DE102014207348A1

DE102014207348A1 - Elektrische schaltung

Info

Publication number: DE102014207348A1
Application number: DE201410207348
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Scherr; Volker Strutz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-04-24
Filing date: 2014-04-16
Publication date: 2014-10-30
Also published as: US9504143B2; US20140320147A1

Abstract

Eine elektrische Schaltung weist einen ersten Schaltungsteil und einen zweiten Schaltungsteil auf. Ein erstes elektrisches Potential ist an den ersten Schaltungsteil anlegbar, während ein zweites elektrisches Potential an den zweiten Schaltungsteil anlegbar ist. Die beiden Schaltungsteile sind durch einen Isolator galvanisch voneinander isoliert, wobei der Isolator einen leitenden Abschnitt aufweist. Dieser leitende Abschnitt kann durch eine zusätzliche Schaltungsanordnung sicher erfasst werden, um infolge einer Spannungsverschiebung oder eines Stromflusses am leitenden Abschnitt, der selbst isoliert ist, zu detektieren, ob ein vollständiger oder teilweiser Kontakt mit dem ersten elektrischen Potential oder dem zweiten elektrischen Potential aufgetreten ist. Diese Erfassungsschaltungsanordnung kann Schutzelemente zum Klemmen von Spannungen und zum Begrenzen von Strömen aufweisen, um eine Zerstörung angeschlossener Schaltungsanordnungen im Fall eines Versagens der Isolation zu verhindern.

Description

GEBIET
Ausführungsformen der Offenbarung betreffen eine elektrische Schaltung, ein System, das eine elektrische Schaltung und eine Steuereinrichtung aufweist, und ein Verfahren zum Vermeiden und Detektieren eines elektrischen Lecks.
HINTERGRUND
In der Elektronik kann ein Leck einen unerwünschten Energieverlust oder einen unerwünschten Stromfluss betreffen. Beispielsweise leckt ein Strom eines Hochspannungsabschnitts, beispielsweise einer Leistungselektronik oder eines 400-V-Batteriepakets eines EVs (Elektrofahrzeugs) unbeabsichtigt aus dem (Hochspannungs-)Schaltungsteil und fließt in einen anderen Schaltungsteil, der vom ersten Schaltungsteil, beispielsweise durch eine galvanische Trennung, elektrisch isoliert sein sollte. Der zweite Schaltungsteil kann ein Niederspannungsabschnitt (beispielsweise 12 V, 5 V, 3,3 V oder weniger) sein, der einen Sensor aufweist, beispielsweise einen Stromsensor zum Erfassen des innerhalb des (Hochspannungs-)Schaltungsteils fließenden Stroms. Typischerweise weist der Niederspannungsschaltungsteil die menschliche Schnittstelle auf, wobei die galvanische Trennung gewährleisten sollte, dass kein Strom vom Hochspannungsabschnitt zum Niederspannungsabschnitt fließen kann, so dass der Niederspannungsabschnitt keine Gefahr für den Benutzer darstellt. Insbesondere sind im Fall von EV die Anforderungen in Bezug auf diese galvanischen Trennungen hoch. Diese Anforderungen sind in der Standardspezifikation für die funktionelle Sicherheit, die durch aktuelle Standards, wie ISO 26262, gegeben ist (wie im sicherheitskritischen Automobilbereich relevant), spezifiziert.
Entwürfe, welche diese Standards erfüllen, erfordern auch bestimmte diagnostische Fähigkeiten zum Detektieren möglicher gefährlicher Durchbruchfälle, bevor diese geschehen. Dies ist erforderlich, um den Benutzer vorab zu warnen, und dies erlaubt einen zeitgerechten Wartungszyklus kritischer oder vorgeschädigter Teile.
Gegenwärtig werden die Anforderungen in Bezug auf die galvanische Trennung des Hochspannungsabschnitts und des Niederspannungsabschnitts durch Erhöhen des Isolationsabstands zwischen den beiden Abschnitten erreicht, und es wird auf eine spezielle Diagnose verzichtet. Neben einem allgemeinen Trend zu besser diagnostizierten Systemen gibt es jedoch eine Bewegung zu einer Verringerung solcher Isolationsabstände infolge der Miniaturisierung und Kostenverringerung. Dies kann zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit eines elektrischen Lecks infolge von Effekten in der Art der Migration von Elektronen, welche durch Schichtablösung oder Feuchtigkeit hervorgerufen werden, führen. Daher gibt es einen Bedarf an einem verbesserten Ansatz, wobei eine Diagnosemöglichkeit berücksichtigt wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Ausführungsform der Offenbarung sieht eine elektrische Schaltung vor, die einen ersten Schaltungsteil und einen zweiten Schaltungsteil, der durch einen Isolator mit einem leitenden Abschnitt vom ersten Schaltungsteil galvanisch isoliert ist, aufweist. Ein erstes elektrisches Potential ist an den ersten Schaltungsteil anlegbar, während ein zweites (beispielsweise verschiedenes) elektrisches Potential an den zweiten Schaltungsteil anlegbar ist.
Eine andere Ausführungsform sieht eine elektrische Schaltung vor, die ein gemeinsames Substrat oder eine gemeinsame Leiterplatte, einen ersten Schaltungsteil, einen zweiten Schaltungsteil und einen Anschluss aufweist. Der erste Schaltungsteil ist auf dem gemeinsamen Substrat oder auf der gemeinsamen Leiterplatte als eine untere Schicht angeordnet, während der zweite Schaltungsteil als eine obere Schicht angeordnet ist. Der erste Schaltungsteil und der zweite Schaltungsteil sind durch einen Isolator, der zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltungsteil angeordnet ist, galvanisch voneinander isoliert, wobei ein erstes elektrisches Potential an den ersten Schaltungsteil anlegbar ist und ein zweites elektrisches Potential an den zweiten Schaltungsteil anlegbar ist. Der Anschluss ist lateral neben einem Bereich des ersten und/oder des zweiten Schaltungsteils angeordnet und weist einen oder mehrere Verbindungsabgriffe auf. Ferner ist der zweite Schaltungsteil über einen oder mehrere Bonddrähte elektrisch mit dem Anschluss verbunden, wobei der leitende Abschnitt über einen weiteren Bonddraht elektrisch mit mindestens einem leitenden Abgriff des Anschlusses verbunden ist. Hier ist der erste Schaltungsteil ein Leiterteil für einen Hochspannungsabschnitt, während der zweite Schaltungsteil ein Schaltungselement (beispielsweise ein Sensorelement) eines Niederspannungsabschnitts ist.
Eine weitere Ausführungsform sieht ein System vor, das eine vorstehend beschriebene elektrische Schaltung und eine Steuereinrichtung aufweist, die mit dem leitenden Abschnitt gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, den ersten Schaltungsteil in einem Fall zu deaktivieren, in dem detektiert wird, dass das erste und/oder das zweite elektrische Potential am leitenden Abschnitt vorhanden ist.
Eine weitere Ausführungsform betrifft ein Verfahren zum Vermeiden eines elektrischen Lecks zwischen einem ersten Schaltungsteil und einem zweiten Schaltungsteil einer vorstehend beschriebenen elektrischen Schaltung. Das Verfahren umfasst das Anlegen eines ersten elektrischen Potentials an den ersten Schaltungsteil, das Anlegen eines zweiten elektrischen Potentials an den zweiten Schaltungsteil und das Deaktivieren des ersten Schaltungsteils in einem Fall, in dem detektiert wird, dass das erste und/oder das zweite elektrische Potential am leitenden Abschnitt vorhanden ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden nachfolgend mit Bezug auf die anliegenden Figuren erörtert.
1a zeigt eine schematische Schnittansicht einer elektrischen Schaltung mit zwei voneinander getrennten Schaltungsteilen gemäß dem Stand der Technik,
1b zeigt eine schematische Draufsicht der elektrischen Schaltung aus 1a,
2 zeigt eine schematische elektrische Schaltung mit zwei durch einen verbesserten Isolator getrennten Schaltungsteilen gemäß einer Ausführungsform,
3a zeigt eine schematische Schnittansicht einer elektrischen Schaltung mit zwei durch einen Isolator, der einen ringförmigen leitenden Abschnitt aufweist, getrennten Schaltungsteilen gemäß einer Ausführungsform,
3b zeigt eine schematische Draufsicht der elektrischen Schaltung aus 3a,
3c zeigt eine schematische Schnittansicht einer elektrischen Schaltung mit zwei durch einen Isolator, der einen flächenförmigen leitenden Abschnitt aufweist, getrennten Schaltungsteilen gemäß einer anderen Ausführungsform,
3d zeigt eine schematische Draufsicht der elektrischen Schaltung aus 3c, die 4a und 4b zeigen schematische Blockdiagramme elektrischer Schaltungen zusammen mit einer Steuereinrichtung zum Deaktivieren eines Schaltungsteils gemäß einer Ausführungsform,
4c zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer anderen elektrischen Schaltung zusammen mit einer weiteren Steuereinrichtung zum Deaktivieren eines Schaltungsteils gemäß einer Ausführungsform und
4d zeigt ein schematisches Blockdiagramm der elektrischen Schaltung aus 4b zusammen mit einer integrierten Steuereinrichtung gemäß einer Ausführungsform.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Verschiedene Ausführungsformen der Offenbarung werden nachstehend mit Bezug auf die 1a bis 4d erörtert. In der Zeichnung sind identische Bezugszahlen für Objekte vorgesehen, die identische oder ähnliche Funktionen haben, so dass Objekte, auf die innerhalb der verschiedenen Ausführungsformen mit identischen Bezugszahlen Bezug genommen wird, austauschbar sind und ihre Beschreibung wechselseitig anwendbar ist.
1a zeigt eine elektrische Schaltung 10, die einen ersten Schaltungsteil 12, beispielsweise einen Leiter eines Hochspannungsabschnitts (vergl. EV) und einen zweiten Schaltungsteil 14, beispielsweise einen Sensoreinzelchip oder eine andere Niederspannungsschaltung, umfasst. Der erste und der zweite Schaltungsteil 12 und 14 sind mit einem sich dazwischen befindenden Isolator 16 angeordnet. Bei dieser als Beispiel dienenden Anordnung der elektrischen Schaltung 10 ist der erste Schaltungsteil 12 (auch als ein Leiterrahmen bezeichnet) als eine untere Schicht ausgebildet, während der zweite Schaltungsteil 14 als eine obere Schicht ausgebildet ist, so dass der Isolator 16 den zusätzlichen Zweck hat, die beiden Schaltungsteile 12 und 14 mechanisch miteinander zu verbinden. Daher kann der Isolator 16 optional eine Haftschicht 16a auf einer ersten Seite zum Verbinden des ersten Schaltungsteils 12 und/oder eine Haftschicht 16b auf einer zweiten (entgegengesetzten) Seite zum Verbinden des zweiten Schaltungselements 14 aufweisen.
Bevor die Probleme des elektrischen Lecks unter Verwendung der dargestellten Anordnung aus dem Stand der Technik erörtert werden, werden optional Elemente einer solchen elektrischen Schaltung 10 erörtert.
Die elektrische Schaltung 10 kann mit ihrer unteren Schicht 12 auf einem Substrat 18, beispielsweise einer PCB (gedruckten Leiterplatte) angeordnet sein. Das Substrat 18 kann an seiner Fläche, die dem Schaltungsteil 12 gegenübersteht, eine leitende Schicht 18a, beispielsweise einen Cu-Leiter oder einen anderen Leiter, aufweisen, um eine elektrische Verbindung damit herzustellen. Der Schaltungsteil 12 kann über eine Zwischenschicht 18b oder über eine Lötschicht mit der leitenden Schicht 18a gekoppelt sein.
Der zweite Schaltungsteil 14 kann über einen optionalen Anschluss 20, der lateral angeordnet ist, elektrisch verbunden werden. Der Anschluss 20 kann mehrere Verbindungsabgriffe 20a, 20b, 20c und 20d (vergl. 1b) aufweisen. Demgemäß weist der zweite Schaltungsteil 14 weitere Verbindungsabgriffe 23a, 23b, 23c und 23d an seiner oberen Fläche 14a auf (wobei die obere Fläche dem ersten Schaltungsteil 12 nicht gegenübersteht), wobei mehrere Bonddrähte 22a, 22b, 22c und 22d zwischen den Verbindungsabgriffen 23a, 23b, 23c und 23d und den Verbindungsabgriffen 20a, 20b, 20c und 20d zur Verbindung des Schaltungsteils 14 mit dem Anschluss 20 angeordnet sind. Der Anschluss 20 kann auch am Substrat 18 angebracht sein. Demgemäß kann das Substrat 18 ferner leitende Abschnitte 18c1, 18c2, 18c3 und 18c4 (vergl. 1b) aufweisen, womit der Anschluss 20 oder genauer gesagt die Verbindungsabgriffe 20a, 20b, 20c und 20d unter Verwendung einer Lötschicht 18d (oder allgemein ausgedrückt einer Zwischenschicht) elektrisch verbunden sind. Die leitenden Abschnitte 18c (18c1–18c4) sind durch einen isolierenden Bereich 24 vom leitenden Abschnitt 18a isoliert. Hier ist der isolierende Bereich 24 durch eine Beabstandung zwischen den Abschnitten 18a und 18c und/oder durch einen isolierenden Bereich 24a des Substrats 18 gebildet. Der isolierende Bereich 24a kann auch durch eine Beabstandung gebildet sein, d. h. dadurch, dass das Substrat 18 eine Öffnung 24a oder einen ausgefrästen Abschnitt 24a aufweist.
Gemäß einer weiteren Implementation kann der Chip 10 ein Gehäuse 28 aufweisen. Das Gehäuse 28 schützt die beiden Schaltungsteile 12 und 14 zusammen mit dem Isolator 16 sowie dem Anschluss 20. Das Gehäuse 28 kann durch eine so genannte Formmischung gebildet sein. d. h. dadurch, dass die elektrische Schaltung 10 durch ein nicht leitendes Material, beispielsweise Kunststoff, eingeformt ist.
Nachstehend wird die Funktionalität der elektrischen Schaltung 10 zusammen mit ihren Nachteilen, ausgehend von der Grundimplementation der elektrischen Schaltung 10, welche die beiden Schichten 12 und 14 sowie den Isolator 16 aufweist, beschrieben. Wie in 1a dargestellt ist, weist der zweite Schaltungsteil 14 (die obere Schicht), verglichen mit dem ersten Schaltungsteil 12 (untere Schicht) sowie auch verglichen mit dem dazwischen liegenden Isolator 16, eine verringerte laterale Ausdehnung auf, so dass die drei Schichten in der Art einer Pyramide angeordnet sind, um eine geeignete galvanische Isolation zwischen den beiden Schichten 12 und 14 bereitzustellen (vergl. durch die Bezugszahlen 26 markierte Pfeile). Die beiden Schichten 12 und 14 sind galvanisch isoliert, d. h. die beiden Schichten 12 und 14 sind so miteinander gekoppelt, dass eine Energie oder eine Information ausgetauscht werden kann, während ein Stromfluss zwischen den beiden Schichten 12 und 14 durch den Isolator 16 verhindert wird. Die Implementation einer solchen galvanischen Isolation 26 kann auf Induktion oder einem magnetischen Fluss beruhen (vergl. Transformator).
Viele Anwendungen beruhen auf solchen galvanischen Isolationen 26, beispielsweise ein Stromsensor 10 zum Erfassen des durch den ersten Schaltungsteil 12 fließenden Stroms unter Verwendung des Sensoreinzelchips 14. Wie vorstehend erörtert wurde, wird der zweite Schaltungsteil 14 typischerweise als eine Niederspannungsschaltung implementiert, wobei der erste Schaltungsteil 12 Teil eines Hochspannungsabschnitts ist. Demgemäß ist der Isolator 16 ein sicherheitskritischer Teil. Um eine weitere Miniaturisierung der elektrischen Schaltung 10 zu ermöglichen oder um Anforderungen zu erfüllen, beispielsweise ASIL/ISO 26262, muss der Isolator 16 verbessert werden, wie mit Bezug auf 2 dargestellt ist.
2 zeigt einen verbesserten Ansatz zur Isolation 16, wobei zu erwähnen ist, dass die dargestellte elektrische Schaltung 10' aus 2 lediglich die grundlegende Anordnung zum Erläutern des Prinzips der verbesserten Isolation 16' zeigt.
2 zeigt eine elektrische Schaltung 10', welche den ersten Schaltungsteil 12 und den zweiten Schaltungsteil 14 aufweist, die als parallele Schichten angeordnet sein können. Zwischen den beiden Schaltungsteilen 12 und 14 ist der verbesserte Isolator 16' angeordnet, um eine galvanische Isolation zwischen den beiden Schaltungsteilen 12 und 14 bereitzustellen. Der Isolator 16' weist einen isolierenden Abschnitt 36, beispielsweise ein Oxid oder einen Kunststoff, und einen leitenden Abschnitt 38 auf. Der leitende Abschnitt 38 kann zwischen dem Isolator 36 und dem zweiten Schaltungsteil 14 angeordnet sein, wobei Variationen möglich sein können, wie nachstehend erklärt wird. Hier ist der leitende Abschnitt 38 durch einen Bereich (eine Schicht) gebildet, der (die) sich parallel zu den beiden Schaltungsteilen 12 und 14 erstreckt.
Die nachstehende Erörterung erfolgt unter der Annahme, dass die beiden Schaltungsteile 12 und 14 verschiedene elektrische Potentiale aufweisen können, so dass der Schaltungsteil 12 ein Hochspannungspotential (beispielsweise 400 V) aufweisen kann, während der zweite Schaltungsteil 14 auf dem Versorgungspotential des Chips 10' (beispielsweise 15 V) oder auf dem Massepotential des Chips 10' (beispielsweise 0 V) liegen kann, wobei dies von der verwendeten Technologie abhängt. Der leitende Abschnitt 38 hat den Zweck, im Fall eines versagenden Isolators 36 einen vom ersten Schaltungsteil 12 fließenden Strom zu sammeln. Hierdurch werden zwei Wirkungen erreicht: Die erste Wirkung besteht darin, dass der Strom des ersten Schaltungsteils 12 über den leitenden Abschnitt 38 zu einem bestimmten elektrischen Potential entladen werden kann, bevor er zum zweiten Schaltungsteil 14 überspringt. Eine zweite Wirkung besteht darin, dass das bekannte elektrische Potential des leitenden Abschnitts 38, beispielsweise das elektrische Potential des Substrats, im Fall eines versagenden Isolators 36 geändert wird. Dies ermöglicht es, dass der Leckstrom oder der Fehlerstrom, der sich aus einem Isolationsdurchbruch der ersten Schaltung 12 ergibt, feststellbar ist, so dass der jeweilige Schaltungsteil 12, der nicht richtig isoliert ist, deaktiviert werden kann, um einen unerwünschten Stromfluss zwischen 12 und 14 zu vermeiden.
Mit Bezug auf die 3a und 3b sowie die 3c und 3d werden Implementationen der vorstehend beschriebenen Offenbarung zusammen mit optionalen Aspekten erörtert.
Die 3a und 3b zeigen eine elektrische Schaltung 10'', die im Wesentlichen gleich der elektrischen Schaltung 10 aus den 1a und 1b ist. Folglich weist die elektrische Schaltung 10'' die beiden Schaltungsteile 12 und 14 auf, die auf dem Substrat 18 angeordnet sind. Im Gegensatz zu 1a sind die beiden Schaltungsteile 12 und 14 durch einen Isolator 16'' isoliert, der den isolierenden Abschnitt 36 und den leitenden Abschnitt 38' aufweist. Wie in 3b dargestellt ist, weist der leitende Abschnitt 38' eine Ringform auf, welche den Bereich des zweiten Schaltungsteils 14 lateral umgibt, so dass der zweite Schaltungsteil 14 direkt oder über eine optionale Haftschicht 16b (vergl. 1a) am Isolator 36 angebracht ist. Folglich ist der Innendurchmesser des leitenden Abschnitts 38' größer als der Schaltungsteil 14, während der Außendurchmesser kleiner als der Bereich des Schaltungsteils 12 ist. Daher kann der Schaltungsteil 14 in der gleichen Schicht des leitenden Abschnitts 38' angeordnet werden.
Bei der dargestellten Implementation der elektrischen Schaltung 10'' ist der leitende Abschnitt 38' infolge seiner Form elektrisch vom ersten Schaltungsteil 12 sowie vom zweiten Schaltungsteil 14 isoliert. Dies ermöglicht es, einen Fehlerstrom vom ersten Schaltungsteil 12 und vom zweiten Schaltungsteil 14 zu detektieren (und abzuführen), während die grundlegende Funktionalität der in Zusammenhang mit 2 erörterten Funktionalität entspricht.
Gemäß der in den 3a und 3b dargestellten Schaltung 10 kann die elektrische Schaltung 10'' einen Anschluss 20' mit mehreren Stiften 20a, 20b, 20c und 20d zum elektrischen Verbinden des zweiten Schaltungsteils 14 (Stifte 23a–23d) über die mehreren Bonddrähte 22a bis 22d aufweisen. Ferner umfasst der Anschluss 20' einen zusätzlichen Stift 20e' zum elektrischen Verbinden des leitenden Abschnitts 38' (auch als Erfassungselement 38'' bezeichnet) über einen zusätzlichen Bonddraht 22e', um das elektrische Potential des leitenden Abschnitts 38' von außen zu detektieren. Der Verbindungsabgriff 20e' ist elektrisch mit einem optionalen leitenden Abschnitt 18c5' des Substrats 18 verbunden. Es sei bemerkt, dass der Verbindungsabgriff 20a', der dem Verbindungsabgriff 20e' für das Messelement 38' benachbart ist, gemäß einer Ausführungsform der Stift zum Verbinden des Schaltungselements 14 mit dem Potential des Substrats 18 ist.
Nachstehend wird eine andere Implementation erörtert, bei der der leitende Abschnitt 38'' die Form einer Fläche hat. Die 3c und 3d zeigen eine elektrische Schaltung 10''', welche die Schaltungsteile 12 und 14 sowie einen Isolator 16''' mit dem flächenförmigen leitenden Abschnitt 38'' aufweist. Der leitende Abschnitt 38'' ist zwischen dem Isolator 36 und dem zweiten Schaltungsteil 14 angeordnet, wobei der zweite Schaltungsteil 14 über eine Haftschicht 16b auf dem leitenden Abschnitt 38'' angeordnet ist. Die Haftschicht 16b kann gemäß einer Ausführungsform ein nicht leitendes Material, beispielsweise einen nicht leitenden Klebstoff, aufweisen, so dass der leitende Abschnitt 38'' vom zweiten Schaltungsteil 14 isoliert ist. Demgemäß ist ein Versagen des Isolators 36 sowie ein Versagen der Haftschicht (isolierenden Schicht) 16b über ein durch den Bonddraht 22e' und den Verbindungsabgriff 20e' (auch als Erfassungsstift bezeichnet) ausgegebenes Signal, beispielsweise eine Spannungsänderung, detektierbar.
Nachstehend werden verschiedene Implementationen einer Steuereinheit erörtert, welche die Detektion eines Isolationsdurchbruchs (Lecks) unter Verwendung des leitenden Abschnitts 38, 38' oder 38'' ermöglicht.
4a zeigt eine Steuereinheit 44 für eine in den 3a und 3b dargestellte elektrische Schaltung 10''. Hier liegt der zweite Schaltungsteil 14 auf dem Potential des Substrats V_Substrat, beispielsweise auf Masse 46. Der Schaltungsteil 12 liegt auf einem Hochspannungspotential V_hoch (durch die Bezugszahl 48 markiert). Zwischen den beiden Schaltungsteilen 12 und 14 ist der leitende Abschnitt oder das Erfassungselement 38' angeordnet, das von 12 und 14 isoliert ist. Hier weist der schematisch dargestellte leitende Abschnitt 38' eine U-Form auf, um zu erläutern, dass er infolge seiner Form (vergl. 3a und 3b) vom zweiten Schaltungsteil 14 isoliert ist.
Der leitende Abschnitt 38' hat ein bekanntes elektrisches Potential V_Mess (typischerweise V_Mess < V_hoch), das unter Verwendung der Steuereinheit 44 gemessen werden kann. Eine Änderung des elektrischen Potentials V_Mess oder im Allgemeinen ein Wert von V_Mess außerhalb eines vorgegebenen Bereichs (beispielsweise V_Mess = V_hoch) gibt einen Isolationsdurchbruch an. Daher ist der leitende Abschnitt 38' mit der Steuereinheit 44 gekoppelt, die dafür ausgelegt ist, die den ersten Schaltungsteil 12 aufweisende Schaltung zu deaktivieren, falls festgestellt wird, dass das erste und/oder das zweite elektrische Potential am leitenden Abschnitt 38' vorhanden ist, d. h. im Fall eines Isolationsdurchbruchs. Im Einzelnen kann die Steuereinrichtung 44 ein Deaktivierungssignal (vergl. Pfeil mit den unterbrochenen Linien) zum Ausschalten der Hochspannung 48 V_hoch an eine Schalteinheit (nicht dargestellt) in der Art eines Relais der jeweiligen Schaltung ausgeben.
Bei dieser Implementation umfasst die Steuereinheit 44 ein Signaldetektionselement 54, beispielsweise einen Fenstervergleicher, und ein elektrisches Element 50, beispielsweise ein Begrenzerelement in der Art eines Widerstands oder einen Kondensator, der auf seiner ersten Seite mit dem leitenden Abschnitt 38a gekoppelt ist und auf seiner zweiten Seite mit einem bekannten Potential V_Erfassung gekoppelt ist (vergl. Bezugszahl 52). Das elektrische Element 50 hat den Zweck, eine Widerstandsmessung darüber in einem Fall auszuführen, in dem der Widerstand als elektrisches Element 50 verwendet wird, oder eine Impedanzmessung darüber in einem Fall auszuführen, in dem ein Kondensator als elektrisches Element 50 verwendet wird. Die Messung wird durch das Signaldetektionselement 54 ausgeführt, das mit dem leitenden Abschnitt 38' und damit mit der ersten Seite des elektrischen Elements 50 verbunden ist. Das Detektionselement 54 ist dafür ausgelegt, ein Signal, beispielsweise eine Spannung, aus einem vorgegebenen Bereich V_Erfassung – V_ε < V_Mess < V_Erfassung + V_ε, wobei V_ε die nützliche Fehlergrenze ist, die durch die Ungenauigkeit der Fenstervergleichermessung und Drifts gegeben ist, oder eine Spannungsänderung Δ V_Mess (wodurch das Vorhandensein des ersten oder des zweiten elektrischen Potentials am leitenden Abschnitt 38' angegeben wird), zu detektieren. Zusammenfassend sei bemerkt, dass die Steuereinheit 44 das Deaktivierungssignal ausgibt, falls die vorstehend beschriebene Bedingung in Bezug auf den Signalbereich von V_Erfassung falsch ist.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Steuereinheit 44 ein Klemmelement 56 aufweisen. Hier ist das Klemmelement 56 durch eine Zenerdiode gebildet, die in Durchlassrichtung auf Masse 46 bezogen angeordnet ist. Das Klemmelement 56 ist zwischen dem leitenden Abschnitt 38' (am Messeingang der Steuereinrichtung 44) und dem Substrat 18 oder der Masse 46 angeordnet. Das Klemmelement 56 hat den Zweck, den (Überschuss-)Strom wie im Fall eines Isolationsdurchbruchs an Masse 46 abzuleiten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann ein Schutzelement 58, beispielsweise ein Widerstand oder ein Widerstand mit einem hohen Widerstandswert, der einen Widerstandswert größer als 10 kOhm oder sogar größer als 1000 kOhm aufweist, zwischen der Steuereinrichtung 44 und dem leitenden Abschnitt 38' angeordnet werden. Der Widerstand 58 mit einem hohen Widerstandswert hat den Zweck, die Beschädigung der Steuereinrichtung 44 im Fall eines Isolationsdurchbruchs zu vermeiden und einen ausfallsicheren Modus bereitzustellen. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Erfassungsschaltungsanordnung 44 Schutzelemente 58 zum Klemmen von Spannungen und Begrenzen von Strömen aufweisen kann, um eine Zerstörung angeschlossener Schaltungsanordnungen im Fall eines Versagens der Isolation zu verhindern.
4b zeigt ein anderes System, das die in den 3c und 3d dargestellte elektrische Schaltung 10''' und die Steuereinheit 44 aufweist. Der Unterschied zwischen den beiden Implementationen aus den 4a und 4b ist das verschiedenartige leitende Element 38' der elektrischen Schaltung 10'''. Hier ist das leitende Element 38' in den Isolator (nicht dargestellt) eingebettet und somit vom ersten und vom zweiten Schaltungsteil 12 und 14 gemäß der Ausführungsform aus 4a isoliert, so dass die Funktionalität und die Struktur der Steuereinheit 44 ähnlich sind.
4c zeigt eine andere Implementation einer Steuereinheit 44' für eine in den 3c und 3d dargestellte elektrische Schaltung 10''', wobei die Haftschicht 16b aus einem leitenden Material besteht. Demgemäß ist der leitende Element 38'' isoliert vom ersten Schaltungsteil 12 angeordnet und widerstandsartig mit dem zweiten Schaltungsteil 14 gekoppelt. Das Leitungsverhalten der Haftschicht 16b ist durch einen zwischen dem Substrat 18 und der zweiten Schaltung 14 angeordneten weiteren Widerstand 60 veranschaulicht. Wie durch 4c veranschaulicht ist, ist das Substrat 18 mit Masse 46 oder einem anderen Potential V_Substrat gekoppelt.
Gemäß dieser Ausführungsform weist die Steuereinheit 44' das Signaldetektionselement 54 auf, das dafür ausgelegt ist, eine Änderung des Signals oder der Spannung V_Mess zu detektieren. Hier ist das Signal wegen des widerstandsartigen Verhaltens der Haftschicht (vergl. Widerstand 60) direkt detektierbar (d. h. ohne ein elektrisches Element in der Art eines Widerstands). Dies bedeutet, dass der Widerstand 60 als ein elektrisches Element verwendet wird (vergl. 4b, Widerstand 50), wobei V_Substrat als V_Erfassung verwendet wird. Es sei bemerkt, dass die Steuereinheit 44' dieser Implementation dafür ausgelegt ist, lediglich das Vorhandensein des am leitenden Element 38'' vorhandenen elektrischen Potentials V_hoch zu detektieren.
Wie vorstehend beschrieben wurde, kann die Steuereinheit 44' das optionale Klemmelement 56 aufweisen, das in den Chip integriert werden kann oder als ein getrennter Einzelchip implementiert werden kann.
Mit Bezug auf 4d wird eine weitere Implementation der Steuereinheit 44'' erörtert, die im Wesentlichen gleich der Steuereinheit 44' aus 4c ist, im Gegensatz dazu jedoch in die zweite Schaltung 14' integriert ist. Anders ausgedrückt, bedeutet dies, dass die zweite Schaltung 14' dafür ausgelegt ist, ein Signal auszugeben, das ein Isolationsleck signalisiert. Wie dargestellt, kann die zweite Schaltung 14' auch das optionale Klemmelement 56 aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Steuereinrichtung 44, 44' und 44'' Mittel zum Deaktivieren des ersten Schaltungsteils 12 aufweisen. Diese Mittel können als ein Mikroprozessor implementiert sein.
Es sei mit Bezug auf die 3a bis 3d bemerkt, dass die dargestellten Implementationen der elektrischen Schaltung 10'' und 10''' auch in das Gehäuse 28 integriert werden können. Ferner können die Schichtanordnungen der elektrischen Schaltungen 10'' und 10''' derart variieren, dass Haftschichten 16a und 16b sowie 18b vorhanden sein können.
Zusätzlich sei bemerkt, dass das dargestellte Prinzip des Integrierens eines leitenden Abschnitts als ein Sensorelement in einen Isolator auch auf andere Anwendungen, beispielsweise auf weitere Leistungsprodukte, angewendet werden kann. Dies bedeutet folglich, dass die Schichtanordnung anders sein kann. Demgemäß sind die vorstehend beschriebenen Aspekte der vorliegenden Offenbarung nicht auf die dargestellten Schichtanordnungen beschränkt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die beiden isolierten Schaltungsteile lateral angeordnet sein, wobei der den leitenden Abschnitt aufweisende Isolator dazwischen angeordnet ist.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann ein Chip mehrere der vorstehend beschriebenen Isolatoren aufweisen, in welche der leitende Abschnitt eingebettet ist, wobei die mehreren derartigen Isolatoren an lateral verschiedenen Bereichen des Chips oder innerhalb eines Chipstapels angeordnet sein können. Hier sei bemerkt, dass eine Steuereinheit für die mehreren zu überwachenden Isolatoren ausreicht.
Mit Bezug auf die 3b und 3d sei bemerkt, dass der dargestellte erste Schaltungsteil 12 mehrere Schaltungselemente 12a und 12b aufweisen kann, welche den Schaltungsteil 12 bilden. Demgemäß kann der leitende Abschnitt 18a des Substrats 18 auch mehrere getrennte leitende Abschnitte 18a1 und 18a2 aufweisen.
Es sei mit Bezug auf die Ausführungsformen aus den 3a bis 3d bemerkt, dass der Sensorstift 20e' lediglich zum Testen während der Herstellung, beispielsweise zur Charakterisierung der Isolationseigenschaften, verwendet wird.
Es sei mit Bezug auf die 4a und 4c bemerkt, dass sich weitere Ausführungsformen auf ein System beziehen, das eine der vorstehend erörterten elektrischen Schaltungen 10', 10'' oder 10''' und eine der vorstehend beschriebenen Steuereinheiten 44, 44' oder 44'' aufweist.
Wenngleich einige Aspekte in Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist klar, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens zum Vermeiden eines elektrischen Lecks oder zum Detektieren eines Isolationsdurchbruchs zwischen einem ersten Schaltungsteil 12 und einem zweiten Schaltungsteil 14 repräsentieren. Das Verfahren umfasst das Anlegen eines ersten elektrischen Potentials an den ersten Schaltungsteil 12, das Anlegen eines zweiten elektrischen Potentials an den zweiten Schaltungsteil 14 und das Deaktivieren des ersten Schaltungsteils 12 in einem Fall, in dem detektiert wird, dass das erste und/oder das zweite elektrische Potential am leitenden Abschnitt 38, 38' oder 38'' vorhanden ist. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann der zweite Schaltungsteil 14 in einem Fall deaktiviert werden, in dem detektiert wird, dass eines der elektrischen Potentiale an den leitenden Abschnitten 38, 38' oder 38'' vorhanden ist. In Zusammenhang mit einem Verfahrensschritt beschriebene Aspekte repräsentieren auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Elements oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch eine Hardwarevorrichtung in der Art beispielsweise eines Mikroprozessors, eines programmierbaren Computers oder einer elektronischen Schaltung (oder unter Verwendung davon) ausgeführt werden. Gemäß einigen Ausführungsformen können einer oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch eine solche Vorrichtung ausgeführt werden.
Die elektrischen Schemata, die durch die 4a, 4b, 4c und 4d angegeben sind, sollen das allgemeine Prinzip der Leckdetektion an diesem zwischen den beiden Spannungsbereichen angeordneten Sensorelement beschreiben. Es kann angenommen werden, dass andere allgemeine Schaltungen für die Leckdetektion und Klemmstrukturen verwendet werden, welche die gleiche Funktionalität bereitstellen. Beispielsweise sei mit Bezug auf 4a bemerkt, dass an Stelle eines Widerstandselements 50, eines Klemmelements 56, eines Begrenzerelements 58 und eines Fenstervergleichers 54 eine andere Implementation verwendet werden könnte. An Stelle des Elements 50 kann eine aktive Stromquelle verwendet werden, die versucht, einen Strom vom Erfassungselement 38' zu ziehen, und kann das Begrenzungselement 58 auch in die Stromquelle integriert werden. Solange das Erfassungselement 38' keine Verbindung hat, ist diese Stromquelle in Sättigung, was bedeutet, dass sie keinen Strom aufprägen oder ziehen kann. Sie bleibt bei einem bestimmten Spannungspegel, der gewöhnlich durch den detaillierten Entwurf dieses Blocks gegeben ist. Ein Leckweg kann nun durch die Stromquelle detektiert werden, weil sie beginnt, den gesättigten Zustand zu verlassen (durch Ändern der als V_Mess bezeichneten Spannung), sobald ein Stromfluss über 38' möglich ist. Ferner kann die aktive Stromquelle ein internes Reguliersignal bereitstellen, das direkt die Änderung des Ausgangsstroms angibt. Dies hat den Vorteil, dass eine zweite parallel geschaltete Stromquelle verwendet werden kann, um die Funktionalität dieses Systems zu diagnostizieren. Diese Diagnose würde einen Strom absichtlich einbringen, um zu prüfen, ob ein sich ändernder Pegel von V_Mess oder im Allgemeinen eine Stromflussänderung in der ersten Stromquelle detektiert werden kann. Zusammenfassend bedeutet dies, dass der leitende Abschnitt 38, 38' oder 38'' durch eine zusätzliche Schaltungsanordnung 44 sicher erfasst werden kann, um infolge einer Spannungsverschiebung oder eines Stromflusses am leitenden Abschnitt, der selbst isoliert sein kann, zu detektieren, ob ein vollständiger oder teilweiser Kontakt mit dem ersten elektrischen Potential oder dem zweiten elektrischen Potential aufgetreten ist.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sollen lediglich das Prinzip der vorliegenden Offenbarung erläutern. Es sei bemerkt, dass Modifikationen und Abänderungen der Anordnungen und der Einzelheiten, die hier beschrieben sind, anderen Fachleuten verständlich sein werden. Eine Einschränkung soll daher nur durch den Schutzumfang der anliegenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten gegeben sein, die anhand der hier gegebenen Beschreibung und Erklärung der Ausführungsformen präsentiert wurden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 26262 [0002]
ASIL/ISO 26262 [0026]

Claims

Elektrische Schaltung, welche Folgendes aufweist: einen ersten Schaltungsteil, an den ein erstes elektrisches Potential anlegbar ist, und einen zweiten Schaltungsteil, an den ein zweites, verschiedenes elektrisches Potential anlegbar ist und der vom ersten Schaltungsteil durch einen Isolator galvanisch isoliert ist, wobei der Isolator einen leitenden Abschnitt aufweist.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, wobei der Isolator zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltungsteil angeordnet ist.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der leitende Abschnitt durch einen leitenden Ring gebildet ist, der den zweiten Schaltungsteil umgibt.
Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der leitende Abschnitt durch einen leitenden Bereich gebildet ist, der zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltungsteil angeordnet ist.
Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Isolator zwischen dem ersten Schaltungsteil und dem leitenden Abschnitt angeordnet ist.
Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der leitende Abschnitt in den Isolator eingebettet ist.
Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der erste Schaltungsteil ein Leiter eines Hochspannungsabschnitts ist und wobei der zweite Schaltungsteil ein Schaltungselement eines Niederspannungsabschnitts ist.
Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der zweite Schaltungsteil ein Sensorelement aufweist, das dafür ausgelegt ist, ein am ersten Schaltungsteil vorhandenes Signal zu detektieren.
Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der erste und der zweite Schaltungsteil ein gemeinsames Substrat aufweisen oder an einer gemeinsamen Leiterplatte angebracht sind.
Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der erste Schaltungsteil auf einer unteren Schicht angeordnet ist und wobei der zweite Schaltungsteil auf einer oberen Schicht angeordnet ist.
Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die elektrische Schaltung einen Anschluss mit einem oder mehreren Verbindungsabgriffen aufweist, der lateral neben der ersten und/oder der zweiten Schaltung angeordnet ist.
Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das gemeinsame Substrat oder die gemeinsame Leiterplatte der elektrischen Schaltung einen Anschluss mit einem oder mehreren Verbindungsabgriffen aufweist, wobei ein isolierender Bereich zwischen dem Anschluss und einem Bereich des ersten und/oder des zweiten Schaltungsteils angeordnet ist.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 11 oder 12, wobei der zweite Schaltungsteil über einen oder mehrere Bonddrähte elektrisch mit einem oder mehreren Verbindungsabgriffen des Anschlusses verbunden ist.
Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei der leitende Abschnitt über einen weiteren Bonddraht oder über ein anderes leitendes Element elektrisch mit mindestens einem Verbindungsabgriff des Anschlusses verbunden ist.
Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der leitende Abschnitt mit einer Steuereinrichtung gekoppelt ist, die dafür ausgelegt ist, den ersten Schaltungsteil in einem Fall zu deaktivieren, in dem detektiert wird, dass das erste und/oder das zweite elektrische Potential am leitenden Abschnitt vorhanden ist.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 15, wobei die Steuereinrichtung ein elektrisches Element und ein Signaldetektionselement aufweist, das dafür ausgelegt ist, ein an den leitenden Abschnitt angelegtes Signal zu detektieren, wobei das Signal das Vorhandensein des ersten und/oder des zweiten elektrischen Potentials angibt.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 16, wobei das elektrische Element einen Widerstand oder eine Stromquelle aufweist, der oder die auf einer ersten Seite mit dem leitenden Abschnitt und auf einer zweiten Seite mit einem anderen elektrischen Potential gekoppelt ist, und wobei das Signaldetektionselement dafür ausgelegt ist, eine Spannungsänderung am Widerstand zu detektieren, wobei die Spannungsänderung das Vorhandensein des ersten und/oder des zweiten elektrischen Potentials angibt.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 16, wobei das elektrische Element einen Kondensator aufweist, der auf einer ersten Seite mit dem leitenden Abschnitt und auf einer zweiten Seite mit einem anderen elektrischen Potential gekoppelt ist, und wobei das Signaldetektionselement dafür ausgelegt ist, eine Impedanzänderung am Kondensator zu detektieren, wobei die Impedanzänderung das Vorhandensein des ersten und/oder des zweiten elektrischen Potentials angibt.
Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei die Steuereinrichtung über ein Schutzelement oder über einen Widerstand mit dem leitenden Abschnitt gekoppelt ist.
Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 9 bis 19, wobei ein Klemmelement oder eine Diode zwischen dem leitenden Abschnitt und dem gemeinsamen Substrat angeordnet ist, um einen Überladungsschutz bereitzustellen.
Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 10 bis 20, wobei eine oder mehrere Haftschichten zwischen der unteren Schicht und der oberen Schicht angeordnet sind.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 21, wobei eine zwischen dem leitenden Abschnitt und dem zweiten Schaltungsteil angeordnete Haftschicht als ein leitendes Element mit einem Widerstandswert ausgebildet ist.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 22, wobei der leitende Abschnitt mit einer Steuereinrichtung gekoppelt ist, die dafür ausgelegt ist, den ersten Schaltungsteil in einem Fall zu deaktivieren, in dem detektiert wird, dass das erste und/oder das zweite elektrische Potential am leitenden Abschnitt vorhanden ist, wobei die Steuereinrichtung ein Signaldetektionselement aufweist, das dafür ausgelegt ist, eine Spannungsänderung am leitenden Element zu detektieren, wobei die Spannungsänderung das Vorhandensein des ersten und/oder des zweiten elektrischen Potentials angibt.
Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 9 bis 23, wobei das zweite elektrische Potential das elektrische Potential des gemeinsamen Substrats ist.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 23 oder 24, wobei die Steuereinrichtung in den zweiten Schaltungsteil integriert ist.
Elektrische Schaltung, welche Folgendes aufweist: ein gemeinsames Substrat oder eine gemeinsame Leiterplatte, einen ersten Schaltungsteil, der auf dem gemeinsamen Substrat oder auf der gemeinsamen Leiterplatte als eine untere Schicht angeordnet ist und an den ein erstes elektrisches Potential anlegbar ist, einen zweiten Schaltungsteil, an den ein zweites, verschiedenes elektrisches Potential anlegbar ist und der durch einen Isolator galvanisch vom ersten Schaltungsteil isoliert ist, wobei der Isolator zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltungsteil angeordnet ist und einen leitenden Abschnitt aufweist, wobei der zweite Schaltungsteil als eine obere Schicht in Bezug auf den ersten Schaltungsteil angeordnet ist, und einen Anschluss, der einen oder mehrere Verbindungsabgriffe aufweist und der lateral neben einem Bereich der ersten und/oder der zweiten Schaltung angeordnet ist, wobei der zweite Schaltungsteil über einen oder mehrere Bonddrähte elektrisch mit dem Anschluss verbunden ist und wobei der leitende Abschnitt über einen weiteren Bonddraht elektrisch mit mindestens einem Verbindungsabgriff des Anschlusses verbunden ist, wobei der erste Schaltungsteil ein Leiter eines Hochspannungsabschnitts ist und wobei der zweite Schaltungsteil ein Schaltungselement eines Niederspannungsabschnitts ist.
System, welches Folgendes aufweist: eine elektrische Schaltung, welche Folgendes aufweist: einen ersten Schaltungsteil, an den ein erstes elektrisches Potential anlegbar ist, und einen zweiten Schaltungsteil, an den ein zweites, verschiedenes elektrisches Potential anlegbar ist und der vom ersten Schaltungsteil durch einen Isolator galvanisch isoliert ist, wobei der Isolator einen leitenden Abschnitt aufweist, und eine Steuereinrichtung, die mit dem leitenden Abschnitt gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, den ersten Schaltungsteil in einem Fall zu deaktivieren, in dem detektiert wird, dass das erste und/oder das zweite elektrische Potential am leitenden Abschnitt vorhanden ist.
Verfahren zum Vermeiden eines elektrischen Lecks zwischen einem ersten Schaltungsteil und einem zweiten Schaltungsteil, wobei der erste und der zweite Schaltungsteil durch einen Isolator, der einen leitenden Abschnitt aufweist, galvanisch isoliert sind, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Anlegen eines ersten elektrischen Potentials an den ersten Schaltungsteil, Anlegen eines zweiten, verschiedenen elektrischen Potentials an den zweiten Schaltungsteil und Deaktivieren des ersten Schaltungsteils in einem Fall, in dem detektiert wird, dass das erste und/oder das zweite elektrische Potential am leitenden Abschnitt vorhanden ist.