreichen einer zweiten Schwellwerttemperatur kann ein verbesserter, zweigleisiger Schutz im Steuerkreis und im Lastkreis des Leistungshalbleiters erreicht werden. Bei Erreichen der ersten Schwellwerttemperatur wird die Steuerspannung des Leistungshalbleiters heruntergeregelt, bis die Temperatur unter die erste Schwellwerttemperatur absinkt. Bei Überschreiten der kritischen zweiten Schwellwerttemperatur wird der Laststrom des Leistungshalbleiters durch das Sicherungselement unterbrochen, was zu einer harten Stromabschaltung führt, bevor die Platine durch einen Hotspot beschädigt werden kann.
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Vorzugsweise kann die Schaltungsanordnung eine Platine aufweisen, die zur Aufnahme in einem geschlossenen Gehäuse mit integriertem Kühlkörper und herausgeführten Anschlusskontakten ausgestattet ist. Diese kompakte Ausführung im geschlossenen Gehäuse ermöglicht einen guten Schutz vor Einflüssen in einer rauen Betriebsumgebung, wie bspw. in Kraftfahrzeugen.
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Vorzugsweise kann eine Federeinrichtung zum Pressen des Leistungshalbleiters und/oder der Platine gegen den Kühlkörper vorgesehen sein. Dies führt zu einer Verringerung des thermischen Widerstands zwischen Kühlkörper und Leistungshalbleiter bzw. Platine, so dass die Wärme leichter abgeführt werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Kühlkörper über eine lösbare Rastverbindung mit dem Gehäuse verbunden sein. Dies ermöglicht ein einfaches Öffnen des geschlossenen Gehäuses oder ein Austausch des Kühlkörpers zur Anpassung der Schaltungsanordnung an geänderte Umgebungsbedingungen.
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Vorzugsweise kann die temperaturabhängige Widerstandseinrichtung in einem Spannungsteilerzweig der ersten Stufe angeordnet sein. Dadurch kann die Wirkung einer Widerstandsänderung der temperaturabhängigen Widerstandseinrichtung auf die Steuerspannung des Leistungshalbleiters durch geeignete Dimensionierung des Spannungsteilers eingestellt werden.
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Die temperaturabhängige Widerstandseinrichtung kann vorzugsweise einen Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten aufweisen. Ein solcher Widerstand kann auch durch ein bspw. in der ersten Stufe vorgesehenes Halbleiterbauteil oder eine Halbleiterschaltung mit entsprechender Charakteristik realisiert werden. Durch geeignete Wahl des Temperaturkoeffizienten kann somit eine gewünschte Änderung der Steuerspannung des Leistungshalbleiters erzielt werden.
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Vorzugsweise weist das thermische Sicherungselement zumindest eine Schmelzsicherung auf. Dies ermöglicht ein einfaches Austauschen des thermischen Sicherungselements nach einem Auslösevorgang.
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Schließlich kann der Leistungshalbleiter ein Feldeffekttransistor zum Steuern eines Elektromotors sein. Dies ermöglicht einen verbesserten thermischen Schutz bei der Ansteuerung von Elektromotoren aller Art.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 einen schematischen Schaltplan einer Schaltungsanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Schrägansicht einer mit einem Kühlkörper versehenen, bestückten Platine gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine auseinandergezogene Explosionsansicht einer Schaltungsanordnung mit geschlossenem Gehäuse gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel;
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5A und 5B perspektivische Schrägansichten auf die Schaltungsanordnung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel; und
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6 eine perspektivische Schnittansicht der Schaltungsanordnung mit geschlossenem Gehäuse gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel.
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Es folgt eine Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand einer Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Elektromotors für ein Lüfter Gebläse odgl. in einem Kraftfahrzeug.
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1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei ein Leistungshalbleiter oder ein aus zumindest einem Leistungshalbleiter bestehendes Leistungsschaltmodul 30 durch eine zweistufige thermische Schutzeinrichtung vor thermischer Überlastung geschützt ist.
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Die zweistufige thermische Schutzmaßnahme besteht aus einer ersten Stufe 10 im Steuerkreis des Leistungshalbleiters 30 und dient zum Verringern oder Abschalten eines an einem Steuereingang 110 anliegenden Steuersignals (Steuerspannung oder Steuerstrom) bei Erreichen bzw. Überschreiten einer ersten vorbestimmten Temperatur (z. B. Abschalttemperatur), so dass eine reversible geregelte Abschaltung am Steueranschluss des Leistungshalbleiters 30 erreicht werden kann. Dadurch kann der Leistungshalbleiter vor einer falschen Belastung oder unzureichenden Belüftung geschützt werden.
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Als zweite Stufe 20 für den thermischen Schutz des Leistungshalbleiters 30 dient eine thermische Sicherungseinrichtung, die im Lastkreis des Leistungshalbleiters 130 zwischen einem Betriebsspannungspotential 120 und einem Bezugspotential 130 (z. B. Massepotential) seriell geschaltet ist. Diese zweite Stufe führt zu einer Unterbrechung des Lastkreises im Falle des Erreichens bzw. Überschreitens einer kritischen Temperatur, so dass ein thermisch instabiles Ereignis am Leistungshalbleiter 30 zu einem Durchbruch der thermischen Sicherungseinrichtung der zweiten Stufe 20 führt, bevor sich ein Hotspot bilden kann. Der Leistungshalbleiter 30 wird somit vor einem Durchbruch seiner Laststrecke zwischen seinen beiden Lastanschlüssen im Falle einer Überspannung, einem Kurzschluss, einem blockierenden Motor oder einer Überhitzung geschützt.
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Bei der ersten Stufe 10 kann es sich um eine temperaturabhängige Widerstandseinrichtung handeln, bei der es sich um einen PTC (Positive Temperature Coefficient) Widerstand, einen NTC (Negative Temperature Coefficient) Widerstand, ein Halbleiterbauelement oder eine Halbleiterschaltung mit entsprechender Charakteristik handeln kann. Die thermische Sicherungseinrichtung der zweiten Stufe 20 kann durch eine Schmelzsicherung oder ein entsprechendes Halbleitersicherungungselement mit temperaturabhängiger Unterbrechung realisiert werden.
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2 zeigt einen schematischen Schaltplan einer detaillierten Schaltungsanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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In der Schaltung gemäß 2 handelt es sich bei dem Leistungshalbleiter um einen selbstsperrenden n-Kanal MOSFET-Transistor T1, in dessen Lastkreis eine Schmelzsicherung F1 seriell geschaltet ist und der über diese Schmelzsicherung F1 mit einem Motoranschluss M verbunden ist. Dabei ist die Schmelzsicherung F1 am Drain-Anschluss D des MOSFET-Transistors T1 angeschlossen. Der Source-Anschluss S des MOSFET-Transistors T1 ist mit Massepotential verbunden. Der in 2 nicht gezeigte, durch den MOSFET-Transistor T1 gesteuerte Elektromotor wird zwischen den Anschlüssen M und einem mit Massepotential verbundenen Anschluss G angeschlossen.
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Der MOSFET-Transistor T1 kann ferner über einen Kondensator C1 dynamisch rückgekoppelt und durch antiseriell geschaltete Z-Dioden oder Zener-Dioden V1 und V2 an dessen Gate-Anschluss G vor Überspannungen geschützt sein. Ein Steuereingang I der Schaltungsanordnung zum Steuern des Elektromotors ist über einen PTC-Widerstand R4 und einen aus Widerständen R1 und R2 gebildeten Spannungsteiler mit dem Gate-Anschluss G des MOSFET-Transistors T1 verbunden. Durch geeignete Wahl der beiden Widerstände R1 und R2 des Spannungsteilers kann das Verhältnis des Eingangssignals zum Steuersignal am Gate-Anschluss G des MOSFET-Transistors T1 beeinflusst werden. Mit zunehmender Temperatur steigt der Widerstand des PTC-Widerstands R4 und die durch den Spannungsteiler herunter geteilte Steuerspannung am Gate-Anschluss G des MOSFET-Transistors T1 wird entsprechend verringert. Dadurch kann erreicht werden, dass der Durchgangswiderstand des MOSFET-Transistors T1 im Lastkreis ansteigt und dass die Steuerspannung des MOSFET-Transistors T1 bei Erreichen einer vorbestimmten Temperatur so gering wird, dass der MOSFET-Transistor T1 den Lastkreis schließlich unterbricht. Dies entspricht der Schutzwirkung der ersten Stufe 10 in 1.
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Die Schmelzsicherung F1 im Lastkreis des MOSFET-Transistors T1 entspricht der zweiten Stufe 20 in 1 und führt zu einer Unterbrechung des Lastkreises bei Erreichen einer weiteren (höheren) vorbestimmten Temperatur, um dadurch den MOSFET-Transistor T1 vor einem Durchbruch seiner Drain-Source-Strecke bei Überspannungen, Kurzschlüssen, übermäßiger Belastung oder Überhitzung zu schützen.
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Des Weiteren wird über einen optionalen Rückkopplungsanschluss F ein Rückkopplungssignal über einen Widerstand R3 vom Motoranschluss M bzw. einem Steueranschluss der Schmelzsicherung F1 bereitgestellt.
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Es wird darauf hingewiesen, dass in dem schematischen Schaltplan gemäß 2 nur die für die Erläuterung der Funktionsweise der vorliegenden Erfindung erforderlichen Bauteile dargestellt sind. Weitere Bauteile zur Optimierung der Funktion der Motoransteuerung sind aus Einfachheitsgründen nicht dargestellt.
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3 zeigt eine schematische Ansicht einer Schaltungsplatine 60 mit daran befestigtem Kühlkörper 50 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die Schaltungsplatine 60 ist direkt mit dem Kühlkörper 50 verbunden, um dadurch eine gute Abfuhr der in dem MOSFET-Transistor T1 gemäß 2 gebildeten Wärme sicherzustellen. In 3 sind auch der MOSFET-Transistor T1, die Schmelzsicherung F1 und die herausgeführten Anschlüsse 70 für Masse (G), Steuerspannung (I) zur Steuerung der Motorgeschwindigkeit, Motor (M) und Rückkopplung (F) dargestellt.
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Somit kann ein kompakter Aufbau der Schaltungsanordnung mit guter Wärmeabfuhr und verbessertem thermischen Schutz erreicht werden.
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4 zeigt eine auseinandergezogene Explosionsansicht einer in einem geschlossenen Gehäuse angeordneten Schaltungsanordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
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Dabei entsprechen der Kühlkörper 50, die Schaltungsplatine 60 und die Anschlüsse 70 den entsprechenden Komponenten im dritten Ausführungsbeispiel gemäß 3.
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Die Darstellung in 4 zeigt die einzelnen Komponenten und deren aufeinanderfolgende Anordnung im montierten Zustand. Zusätzlich zu den in 3 gezeigten Komponenten ist noch eine Spiralfeder 80 zur Druckbeaufschlagung der Platine 60 mit dem MOSFET-Transistor T1 gegenüber dem eine Wärmesenke bildenden Kühlkörper 50 vorgesehen.
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Schließlich umfasst die Schaltungsanordnung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel noch ein Gehäuseelement 90 mit einer rastartig lösbaren Fixierung, in die die beiden Seitenkanten des Kühlkörpers 50 nach der Montage lösbar einrasten, so dass sich die Schaltungsplatine 60, die Anschlüsse 70 und die Feder 80 von dem durch den Kühlkörper 50 und das Gehäuseelement 90 gebildeten Gehäuse umschlossen werden. Dadurch lässt sich eine gegen Umwelteinflüsse geschützte Schaltungsanordnung mit verbessertem thermischen Schutz und guter Wärmeableitung realisieren. Zum elektrischen Anschließen der Schaltungsanordnung sind die Anschlüsse 70 durch eine oder mehrere entsprechende Öffnungen an der Unterseite des Gehäuseelements 90 herausgeführt.
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Bei dem Kühlkörper 50 kann es sich um eine linear extrudierte Struktur handeln, die auch von Hand modifiziert sein kann. Die Schaltungsplatine 60 kann mittels Silikontropfen, Klebstoff oder dergleichen fixiert sein, wobei ein guter Wärmeübergang sichergestellt sein muss. Diesbezüglich kann auch eine Wärmeleitpaste verwendet werden. Die Schaltungsplatine 60 kann maschinell oder manuell bestückt werden, wobei bspw. eine Aufschmelzlötung (Reflow-Löten) unter Verwendung von oberflächenmontierten Bauteilen (Surface-Mounted Devices (SMD)) durchgeführt werden kann. Die Anschlüsse 70 können als SMD-Anschlüsse ausgebildet sein.
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Die Spiralfeder kann in Massenproduktion gefertigt und mit einer wärmeleitenden Fixierung versehen sein. Die nach oben stehenden Rasthaken des Gehäuseelements 90 können mit Silikon fixiert sein und das Gehäuseelement 90 kann ein Spritzgussteil sein, wobei die Rasthaken des Rastmechanismus alternativ auch direkt in der Gussform vorgesehen sein können.
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5A und 5B zeigen perspektivische Schrägansichten der montierten Schaltungsanordnung gemäß dem in 4 gezeigten vierten Ausführungsbeispiel bei einer Ansicht von schräg oben und schräg unten. In den Ansichten ist der in das Gehäuseelement 90 eingerastete Kühlkörper 50 dargestellt, wobei in 5A eine in der Unterseite des Gehäuseelements 90 vorgesehene Öffnung für den Zugang zu den Anschlüssen 70 erkennbar ist.
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Schließlich zeigt 6 eine Schnittansicht durch die montierte Schaltungsanordnung gemäß 5A bei einem Schnitt entlang der Linie A-A'.
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In der Schnittdarstellung gemäß 6 ist der montierte Zustand der in 4 gezeigten Einzelkomponenten gezeigt, wobei die Platine mit dem MOSFET-Transistor T1 und der Schmelzsicherung F1 mittels der Spiralfeder 80 gegen den Kühlkörper 50 gepresst wird, um dadurch eine gute Wärmekopplung zu erreichen. Die Schmelzsicherung F1 weist vorzugsweise ebenfalls eine gute Wärmekopplung mit dem MOSFET-Transistor T1 auf, so dass eine Überhitzung des MOSFET-Transistors T1 zuverlässig vermieden werden kann. Des Weiteren sind in 6 die auf der Platine 60 fixierten bzw. gelöteten Anschlüsse 70 und deren Herausführung aus dem Gehäuseelement 90 gezeigt.
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Die gekapselte Ausführungsform gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel ist somit gut gegen Umgebungseinflüsse in rauen Anwendungsbereichen wie bspw. im Bereich von Kraftfahrzeugen geeignet.
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Abschließend wird angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern im Rahmen des Umfangs der beigefügten Patentansprüche abgewandelt werden kann. Wie bereits erwähnt kann es sich bei den elektrischen Bauteilen der Platine um SMD-Bauteile handeln, die automatisiert aufgebracht werden können. Der MOSFET-Transistor kann ein zum Einsatz im Fahrzeugbereich geeigneter Hochleistungs-MOSFET mit entsprechendem Gehäuse wie bspw. D2PAK oder dergleichen sein. Selbstverständlich sind auch andere Leistungshalbleiter und auch Kombinationen von FET-Transistoren und bipolaren Transistoren als Leistungshalbleiter denkbar. Die thermische Sicherung kann eine SMD-Sicherung zur Oberflächenmontage im Reflow-Verfahren sein. Bei dem thermischen Widerstand kann es sich um einen PTC- oder NTC-Widerstand, ein Halbleiterbauteil oder einen SMD-Chip zur reversiblen Gate-Abschaltung des Leistungshalbleiters handeln. Die Schaltungsplatine kann ein IMS (Insulated Metal Substrat) mit optimierter Materialkonfiguration zur Verbesserung des thermischen Verhaltens sein, so dass eine optimierte Temperaturkoppelung erreicht werden kann. Zwischen der Platine und dem Kühlkörper kann ein guter Wärmetransfer durch Wärmeleitpaste, Bonding, oder thermische Kontaktpunkte bzw. Kontaktbereiche erreicht werden. Der Leistungshalbleiter (z. B. MOSFET-Transistor T1) kann mittels eines Federmechanismus auf der Platine fixiert werden, um dadurch eine gute Wärmeleitung zwischen dem Leistungshalbleiter und der Platine bzw. dem Kühlkörper zu erreichen. Die Spiralfeder kann durch jeden anderen alternativen Feder- bzw. Druckbeaufschlagungsmechanismus ersetzt werden. Die Kühlrippen des Kühlkörpers können eine zur Kühlung optimierte Form aufweisen.
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Zusammenfassend wurde eine Schaltungsanordnung zum thermischen Schutz eines Leistungshalbleiters beschrieben, wobei ein zweistufiger thermischer Schutz im Steuerkreis und im Lastkreis des Leistungshalbleiters vorgesehen ist. Eine erste Stufe 10 mit temperaturabhängiger Widerstandseinrichtung dient zur Verringerung oder Abschaltung der Steuerspannung des Leistungshalbleiters 30, wenn eine erste Schwellwerttemperatur an der temperaturabhängigen Widerstandseinrichtung erreicht ist. Des Weiteren wird im Lastkreis des Leistungshalbleiters 30 eine zweite Stufe 20 mit einem mit dem Leistungshalbleiter 30 thermisch gekoppelten Sicherungselement eingesetzt, zum Unterbrechen eines Laststroms des Leistungshalbleiters, wenn eine zweite Schwellwerttemperatur an dem Sicherungselement erreicht ist. Dabei bildet die erste Stufe einen aktiven Temperaturschutz des Leistungshalbleiters 30 zur Vermeidung einer Beschädigung, und die zweite Stufe einen Temperaturschutz im Falle eines Fehlverhaltens des Leistungshalbleiters 30.
