DE102014211083A1

DE102014211083A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überlastsicherung

Info

Publication number: DE102014211083A1
Application number: DE102014211083.1A
Authority: DE
Inventors: Werner Schiemann; Joachim Joos
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-06-11
Filing date: 2014-06-11
Publication date: 2015-12-17

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Schutzschaltung, ein Bauelemen sowie ein Verfahren beansprucht, bei dem mittels eines Nebenschalterelements, welches elektrisch parallel zu einem Hauptschalterelement vorgesehen ist, der vom Hauptschalterelement aktivierbare Strompfad irreversibel unterbrochen werden kann. Der Kern der Erfindung besteht dabei darin, dass die Unterbrechung durch die Aktivierung des Nebenschalterelements erfolgt, ohne dass sich dieses Nebenschalterelement in dem vom Hauptschalterelement durchgeschaltenen Strompfad befindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung, ein elektronisches Bauelement sowie ein Verfahren zur Überlastsicherung eines Schaltung.
Stand der Technik
Ein wesentlicher Aspekt von elektronischen Schaltungen ist die Verwendung von Schaltern, um Ströme bzw. Spannungen gezielt zu steuern. Dabei können sowohl mechanische, elektromechanische als auch elektrische oder elektronische Schalter verwendet werden, die als einzelne Komponenten auf einer Leiterplatte oder auch monolithisch integriert in oder auf einem Halbleitersubstrat angeordnet sind.
Zur Schaltung von höheren Leistungen werden Leistungsschalter verwendet, die ebenfalls in Halbleitertechnik ausgeführt sein können. Die Ausgestaltung derartiger mikromechanischer bzw. mikroelektronischer Leistungsschalter, z.B. in Form von MOSFETs oder IGBTs, können jedoch aufgrund der kleinen Baugrößen in Verbindung mit MEMS-typischen Streueffekten bei der Herstellung Störanfälligkeiten bei elektrischer und/oder thermischer Überlastung auftreten. Dabei kann eine Überlastung eines Leistungsschalters zu verschiedenen Zuständen führen, beispielsweise zu einem niederohmigen bzw. höherohmigen Kurzschluss oder auch einer Trennung einer elektrischen Verbindung.
Bei der Verwendung von Leistungsschaltern, bei denen höhere Ströme oder auch Spannungen geschalten werden sollen, ist die Herstellung eines Kurzschlusses typischerweise nicht nur unerwünscht, sondern häufig auch zu verhindern, da dadurch ungewollte Ströme und Potentiale in der nachfolgenden Schaltung aufgebaut werden können, die zu Funktionsstörungen, zur Gefährdung oder zur Zerstörung führen können. Zur Unterdrückung derartiger ungewollter Kurzschlüsse können (anti)serielle Leistungsschalter eingesetzt werden. Hierbei benötigt man aber im Rahmen der Mikroelektronik mindestens die doppelte Fläche (für einen vorgegebenen Strom) auf dem Substrat, wodurch die Baugröße des gesamten Bauelements sich vergrößert. Weiterhin erhöht sich durch einen zweiten Schalter der Widerstand im eigentlichen Strompfad, so dass zusätzliche Verluste auftreten. Darüber hinaus entsteht zusätzlicher Ansteueraufwand sowie weiterer Aufwand in der Aufbau- und Verbindungstechnik.
Offenbarung der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Schutzschaltung, ein Bauelement sowie ein Verfahren beansprucht, bei dem mittels eines Nebenschalterelements, welches elektrisch parallel, zumindest bezüglich eines Anschlusses und der Stromrichtung, zu einem Hauptschalterelement vorgesehen ist, der vom Hauptschalterelement aktivierbare Strompfad irreversibel unterbrochen werden kann. Der Kern der Erfindung besteht dabei darin, dass die Unterbrechung durch die Aktivierung des Nebenschalterelements erfolgt, ohne dass sich dieses Nebenschalterelement in dem vom Hauptschalterelement durchgeschaltenen Strompfad befindet.
Durch die Verwendung eines zusätzlichen Nebenschalterelements kann somit der Gesamtwiderstand im schaltbaren Strompfad verringert werden. Darüber hinaus ergibt sich durch eine derartige Anordnung auch die Möglichkeit, Hauptschalterelement und Nebenschalterelement monolithisch auf einem gemeinsamen Substrat zu integrieren, wobei die beiden Schalterelemente trotzdem räumlich und elektrisch voneinander getrennt werden können. Typische monolithische Integrationen derartiger Schaltelemente werden als MOSEFTs oder IGBTs realisiert. Es ist jedoch auch möglich, dass beide Schalterelemente in separaten insbesondere mikroelektronischen Bauelementen realisiert werden und in Modulbauweise beispielsweise auf einem gemeinsamen Träger angeordnet werden.
Zur Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, dass das elektrisch parallel angeordnete Nebenschalterelement eine höhere Überlastung verarbeiten kann als das Hauptschalterelement. Dadurch kann auch bei einer teilweisen oder vollständigen Zerstörung des Hauptschalterelements, beispielsweise bei einem Durchbrennen mit der Herstellung eines Kurzschlusses, durch eine Aktivierung bzw. Degradation des Nebenschalterelements Zugriff auf den Strompfad genommen werden. Während der Strompfad auf den normalen Betrieb des Hauptschalterelements ausgerichtet ist, kann bei einer höheren Überlastung durch das Nebenschalterelement eine Brennstrecke im Strompfad aktiviert werden, um die irreversible Trennung des Strompfads herbeizuführen. Alternativ kann auch durch die Überlastung durch das Nebenschalterelement eine bestehende Verbindung im Strompfad, z.B. die Bondverbindung des Hauptschalterelements, irreversibel getrennt werden. Vorzugsweise genügt hierfür ein Nebenschaltelement, das wesentlich kleiner ist als das Hauptschaltelement, da das Nebenschaltelement nur einmalig die irreversible Trennung ermöglichen muss. Eine Zerstörung des Nebenschaltelements beim Vorgang ist zulässig. Typischerweise ist vorgesehen, dass das Nebenschaltelement eine um mindestens 30 % geringere Fläche auf dem Bauelement einnimmt. Besondere Vorteile ergeben sich, wenn das Nebenschaltelement einen Flächenbedarf gegenüber dem Hauptschaltelement von etwa 10 bis 20 % aufweist. Durch diese Reduzierung der Fläche sind Bauelemente mit einem geringeren Footprint möglich, ohne dass die Funktionsfähigkeit im Störfall darunter leidet.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In der 1 ist eine beispielhafte Schaltungsanordnung der Erfindung dargestellt. Anhand des Flussdiagramms in der 2 wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Realisierung einer Überlastsicherung verdeutlicht.
Offenbarung der Erfindung
Zur Sicherung einer Schaltungsanordnung, insbesondere einer Leistungsschaltungsanordnung, gegen Überlasten und den damit verbundenen eingangs beschriebenen Folgeeffekten, wird gemäß der vorliegenden Erfindung zusätzlich zum Hauptschaltelement ein elektrisch parallel angeordnetes Nebenschaltelement verwendet. Wie aus der 1 anhand eines einfachen Beispiels der Erfindung verdeutlicht wird, dient das Hauptschalterelement 100 zur Durchleitung eines Stroms in einem Strompfad 130. Bei der teilweisen oder vollständigen Zerstörung des Hauptschalterelements 100 kann es zu einem Kurzschluss kommen, bei dem der Strom ungeschaltet im Strompfad 130 fließt. Dies kann ungewollte oder sogar gefährliche Effekte im angeschlossenen Stromkreis nach sich ziehen.
Durch die Verwendung eines Nebenschaltelements 110, welches elektrisch parallel zum Hauptschaltelement 100 angeordnet ist, kann ein zusätzlicher Zugriff auf den Strompfad 130 erfolgen, sobald erkannt wird, dass das Hauptschaltelement 100 seine Funktion nicht mehr oder nur noch eingeschränkt übernehmen kann. Dies kann beispielsweise durch ein nicht gezeigtes weiteres Erfassungsmittel erfolgen. Mit der Aktivierung des Nebenschaltelements 110 beispielsweise durch ein nicht dargestelltes Aktivierungsmittel, erfolgt ein Stromfluss zum Punkt 140 im Strompfad 130. Indem das Nebenschaltelement 110 für eine höhere Überbelastung als das Hauptschaltelement 100 ausgelegt ist, kann der Stromfluss im Strompfad 130 zu einer irreversiblen Trennung führen, beispielsweise durch die Aktivierung einer im Strompfads 130 befindlichen Brennstrecke. Der Teil des Strompfades, der getrennt wird bzw. die Brennstrecke sollte dabei derart ausgelegt sein, dass sie die normalen Ströme und auch die Überlast, für die das Hauptschaltelement 100 ausgelegt ist, ohne Beschädigung durchleitet, wohingegen die Überlast, die durch das Nebenschaltelement 110 eingebracht wird, zum Durchbrennen führt.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass durch die Aktivierung des Nebenschaltelements 110 eine Verbindung des Hauptschaltelements 100, z.B. eine zugehörige Bondverbindung 120, irreversibel unterbrochen wird.
Durch die gezielte Durchtrennung des Strompfads 130 kann somit eine ungewollte und ggf. gefährliche Ansteuerung im weiteren Stromkreis unterbunden werden. Inwieweit dabei auch das Nebenschaltelement 110 in Mitleidenschaft gezogen wird oder auch zerstört wird, d.h. degradiert, ist nebensächlich, da dieses Nebenschaltelement 110 nur die Aufgabe hat, den Strompfad zu unterbrechen. Daher ist dieses Nebenschaltelement 110 lediglich zur einmaligen Nutzung vorgesehen.
Das für die Schutzschaltung benötigte Verfahren kann ebenfalls im Rahmen einer Steuerung bzw. Regelung durchgeführt werden. Hierzu wird auf das Flussdiagramm der 2 verwiesen. Nach dem Start des Algorithmus wird in einem ersten Schritt 200 erfasst, beispielsweise durch ein entsprechendes Erfassungsmittel, inwieweit die Funktionsfähigkeit des Hauptschalterelements, insbesondere eines Leistungsschalters, gegeben ist. Wird im nächsten Schritt 210 festgestellt, dass das Hauptschalterelement seine Funktionsfähigkeit im Wesentlichen erfüllt, so wird der Algorithmus beendet. Dabei kann die Funktionsfähigkeit des Hauptschalterelements durchaus auch noch erfüllt sein, wenn es nur noch teilweise seine Aufgaben erfüllen kann, solange das Hauptschalterelement die Fähigkeit aufweist, den Stromfluss durch den durch das Hauptschalterelement geschaltenen Strompfad zu sperren. Denkbar wäre hierbei, dass im Schritt 200 gezielte Strommessungen durchgeführt werden, um die (für Testzwecke eingeleitete) Sperrung zu überprüfen. Alternativ können auch entsprechende Spannungsmessungen als Entscheidungskriterium herangezogen werden.
Wird im Schritt 210 jedoch festgestellt, dass die Funktionsfähigkeit des Hauptschaltelements nicht mehr sichergestellt ist oder zumindest die minimale Funktion des Sperrens des Strompfads nicht mehr erreicht werden kann, so wird in einem nachfolgenden Schritt 220 das Nebenschaltelement aktiviert, beispielsweise durch ein entsprechendes Aktivierungsmittel, mit dem eine Verbindung innerhalb des Strompfads irreversibel getrennt wird. Anschließend kann der Algorithmus beendet werden.
Das Hauptschalterelement sowie das Nebenschaltelement können gemeinsam auf einem Halbleitersubstrat monolithisch integriert werden. Da das Nebenschaltelement während des normalen Betriebs nicht verwendet werden muss und nur als Sicherung dient, kann es im Vergleich zum Hauptschalterelement deutlich kleiner ausgeführt werden, wodurch sich insgesamt ein deutlich kleinerer Flächenbedarf ergibt.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass das Hauptschalterelement als auch das Nebenschalterelement in Modulbauweise gemeinsam in einem Gehäuse untergebracht sind, So können beide Schalter als einzelne Bauelemente, beispielsweise auf einer Leiter- oder Trägerplatte aufgebracht sein. Dadurch kann eine vorteilhafte Chip by Chip oder auch Chip on Chip Anordnung verwendet werden.
Generell können das Hauptschalterelement als auch das Nebenschalterelement als MOSFETs oder auch IGBTs ausgeführt sein.

Claims

Schutzschaltungsanordnung zur Überlastsicherung, mit • einem Hauptschalterelement (100), insbesondere einem Leistungsschalter, zur Aktivierung eines Strompfades (130), und • einem Nebenschalterelement (110), dessen Aktivierung auf den Strompfad wirkt, wobei das Nebenschalterelement • elektrisch parallel zum Hauptschalterelement (100) angeordnet ist, und • eine gegenüber dem Hauptschalterelement (100) höhere Überlastung aufweist, und • bei Aktivierung den Strompfad (130) irreversibel unterbricht.
Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierung des Nebenschalterelements (110) in Abhängigkeit von der Funktionsfähigkeit des Hauptschalterelements (100) erfolgt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Aktivierung des Nebenschalterelements (110) bei einer teilweisen oder vollständigen Zerstörung des Hauptschalterelements (100) erfolgt.
Schutzschaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierung des Nebenschalterelements (110) ein Durchbrennen einer im Strompfad (130) angeordneten elektrischen Verbindungsleitung erzeugt, insbesondere einer Bondverbindung (120) des Hauptschalterelements (100).
Elektronisches Bauelement mit einer Schutzschalteranordnung zur Überlastsicherung, insbesondere eine Schutzschalteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Bauelement • ein Hauptschalterelement (100), insbesondere ein Leistungsschalter wie beispielsweise ein MOSFET oder ein IGBT, und • ein Nebenschalterelement (110) aufweist, wobei das Nebenschalterelement (110) elektrisch parallel zum Hauptschalterelement (100) angeordnet ist und eine gegenüber dem Hauptschalterelement (100) höhere Überlastung aufweist, wobei das Nebenschalterelement (110) aktivierbar ist, um einen Strompfad (130) des aktivierten Hauptschalterelements (100) irreversibel zu unterbrechen.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptschalterelement (100) und das Nebenschalterelement (110) in Form von MEMS-Bauelementen in oder auf einem gemeinsamen Substrat aus Halbleitermaterial realisiert sind.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptschalterelement (100) und das Nebenschalterelement (110) in Form von separaten MEMS-Bauelementen realisiert sind, die durch eine geeignete Verbindung auf einem Trägerelement elektrisch verbunden sind.
Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aktivierungselement vorgesehen ist, welches die Aktivierung des Nebenschalterelements (110) in Abhängigkeit von der Erkennung der Funktionsfähigkeit des Hauptschalterelements (100) durchführt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Aktivierung bei der Erkennung einer teilweisen oder vollständigen Zerstörung des Hauptschalterelements (100) durchgeführt wird.
Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierung des Nebenschalterelements (110) ein Durchbrennen einer im Strompfad (130) angeordneten elektrischen Verbindungsleitung erzeugt, insbesondere einer Bondverbindung (120) des Hauptschalterelements (100).
Verfahren zur Durchführung einer Schutzschaltung mit Überlastsicherung, insbesondere ein Verfahren zur Durchführung in einer Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder in einem elektronischen Bauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 8, mit den Schritten • Erfassen der Funktionsfähigkeit eines Hauptschalterelements (100), insbesondere eines Leistungsschalters, und • Aktivierung eines Nebenschalterelements (110) in Abhängigkeit von der Funktionsfähigkeit des Hauptschalterelements (100) zur irreversiblen Unterbrechung eines durch den Hauptschalterelements (100) aktivierbaren Strompfads (130).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierung des Nebenschalterelements (110) bei der Erkennung einer teilweisen oder vollständigen Zerstörung des Hauptschalterelements (100) erfolgt.