DE102014109142B4 - Circuit with efficient switch - Google Patents
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Abstract
Schaltung umfassend
- eine Reihenschaltung umfassend einen p-Typ Halbleiterschalter (T1) und ein weiteres Bauelement (D1),
- eine Regelschaltung (T2, R7, R1, R3-R6), wobei sich die Regelschaltung aus einer Spannung, die an der Reihenschaltung (T1, D1) abfällt, versorgt und derart eingerichtet ist, dass der p-Typ Halbleiterschalter (T1) in dem Standby-Modus eingeschaltet bleibt, bis ein Strom durch den p-Typ Halbleiber (T1) einen vorgegebenen Schwellwert erreicht und/oder überschreitet,
- bei der der p-Typ Halbleiterschalter in einem Standby-Modus leitend ist, und
- der p-Typ Halbleiterschalter (T1) selbsthemmend abgeschaltet bleibt, nachdem der Strom durch den p-Typ Halbleiber (T1) den vorgegebenen Schwellwert erreicht und/oder überschritten hat.
Comprising circuit
a series connection comprising a p-type semiconductor switch (T1) and a further component (D1),
- A control circuit (T2, R7, R1, R3-R6), wherein the control circuit of a voltage which drops at the series circuit (T1, D1), supplied and is arranged such that the p-type semiconductor switch (T1) in remains in standby mode until a current through the p-type semiconductor (T1) reaches and / or exceeds a predetermined threshold,
- Wherein the p-type semiconductor switch in a standby mode is conductive, and
- The p-type semiconductor switch (T1) remains self-locking off after the current through the p-type semiconductor (T1) has reached and / or exceeded the predetermined threshold.
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltung mit einem effizientem Schalter, einen elektronischen Schalter für eine Klemmenschaltung in einem Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem solchen Schalter.The invention relates to a circuit with an efficient switch, an electronic switch for a terminal circuit in a motor vehicle and a motor vehicle with at least one such switch.
Es ist bekannt, Leistungshalbleiter, insbesondere Transistoren, z.B. IGBTs, MOSFETs, JFETs, etc. zum Schalten von Lasten (Verbrauchern), z.B. in einem Bordnetz eines Fahrzeugs, einzusetzen. Beispielsweise werden solche Leistungshalbleiter als sogenannte High-Side Schalter in einer stromführenden Verbindung zu einer Last eingesetzt.It is known to power semiconductors, in particular transistors, e.g. IGBTs, MOSFETs, JFETs, etc. for switching loads (loads), e.g. in a vehicle electrical system. For example, such power semiconductors are used as so-called high-side switches in a current-carrying connection to a load.
Allerdings wird im Automobilbereich eine Zu- bzw. Abschaltung der Klemme
Wird ein Arbeitsstromrelais (auch bezeichnet als Schließer-Relais) verwendet, so ist das Relais im aktiven Zustand (also wenn Strom durch die Spule des Relais fließt) geschlossen. In diesem Fall führt das geschlossene Relais im aktiven Betrieb nicht zur Entladung der Batterie eines Kraftfahrzeugs, weil diese über den Generator des Kraftfahrzeugs nachgeladen wird.If a normally open relay (also referred to as normally open relay) is used, the relay is closed in the active state (ie when current flows through the coil of the relay). In this case, the closed relay in active operation does not lead to the discharge of the battery of a motor vehicle, because it is recharged via the generator of the motor vehicle.
Ist hingegen der Generator nicht aktiv, weil das Kraftfahrzeug beispielsweise abgestellt wurde (Standby-Zustand) und der Motor nicht läuft, so ist es problematisch, Verbraucher des Kraftfahrzeugs mittels eines Arbeitsstromrelais mit Energie zu versorgen, weil in diesem Fall auch das Arbeitsstromrelais selbst dauerhaft elektrische Energie verbraucht und somit die Batterie entlädt. Zunehmend müssen jedoch auch im Standby-Zustand des Kraftfahrzeugs unterschiedliche Verbraucher (zumindest zeitweise), z.B. ein Zugangssystem für einen schlüssellosen Zugang zu dem Kraftfahrzeug oder für einen Funkschlüssel bzw. eine elektrische Feststellbremse, mit Energie versorgt werden.If, however, the generator is not active, because the motor vehicle has been turned off (standby state) and the engine is not running, it is problematic to provide consumers of the motor vehicle with energy by means of a working current relay, because in this case, the working current relay itself permanently electric Consumes energy and thus discharges the battery. Increasingly, however, even in the standby state of the motor vehicle different consumers (at least temporarily), e.g. an access system for keyless access to the motor vehicle or for a radio key or an electric parking brake to be powered.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine Möglichkeit zu schaffen, wonach ein (Halbleiter-)Schalter aktivierbar sein soll, ohne einen (nennenswerten) Ansteuerstrom zu benötigen. Weiterhin ist es eine Aufgabe, eine Überstromabschaltung zum Schutz des Halbleiterschalters und zum Schutz einer Leitung vorzusehen, wobei diese Überstromabschaltung keinen (nennenswerten) Ansteuerstrom benötigt.The object of the invention is to avoid the above-mentioned disadvantages and in particular to provide a possibility according to which a (semiconductor) switch should be activatable without requiring a (significant) drive current. Furthermore, it is an object to provide an overcurrent shutdown to protect the semiconductor switch and to protect a line, this overcurrent shutdown does not need (significant) drive current.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.This object is achieved according to the features of the independent claims. Preferred embodiments are in particular the dependent claims.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Schaltung vorgeschlagen umfassend
- - eine Reihenschaltung umfassend einen p-Typ Halbleiter und ein weiteres Bauelement,
- - eine Regelschaltung, wobei sich die Regelschaltung aus einer Spannung, die an der Reihenschaltung abfällt, versorgt.
- a series circuit comprising a p-type semiconductor and another component,
- - A control circuit, wherein the control circuit of a voltage which drops at the series circuit supplied.
Die vorliegende Schaltung ermöglicht aufgrund des p-Typ Halbleiters, dass dieser mittels der Regelschaltung (nahezu) verlustlos eingeschaltet bleiben kann und somit besonders geeignet ist, um angeschlossene Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen. Andererseits ermöglicht es die Regelschaltung, dass bei einem Stromanstieg durch den p-Typ Halbleiter, der einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, dieser p-Typ Halbleiter selbsthemmend abgeschaltet wird. Somit ist der p-Typ Halbleiter für eine stromeffiziente Versorgung von Verbrauchern geeignet, wobei auch sichergestellt ist, dass bei einer Überlastsituation (Strom übersteigt Schwellwert), der p-Typ Halbleiter vor einer Beschädigung geschützt ist.Due to the p-type semiconductor, the present circuit makes it possible for it to remain switched on (almost) without loss by means of the control circuit and is therefore particularly suitable for supplying electrical power to connected consumers. On the other hand, the control circuit makes it possible to automatically switch off this p-type semiconductor when the current of the p-type semiconductor increases by a predetermined threshold. Thus, the p-type semiconductor is suitable for a power-efficient supply to consumers, while also ensuring that in an overload situation (current exceeds threshold), the p-type semiconductor is protected from damage.
Insbesondere weist die Regelschaltung mindestens einen Eingang auf, anhand dessen der p-Typ Halbleiter leitend oder nicht leitend geschaltet werden kann. Derartige Eingänge können beispielsweise von einer Steuerschaltung (z.B. in Form eines Mikrocontrollers) genutzt werden.In particular, the control circuit has at least one input, by means of which the p-type semiconductor can be switched to be conductive or non-conductive. Such inputs may be used, for example, by a control circuit (e.g., in the form of a microcontroller).
Eine Weiterbildung ist es, dass die Regelschaltung derart eingerichtet ist, dass der p-Typ Halbleiter in einem Standby-Modus eingeschaltet bleibt, bis ein Strom durch den p-Typ Halbleiber einen vorgegebenen Schwellwert erreicht und/oder überschreitet.A further development is that the control circuit is set up such that the p-type semiconductor remains switched on in a standby mode until a current through the p-type semiconductor leads to and / or exceeds a predetermined threshold value.
Eine andere Weiterbildung ist es, dass die Regelschaltung derart eingerichtet ist, dass der p-Typ Halbleiter selbsthemmend abgeschaltet bleibt, nachdem der Strom durch den p-Typ Halbleiber den vorgegebenen Schwellwert erreicht und/oder überschritten hat.Another development is that the control circuit is set up in such a way that the p-type semiconductor remains switched off in a self-locking manner after the current through the p-type semiconductor has reached and / or exceeded the predetermined threshold.
Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass das weitere Bauelement mindestens eines der folgenden umfasst:
- - eine Diode,
- - eine Schottky-Diode,
- - eine Zener-Diode,
- - einen ohmschen Widerstand.
- - a diode,
- a Schottky diode,
- a Zener diode,
- - an ohmic resistance.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass die Reihenschaltung an der Seite des p-Typ Halbleiters mit einer Energieleitung verbunden ist.It is also a development that the series connection on the side of the p-type semiconductor is connected to a power line.
Bei der Energieleitung handelt es sich beispielsweise um eine Leitung zu einem positiven Pol (Plusleitung) einer Energieversorgung, z.B. einem Generator oder einer Batterie (z.B. eine Klemme
Ferner ist es eine Weiterbildung, dass die Reihenschaltung an der Seite des weiteren Bauelements mit einer Leitung zu einem Verbraucher verbunden ist.Furthermore, it is a further development that the series connection on the side of the further component is connected to a line to a consumer.
Bei dem Verbraucher kann es sich um einen beliebigen Verbraucher z.B. eines Kraftfahrzeugs handeln, der z.B. während eines Standby-Modus einen reduzierten Strombedarf aufweist.The consumer may be any consumer, e.g. of a motor vehicle, e.g. during a standby mode has a reduced power requirement.
Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung umfasst der p-Typ Halbleiter mindestens einen der folgenden Halbleiter:
- - einen Halbleiterschalter,
- - einen Leistungshalbleiterschalter,
- - einen Transistor,
- - einen MOSFET,
- - einen PMOS,
- - einen IGBT,
- - einen JFET.
- a semiconductor switch,
- a power semiconductor switch,
- a transistor,
- a MOSFET,
- a PMOS,
- - an IGBT,
- - a JFET.
Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass die Regelschaltung parallel zu der Reihenschaltung aus p-Typ-Halbleiter und weiterem Bauelement angeordnet ist.A next development is that the control circuit is arranged parallel to the series circuit of p-type semiconductor and further component.
Eine Ausgestaltung ist es, dass die Regelschaltung einen Halbeiterschalter aufweist, dessen Arbeitspunkt über ein Widerstandsnetzwerk umfassend mindestens einen Widerstand einstellbar ist.An embodiment is that the control circuit has a semiconductor switch whose operating point can be set via a resistance network comprising at least one resistor.
Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass der Halbleiterschalter ein Transistor, insbesondere ein Bipolartransistor, z.B. ein pnp-Transistor, ist, wobei das Widerstandsnetzwerk derart dimensioniert ist, dass der Halbleiterschalter leitend wird, wenn der Spannungsabfall an der Reihenschaltung aus p-Typ-Halbleiter und weiterem Bauelement größer als ein vorgegebener Schwellwert ist, wobei infolgedessen der p-Typ-Halbleiter so angesteuert wird, dass er selbsthaltend abschaltet.An alternative embodiment is that the semiconductor switch is a transistor, in particular a bipolar transistor, e.g. a pnp transistor, wherein the resistor network is dimensioned such that the semiconductor switch becomes conductive when the voltage drop across the series circuit of p-type semiconductor and further device is greater than a predetermined threshold, as a result, the p-type semiconductor is controlled so that it turns off self-holding.
Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass die Regelschaltung eine Temperaturkompensationsschaltung aufweist.A next embodiment is that the control circuit comprises a temperature compensation circuit.
Die Temperaturkompensationsschaltung kann z.B. ein Widerstandsnetzwerk umfassend mindestens einen temperaturabhängigen Widerstand aufweisen. Die Temperaturkompensationsschaltung kann z.B. zwischen Basis und Emitter (bzw. zwischen Source und Gate oder zwischen Gate und Emitter) des Halbleiterschalters angeordnet sein. Hierdurch wird insbesondere die Temperaturabhängigkeit des Spannungsabfalls zumindest teilweise kompensiert.The temperature compensation circuit may be e.g. a resistor network comprising at least one temperature-dependent resistor. The temperature compensation circuit may be e.g. be arranged between the base and emitter (or between the source and gate or between the gate and emitter) of the semiconductor switch. As a result, in particular the temperature dependence of the voltage drop is at least partially compensated.
Auch ist es eine Ausgestaltung, dass die Schaltung eine Detektionsschaltung umfasst, die parallel zu der Reihenschaltung aus p-Typ-Halbleiter und weiterem Bauelement angeordnet ist.It is also an embodiment that the circuit comprises a detection circuit which is arranged parallel to the series circuit of p-type semiconductor and further component.
Anhand der Detektionsschaltung ist es möglich zu erkennen, wenn ein Strom durch den p-Typ-Halbleiter einen vorgegebenen Schwellwert erreicht oder überschreitet. In diesem Fall kann die Detektionsschaltung ein Triggersignal bereitstellen, anhand dessen beispielsweise eine Steuerschaltung (z.B. einen Mikrocontroller) aufgeweckt wird, die einen Leistungsschalter, der eine hohe Stromtragfähigkeit aufweist, aktiviert.By means of the detection circuit, it is possible to detect when a current through the p-type semiconductor reaches or exceeds a predetermined threshold value. In this case, the detection circuit may provide a trigger signal by which, for example, a control circuit (e.g., a microcontroller) is activated that activates a power switch having a high current carrying capacity.
Die Detektionsschaltung kann ähnlich zu der Regelschaltung aufgebaut sein. Auch kann die Detektionsschaltung eine Temperaturkompensationsschaltung aufweisen. Durch geeignete Dimensionierung des Widerstandsnetzwerks für die Regelschaltung bzw. die Detektionsschaltung kann sichergestellt werden, dass ab bestimmten Stromwerten durch den p-Typ-Halbleiterschalter
- - der p-Typ-Halbleiterschalter selbsthemmend abschaltet (im Fall der Regelschaltung, indem der Halbleiterschalter der Regelschaltung den p-Typ-Halbleiter entsprechend ansteuert) oder
- - ein entsprechendes Triggersignal (im Fall der Detektionsschaltung) z.B. dem Mikrocontroller bereitgestellt wird.
- - The p-type semiconductor switch switches off self-locking (in the case of the control circuit by the semiconductor switch of the control circuit drives the p-type semiconductor accordingly) or
- - A corresponding trigger signal (in the case of the detection circuit), for example, the microcontroller is provided.
Vorteilhaft werden unterschiedliche Stromwerte für die Abschaltung des p-Typ-Halbleiters einerseits und für das Triggersignal andererseits verwendet.Advantageously, different current values are used for switching off the p-type semiconductor on the one hand and for the trigger signal on the other hand.
Optional können auch mehrere Detektionsschaltungen vorgesehen sein, die je nach Stromwert (z.B. bestimmt durch die Beschaltung eines jeweiligen Halbleiterschalters) unterschiedlich dimensionierte Widerstandsnetzwerke aufweisen.Optionally, a plurality of detection circuits can also be provided, which, depending on the current value (for example, determined by the wiring of a respective semiconductor switch), have differently dimensioned resistor networks.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass die Schaltung eine Steuerschaltung aufweist, anhand derer die Schaltung ansteuerbar ist, so dass der p-Typ-Halbleiter entweder leitend oder nicht leitend geschaltet ist. A further development consists in that the circuit has a control circuit, by means of which the circuit can be controlled, so that the p-type semiconductor is switched either conductive or non-conductive.
Die Steuerschaltung kann beispielsweise mindestens einen Mikrocontroller aufweisen.The control circuit may have, for example, at least one microcontroller.
Eine zusätzliche Ausgestaltung ist es, dass der p-Typ-Halbleiter in einem Standby-Modus leitend ist.An additional embodiment is that the p-type semiconductor is conductive in a standby mode.
Eine andere Ausgestaltung ist es, dass der Standby-Modus ein Standby-Modus eines Systems ist, das mehrere Verbraucher aufweist, wobei die Schaltung mindestens einen der Verbraucher im Standby-Modus des Systems mit elektrischer Energie versorgt.Another embodiment is that the standby mode is a standby mode of a system having multiple consumers, the circuit providing electrical power to at least one of the consumers in standby mode of the system.
Auch ist es eine Möglichkeit, dass das System ein elektrisches System in einem Kraftfahrzeug umfasst.Also, it is a possibility that the system includes an electric system in a motor vehicle.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch einen elektronischen Schalter für eine Klemmenschaltung in einem Kraftfahrzeug umfassend mindestens eine Schaltung wie hierin beschrieben.The above object is also achieved by an electronic switch for a terminal circuit in a motor vehicle comprising at least one circuit as described herein.
Weiterhin wird die obige Aufgabe gelöst mittels eines Kraftfahrzeugs mit mindestens einem elektronischen Schalter gemäß den vorliegenden Ausführungen.Furthermore, the above object is achieved by means of a motor vehicle with at least one electronic switch according to the present embodiments.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.The above-described characteristics, features, and advantages of this invention, as well as the manner in which they will be achieved, will become clearer and more clearly understood in connection with the following schematic description of exemplary embodiments which will be described in detail in conjunction with the drawings. In this case, the same or equivalent elements may be provided with the same reference numerals for clarity.
Es zeigen:
-
1 ein schematisches Blockschaltbild zur Realisierung ruhestromfreier elektronischer Schalter für eine Klemmenschaltung in einem Kraftfahrzeug; -
2 einen beispielhaften schematischen Aufbau des Schalters für einen Verbraucher umfassend einen p-Typ Halbleiter mit einer in Reihe geschalteten Schottky Diode, wobei parallel zu dieser Reihenschaltung eine Regelschaltung umfassend einen pnp-Transistor angeordnet ist; -
3 eine Ergänzung der in2 gezeigten Schaltungsanordnung zusätzlich umfassend einen weiteren pnp-Transistor zum Detektieren eines zusätzlichen Stromwerts durch den p-Typ Halbleiter.
-
1 a schematic block diagram for the realization of quiescent-free electronic switch for a terminal circuit in a motor vehicle; -
2 an exemplary schematic structure of the switch for a consumer comprising a p-type semiconductor with a Schottky diode connected in series, wherein parallel to this series circuit, a control circuit comprising a pnp transistor is arranged; -
3 an addition to the2 additionally comprising a further pnp transistor for detecting an additional current value by the p-type semiconductor.
Der hierin vorgeschlagene Ansatz verwendet beispielsweise einen p-Typ Halbleiter, für dessen Ansteuerung keine Ladungspumpe erforderlich ist und der somit leistungsfrei bzw. stromfrei angesteuert werden kann. Insbesondere wird eine Überstromabschaltung zum Schutz des Halbleiters und einer ggf. angeschlossenen Leitung vorgeschlagen, die keinen (signifikanten) Ruhestrom benötigt.The approach proposed herein uses, for example, a p-type semiconductor, for the driving of which no charge pump is required and which can thus be driven without power or current. In particular, an overcurrent shutdown for the protection of the semiconductor and a possibly connected line is proposed, which does not require a (significant) quiescent current.
Bei dem p-Typ Halbleiter handelt es sich beispielsweise um einen Halbleiterschalter, insbesondere einen Leistungshalbleiterschalter, einen Transistor, einen MOSFET, einen IGBT, einen JFET oder ähnliches. Insbesondere kann eine Schaltungsanordnung vorgesehen sein, die mindestens eines der vorstehend genannten Bauelemente umfasst.The p-type semiconductor is, for example, a semiconductor switch, in particular a power semiconductor switch, a transistor, a MOSFET, an IGBT, a JFET or the like. In particular, a circuit arrangement may be provided which comprises at least one of the aforementioned components.
Die Klemme
Die Halbleiterschalter
Wird das Kraftfahrzeug in einen Standby-Modus überführt, werden die Halbleiterschalter
In dem Standby-Modus wird ein Schalter
Beispielhaft ist der Schalter
Hierbei sei erwähnt, dass mindestens ein Verbraucher über den Schalter
Weiterhin ist ein Mikrocontroller
Weiterhin ist optional (mindestens) eine Steuerleitung
Ein Anschluss
Der Gate-Anschluss des MOSFETs
Der Drain-Anschluss des MOSFETs
Der Anschluss
Der MOSFET
Ein Spannungsabfall über den MOSFET
Sperrt hingegen der Transistor
Optional können zur Temperaturkompensation die Widerstände
Der Transistor
Zur Temperaturkompensation sind die Widerstände
Der Regelkreis kann mittels des Widerstands
Entsprechend kann, z.B. beim Abstellen des Kraftfahrzeugs, der Mikrocontroller
Nachfolgend ist beispielhaft eine Dimensionierung der in
Insbesondere ist es ein Vorteil der hier vorgestellten Lösung, dass keine schweren, teuren und großen bistabilen Relais für den Anschluss der Klemme
Obwohl die Erfindung im Detail durch das mindestens eine gezeigte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.While the invention has been further illustrated and described in detail by the at least one embodiment shown, the invention is not so limited and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 101101
- HalbleiterschalterSemiconductor switches
- 102102
- Verbraucherconsumer
- 103103
- HalbleiterschalterSemiconductor switches
- 104104
- Verbraucherconsumer
- 105105
- HalbleiterschalterSemiconductor switches
- 106106
- Verbraucherconsumer
- 107107
- Schalterswitch
- 108108
- Diodediode
- 109109
- Diodediode
- 110110
- Diodediode
- 111111
- Mikrocontrollermicrocontroller
- 112112
- Steuerleitungcontrol line
- 113113
- Steuerleitungcontrol line
- 114114
- Steuerleitungcontrol line
- 115115
- Steuerleitungcontrol line
- 201201
-
Anschluss (z.B. verbunden mit Klemme
30 )Connection (eg connected with terminal30 ) - 202202
- Anschlussconnection
- 203203
- Anschlussconnection
- 204204
- Knotennode
- 301301
- Anschluss (Triggersignal) Connection (trigger signal)
- T1T1
- p-Kanal MOSFETp-channel MOSFET
- T2T2
- pnp-TransistorPNP transistor
- T3T3
- pnp-TransistorPNP transistor
- D1D1
- Schottky-DiodeSchottky diode
- R1-R15R1-R15
- Widerstandresistance
Claims (14)
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Legal Events
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R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |