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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Treiberschaltung zum Ansteuern einer Feldeffekttransistorstruktur.
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Stand der Technik
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Eine MOSFET-Treiberschaltung kann einen angeschlossenen Leistungs-MOSFET mit einem Ansteuerstrom mit einer festen Stromstärke und/oder über eine Gegentaktstufe (push/pull-Stufe) ansteuern. Es kann also auch ein Ansteuern mit einer festen Stromstärke unter Verwendung einer Gegentaktstufe erfolgen. Für das Ein- bzw. das Ausschalten können Stromquellen mit unterschiedlicher Stromrichtung, also Quelle gegen Source oder Quelle gegen eine elektrische Spannung von z.B. 5V (Ugs) verwendet werden. Alternativ können auch Schalter gegen Source und gegen 5V geschaltet sein.
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Eine Anpassung der Anstiegsrate (slew rate) und damit der Schaltzeiten des Leistungs-MOSFETs kann über ein externes Netzwerk mit z.B. Widerständen und/oder Kondensatoren erfolgen. Die Anstiegsrate kann in einem geringfügigen Rahmen über eine SPI-Schnittstelle der MOSFET-Treiberschaltung angepasst werden.
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Aufgrund von EMV-Anforderungen müssen bei vielen Anwendungen die Schaltvorgängen des Leistungs-MOSFETs z.B. in einem pulsweitenmodulierten Betrieb (PMW-Betrieb) sehr langsam erfolgen (di/dt < 1A/µs bzw. du/dt < 1V/µs). Speziell bei Systemen mit hoher elektrischer Systemspannung (z.B. bei Nutzfahrzeugen) mit einer konstanten Gleichspannung von z.B. 24V) führt dies im Falle eines elektrischen Kurzschlusses zu einer Zerstörung des Leistungs-MOSFETs. Bei CV-Anwendungen im Kraftfahrzeug kann die Stärke des durch den Leistungs-MOSFET fließenden elektrischen Stromes im Fall eines elektrischen Kurzschlusses innerhalb von ca. 1µs auf bis zu 200 A in Abhängigkeit von dem Kabelbaum, dem Batteriezustand etc. steigen. Ein Leistungs-MOSFET wird in diesem Fall bei einer notwendigen Abschaltzeit von ca. 25 µs irreparabel zerstört.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Wege aufzuzeigen, wie die Abschaltzeit im Falle eines elektrischen Kurzschlusses verkürzt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer Treiberschaltung zum Ansteuern einer Feldeffekttransistorstruktur und eine solche Treiberschaltung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung nutzt aus, dass auf das Erfassen des elektrischen Kurzschlusses hin nach einem Wechsel von einem Normalbetrieb in einen Sicherheitsbetrieb eine charakteristische Größe des Ansteuersignales zum Schalten der Feldeffekttransistorstruktur im Ansteuerstromkreis der Feldeffekttransistorstruktur verändert wird, was eine Beschleunigung des Schaltens der Feldeffekttransistorstruktur bewirkt. Bei der charakteristischen Größe kann es sich um eine Stromstärke, eine elektrische Spannungshöhe oder um eine elektrische Leistung des Ansteuersignales handeln. Hierdurch wird es möglich, eine Eingangskapazität der Feldeffekttransistorstruktur im Falle eines erfassten elektrischen Kurzschlusses im Vergleich zu dem Normalbetrieb bei einem Schaltvorgang beschleunigt zu laden oder zu entladen, um die Feldeffekttransistorstruktur zu schützen. So kann mit einfachen Mitteln die Schaltzeit der Feldeffekttransistorstruktur verkürzt werden, so dass es nicht zu einer irreparablen Schädigung der Feldeffekttransistorstruktur kommt. Vorzugsweise wird ein Ausschalten (d.h. nicht stromführend) der Feldeffekttransistorstruktur beschleunigt, die Erfindung betrifft jedoch grundsätzlich ebenso ein Einschalten (d.h. stromführend).
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Gemäß einer Ausführungsform wird zum Erfassen des elektrischen Kurzschlusses eine elektrische Spannung zwischen einem Drainanschluss und einem Sourceanschluss der Feldeffekttransistorstruktur erfasst und die erfasste Spannung mit einem Schwellwert verglichen. Hierdurch wird erreicht, dass mit einfachen und zuverlässigen Mittel sicher ein elektrischer Kurzschluss erfasst werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die erste charakteristische Größe eine erste Stromstärke des elektrischen Ansteuersignales und die zweite charakteristische Größe ist eine zweite Stromstärke des elektrischen Ansteuersignales. Die zweite Stromstärke ist dabei betragsmäßig höher als die erste Stromstärke. Hierdurch wird eine beschleunigte Ladung oder Entladung der Eingangskapazität der Feldeffekttransistorstruktur bewirkt, ohne dass die Feldeffekttransistorstruktur und/oder Komponenten der Treiberschaltung erhöhten elektrischen Spannungen ausgesetzt sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Stromstärke des Ansteuersignales durch Ansteuern einer Stromquelle der Treiberschaltung eingestellt, wobei die Stromquelle dazu ausgebildet ist, Ansteuersignale mit zumindest zwei unterschiedlichen Stromstärken bereitzustellen. Hierdurch wird erreicht, dass die Treiberschaltung einen besonders einfachen Aufbau aufweist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Treiberschaltung eine Widerstandseinheit mit einem ersten Strompfad mit einem ersten ohmschen Widerstand und mit einem zweiten Strompfad mit einem zweiten ohmschen Widerstand auf, wobei der erste ohmsche Widerstand ungleich dem zweiten ohmschen Widerstand ist, und wobei mit einem Schaltmittel der Widerstandseinheit das Ansteuersignal über den ersten Strompfad oder den zweiten Strompfad leitbar ist, um das Ansteuersignal mit der ersten Stromstärke und der zweiten Stromstärke bereitzustellen. Hierdurch wird erreicht, dass z.B. eine besonders einfache Stromquelle, die nur einen Ansteuerstrom mit einer einzigen Stromstärke bereitstellt, verwendet werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird bei einem Wechsel von dem Normal- in den Sicherheitsbetrieb auf das Erfassen eines elektrischen Kurzschlusses hin die charakteristische Größe des Ansteuersignales um den Faktor 10 bis 1000, insbesondere um den Faktor 50 bis 200, verändert. Hierdurch wird erreicht, dass die Schaltzeiten bei einem Ausschaltvorgang z.B. auf Werte von 1µs bis 25 µs reduziert werden können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Treiberschaltung in einem Gegentaktbetrieb betrieben. Somit weist die Treiberschaltung zwei Bauteile auf, die in entgegengesetzter Weise arbeiten, wobei jeweils nur eines von beiden aktiv ist. Ein Arbeitswiderstand ist bei einer Treiberschaltung, die im Gegentakt betrieben wird, nicht erforderlich. Dadurch wird im Vergleich mit anderen Schaltprinzipien ein deutlich höherer Wirkungsgrad erreicht.
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Ferner gehört zur Erfindung eine Treiberschaltung zum Ansteuern einer Feldeffekttransistorstruktur. Die Treiberschaltung ist dazu ausgebildet, ein elektrisches Ansteuersignal mit einer ersten charakteristischen Größe in einem Normalbetrieb zum Ansteuern der Feldeffekttransistorstruktur bereitzustellen, wobei die erste charakteristische Größe eine Schaltzeit der Feldeffekttransistorstruktur bei einem (Aus-)Schaltvorgang der Feldeffekttransistorstruktur festlegt. Die Treiberschaltung ist ferner dazu ausgebildet, auf Erfassen eines elektrischen Kurzschlusses in einem Laststromkreis der Feldeffekttransistorstruktur hin von dem Normalbetrieb in einen Sicherheitsbetrieb zu wechseln, in dem die Treiberschaltung ein elektrisches Ansteuersignal mit einer zweiten charakteristischen Größe bereitstellt zum Verändern der Schaltzeit der Feldeffekttransistorstruktur, wobei sich die erste charakteristische Größe von der zweiten charakteristischen Größe unterscheidet. Mit der Treiberschaltung kann eine Eingangskapazität der Feldeffekttransistorstruktur im Falle eines erfassten elektrischen Kurzschlusses im Vergleich zu dem Normalbetrieb bei einem (Aus-)Schaltvorgang beschleunigt geladen oder entladen werden, um die Feldeffekttransistorstruktur zu schützen. Mit einer derartigen Treiberschaltung können z.B. Leistungs-MOSFETs in Kraftfahrzeugen angesteuert werden und zugleich EMV-Anforderungen im Kraftfahrzeugbereich erfüllt werden. Es können mit der Treiberschaltung alle PWM-gesteuerten Endstufen angesteuert werden, da mit relativ langen Schaltzeiten EMV-Anforderungen erfüllt werden können. Es können mit der Treiberschaltung z.B. ein Lambda-Sondenheizer, Einspritzventile für Benzin oder Gas, eine Zumesseinheit (ZME) oder ein Druckregelventil (DRV) angesteuert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Treiberschaltung eine Stromquelle auf, die dazu ausgebildet ist, Ansteuersignale mit zumindest zwei unterschiedlichen Stromstärken bereitzustellen. Somit kann die Treiberschaltung einen besonders einfachen Aufbau aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Treiberschaltung eine Widerstandseinheit mit einem ersten Strompfad mit einem ersten ohmschen Widerstand und mit einem zweiten Strompfad mit einem zweiten ohmschen Widerstand auf. Der erste ohmsche Widerstand ist ungleich dem zweiten ohmschen Widerstand, wobei mit einem Schaltmittel der Widerstandseinheit das Ansteuersignal über den ersten Strompfad oder den zweiten Strompfad leitbar ist, um das Ansteuersignal mit der ersten charakteristische Größe und der zweiten charakteristischen Größe bereitzustellen. Somit kann die Treiberschaltung z.B. eine besonders einfache Stromquelle aufweisen, die nur einen Ansteuerstrom mit einer einzigen Stromstärke bereitstellt.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer Treiberschaltung gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt in schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel einer Treiberschaltung gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Die 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Treiberschaltung 2 zur Ansteuerung einer Feldeffekttransistorstruktur 4.
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Die Feldeffekttransistorstruktur 4 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Leistungs-MOSFET. Ein Leistungs-MOSFET (englisch power MOSFET) ist eine spezialisierte Version eines Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors, der für das Leiten und Sperren von großen elektrischen Strömen und Spannungen optimiert ist (bis mehrere hundert Ampere und bis ca. 1000 Volt, bei einem Bauteilvolumen von etwa einem Kubikzentimeter). Abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die Feldeffekttransistorstruktur 4 auch Teil einer Kaskadenschaltung, bestehend aus einem Feldeffekttransistor und einem Bipolartransistor, sein. Ferner kann die Feldeffekttransistorstruktur 4 auch Teil eines IGBT (englisch insulated-gate bipolar transistor) sein.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Feldeffekttransistorstruktur 4 als Leistungsschalter betrieben. Die Feldeffekttransistorstruktur 4 ist in einen Steuerstromkreis 26 und in einen Laststromkreis 28 eingeschleift. Der Laststromkreis 28 weist einen Lastwiderstand 6, z.B. einen Aktuator eines Kraftfahrzeugs, einen Drainanschluss D und einen Sourceanschluss S der Feldeffekttransistorstruktur 4 auf. Der Steuerstromkreis 26 verbindet elektrisch leitend einen Gateanschluss G der Feldeffekttransistorstruktur 4 mit einem ersten Anschluss 32 der Treiberschaltung 2, wobei ein zweiter Anschluss 34 der Treiberschaltung 2 mit dem Sourceanschluss S der Feldeffekttransistorstruktur 4 elektrisch leitend verbunden ist.
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Die Feldeffekttransistorstruktur 4 weist des Weiteren zwischen dem Drainanschluss D und dem Gateanschluss G eine erste parasitäre Kapazität Cgd, zwischen dem Gateanschluss G und dem Sourceanschluss S eine zweite parasitäre Kapazität Cgs und zwischen dem Drainanschluss D und dem Sourceanschluss S eine dritte parasitäre Kapazität Cds auf. Die parasitären Kapazitäten Cgd und Cgs bilden eine Eingangskapazität Cein der Feldeffekttransistorstruktur 4, deren Größe mindestens der Summe der beiden parasitären Kapazitäten Cgd und Cgs entspricht: Cein = Cgd + Cgs
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Ein Ein- und Ausschalten der Feldeffekttransistorstruktur 4 erfordert ein Umladen der Eingangskapazität Cein. Die notwendige Zeitdauer für das Umladen legt die erforderlichen Schaltzeiten der Feldeffekttransistorstruktur 4 fest.
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Die Treiberschaltung 2 bewirkt das Umladen der Eingangskapazität Cein durch Bereitstellen eines Ansteuersignals IA. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Ansteuersignal IA um einen Ansteuerstrom.
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Die Treiberschaltung 2 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als ASIC ausgebildet. Ferner ist die Treiberschaltung 2 im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Gegentaktstufe ausgebildet. Sie erlaubt daher einen Gegentaktbetrieb der Treiberschaltung 2. Die Treiberschaltung weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Spannungserfassungseinheit 8, eine Auswerteeinheit 10 und eine Ansteuereinheit 12 auf. Des Weiteren weist die Treiberschaltung eine SPI-Busschnittstelle 30 auf.
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Die Treiberschaltung 2, die Spannungserfassungseinheit 8, die Auswerteeinheit 10, die Ansteuereinheit 12 und die SPI-Busschnittstelle 30 können Hard- und/oder Softwarekomponenten aufweisen.
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Die Spannungserfassungseinheit 8 ist dazu ausgebildet, eine zwischen dem Drainanschluss D und dem Sourceanschluss S anliegende Drain-Source-Spannung UDS zu erfassen.
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Die Auswerteeinheit 10 ist dazu ausgebildet, den erfassten Wert für die Drain-Source-Spannung UDS mit einem Schwellwert S zu vergleichen. Hierzu weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Auswerteeinheit 10 einen Komparator 14 auf. Die Größe des Schwellwerts S kann z.B. über die SPI-Busschnittstelle 30 vorgegeben werden.
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Die Ansteuereinheit 12 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel dazu ausgebildet, Ansteuersignale IA mit zumindest zwei unterschiedlichen Stromstärken bereitzustellen. Hierzu weist die Ansteuereinheit 12 eine Stromquelle 16 auf. Die Ansteuereinheit 12 stellt in einem Normalbetrieb ein Ansteuersignal IA mit einer ersten charakteristischen Größe und in einem Sicherheitsbetrieb ein Ansteuersignal IA mit einer zweiten charakteristischen Größe bereit. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die erste charakteristische Größe eine erste Stromstärke des Ansteuersignales IA und die zweite charakteristische Größe eine zweite Stromstärke des Ansteuersignales IA, wobei die Stromstärke im Normalbetrieb kleiner als im Sicherheitsbetrieb ist. Z.B. kann die Stromstärke des ersten Ansteuersignales IA im Normalbetrieb um den Faktor 10 bis 1000, insbesondere um den Faktor 50 bis 200, kleiner sein als die Stromstärke des zweiten Ansteuersignales IA.
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Wenn der Lastwiderstand 6 z.B. mit einem pulsweitenmodulierten elektrischen Strom beaufschlagt werden soll, steuert die Treiberschaltung 2 die Feldeffekttransistorstruktur 4 in dem Normalbetrieb durch Bereitstellen eines Ansteuersignales IA mit der ersten Stromstärke derart an, dass abwechselnd die Drain-Source-Strecke zwischen dem Drainanschluss D und dem Sourceanschluss S elektrisch leitend und elektrisch sperrend wird. Hierbei wird die Eingangskapazität Cein mit einer großen Zeitkonstante umgeladen. Folglich ist die Anstiegszeit der Drain-Source-Spannung UDS während eines Einschaltvorgangs und eines Ausschaltvorganges der Feldeffekttransistorstruktur 4 in Normalbetrieb relativ groß.
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Wenn die Drain-Source-Strecke elektrisch leitend ist, also die Feldeffekttransistorstruktur 4 eingeschaltet ist, und in dem Laststromkreis 28 ein (insbesondere heißer) elektrischer Kurzschluss auftritt, führt dies zu einem Anstieg der Drain-Source-Spannung UDS. Dabei wird unter einem heißen Kurzschluss verstanden, dass die Last kurzgeschlossen ist und der elektrische Strom durch ein Schaltelement steigt. Unter einem kalten Kurzschluss hingegen wird verstanden, dass ein Schaltelement überbrückt ist und der Strom durch den Schalter gegen null sinkt.
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Der Wert der Drain-Source-Spannung UDS wird von der Spannungserfassungseinheit 8 erfasst und zu der Auswerteeinheit 10 übertragen. Der Komparator 14 vergleicht den Wert der erfassten Drain-Source-Spannung UDS mit dem Schwellwert S. Übersteigt der Wert der erfassten Drain-Source-Spannung UDS den Schwellwert S, erzeugt der Komparator 14 ein Steuersignal, das die Ansteuereinheit 12 veranlasst, von dem Normalbetrieb mit einem Ansteuersignal IA mit der ersten Stromstärke in den Sicherheitsbetrieb mit einem Ansteuersignal IA mit der zweiten Stromstärke zu wechseln. Hierzu steht der Komparator 14 der Auswerteeinheit 10 mit der Ansteuereinheit 12 in Wirkverbindung.
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Somit stellt die Treiberschaltung 2 in dem Sicherheitsbetrieb ein Ansteuersignal IA mit der zweiten Stromstärke bereit, die größer als die erste Stromstärke während des Normalbetriebs ist. Dies führt zu einem im Vergleich zu dem Normalbetrieb beschleunigten Umladen der Eingangskapazität Cein. Folglich ist die Anstiegszeit der Drain-Source-Spannung UDS während eines Ausschaltvorganges der Feldeffekttransistorstruktur 4 im Falle eines elektrischen Kurzschlusses aufgrund des viel größeren Ansteuerstromes im Vergleich zum Normalbetrieb viel kleiner. Somit wird die Feldeffekttransistorstruktur 4 abgeschaltet, bevor sie irreparabel Schaden nimmt.
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Die in 2 dargestellte Treiberschaltung 2 unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Ansteuereinheit 12 eine Spannungsquelle 16' aufweist, die ein Ansteuersignal mit einer festen Spannungshöhe bereitstellt.
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Ferner unterscheidet sich die in 2 dargestellte Treiberschaltung 2 von der in 1 dargestellten Treiberschaltung 2 dadurch, dass die Ansteuereinheit 12 eine Widerstandseinheit 18 mit einem ersten Strompfad I und mit einem zweiten Strompfad II aufweist. Dem ersten Strompfad I ist ein erstes elektrisches Widerstandsbauteil 22 und dem zweiten Strompfad II ist ein zweites elektrisches Widerstandsbauteil 24 zugeordnet, wobei der elektrische Widerstand des ersten Widerstandsbauteils 22 größer als der elektrische Widerstand des zweiten Widerstandsbauteils 24 ist.
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Des Weiteren weist die Widerstandseinheit 18 ein Schaltmittel 20, wie z.B. einen Halbleiterwechselschalter auf, mit denen das Ansteuersignal im Normalbetrieb über den ersten Strompfad I und im Sicherheitsbetrieb über den zweiten Strompfad II leitbar ist. Hierzu steht der Komparator 14 der Auswerteeinheit 10 mit dem Schaltmittel 20 in Wirkverbindung. Somit kann mit der Widerstandeinheit 18 das Ansteuersignal verändert werden, um die Anstiegsrate und damit die Schaltzeit der Feldeffekttransistorstruktur 4 zu verkürzen.
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Abweichend von den vorliegenden Ausführungsbeispielen gemäß den 1 und 2 kann das Verfahren auch bei HSS(Highside-Schalter)-Anwendungen Verwendung finden, bei denen die Feldeffekttransistorstruktur 4 mit ihrem Drainanschluss D direkt an eine elektrische Versorgungsspannung angeschlossen ist, während der Lastwiderstand 6 zwischen dem Sourceanschluss S und Masse geschaltet ist.
