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Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Halbleiterschaltungen und -verfahren, insbesondere auf eine Anordnung und ein Verfahren für eine Treiberschaltung.
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In elektronischen Systemen, wie zum Beispiel Netzteilen, Motorsteuerungen und Stromverteilungsnetzen, werden Hochspannungs-Leistungstransistoren in Hochstrompfaden eingesetzt, um Ströme zu schalten. Neueste Verbesserungen in der Halbleiterbauelement-Technologie haben Hochleistungstransistoren ermöglicht, welche schneller schalten und während des Betriebs weniger Energie verbrauchen. Zwei bekannte Leistungstransistor-Typen sind der Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (englisch metal-oxide semiconductor field-effect transistor, MOSFET) und der Bipolar-Transistor mit isolierter Gate-Elektrode (englisch insulated-gate bipolar transistor, IGBT). Beide Transistortypen können derart hergestellt werden, dass sie große Ströme bewältigen können, es ist jedoch beim Betrieb der Transistoren darauf zu achten, dass eine Zerstörung des Bauteils während des normalen Betriebs und während einer elektrostatischen Entladung (englisch electrostatic discharge, ESD) vermieden wird. Leistungs-MOSFETs und -IGBTs als solche werden im Allgemeinen mittels spezieller Gate-Treiberschaltungen angesteuert, welche die Gate-Spannung des MOSFETs oder IGBTs steuern, um eine Überspannung des Gates und/oder einen Latch-up des Bauteils zu vermeiden.
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In Applikationen mit sehr hohen Leistungen, wie zum Beispiel solchen, wie sie in Hybridfahrzeugen und Elektrofahrzeugen Verwendung finden, kann eine zusätzliche Gate-Erhöhungsstufe zwischen einer Gate-Treiberschaltung und dem Leistungstransistor angeordnet sein, um genug Energie bereitzustellen, um die Eingangskapazität des Schalters schnell anzusteuern. In manchen Fällen kann die Erhöhungsstufe etwa 10 A bereitstellen, um ein entsprechendes Schaltelement derart anzusteuern, dass es 500 A oder mehr bewältigen kann. Da Hybrid- und Elektrofahrzeuge sehr hohe Sicherheitsstandards haben, werden häufig Bauelementschutz, Fehlererkennung und redundante Schaltungen vorgesehen, um eine Zerstörung der Anordnung zu verhindern und eine sichere und verlässliche Funktion in einer Vielzahl verschiedener Umgebungen zu gewährleisten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Gate-Treiberschaltung, eine verbesserte Gate-Treiberschaltung und eine verbesserte Schaltungsanordnung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, eine Gate-Treiberschaltung gemäß Anspruch 12 und eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 21 gelöst.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Betrieb einer Gate-Treiberschaltung das Überwachen einer Signalintegrität an einem Ausgang der Gate-Treiberschaltung. Wenn die auf der Überwachung basierende Signalintegrität schlecht ist, wird der Ausgang der Gate-Treiberschaltung in einen hochohmigen Zustand versetzt und ein Signalintegrität-Fehlersignal wird ausgegeben.
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Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung und dessen Vorteile wird nun auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in welchen:
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1, welche die 1a–1c umfasst, herkömmliche Gate-Treiber-Topologien darstellt;
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2 eine Ausführungsform einer Halbbrückentopologie darstellt, welche einen Low-Side-Schalter und einen High-Side-Schalter umfasst;
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3 eine Ausführungsform einer Gate-Treiberschaltung darstellt;
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4 ein Blockdiagramm einer integrierten Schaltung mit einem Gate-Treiber darstellt; und
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5 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt.
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Entsprechende Zahlen und Symbole in unterschiedlichen Figuren beziehen sich im Allgemeinen auf einander entsprechende Teile, sofern nichts anderes angegeben ist. Die Figuren dienen dazu, die relevanten Aspekte der bevorzugten Ausführungsformen zu veranschaulichen und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Um bestimmte Ausführungsformen besser darzustellen, kann auf eine Figurenzahl ein Buchstabe zur Angabe von Variationen derselben Struktur, desselben Materials oder desselben Prozessschritts folgen. Merkmale die unter Bezug auf eine Ausführungsform beschrieben werden, können mit Merkmalen kombiniert werden, welche in anderen Ausführungsformen beschrieben sind, sofern nichts anderes angegeben ist.
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Die Herstellung und Anwendung der hierin bevorzugten Ausführungsformen ist nachstehend im Detail erläutert. Es gilt jedoch anzumerken, dass die vorliegende Erfindung zahlreiche anwendbare erfinderische Konzepte bereitstellt, die in unterschiedlichsten spezifischen Kontexten umgesetzt werden können. Die dargelegten spezifischen Ausführungsformen dienen lediglich der Veranschaulichung von bestimmten Möglichkeiten der Herstellung und Anwendung der Erfindung und nicht zur Einschränkung des Schutzumfangs.
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Nachstehend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen in einem spezifischen Kontext beschrieben, nämlich in Verbindung mit einer Schalter-Treiberschaltung. Die Erfindung kann jedoch auch für andere Schaltungen, Systeme und Verfahren verwendet werden, die auf Signalerzeugung und/oder -Kalibrierung ausgerichtet sind.
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Elektronische Leistungsschalter, wie zum Beispiel solche, in denen MOSFET- und IGBT-Leistungstransistoren zur Anwendung kommen, werden in zahlreichen Anwendungen eingesetzt, bei denen elektrische Verbraucher, wie zum Beispiel Wechselstrommotoren, Energieversorgungen und andere Schaltungen, betrieben werden. Die Schalter können durch Impulsmuster gesteuert werden, die von einer Schaltsteuereinheit, wie zum Beispiel einem Mikrokontroller oder anderen elektronischen Bauteilen, erzeugt werden. Wie oben bereits ausgeführt, werden in Applikationen, in welchen sehr hohe Energien auftreten, relativ große Gate-Ströme verwendet, um solche Schalter zu treiben. Beispielsweise kann das Gate einen Strom in einem Bereich von weniger als 1 A bis zu mehr als 10 A oder noch mehr erfordern, abhängig von dem speziellen Typ des in der speziellen Applikation verwendeten Schalttransistors. In Fällen, in welchen ein einzelner Gate-Treiber-Baustein nicht in der Lage ist, den von einem speziellen Schalter erforderten Gate-Strom bereit zu stellen, kann eine externe Booster-Schaltung verwendet werden, um die Gate-Treiber-Kontrollsignale zu verstärken und an die Charakteristik der Leistungsschalter anzupassen.
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Ein Beispiel einer solchen Anordnung mit einer externen Booster-Schaltung ist in 1a dargestellt, welche eine Gate-Treiberanordnung 100 zeigt. Ein Standard-Gate-Treiber 102 ist über die Bipolar-Transistoren (englisch bipolar junction transistors, BJTs) 108 und 110 mit dem Leistungstransistor 112 verbunden. Zwei Steuerausgangstreiber 104 und 106 steuern die Ausgänge TON und TOFF an, um die entsprechenden Bipolar-Transistoren 108 und 110 unabhängig voneinander zu betreiben. Die Widerstände Ron und Roff können ebenfalls umfasst sein, um unabhängig voneinander den Treiberstrom zum Ein- und Ausschalten des Leistungstransistors 112 zu begrenzen und/oder um die Form des Gate-Treibersignals Igate zu verändern. Alternativ kann eine integrierte Booster-Anordnung 114 anstatt den diskreten Bipolar-Transistoren verwendet werden, um den Leistungstransistor 112 anzusteuern, wie in Bezug auf die Gate-Treiberanordnung 150 in 1b dargestellt. Hierin sind einige oder alle der Komponenten, welche benötigt werden um den Leistungstransistor 112 anzusteuern, in dem integrierten Booster 114 integriert.
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1c zeigt eine Anordnung 200 für eine herkömmliche Halbbrücken-Topologie, in welcher der High-Side-Schalter 220 von einem Gate-Treiber 206 und einem Booster 212 angesteuert wird, und der Low-Side-Schalter 222 von dem Gate-Treiber 207 und dem Booster 213 angesteuert wird. Die Booster-Anordnungen 212 und 213 können unter Verwendung diskreter Bauteile oder unter Verwendung einer integrierten Booster-Schaltung, wie sie oben mit Bezug auf die 1a und 1b beschrieben wurde, implementiert werden. Der System-Steuerblock 202 umfasst die primärseitige Treiberstromversorgung 230, die eine primärseitige Versorgungsspannung VDD für die Gate-Treiber 206 und 207 bereitstellt, und die Schaltsteuereinheit 204, welche pulsweitenmodulierte (PWM-modulierte) Signale PWM_HS und PWM_LS für den entsprechenden High-Side-Gate-Treiber 206 und Low-Side-Gate-Treiber 207 bereitstellt. Die High-Side-Treiberversorgung 216 stellt eine sekundärseitige Versorgungsspannung VCC_HS für den High-Side-Gate-Treiber 206 und die High-Side-Booster-Schaltung 212 zur Verfügung und die Low-Side-Treiberversorgung 218 stellt eine sekundärseitige Versorgungsspannung VCC_LS für den Low-Side-Gatetreiber 207 und die Low-Side-Booster-Schaltung 213 zur Verfügung.
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Jeder der Gate-Treiber 206 umfasst eine Eingangsstufe 208 und einen Ausgangstreiber 210. Eingangsbereiche der Eingangsstufe 208 arbeiten mit der primärseitigen Stromversorgung VDD und Ausgangsbereiche der Eingangsstufe 208 und der Ausgangstreiber 210 sind mit der sekundärseitigen Stromversorgung VCC_HS oder VCC_LS verbunden. In vielen Fällen sind Schaltungsteile die mit der primärseitigen Stromversorgung VDD verbunden sind galvanisch von Schaltungsteilen isoliert, welche mit der sekundärseitigen Stromversorgung VCC_HS oder VCC_LS verbunden sind. In einigen Ausführungsformen kann die Eingangsstufe 208 den Zustand der primärseitigen Stromversorgung VDD überwachen und ein Signal P_ERROR ausgeben, wenn es zu einem Abbruch der Kommunikation mit dem System-Steuerblock 202 und/oder zu einem Ausfall der primärseitigen Stromversorgung VDD kommt. Die Eingangsstufe 208 kann auch die Statussignale STATUS_HS oder STATUS_LS erzeugen, um den System-Steuerblock 202 über den Status der Zustände zu informieren, wie zum Beispiel Übertemperatur, Überlast des Leistungsschalters, etc.
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Die Eingangsstufe 208 verarbeitet die Logiksignale, welche von der System-Steuereinheit bereitgestellt werden, wie zum Beispiel Konfigurationssignale, Statussignale, PWM-Signale zur Schaltungssteuerung, etc. Auf der anderen Seite stellt der Ausgangstreiber 210 die Kontrollsignale für die Booster-Schaltung bereit, um die Leistungsschalter 220 oder 222 korrekt anzusteuern.
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Um die Sicherheitsanforderungen, wie zum Beispiel den sogenannten Automotive Safety Integrity Level (ASIL), zu erfüllen, können zertifizierte Systeme dazu ausgebildet sein, Probleme im System zu detektieren sobald diese auftreten und das System und seine Komponenten gegen Selbstzerstörung zu schützen. Die Überwachungsschaltung 214 kann als solche dazu verwendet werden, eine sicherheitsbasierte Überwachung und eine Systemsteuerung in Bezug auf die Aufrechterhaltung eines sicheren Betriebs bereitzustellen. Wie dargestellt, ist die Überwachungsschaltung 214 in demselben Strombereich wie die Leistungsschalter 220 und 222 angeordnet. Die Überwachungsschaltung 214 kann eine Rückmeldung der Bauteile überwachen und/oder Systemparameter, wie beispielsweise Temperatur oder Laststrom, direkt messen. Zusätzlich kann die Überwachungsschaltung 214 dazu ausgebildet sein, den Ausgangstreiber 210 dazu zu bringen, einen bekannten Status auszugeben, wenn das Signal P_ERROR anzeigt, dass ein Verlust der primärseitigen Stromversorgung VDD oder ein Kommunikationsverlust mit dem System-Steuerblock 202 aufgrund eines Verlustes der primärseitigen Stromversorgung VDD oder aufgrund einer schlechten Verbindung stattgefunden hat.
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In der in 1c dargestellten Anordnung 200 hat die Überwachungsschaltung 214 die Fähigkeit, den Ausgangstreiber 210 der Gate-Treiber 206 und 207 in einen bekannten Zustand oder in ein bekanntes Muster zu zwingen. Zum Beispiel kann die Überwachungsschaltung 214 den Ausgang der Gate-Treiber 206 und 207 nach unten zwingen, wenn ein Verlust der primärseitigen Stromversorgung VDD erkannt wird, so dass der High-Side-Schalter 220 ausgeschaltet und der Low-Side-Schalter 222 eingeschaltet wird.
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2 zeigt eine Ausführungsform einer Halbbrücken-Topologie 300, in welcher der High-Side-Schalter 220 von dem Gate-Treiber 306 und dem Booster 312 angesteuert und der Low-Side-Schalter 222 von dem Gate-Treiber 307 und dem Booster 313 angesteuert wird. Jeder der Gate-Treiber 306 und 306 ist dazu ausgebildet, die Signalintegrität der jeweiligen Ausgangstreibersignale OUT_HS und OUT_LS zu überwachen, um beschädigte Signale zu erkennen, die durch Korrosion, schlechte Lötverbindungen oder ein kleines Metallstück, welches die physikalischen Verbindungen zwischen dem Gate-Treiber 306 und dem Booster 312 und zwischen dem Gate-Treiber 307 und dem Booster 313 beeinflussen kann, hervorgerufen werden können. Gemäß einer Ausführungsform werden, wenn der Gate-Treiber 306 oder 307 einen Verlust der Signalintegrität detektiert, die Ausgangsknoten der Ausgangstreiber 310 in einen hochohmigen Zustand versetzt und ein Fehlersignal I_ERROR_HS und/oder I_ERROR_LS wird ausgegeben. Wenn die Überwachungsschaltung 314 eines oder beide dieser Fehlersignale empfängt, gibt sie die Signale OVR_HS und OVR_LS aus, welche die Booster 312 und 313 in einen bekannten Ausgangszustand versetzen. Zum Beispiel können die Ausgänge der Booster 312 und 313 niedrig angesteuert werden, um die Ausgangsschalter 220 und 222 auszuschalten, wenn ein Ausfall der Signalintegrität am Ausgang entweder des Gate-Treibers 206 oder des Gate-Treibers 307 detektiert wird. In alternativen Ausführungsformen können die Ausgangstreiber 310 in einen hochohmigen Zustand versetzt werden, zum Beispiel indem der Einschalt-Pfad mittels des Signals OUT_HS blockiert wird.
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Die Booster-Bausteine 312 und 313 können unter Verwendung diskreter Bausteine oder einer integrierten Booster-Schaltung, wie oben mit Bezug auf die 1a und 1b beschrieben, implementiert sein. Die High-Side-Treiber-Versorgung 216 stellt eine sekundärseitige Versorgungsspannung VCC_HS für den High-Side-Gate-Treiber 306 und die High-Side-Booster-Schaltung 312 zur Verfügung und die Low-Side-Treiber-Versorgung 218 stellt eine sekundärseitige Versorgungsspannung VCC_LS für den Low-Side-Gate-Treiber 307 und die Low-Side-Booster-Schaltung 313 zur Verfügung.
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Jeder der Gate-Treiber 306 und 307 umfasst eine Eingangsstufe 308 und einen Ausgangstreiber 310. Der Ausgang jedes Gate-Treibers 306 und 307 kann, wie gezeigt, ein einzelnes Treibersignal bereitstellen oder kann eine Vielzahl von Treibersignalen, wie zum Beispiel TON und TOFF, wie in den 1a bis 1b dargestellt, umfassen. Ähnlich wie der in 1c dargestellte Gate-Treiber, arbeiten Eingangsbereiche der Eingangsstufe 308 mit der primärseitigen Stromversorgung VDD und Ausgangsbereiche der Eingangsstufe 208 sowie der Ausgangstreiber 210 sind mit der sekundärseitigen Stromversorgung VCC_HS oder VCC_LS verbunden. Schaltungsteile die mit der primärseitigen Stromversorgung VDD verbunden sind, können galvanisch von Schaltungsteilen isoliert sein, welche mit der sekundärseitigen Stromversorgung VCC_HS oder VCC_LS verbunden sind.
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Die Eingangsstufe 308 kann den Zustand der primärseitigen Stromversorgung VDD überwachen und ein Signal P_ERROR ausgeben, wenn ein Ausfall der Kommunikation mit dem System-Steuerblock 202 und/oder ein Verlust der primärseitigen Stromversorgung VDD auftritt. Weiterhin messen und überwachen die Gate-Treiber 306 und 207 die Signalintegrität des Ausgangs (OUT_HS oder OUT_LS) des Ausgangstreibers 310. In einigen Ausführungsformen können Messungen der Signalintegrität durch Überwachung einer Leitungsimpedanz erfolgen. Eine Möglichkeit um eine solche Messung der Leitungsimpedanz durchzuführen ist zu ermitteln, ob sich die Spannung an OUT_HS oder OUT_LS innerhalb eines bestimmten Spannungsbereiches befindet. Wenn zum Beispiel ein Kurzschluss mit einem anderen Signal zwischen dem Gate-Treiber-Ausgang OUT_HS oder OUT_LS und der Booster-Anordnung auftritt, welcher stärker ist als die normale Last oder Eingangsimpedanz der Booster-Schaltungen 312 oder 313, kann an den Ausgängen OUT_HS oder OUT_LS ein unerwartet hoher Strom auftreten. In einigen Ausführungsformen kann die Detektion eines hohen Ausgangsstroms ebenfalls als ein Fehler-Kriterium verwendet werden.
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In dem Fall, in dem eine unerwartete Impedanz detektiert wird (zum Beispiel aufgrund eines Kurzschlusses eines Gate-Treiber-Steuerausgangs TON oder TOFF) werden die Gate-Treiber-Steuerausgänge OUT_HS oder OUT_LS in einen Zustand versetzt, in welchem die Kontrolle der Booster-Schaltung 312 oder 313 nicht durch die Gate-Treiber 306 oder 307 erfolgt. Beispielsweise können die Ausgänge der Gate-Treiber 306 und/oder 307 in einen Tri-State-Modus oder in einen hochohmigen Zustand gehen. Die Gate-Treiber 306 und 307 als solche können an ihren jeweiligen durch OUT_HS und OUT_LS repräsentierten Ausgängen gegen Kurzschluss-Zustände geschützt werden.
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In einigen Ausführungsformen können die Booster-Schaltungen 312 und 313 die intrinsische Fähigkeit haben, in einen sicheren Zustand zu gehen, ohne die Steuerausgänge der Gate-Treiber zu benötigen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass Pull-Up oder Pull-Down-Bauteile an ihren Steuereingängen als Schutz gegen offene Verbindungen mit den Gate-Treiber-Steuerausgängen vorgesehen werden. Alternativ können die Booster-Schaltungen 312 und 313 einen alternativen Steuerpfad aufweisen, durch welchen die Überwachungsschaltung 314 ihre Ausgangszustände überwachen kann. In einer Ausführungsform kann zum Beispiel der Gate-Treiber 306 oder 307 die Überwachungsschaltung 314 mittels der Signale I_ERROR_HS oder I_ERROR_LS darüber informieren, dass ein Problem an seinen Steuerausgängen detektiert wurde, und dass die Gate-Treiber 306 und 307 aufgehört haben, ihre entsprechenden Booster-Schaltungen 312 oder 313 anzusteuern. Diese Information kann dann von der Überwachungsschaltung 314 dazu verwendet werden, die Kontrolle über die Booster-Schaltungen 312 und/oder 313 über den alternativen Steuerpfad OVR_HS und/oder OVR_LS zu übernehmen.
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In einigen Ausführungsformen kann die Überwachungsschaltung 314 dazu ausgebildet sein, den Ausgang eines oder beider Booster 312 und/oder 313 zu treiben, wenn ein Fehler in einem Gate-Treiber 306 oder 307 detektiert wird. Zum Beispiel kann die Überwachungsschaltung 314 beide Booster 312 und 313 in einen bekannten Zustand zwingen, wenn nur der Gate-Treiber 306 oder nur der Gate-Treiber 307 einen Ausfall der Signalintegrität anzeigt. Alternativ kann die Überwachungsschaltung 314 dazu ausgebildet sein, nur den Booster 312 in einen bekannten Zustand zu zwingen, wenn der Gate-Treiber 306 einen Ausfall der Signalintegrität an seinem Ausgang detektiert, und nur den Booster 313 in einen bekannten Zustand zu zwingen, wenn der Gate-Treiber 307 einen Ausfall der Signalintegrität an seinem Ausgang detektiert.
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Weiterhin kann eine Information über einen detektierten Ausfall der Signalintegrität auch dafür verwendet werden, den Betriebsmodus der Anordnung durch die Systemsteuereinheit 202 und/oder die Überwachungsschaltung 314 zu ändern. In einer solchen Ausführungsform kann ein detektierter Ausfall der Signalintegrität dem System-Steuerblock 202 über Statusbusse, STATUS_HS und/oder STATUS_LS angezeigt werden. In einigen Ausführungsformen können spezielle System-Betriebsmodi basierend auf dem detektierten Fehler verboten sein. Zum Beispiel kann, wenn ein Kurzschluss zwischen einem Gate-Treiber und einem Gate-Booster einen Low-Side-Gate-Treiber eines Stromrichters permanent ausschaltet, verhindert werden, dass der zugehörige Gate-Treiber für einen aktiven Kurzschlussmodus verwendet wird. Ein aktiver Kurzschlussmodus kann beispielsweise in einem Drei-Phasen-Stromrichter verwendet werden, in welchem alle drei Low-Side-Schalter oder alle drei High-Side-Schalter eingeschaltet sind, um dem Wechselrichter einen Null-Vektor aufzuzwingen, wodurch der Wechselrichter vor einem Überspannungszustand im Falle eines freilaufenden Motors oder wenn ein Gate-Treiber ausfällt geschützt wird.
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In einigen Ausführungsformen können die Schalttransistoren 220 und 222 zwischen etwa 100 A und etwa 900 A Strom leiten, mit einem korrespondierenden Gate-Treiberstrom zwischen etwa 1 A und etwa 10 A. Alternativ können auch Ströme außerhalb dieser Bereiche geführt werden. In Ausführungsformen mit höheren Strömen, wie solche in denen die Schalttransistoren 220 und 222 etwa 900 A Strom leiten, können die PWM-Eingangssignale PWM_HS und PWM_LS bei Frequenzen zwischen etwa 3 kHz und etwa 5 kHz arbeiten. In Ausführungsformen mit moderaten Strömen, in welchen die Schalttransistoren 220 und 222 etwa 100 A Strom leiten, können die PWM-Eingangssignale PWM_HS und PWM_LS bei Frequenzen zwischen etwa 20 kHz und etwa 30 kHz arbeiten. In alternativen Ausführungsformen können andere Frequenzbereiche verwendet werden, abhängig von dem speziellen System und seinen Spezifikationen.
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3 zeigt eine Schaltungsanordnung 400, welche eine Ausführungsform eines Gate-Treibers 402 verwendet, der über die diskreten Bipolar-Transistoren 108 und 110 mit dem Leistungstransistor 112 verbunden ist. Wie dargestellt ist, treibt der Steuerausgangstreiber 412 den Ausgangs-Pin TON und der Impedanz-Überwacher 410 überwacht die Impedanz des Ausgangs-Pins TON. Auf ähnliche Weise treibt der Steuerausgangstreiber 416 den Ausgangs-Pin TOFF und die Impedanz-Überwachung 414 überwacht die Impedanz des Ausgangs-Pins TOFF. Die Steuerausgangstreiber 412 und 416 können beispielsweise unter Verwendung konventioneller Ausgangstreiber-Schaltungen, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, implementiert sein. Die Impedanz-Überwachungen 410 und 414 können beispielsweise mittels Überwachung der Spannung und des Stromes an den Ausgangs-Pins TON und TOFF implementiert sein. Wenn die Impedanz-Überwachung 410 oder 414 ein Problem mit der Impedanz auf den Leitungen TON oder TOFF detektiert, treiben die Steuerausgangstreiber 412 und 416 TON und TOFF in einen hochohmigen Zustand oder einen Tri-State-Zustand und ein Fehlersignal wird am Ausgangssignal ERROR ausgegeben.
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4 zeigt eine Ausführungsform einer integrierten Gate-Treiber-Schaltung 500 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die integrierte Schaltung 500 umfasst eine digitale Schnittstelle 504, einen Isolationsblock 506, einen Isolations-/Pre-Treiberbaustein, Ausgangstreiber 510 und 512, eine Impedanz-Überwachung 514, einen Temperatur- und Überlast-Block 524 und einen Konfigurationsblock 526. Die digitale Schnittstelle 504 empfängt ein Eingangssignal am Pin IN, welches ein pulsweitenmoduliertes Signal sein kann. Die digitale Schnittstelle 504 kann weiterhin die primärseitigen Versorgungspins VDD und VSS auf einen Fehlerzustand hin überwachen, in welchem Fall ein Fehlersignal am Pin P_ERROR ausgegeben wird. Basierend auf dem Eingangssignal am Pin IN generiert die digitale Schnittstelle 504 Kontrollsignale für die Isolations-/Pre-Treiberschaltungen 506 und 508, welche eine galvanische Isolation zwischen Schaltungsteilen, die mit den primärseitigen Stromversorgungs-Pins VDD und VSS verbunden sind, und Schaltungsteilen, welche mit den sekundärseitigen Stromversorgungs-Pins VCC2, VGND2 und VEE2 verbunden sind, bereitstellen. Der Isolationsblock 506 stellt eine isolierte Schnittstelle für die digitalen Steuer- und Statusinformationen zu und von dem Temperatur- und Überlast-Detektor 524, der Impedanz-Überwachung 514 und den Ausgangstreibern 510 und 512 zur Verfügung. Die Isolations-/Pre-Treiber-Schaltung 508 umfasst die erforderlichen Treiber und/oder Pegelwandler (engl.: level shifter), welche dazu verwendet werden Signale aufzubereiten, um die Ausgangstreiber 510 und 512 zu aktivieren, welche die Ausgangs-Pins TON und TOFF treiben. In einigen Ausführungsformen stellen die Ausgangstreiber 510 und 512 Statusinformationssignale STATUS_O und STATUS_L der digitalen Schnittstelle 504 über den Isolationsblock 506, auf welchen über einen Interface-Bus (nicht dargestellt) zugegriffen werden kann oder welcher dafür verwendet werden kann, das Verhalten der integrierten Schaltung 500 anzupassen, zur Verfügung.
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Die Impedanz-Überwachung 514 überwacht die Signalintegrität der Pins TON und TOFF indem sie den Strom und die Spannungen an diesen Pins überwacht. Der Strom an den Pins TON und TOFF kann überwacht werden, indem eine Spannung über die entsprechenden in Reihe geschalteten Widerstände 520 und 522 gemessen und mit einem Satz vorgegebener Grenzen für eine bestimmte an den Pins TON und TOFF gemessene Spannung verglichen wird. In einer Ausführungsform kann es beispielsweise mehrere Spannungsbereiche der Pins TON und TOFF geben, für welche es einen Bereich erlaubter Ströme gibt. Es kann ebenfalls andere Bereiche von TON und TOFF geben, für welche ein Strom nahe 0 A erwartet wird. Wenn die von der Impedanz-Überwachung 514 gemachten Messungen außerhalb ihrer erwarteten Bereiche liegen, wird ein Fehlersignal am Pin I_ERROR angelegt und die Ausgangstreiber 510 und 512 werden über ein Signal Z_ERROR in einen hochohmigen Ausgangsmodus (Tri-State) gebracht. In einigen Ausführungsformen zeigt die Impedanz-Überwachung 514 der digitalen Schnittstelle 504 über den Isolationsblock 506 das Vorliegen des detektierten Impedanz-Fehlers an, so dass der Fehler über einen digitalen Schnittstellenbus DBUS anderen Schaltungen angezeigt werden kann. Der digitale Schnittstellenbus DBUS kann unter Verwendung eines einzelnen Signales, einer parallelen Schnittstelle oder einer seriellen Schnittstelle implementiert sein. In einigen Ausführungsformen kann der digitale Schnittstellenbus DBUS dazu verwendet werden, verschiedene Parameter von der Gate-Treiberschaltung 500 zu lesen oder auf diese zu schreiben. Zum Beispiel können die Treiberstärke, Betriebsmodi und Impedanz-Überwachungsgrenzwerte gesetzt oder überwacht werden. Die primärseitige Netzüberwachung 502 kann dazu verwendet werden, die primärseitige Stromversorgung VDD zu überwachen. Im Fall eines Ausfalls der Stromversorgung zeigt die Netzüberwachung 502 der digitalen Schnittstelle 504 dies an, welche wiederum die Ausgangstreiber 510 und 512 deaktiviert und ein externes Signal P_ERROR bereitstellt, welches den Stromversorgungsausfallszustand über den Isolationsblock 506 anzeigt. In alternativen Ausführungsformen kann die Impedanz-Überwachung 514 die Impedanz der Leitungen TON und TOFF überwachen, indem sie eine Spannung überwacht und/oder die überwachte Spannung und/oder Strom mit erwarteten Bereichen vergleicht. In anderen Ausführungsformen können andere Impedanzüberwachungs-Techniken, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, angewendet werden.
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In einer Ausführungsform kann der Temperatur- und Überlast-Detektor 524 hohe Temperaturen und Überlast-Zustände mittels im Stand der Technik bekannter Techniken detektieren. Wenn solche Zustände detektiert werden, zeigt der Temperatur- und Überlast-Detektor dies dem Isolationsblock 506 an, welcher den Überlast-Zustand der digitalen Schnittstelle 504 anzeigt und/oder korrigierend eingreifen kann, beispielsweise indem er die Treiberstärke der Ausgangstreiber 510 und 512 ausschaltet oder anpasst. Der Konfigurationsblock 526 kann dafür verwendet werden, die Konfigurationsparameter für die Ausgangstreiber 510 und 512 einzustellen. Konfigurationsparameter können dabei beispielsweise die Treiberstärke, die Schaltgeschwindigkeit/-Flanken, oder nominelle Treiberausgangszustände sein.
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In einer Ausführungsform kann der primärseitige Stromversorgungspin VDD zum Beispiel mit Spannungen von beispielsweise 3,3 V ± 5% oder 5 V ± 5% arbeiten. Der sekundärseitige Stromversorgungspin VCC2 kann zwischen etwa 12 V und etwa 15 V arbeiten, während der sekundärseitige Stromversorgungspin VEE2 bei zwischen etwa 0 V bis ungefähr –12 V oder ungefähr –15 V arbeiten kann. Alternativ können Spannungen außerhalb dieser Bereiche verwendet werden, abhängig von der jeweiligen Ausführungsform und ihrer Spezifikationen.
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5 zeigt ein Flussdiagramm 600 eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In Schritt 602 wird eine Signalintegrität eines Gate-Treiberausgangs gemessen. Die Signalintegrität kann beispielsweise bestimmt werden, indem die am Gate-Treiberausgang anliegende Impedanz überwacht wird und/oder indem ermittelt wird, ob eine Spannung und/oder ein Strom an den Gate-Treiberausgängen sich in einem vorgegebenen Bereich befindet. In einigen Ausführungsformen kann die Messung von Spannungen und/oder Strömen entweder statisch oder dynamisch erfolgen. In einem Beispiel wird die Messung der Signalintegrität als außerhalb des vorgegebenen Bereiches angesehen, wenn der gemessene Strom während einer Übergangsphase des Treibers größer als ein erwarteter Wert ist. Wenn beispielsweise eine bipolare Booster-Stufe verwendet wird, kann ein Beta-Faktor oder eine Stromverstärkung des bipolaren Transistors zwischen etwa 20 und etwa 50 liegen. Für einen Ausgangsstrom der Booster-Stufe von etwa 10 A mit einem Beta-Faktor von 20, kann ein Nominalstrom von etwa 500 mA am Ausgang des Gate-Treibers erwartet werden. In einer Ausführungsform wird angenommen, dass die Signalintegrität ausfällt, wenn der Strom am Kontrollausgang das Doppelte des erwarteten Wertes (zum Beispiel 1 A) während der Übergangsphase (Laden oder Entladen des Gates des Leistungsschalters) übersteigt. Mit einem Beta-Faktor von etwa 50 beträgt der nominelle Ausgangsstrom während einer Übergangsphase etwa 200 mA und die Signalintegrität wird als ausgefallen angesehen, wenn der Übergangsstrom etwa 400 mA übersteigt. Auf der anderen Seite kann die Signalintegrität auch als ausgefallen angesehen werden, wenn deutlich weniger (zum Beispiel einige wenige mA oder ein Wert nahe 0) während der Übergangsphase detektiert wird, wodurch beispielsweise die Möglichkeit einer offenen Verbindung angezeigt wird, welche beispielsweise durch eine defekte Lötstelle oder andere physikalische oder elektronische Schäden des Systems hervorgerufen werden können. Die oben genannten Strombereiche stellen selbstverständlich nur Beispiele vieler verschiedener möglicher Szenarien dar. In alternativen Ausführungsformen können andere Strombereiche und Grenzwerte Fehlerbereiche darstellen.
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In einigen Ausführungsformen hängt die Länge der Übergangsphase von der speziellen Topologie und der Technologie des Leistungsschalters sowie des optionalen Gate-Widerstands ab. Darum wird in einigen Ausführungsformen der Übergangsphasenstrom zu einem bestimmten Zeitpunkt nach dem Start des Übergangs gemessen. In einer Ausführungsform wird der Strom am Kontrollausgang des Gate-Treibers beispielsweise etwa 500ns nach dem vorgesehenen Beginn der Übergangsphase gemessen. Alternativ kann der Strom zu verschiedenen anderen Zeitpunkten nach dem Start des Übergangs gemessen werden.
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In einer Ausführungsform, während eines Gleichgewichtszustands des Gates des Leistungstransistors (zum Beispiel nicht während eines Übergangs), wird unter normalen Bedingungen nahezu kein Strom vom Kontrollausgang des Gate-Treibers gezogen. Dieser Zustand kann ebenfalls überwacht werden. Ein Fehler, der während eines Gleichgewichtszustands detektiert wird, kann beispielsweise einen sogenannten „Stuck-At-Fehler“ (engl.: stuck-at-error) aufgrund eines Kurzschlusses zu einem anderen Potenzial anzeigen.
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Wenn angenommen wird, dass sich die Signalintegrität außerhalb des vorgesehenen Bereiches befindet (Schritt 604), zum Beispiel indem angenommen wird, dass sich Gate-Treiber-Ausgangsimpedanz, -Spannung und/oder -Strom außerhalb des entsprechenden vorgesehenen Bereiches befinden, kann der Gate-Treiberausgang in Schritt 606 in einen hochohmigen Impedanz-Zustand versetzt werden. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem die Ausgangstransistoren ausgeschaltet werden. Als nächstes wird in Schritt 608 ein Fehlersignal ausgegeben. Dieses Fehlersignal kann an eine Überwachungsschaltung oder eine Systemsteuerung übertragen werden. Das Fehlersignal kann die Form einer einzelnen digitalen Signalleitung annehmen oder es kann die Form eines Bits innerhalb eines Statuswortes einnehmen, welches auf einem seriellen oder parallelen digitalen Bus übertragen wird. In einigen Ausführungsformen können die Schritte 606 und 608 gleichzeitig erfolgen oder Schritt 608 kann vor Schritt 606 erfolgen. In Schritt 610 wird der Ausgang einer externen Booster-Schaltung überschrieben und dazu ausgebildet, ein vorgegebenes Muster auszugeben. In einigen Ausführungsformen wird dieser Schritt durch eine Überwachungsschaltung ausgeführt, welche ein Übersteuerungssignal an eine oder mehrere Booster-Schaltungen ausgibt. In einer Ausführungsform kann das vorgegebene Muster dazu ausgebildet sein, die Ausgangsschalter oder -Transistoren, welche mit dem Ausgang der Booster-Schaltung verbunden sind, auszuschalten.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Betreiben einer Gate-Treiberschaltung das Überwachen einer Signalintegrität an einem Ausgang der Gate-Treiberschaltung. Wenn die Signalintegrität basierend auf der Überwachung schlecht ist, wird der Ausgang der Gate-Treiberschaltung in einen hochohmigen Zustand versetzt und es wird ein externes Signalintegritäts-Fehlersignal ausgegeben. Das Verfahren kann weiterhin das Überwachen eines Eingangspins, das Bereitstellen eines Schaltungsausgangssignals basierend auf der Überwachung des Eingangspins und das Bereitstellen des Schaltungsausgangssignals an einen Schalter über eine Booster-Schaltung umfassen.
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In einer Ausführungsform umfasst die Überwachung der Signalintegrität das Detektieren einer Impedanz des Ausgangs der Gate-Treiberschaltung. Diese Impedanz kann beispielsweise dadurch detektiert werden, indem festgestellt wird, ob eine Spannung des Ausgangs der Gate-Treiberschaltung sich innerhalb eines ersten Spannungsbereiches befindet. Die Impedanz kann auch dadurch detektiert werden, indem eine Spannung am Ausgang der Gate-Treiberschaltung gemessen wird, indem ein Strom am Ausgang der Gate-Treiberschaltung gemessen wird und indem bestimmt wird, ob sich der gemessene Strom innerhalb eines ersten Strombereiches befindet. Der erste Strombereich kann auf der am Ausgang der Gate-Treiberschaltung gemessenen Spannung basieren.
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In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren auch das Bereitstellen des externen Signalintegritäts-Fehlersignals an eine Überwachungsschaltung und das Bereitstellen des Ausgangs der Gate-Treiberschaltung an eine Booster-Schaltung. Die Booster-Schaltung kann in einen ersten Zustand versetzt werden, wenn das externe Signalintegritäts-Fehlersignal gesetzt wird, was durch die Überwachungsschaltung über einen alternativen Signalpfad in der Booster-Schaltung erfolgen kann.
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Das Verfahren kann weiterhin das Detektieren eines Ausfalls des primärseitigen Stroms in der Gate-Treiberschaltung und das Bereitstellen eines primärseitigen Stromverlusts-Indikationssignals umfassen, wenn ein Ausfall des primärseitigen Stromes detektiert wird. Die Booster-Schaltung kann in einen ersten Zustand versetzt werden, wenn ein primärseitiges Stromausfallsignal bereit gestellt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform, umfasst eine Gate-Treiberschaltung einen Ausgangstreiber und eine Signalintegritäts-Überwachungsschaltung, welche mit einem Ausgang des Ausgangstreibers verbunden ist. Die Signalintegritäts-Überwachungsschaltung ist dazu ausgebildet, ein erstes Fehlersignal auszugeben und den Ausgangstreiber in einen hochohmigen Impedanzmodus zu versetzen, wenn ein Fehler der Signalintegrität am Ausgang des Ausgangstreibers detektiert wird. Die Signalintegritäts-Überwachungsschaltung kann dazu ausgebildet sein, einen Fehler der Signalintegrität zu detektieren, indem sie bestimmt, ob eine Impedanz des Ausgangs des Ausgangstreibers sich innerhalb eines ersten Impedanzbereiches befindet. In einer Ausführungsform umfasst der Ausgangstreiber einen Einschaltpfad und einen Ausschaltpfad und die Signalintegritäts-Überwachungsschaltung ist mit einem Ausgang des Ausgangspfads und mit einem Ausgang des Einschaltpfads verbunden. Weiterhin kann das erste Fehlersignal dazu ausgebildet sein mit einer Überwachungsschaltung verbunden zu werden.
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In einer Ausführungsform umfasst die Gate-Treiberschaltung weiterhin eine digitale Schnittstelle, welche mit einem Eingang verbunden ist, und eine galvanische Isolationsschaltung, welche zwischen die digitale Schnittstelle und einen Eingangsknoten des Ausgangstreibers geschaltet ist. Die Gate-Treiberschaltung kann weiterhin eine digitale Schnittstelle umfassen, welche dazu ausgebildet ist, Statusinformationen bezüglich es Gate-Treibers auszugeben, so dass die Statusinformation Signalintegritätsinformationen umfasst, welche von der Signalintegritäts-Überwachungsschaltung erhalten wurden.
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Der Gate-Treiber kann weiterhin dazu ausgebildet sein, den Zustand eines Stromversorgungsknotens, welcher mit der Gate-Treiberschaltung verbunden ist, zu detektieren und ein zweites Fehlersignal auszugeben, wenn eine Spannung des Stromversorgungsknotens sich außerhalb eines vorgegebenen Betriebsbereiches befindet. Der Ausgangstreiber kann weiterhin dazu ausgebildet sein, über eine Booster-Schaltung mit einem Schalter verbunden zu werden und/oder in einer integrierten Schaltung angeordnet zu werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform, umfasst eine Schaltungsanordnung einen Halbleiterschalter, eine Booster-Schaltung mit einem Ausgangsknoten, der mit einem Kontrollknoten des Halbleiterschalters verbunden ist, und eine Gate-Treiberschaltung, welche einen Ausgangstreiber und eine Signalintegritätsüberwachungsschaltung umfasst. Der Ausgangstreiber hat einen Ausgang, welcher mit einem Eingang der Booster-Schaltung verbunden ist, und die Signalintegritäts-Überwachungsschaltung ist mit dem Ausgang des Ausgangstreibers verbunden. In einer Ausführungsform ist die Signalintegritäts-Überwachungsschaltung dazu ausgebildet, ein erstes Fehlersignal auszugeben und den Ausgangstreiber in einen hochohmigen Impedanzzustand zu führen, wenn ein Fehler der Signalintegrität am Ausgang des Ausgangstreibers detektiert wird. Die Schaltungsanordnung umfasst weiterhin eine Überwachungsschaltung, mit einem ersten Ausgang, der mit einem alternativen Eingang der Booster-Schaltung verbunden ist, und einen Leitungsintegritäts-Fehlereingang, welcher mit dem ersten Fehlersignal verbunden ist. Die Überwachungsschaltung kann dazu ausgebildet sein, die Booster-Schaltung in einen ersten Ausgangsstatus zu versetzen, wenn das erste Fehlersignal ausgegeben wird.
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In einer Ausführungsform umfasst die Gate-Treiberschaltung weiterhin eine Stromversorgungs-Überwachungsschaltung und ein zweiter Fehlersignalausgang ist dazu ausgebildet, gesetzt zu werden, wenn die Stromversorgungs-Überwachungsschaltung einen Fehler in der Stromversorgung detektiert. Der Fehler der Stromversorgung kann beispielsweise ein primärseitiger Fehler der Stromversorgung sein.
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Ein Vorteil einiger Ausführungsformen umfasst die Möglichkeit der Überwachung und der Bereitstellung von Korrekturmaßnahmen beim Verlust der Signalintegrität am Ausgang der Gate-Treiberschaltung, wenn eine Booster-Schaltung zwischen die Gate-Treiberschaltung und einen Schalttransistor geschaltet ist. Weitere Vorteile umfassen die Möglichkeit, Low-Side- und High-Side-Ausgangstreiber im Fehlerfall unterschiedlich ansteuern zu können. In einem Zustand können beispielsweise alle High-Side-Schalter eingeschaltet und alle Low-Side-Schalter ausgeschaltet sein.
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Obwohl diese Erfindung mit Bezugnahme auf die dargestellten Ausführungsformen beschrieben wurde, soll die Beschreibung nicht einschränkend verstanden werden.
