DE102015115679B4

DE102015115679B4 - Fehlererkennung für Schaltvorrichtungen

Info

Publication number: DE102015115679B4
Application number: DE102015115679.2A
Authority: DE
Inventors: Harald Koffler; Friedrich Kroener
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2014-09-19
Filing date: 2015-09-17
Publication date: 2022-06-09
Anticipated expiration: 2035-09-18
Also published as: CN105450204B; US20160087418A1; DE102015115679A1; US9595821B2; CN105450204A; DE102015017431B3

Abstract

Vorrichtung, umfassend:einen ersten Schalter, der zur Kopplung mit einer Last eingerichtet ist;eine Steuerschaltung, die eingerichtet ist, den ersten Schalter als Reaktion auf eine Erkennung eines Fehlerereignisses in dem ersten Schalter vorübergehend zu schließen;eine Detektionsschaltung, die eingerichtet ist, das Fehlerereignis zu detektieren; undeinen zweiten Schalter, der zu dem ersten Schalter parallel gekoppelt ist, wobei die Detektionsschaltung eine erste Induktivität, die mit dem ersten Schalter in Reihe gekoppelt ist, und eine zweite Induktivität, die mit dem zweiten Schalter in Reihe gekoppelt ist, umfasst.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Fehlererkennung für Schaltvorrichtungen und Techniken zur Handhabung erfasster Fehler oder potenzieller Ausfälle.
Hintergrund
Schaltvorrichtungen können zum Schalten von Spannungen oder Strömen in elektronischen Schaltungen verwendet werden. Bei vielen Anwendungen werden Schaltvorrichtungen unter Gebrauch von Transistoren wie Feldeffekttransistoren (FETs), Bipolartransistoren oder Mischungen davon wie Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs) implementiert. Derartige Schalter können bei manchen Anwendungen zum Beispiel zur selektiven Kopplung einer Last an eine Versorgungsspannung verwendet werden. Bei manchen Anwendungen können hohe Versorgungsspannungen, z. B. in der Größenordnung von einigen 100 V erforderlich sein.
Wenn sich der Schalter in einem offenen Zustand befindet (d. h. einem Zustand, in dem der Schalter im Wesentlichen zwischen Last und Anschlüssen nicht leitend ist), kann daher ein verhältnismäßig hoher Spannungsabfall am Schalter vorliegen. In manchen Fällen, zum Beispiel Strahlung wie kosmischer Strahlung, kann eine derartige Situation eine Bildung von Trägern verursachen, die durch ein dem Spannungsabfall entsprechendes elektrisches Feld beschleunigt werden, was wiederum einen Lawinendurchbruch des Schalters zur Folge haben könnte. Insbesondere kann ein kleiner Bereich des Schalters, auch als Filament bezeichnet, durch die Bildung von Ladungsträgern leitend werden. Stromleitung durch ein solches Filament, das einen verhältnismäßig kleinen Durchmesser aufweisen kann, kann zu irreversiblen Schäden am Schalter führen, zum Beispiel wegen Überhitzung. Derartige irreversible Schäden können in manchen Fällen bereits nach 50-100 ns auftreten. Es ist daher eine Aufgabe, Möglichkeiten bereitzustellen, solche Schäden zu verhindern oder ihre Wahrscheinlichkeit zumindest zu verringern.
Die US 7 907 379 B2 offenbart einen Überlastdetektor, der einen Laststrom eines Transistors während des AUS-Zustands mittels eines Stromsensors erfasst. Überschreitet der Laststrom einen definierten Laststrom-Schwellenwert während des AUS-Zustands, wird der Transistor gemäß einem Überlastschutz-Zustand in den EIN-Zustand gesteuert.
Die DE 10 2010 007 901 B4 offenbart eine Schaltung zur galvanisch getrennten Ansteuerung von MOSFETs mit einem Übertrager, der primäre Steuersignale kurzer Dauer über beide magnetische Flussrichtungen überträgt, wobei das eine Ende einer ersten primären Wicklung über einen ersten Transistor und das eine Ende einer zweiten primären Wicklung über einen zweiten Transistor mit Masse verbunden sind und über einen Vorwiderstand mit einer Spannungsquelle verbunden sind, über dem bei leitendem ersten oder zweiten Transistor ein Spannungsabfall entsteht, so dass ein am Verbindungspunkt des Vorwiderstandes mit den primären Wicklungen angeschlossener Kondensator sich in eine der primären Wicklungen entlädt, wobei der Entladestrom des Kondensators über eine nach Masse angeschlossene Diode fließt, so dass der Ladestrom des Kondensators, der unmittelbar nach Abschalten eines der beiden Transistoren über den Vorwiderstand fließt, über Basiswiderstände einen dritten und einen vierten Transistor ansteuert, so dass sich für die an den dritten und vierten Transistor angeschlossenen Wicklungen des Übertragers ein Kurzschluss ergibt.
Kurzfassung
Es werden eine Vorrichtung nach Anspruch 1 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
2 ist ein Schaltbild, das einige Merkmale einiger Ausführungsformen zeigt;
3 und 4 sind Diagramme, die das Verhalten der Schaltung von 2 unter bestimmten Umständen zeigen;
5 ist ein Schaltbild, das eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform zeigt;
6A-6C sind Diagramme, die Vorrichtungen gemäß einigen Ausführungsformen zeigen;
7 ist ein Schaltbild, das eine weitere Ausführungsform zeigt;
8 ist ein schematisches Schaltbild, das eine Vorrichtung gemäß einem Beispiel zeigt;
9 ist ein schematisches Schaltbild, das eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform zeigt;
10 ist ein Schaltbild, das eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform zeigt;
11 ist ein Diagramm, das eine mögliche räumliche Anordnung der Schaltvorrichtungen, wie bei manchen Ausführungsformen nutzbar, zeigt;
12 ist ein Schaltbild, das eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform zeigt;
13 und 14 sind Schaltbilder, die ein Verhalten der Vorrichtung von 12 unter verschiedenen Umständen zeigen;
15 ist ein Schaltbild, das eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform zeigt;
16 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform zeigt; und
17 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren gemäß einer weiteren Ausführungsform zeigt.

Genaue Beschreibung der veranschaulichenden Ausführungsformen
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen genau beschrieben. Diese Ausführungsformen werden nur beispielhaft dargestellt und sind nicht als den Umfang der vorliegenden Erfindung beschränkend aufzufassen.
Während bei einer Beschreibung von Ausführungsformen zum Beispiel angegeben sein kann, dass sie eine Vielzahl von Merkmalen oder Elementen umfassen, ist es möglich, dass bei anderen Ausführungsformen einige dieser Merkmale oder Elemente weggelassen und/oder durch alternative Merkmale oder Elemente ersetzt werden. Bei wieder anderen Ausführungsformen können zusätzlich oder alternativ weitere Merkmale oder Elemente, getrennt von den ausdrücklich beschriebenen, vorgesehen werden.
Merkmale oder Elemente von verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden, sofern nicht eigens anderweitig angegeben.
Bei den folgenden Ausführungsformen können Verbindungen oder Kopplungen zwischen Elementen, Blöcken oder Vorrichtungen direkte Verbindungen oder Kopplungen, d. h. Verbindungen oder Kopplungen ohne intervenierende Elemente, oder indirekte Verbindungen oder Kopplungen, d. h. Verbindungen oder Kopplungen mit einem oder mehreren intervenierenden Elementen, sein, sofern nicht eigens anderweitig angegeben, vorausgesetzt, dass die allgemeine Funktion der Verbindung oder Kopplung, beispielsweise zum Übertragen eines Signals oder einer Information eines bestimmten Typs, grundsätzlich gewahrt bleibt. Verbindungen oder Kopplungen können kabelgebundene Verbindungen oder Kopplungen oder drahtlose Verbindungen oder Kopplungen sein.
Bei einigen der folgenden Ausführungsformen werden Schalter verwendet. Ein Schalter kann als Vorrichtung mit zwei Lastanschlüssen und einem Steueranschluss beschrieben werden. Ein Zustand des Schalters kann, zum Beispiel, offen oder geschlossen sein, und der Zustand kann durch ein an den Steueranschluss angelegtes Signal gesteuert werden. In einem geschlossenen Zustand (manchmal auch als Ein-Zustand bezeichnet) kann der Schalter zwischen seinen Lastanschlüssen leitend sein, d. h., einen niedrigen ohmschen Widerstand zwischen seinen Lastanschlüssen aufweisen, und in einem offenen Zustand (manchmal auch als Aus-Zustand bezeichnet) ist der Schalter möglicherweise nicht leitend, d. h., er kann einen hohen ohmschen Widerstand zwischen seinen Lastanschlüssen aufweisen. Es wird darauf hingewiesen, dass im offenen Zustand bei manchen Implementierungen immer noch sehr kleine Ströme fließen können, zum Beispiel unbeabsichtigte Leckströme.
Bei manchen Ausführungsformen können Schalter unter Gebrauch von Transistoren implementiert werden, zum Beispiel Bipolartransistoren, Feldeffekttransistoren (FETs) wie MOSFETs oder Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs), die in gewisser Hinsicht eine Mischung aus Bipolartransistoren und Feldeffekttransistoren darstellen. In diesem Fall, zum Beispiel, kann ein Gateanschluss oder ein Basisanschluss einem Steueranschluss des Schalters entsprechen, und ein Source- und Drainanschluss oder ein Emitter- und Kollektoranschluss können den Lastanschlüssen entsprechen.
Bei manchen Ausführungsformen kann ein Schalter bei Erkennung eines Fehlerereignisses in geöffnetem Zustand vorübergehend geschlossen werden, um zum Beispiel eine dauerhafte Beschädigung des Schalters zu verhindern. Bei manchen Ausführungsformen kann das Fehlerereignis ein solches sein, das einen Lawinendurchbruch des Schalters anzeigt.
Bei anderen Ausführungsformen kann eine Schaltvorrichtung einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter umfassen. Der erste Schalter und ein zweiter Schalter können parallel gekoppelt sein. Eine erste Induktivität kann mit dem ersten Schalter in Reihe gekoppelt sein, und eine zweite Induktivität kann mit dem zweiten Schalter in Reihe gekoppelt sein. Ein Fehlerereignis kann durch Überwachen von Spannungen an der ersten Induktivität und/oder an der zweiten Induktivität erkannt werden. Bei anderen Ausführungsformen können andere Techniken verwendet werden.
Bezugnehmend auf die Figuren ist in 1 ein Blockdiagramm gezeigt, das eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht. Die Vorrichtung von 1 umfasst eine Schaltvorrichtung 10. Die Schaltvorrichtung 10 kann einen oder mehrere Schalter zum selektiven Öffnen und Schließen einer Verbindung zwischen den Lastanschlüssen 13, 14 der Schaltvorrichtung 10 umfassen. Bei manchen Ausführungsformen kann die Schaltvorrichtung 10 Transistoren als den einen oder mehrere Schalter umfassen. Bei manchen Ausführungsformen kann die Schaltvorrichtung 10 zum Schalten einer Versorgungsspannung fähig sein, zum Beispiel einer Versorgungsspannung einschließlich Spannungen in der Größenordnung von einigen 100 V, obwohl Anwendungen der Vorrichtung von 1 nicht auf derartige Spannungen beschränkt sind. Bei manchen Ausführungsformen kann die Schaltvorrichtung 10 als ein High-Side-Schalter fungieren, um selektiv eine Last an eine positive Versorgungsspannung zu koppeln, oder als ein Low-Side-Schalter, um selektiv eine Last an eine negative Versorgungsspannung oder an Masse zu koppeln. Die Schaltvorrichtung 10 ist jedoch nicht auf derartige Anwendungen begrenzt.
Die Schaltvorrichtung 10 von 1 umfasst weiterhin eine EreignisDetektionsschaltung 12, die zur Erkennung von Fehlerereignissen bei der Schaltvorrichtung 10 ausgelegt ist. Zum Beispiel kann die EreignisDetektionsschaltung 12 dazu ausgelegt werden, zu erkennen, wenn ein Lawinendurchbruch, verursacht zum Beispiel durch kosmische Strahlung, bevorsteht, begonnen hat, oder anderweitig geschieht oder geschehen wird. Die Erkennung eines Fehlerereignisses wird durch ein Signal ev angezeigt. Eine Schaltsteuerung 11 empfängt das Signal ev und steuert die Schaltvorrichtung 10 über ein Steuersignal ctrl, das zu einem Steuereingang der Schaltvorrichtung 10 geleitet wird.
Als Reaktion auf die EreignisDetektionsschaltung 12, die ein Fehlerereignis erkennt, kann die Schaltsteuerung 11 die Schaltvorrichtung 10 so steuern, dass sie in der Ausführungsform von 1 vorübergehend geschlossen ist. Zum Beispiel kann die Schaltvorrichtung 10 für eine Zeitdauer zwischen ungefähr 10 ns und ungefähr 100 ns geschlossen sein, ist aber nicht hierauf begrenzt. Bei manchen Ausführungsformen kann durch vorübergehendes Schließen des Schalters ein elektrisches Feld, das den Lawinendurchbruch verursacht, zum Beispiel ein elektrisches Feld, das durch einen Spannungsabfall in einem geöffneten Zustand der Schaltvorrichtung 10 verursacht ist, reduziert oder beseitigt werden. Bei manchen Ausführungsformen kann dies eine Lawinenmultiplikation beenden. Bei Ausführungsformen kann das vorübergehende Schließen der Schaltvorrichtung 10 durch eine Apparatur einschließlich Schaltvorrichtung 10 toleriert werden. Bei manchen Ausführungsformen kann die Schaltsteuerung 11 bei normalem Betrieb, z. B. wenn kein Fehlerereignis angezeigt ist, die Schaltvorrichtung 10 so steuern, dass sie selektiv eine Last mit einer Spannung koppelt. Implementierungsbeispiele für die verschiedenen unter Bezug auf 1 beschriebenen Vorrichtungen, Blöcke und Techniken werden an späterer Stelle genau erläutert.
Anschließend wird als veranschaulichendes Beispiel das Verhalten eines Transistors bei einem Fehlerereignis, das zum Beispiel durch kosmische Strahlung verursacht ist, erläutert. In 2 wird ein als Schalter fungierender Transistor 22 dargestellt. Der Transistor 22 im gezeigten Beispiel ist als ein Low-Side-Schalter konfiguriert, um selektiv eine Last, repräsentiert durch ein Schaltungselement 20 und eine Diode 21, mit einer negativen Versorgungsspannung V- zu koppeln. Element 20 kann eine Kombination von Widerstandskomponenten mit reaktiven Komponenten kapazitiven und/oder induktiven Typs sein. Elemente 20, 21 sind außerdem mit einer positiven Versorgungsspannung V+ gekoppelt. Bei anderen Ausführungsformen kann ein Transistor als ein High-Side-Schalter verwendet werden.
In einem Beispiel wird der Transistor 22 ausgeschaltet, d. h. in einen offenen Zustand geschaltet, wodurch die Last 20, 21 von der negativen Versorgungsspannung V- getrennt wird. 3 zeigt Kurven für Spannungen und Strom durch einen Knoten 23 in 2 für zwei Fälle. Kurve 33 zeigt eine Spannung am Knoten 23, wenn der Transistor 22 zum Zeitpunkt t₀ geschlossen ist, und eine Kurve 32 zeigt einen Strom I₁ durch den Knoten 23, wenn der Transistor 22 zum Zeitpunkt t₀ geschlossen ist. Eine Kurve 31 zeigt die Spannung am Knoten 23 im Falle eines Lawinenereignisses, verursacht zum Beispiel durch kosmische Strahlung, und eine Kurve 34 zeigt einen entsprechenden Strom durch den Knoten 23. Es wird darauf hingewiesen, dass 3 nur das transiente Verhalten unmittelbar nach Einschalten des Schalttransistors 22 zum Zeitpunkt t₀ zeigt. Das Verhalten für längere Zeiten kann unterschiedlich sein. Zum Beispiel, wenn eine Last wie eine Glühlampe eingeschaltet wird, nimmt der Widerstand im Laufe der Zeit zu, was zu einem abnehmenden Wert von I₁ führen würde.
Bei einem derartigen Lawinenereignis werden Träger (zum Beispiel Elektronenlochpaare) durch ein Ereignis wie ein Partikel kosmischer Strahlung oder ähnliches erzeugt. Die Träger werden dann durch ein durch den Spannungsabfall (Unterschied zwischen V+ and V-) verursachtes elektrisches Feld beschleunigt, wodurch weitere Elektronenlochpaare, d. h. weitere Träger, erzeugt werden. Dies kann zu einer Bildung eines leitenden Pfads im Schalter (der sich in einem Aus-Zustand befindet) führen, wobei der leitende Pfad im Zusammenhang dieser Anmeldung auch als Filament bezeichnet wird.
3 zeigt, dass für das erläuterte Fehlerereignis (Lawinendurchbruch) die Spannung am Knoten 23 nur leicht abnimmt, und ein verhältnismäßig kleiner Strom fließt. Jedoch für beide Fälle (Schließen des Schalters und Lawinendurchbruch) kann die vom Schalter abgeleitete Leistung, die ein Produkt aus Strom und Spannung ist, ungefähr gleich sein. Im Lawinendurchbruchsfall kann das gebildete Filament aber zum Beispiel einen Durchmesser von nur wenigen Mikrometern aufweisen, was zu einer starken örtlichen Erwärmung des Transistors 22 führen würde. Diese starke Erwärmung kann wiederum zu irreversiblen Schäden führen. Zum Beispiel kann bei Ereignissen, wie oben ausgeführt, das leitende Filament innerhalb von wenigen Nanosekunden oder in kürzerer Zeit gebildet werden, und eine permanente Beschädigung eines Transistors kann nach ungefähr 20 ns bis 50 ns auftreten. Es wird darauf hingewiesen, dass diese Zahlenwerte und die Kurven von 3 lediglich veranschaulichende Beispiele darstellen, und dass bei anderen Implementierungen oder anderen Typen von Ereignissen andere Kurven und/oder andere Zahlenwerte zutreffen können.
In 4 wird ein beispielhaftes Verhalten von Spannung und Strom für den Fall einer kapazitiven Last gezeigt. Zum Zwecke der Veranschaulichung wird wieder angenommen, dass der Transistor 22 aus ist und dann zu einem Zeitpunkt t₀ eingeschaltet wird. Eine Kurve 40 zeigt das Verhalten der Spannung beim Knoten 23 (unter der Annahme, dass das Element 20 zum Beispiel eine kapazitive Last ist), und Kurve 41 zeigt einen Beispielsstrom. Hier, beim Einschalten, während die ersten Momente kritisch sind, fallen dann Spannung und Strom ebenfalls schnell ab, wodurch Leistungsableitung reduziert wird. Andererseits wäre das Verhalten für ein Fehlerereignis wie oben beschrieben ähnlich wie in 3 gezeigt, und es würden ähnliche Probleme auftreten.
Zur weiteren beispielhaften Veranschaulichung kann ein bei einem Lawinenereignis wie oben beschrieben gebildetes Filament einen Durchmesser von ungefähr 10 µm² und eine Länge von ungefähr 100 µm bei einigen Transistorimplementierungen aufweisen. Bei einem Fehlerereignis kann das Filament zum Beispiel adiabatisch auf 500 °C erwärmt werden, wodurch beispielsweise eine bei einer Schaltvorrichtung wie Transistor 22 verwendete Aluminiummetallisierung beeinträchtigt werden könnte. Bei typischen Siliziumimplementierungen kann dies einer abgeleiteten Energie von 1 µJ entsprechen. Für eine Beschädigung innerhalb von zehn Nanosekunden würde dies einer integrierten Leistung von 100 W in dieser kurzen Zeitspanne entsprechen. Unter Annahme einer Sperrspannung in einem Aus-Zustand von ungefähr 1000 V, die wie in 3 gezeigt während des Ereignisses nicht wesentlich reduziert ist, entspricht dies einem Strom von 0,1 A. Dies wiederum würde einem Widerstand des Filaments von ungefähr 10 kQ entsprechen. Dieser Widerstand ist daher im gegebenen Beispiel wesentlich höher als ein typischer Ein-Widerstand eines als ein Schalter bei typischen Anwendungen verwendeten Transistors. Es muss erneut betont werden, dass die obigen Zahlenwerte und Berechnungen nur als veranschaulichende Beispiele dienen, um das Verständnis der Funktion einiger Ausführungsformen zu verbessern, und nicht als beschränkend aufzufassen sind, da für andere Implementierungen und Ereignisse andere Werte zutreffen können.
Wird, zurückkommend auf 1, bei einer derartigen Beispielsimplementierung eines Schalters ein entsprechendes Lawinenereignis erkannt, und die Schaltvorrichtung 10 (zum Beispiel ein Transistor wie der Transistor 22) von der Schaltsteuerung 11 vorübergehend eingeschaltet, so wird der Strom gleichmäßig über die gesamte Fläche des Transistors verteilt. Zusätzlich nimmt dann die Spannung zwischen den Lastanschlüssen des Transistors (zum Beispiel Source und Drain im Beispiel von 2) schnell ab, was bei manchen Ausführungsformen die Lawinenmultiplikation im Filament stoppt. Daher kann bei Ausführungsformen mit vorübergehendem Schließen der Schaltvorrichtung eine Lawinenmultiplikation bei manchen Ausführungsformen gestoppt werden, was bei manchen Ausführungsformen Beschädigung der Schaltvorrichtung verhindern oder wenigstens die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung der Schaltvorrichtung reduzieren kann.
In 5 ist ein Schaltbild, das eine Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform darstellt, gezeigt. Die Ausführungsform von 5 umfasst einen Low-Side-Schalter 52 zur selektiven Kopplung einer Last, umfassend eine Induktivität 50 und eine Diode 51 mit einer negativen Versorgungsspannung, im Beispiel von 5 Masse (GND). Außerdem ist die Last 50, 51 mit einer positiven Versorgungsspannung V_bb, zum Beispiel einer Batteriespannung, gekoppelt.
Bei normalem Betrieb kann der Schalter 52 durch ein Steuersignal ctrl gesteuert werden. Bei einigen Ausführungsformen kann das Steuersignal ctrl den Transistor 52 nach einem Pulsweitenmodulationsschema steuern.
Außerdem ist bei der Ausführungsform von 5 Transistor 52, der ein Beispiel für einen Schalter ist, über eine Überwachungsschaltung 53 mit Masse gekoppelt. Die Überwachungsschaltung 53 im gezeigten Beispiel weist einen Anschluss S auf, der mit einem Sourceanschluss, d. h. mit einem der Lastanschlüsse, des Transistors 52 gekoppelt ist. Ferner umfasst die Schaltung 53 einen Anschluss G, der mit dem Gateanschluss des Transistors 52 gekoppelt ist. Die Schaltung 53 umfasst außerdem einen Statusanschluss, der zum Anzeigen des Zustands des Transistors 52, d. h. geöffnet oder geschlossen, verwendet werden kann. Bei manchen Ausführungsformen kann die Schaltung 53 zum Durchführen von Überwachungs- und Notfunktionen eingerichtet werden, die im Folgenden nur dann beschrieben werden, wenn ein Statussignal am Statusanschluss anzeigt, dass der Transistor 52 offen ist. Bei manchen Ausführungsformen kann das Statussignal dem Steuersignal ctrl entsprechen oder von diesem abgeleitet sein.
Außerdem umfasst die Schaltung 53 zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung jeweils Versorgungsanschlüsse für Batteriespannung Vbb und Masse. Zusätzlich ist die Schaltung 53 an einem Anschluss 54 mit Masse gekoppelt. Zum Beispiel kann die Schaltung 53 einen Strompfad vom Anschluss 54 zum Anschluss S umfassen, und dadurch den Transistor 52 mit Masse koppeln. An diesem Strompfad können bei einigen Ausführungsformen Messungen durchgeführt werden, um ein Ereignis wie oben beschrieben zu erkennen, zum Beispiel einen Lawineneffekt, der zur Bildung eines leitenden Filaments führt.
6A zeigt eine Schaltung 60, die z. B. ein Implementierungsbeispiel der Schaltung 53 von 5 sein kann. Die Schaltung 60 von 6A umfasst einen Strompfad 62, der zum Beispiel den Anschluss 54 und den Anschluss S von 5 koppeln kann.
Der Strompfad 62 kann magnetisch mit einem oder mehreren Magnetsensor(en) 63 gekoppelt sein. Der (Die) Magnetsensor(en) 63 kann (können) ein einzelner oder mehrere Hall-Sensor(en), Anordnungen von Hall-Differenzsensoren, GMR-Sensoren (Giant Magneto-Resistive-Sensoren, Riesen-Magnetowiderstandssensoren) und Magnetsensoren anderen Typs sein. Der Ausgang der Magnetsensoren wird in eine Signalkonditionierungsschaltung 64 eingeleitet, um das Sensorsignal zu verstärken und zu filtern. Über die Magnetsensoren 63 und die Signalkonditionierungsschaltung 64 kann eine Stromsteilheit dI/dt eines Stroms im Strompfad 62 erfasst und in eine Steuerschaltung oder einen Steuerblock 65 eingeleitet werden.
6B zeigt einen alternativen Ansatz zum Ansatz von 6A. Bei der Ausführungsform von 6B wird anstatt der Magnetsensoren 63 eine Spule 68, die um den Strompfad 62 gewickelt ist, vorgesehen. Ein erster Anschluss und ein zweiter Anschluss der Spule 68 sind mit der Signalkonditionierungsschaltung 64 gekoppelt. Über die Spule 68 und die Signalkonditionierungsschaltung 64 kann eine Stromsteilheit dI/dt eines Stroms im Strompfad 62 erfasst, verstärkt, gefiltert und in eine Steuerschaltung oder einen Steuerblock 65 eingeleitet werden.
In 6C ist eine alternative Implementierung der Spule 68 in Form einer sogenannten Rogowskispule dargestellt. Andere konventionelle Strommesstechniken können ebenfalls verwendet werden.
Wenn ein Schalter wie der Transistor 52 offen ist (wie zum Beispiel durch das Statussignal in 5 angezeigt sein kann), kann eine Zunahme des Stroms, wie vom (von den) Magnetsensor(en) 63 oder der Spule 68 erfasst, den Beginn eines Lawinenereignisses wie oben beschrieben anzeigen. In diesem Fall schließt die Steuerschaltung oder der Steuerblock 65 einen Schalter 66, der durch einen Transistor implementiert sein kann. Im Beispiel von 6A and 6B wird Ladung, die in einem Kondensator 67 gespeichert ist, dessen anderer Anschluss mit dem Sourceanschluss S verbunden ist, dem Gateanschluss G zugeführt, wodurch der Schalter vorübergehend geschlossen wird, zum Beispiel der Transistor 52 von 5. Bei Ausführungsformen wie oben beschrieben kann dies den Strom über einen breiteren Bereich verteilen, einen Spannungsabfall reduzieren, und so den Lawineneffekt beenden. Bei Ausführungsformen kann die Vorrichtung für Tolerieren des vorübergehenden Schließens des Schalters eingerichtet werden.
Weitere Techniken zum Erfassen eines Lawinenereignisses werden an späterer Stelle unter Bezugnahme auf 8 bis 15 beschrieben.
Es wird darauf hingewiesen, dass bei Ausführungsformen, neben dem oder alternativ zum vorübergehenden Schließen eines Schalters, weitere Maßnahmen ergriffen werden können, zum Beispiel, Abschalten einer kompletten Vorrichtung, Melden eines Fehlers bei einer Steuerinstanz wie einem Mikrocontroller und ähnliches.
In 7 ist eine Schaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform schematisch dargestellt. Bei der Ausführungsform von 7 werden Techniken und Konzepte wie oben dargestellt auf eine Vollbrückenschaltung angewendet, die zum Beispiel zum Versorgen einer Motorspule eines Elektromotors mit Strom verwendet werden kann. Die Ausführungsform von 7 umfasst einen ersten Transistor 70, einen zweiten Transistor 71, einen dritten Transistor 72 und einen vierten Transistor 73, auch mit T1 - T4 in 7 gekennzeichnet. Schutzdioden 74 - 77 werden jeweils als zwischen den entsprechenden Lastanschlüssen der Transistoren 70 - 73, respektive, gekoppelt dargestellt. Bei den Schutzdioden 74 - 77 kann es sich um parasitische Dioden oder um Dioden handeln, die eindeutig zusätzlich zu den Transistoren 70 - 73 vorgesehen sind. Bei anderen Ausführungsformen können andere Schalter verwendet werden.
Bei Betrieb sind die Transistoren 70 und 73 geschlossen, während die Transistoren 72 und 71 geöffnet sind, was zu einem Stromfluss vom Anschluss M_li durch die Motorspule zum Anschluss M_re führt, oder umgekehrt, zu einem Stromfluss in die entgegengesetzte Richtung.
Außerdem umfasst die Ausführungsform von 7 eine Schaltung 78. In 7 sind Anschlüsse der Schaltung 78, die mit den Sourceanschlüssen der Transistoren 70 - 73 gekoppelt sind, mit S, und Anschlüsse der Schaltung 78, die mit den Gateanschlüssen der Transistoren 70 - 73 gekoppelt sind, mit G gekennzeichnet. Mit Drainanschlüssen der Transistoren 70 - 73 zu koppelnde Anschlüsse sind mit D gekennzeichnet. Die Zahl nach S, G oder D bezeichnet die Nummer des jeweiligen Transistors T1 - T4, mit dem der Anschluss verbunden ist.
M_li bezeichnet einen ersten Anschluss einer Motorwicklung eines Elektromotors, und M_re bezeichnet einen zweiten Anschluss. 713, 714 kennzeichnen Leitungen zum Empfangen von externen Signalen I1,4 und 12,3, respektive, für Impulsweitenmodulation, d. h. einen Strompfad für Synthetisieren eines sinusförmigen Stroms zum Betreiben des Motors. Durch Schalten der Transistoren 70 - 73 zwischen einem offenen und einem geschlossenen Zustand kann Strom einem Motor wunschgemäß zugeführt werden, wobei das Schalten z. B. durch über die Leitungen 713, 714 zugeführte Signale bei einigen Ausführungsformen gesteuert werden kann.
Für jeden der Transistoren 70 - 73 wird ein entsprechendes Sensorelement 79 - 712 für Erfassen einer Stromzunahme durch den jeweiligen Transistor 70 - 73 konfiguriert. Wenn eine Stromzunahme erfasst wird, während der entsprechende Transistor offen ist, kann dies ein Lawinenereignis anzeigen, woraufhin der entsprechende Transistor vorübergehend geschlossen werden kann. Zum Beispiel, für jeden der Transistoren 70 - 73 kann die Schaltung 78 Elemente wie unter Bezug auf die 6A bis 6C dargestellt umfassen.
Wenn in einer Beispielsituation Strom vom Anschluss M_li zum Anschluss M_re (von links nach rechts in 7) fließt, kann ein Spannungsabfall zwischen den Anschlüssen ULR = Vbb - 2VTr betragen. Vbb kann eine der positiven Spannung V+ in 7 entsprechende Batteriespannung sein, und VTr ist ein Spannungsabfall über den jeweiligen geschlossenen Transistoren 70 - 73. Zum Beispiel, in der beschriebenen Situation können die Transistoren 70, 73 geschlossen sein, während die Transistoren 72, 71 offen sein können. Im Falle eines Ereignisses aufgrund kosmischer Strahlung oder eines ähnlichen Ereignisses, das einen Lawinendurchbruch bei einem der offenen Transistoren (zum Beispiel 71 oder 72) verursachen könnte, kann die Schaltung 78 in diesem Fall beide Transistoren 71 und 72 vorübergehend schließen und die Transistoren 70, 73 vorübergehend öffnen, d. h., einen momentan leitenden Pfad über die Transistoren 70, 73 durch einen momentan nicht leitenden Pfad über die Transistoren 71, 72 ersetzen.
Es können wieder ähnlich wie bei 6A oder 6B Kondensatoren wie Kondensatoren 67 bei einigen Ausführungsformen innerhalb der Schaltung 78 verwendet werden, um schnelles Schalten zu gewähren. Die Schaltzeit zum Wechseln der Pfade soll zum Zwecke der Veranschaulichung in diesem Beispiel durch trr repräsentiert sein. Trr muss nicht unbedingt, aber kann identisch oder ungefähr identisch mit einer Sperrerholzeit eines der Transistoren 70 - 73 sein.
Daher kann dI/dt in einem derartigen Beispielszenario gleich -I12/trr sein, was einem Spannungsabfall über den Motorwicklungen von ULR = -LM x I12/trr entspricht, wobei LM die effektive Induktivität der Motorwicklungen anzeigt. Zum Beispiel, bei einer Ausführungsform kann ein Strom von 1 A während einer trr von ungefähr 10 ns einem Spannungsabfall von 100 V über einer effektiven Induktivität des Motors von nur LM = 1µH entsprechen.
Daher kann bei manchen Ausführungsformen selbst eine verhältnismäßig kleine Motorinduktivität, z. B. in der Größenordnung von 1 µH, eine Spannung induzieren, die ausreichend hoch ist, um den gewünschten Effekt der Aufhebung des Lawinendurchbruchs substantiell zu unterstützen.
Beim Ausschalten der Transistoren 70 und 73 kann die effektive Induktivität LM des Motors bei Ausführungsformen dazu beitragen, ein elektrisches Feld bei Transistoren 71 und 72 zu löschen. Die Transistoren 71, 72 können in dieser Situation durch Drücken des Potenzials der Anschlüsse Mli und Mre in eine gewünschte Richtung auf ähnliche Weise wie während einer normalen PWM-Schaltung des Motors eingeschaltet werden.
Obwohl oben ein Low-Side-Schalter und eine Brückenschaltung zum Betreiben eines Motors als veranschaulichende Beispiele dienten, kann vorübergehendes Schließen eines Schalters als Reaktion auf ein Fehlerereignis, zum Beispiel auf einen Lawinendurchbruch, auch in anderen Situationen, in denen Schalter verwendet werden, zur Anwendung kommen.
Im obigen Beispiel wurde eine Überwachung von dI/dt mithilfe einer beispielhaften Spule um einen leitenden Pfad zum Erkennen eines Lawinendurchbrucheffekts verwendet. Bei anderen Ausführungsformen können andere Techniken verwendet werden. Einige weitere Möglichkeiten zum Erkennen eines derartigen Lawinenereignisses oder einer anderen Störung bei einer offenen Schaltvorrichtung werden anschließend unter Bezug auf die 8 bis 15 erörtert. Die in den 8 bis 15 gezeigten Ausführungsformen können sowohl in Verbindung mit den Ausführungsformen der 1 bis 7 als auch unabhängig von diesen verwendet werden. Bei manchen Ausführungsformen können zum Beispiel bei Erkennung eines Fehlerereignisses andere Maßnahmen als vorübergehendes Schließen eines Schalters ergriffen werden.
In 8 ist eine Schaltvorrichtung gemäß einer Ausführungsform schematisch dargestellt. Die Schaltvorrichtung von 8 umfasst einen ersten Lastanschluss 110, einen zweiten Lastanschluss 111 und einen Steueranschluss 103. Wenn die Schaltvorrichtung geschlossen wird, kann ein Strom i zum Beispiel vom ersten Steueranschluss 110 zum zweiten Steueranschluss 111 oder umgekehrt fließen. Die Schaltvorrichtung der Ausführungsform von 8 umfasst einen ersten Schalter 101 und einen zweiten Schalter 102. Der erste Schalter 101 und der zweite Schalter 102 können zum Beispiel Transistoren wie Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs) oder Feldeffekttransistoren (FETs) wie MOSFETs sein, sind jedoch nicht hierauf beschränkt. Bei den Transistoren kann es sich um Leistungstransistoren handeln, die hohe Spannungen und/oder hohe Ströme schalten können. Bei manchen Ausführungsformen können der erste Schalter 101 und der zweite Schalter 102 nominell gleichwertige Schalter sein, d. h., sie können dieselben Designparameter haben. Bei Feldeffekttransistoren können zum Beispiel Parameter wie Gatebreite und Gatelänge identisch sein. Bei anderen Ausführungsformen können abweichende Designs verwendet werden.
Bei manchen Ausführungsformen können der erste Schalter 101 und der zweite Schalter 102 in einer einzelnen integrierten Vorrichtung integriert sein. Bei anderen Ausführungsformen, zum Beispiel, können getrennte integrierte Schaltungschips verwendet werden. Ein Steueranschluss des ersten Schalters 101 und ein Steueranschluss des zweiten Schalters 102 sind mit dem Steueranschluss 103 gekoppelt. Daher können bei der Ausführungsform von 8 der erste Schalter 101 und der zweite Schalter 102 gleichzeitig gesteuert werden, d. h. sie sind beide offen oder beide geschlossen, je nach einem am Steueranschluss 103 anliegenden Signal.
Ein erster Lastanschluss des ersten Schalters 101 und ein erster Lastanschluss des zweiten Schalters 102 sind mit dem ersten Lastanschluss 110 gekoppelt. Ein zweiter Lastanschluss des ersten Schalters 101 ist mit einem ersten Anschluss einer ersten Induktivität 105 gekoppelt. Ein zweiter Lastanschluss des zweiten Schalters 102 ist mit einem ersten Anschluss einer zweiten Induktivität 106 gekoppelt. Ein zweiter Anschluss der ersten Induktivität 105 und ein zweiter Anschluss der zweiten Induktivität 106 sind mit einem zweiten Lastanschluss 111 gekoppelt. Daher, wenn zum Beispiel bei normalem Betrieb der erste Schalter 101 und der zweite Schalter 102 auf Schließung gesteuert werden, fließt ein Strom i₁ über den ersten Schalter 101 und die erste Induktivität 105 sowie ein zweiter Strom i₂ über den zweiten Schalter 102 und die zweite Induktivität 106. Der Gesamtstrom i kann die Summe i₁ + i₂ sein. Bei manchen Ausführungsformen kann die erste Induktivität 105 wie die zweite Induktivität 106 ausgelegt sein. Bei derartigen Ausführungsformen kann i₁ wenigstens ungefähr gleich i₂ sein, wenn der erste und der zweite Schalter 101, 102 geschlossen sind.
Wie durch einen Pfeil 112 angezeigt, können bei der Ausführungsform von 8 die erste Induktivität 105 und die zweite Induktivität 106 als Teile einer sogenannten Gleichtaktdrossel implementiert und so orientiert werden, dass bei normalem Schaltbetrieb des ersten Schalters 101 und des zweiten Schalters 102 ein Effekt der ersten Induktivität 105 und der zweiten Induktivität 106 unerheblich ist. Insbesondere können die beiden Induktivitäten 105, 106, die zwei Wicklungen einer Gleichtaktdrossel entsprechen können, so implementiert und orientiert werden, dass bei normalem Betrieb induzierte Spannungen sich gegenseitig aufheben, wenn beide Induktivitäten 105, 106 Strömen i₁, i₂ ausgesetzt sind, die gleich sind, wenn jeder Schalter 101, 102 bei normalem Betrieb 50 % des Gesamtstroms i teilt.
Ein zusätzlicher Effekt der beiden Induktivitäten 105, 106 besteht bei manchen Ausführungsformen darin, dass sie zum Ausgleichen des Laststromanteils zwischen den Schaltern 101 und 102 bei normalem Betrieb beitragen können.
Bei derartigen Ausführungsformen kann ein Spannungsabfall über den Induktivitäten 105, 106 bei normalem Betrieb vernachlässigbar sein. Eine Gleichtaktdrossel kann eine symmetrische Konfiguration haben, wobei ein Induktivitätswert L₁ der ersten Induktivität 101 gleich einem Induktivitätswert L₂ der zweiten Induktivität 102 ist. Die magnetischen Kopplungen M₁₂ zwischen den Induktivitäten können gleich sein (z. B. M₁₂ = M₂₁) und L₁, L₂ entsprechen.
Falls der erste und der zweite Schalter 101, 102 in einer einzelnen Vorrichtung integriert werden, können zum Beispiel die ersten Lastanschlüsse des ersten und zweiten Schalters 101, 102 miteinander in einem Gehäuse verbunden werden, um die Anzahl der externen Pins zu reduzieren.
Wie im Folgenden genauer erläutert wird, kann in geöffnetem Zustand der Schaltvorrichtung von 8 das Auftreten eines Fehlerereignisses bei einem der Schalter 101, 102, zum Beispiel ein durch kosmische Strahlung oder anderweitig induziertes Lawinenereignis, durch Überwachen der Spannungen über der ersten Induktivität 105 und der zweiten Induktivität 106 erkannt werden. Um eine derartige Überwachung zu ermöglichen, können die Anschlüsse 107 - 109 zum Abgreifen dieser Spannungen dienen.
Vor einer genaueren Beschreibung der Handhabung und Erkennung von Fehlerereignissen mithilfe der Schaltvorrichtung von 8 werden einige Variationen der Schaltvorrichtung von 8 erörtert.
In 9 ist eine Ausführungsform gezeigt, die der Ausführungsform von 8 entspricht, mit der Ausnahme, dass die durch den Pfeil 112 angezeigte magnetische Kopplung zwischen der ersten Induktivität 105 und der zweiten Induktivität 106 weggelassen wurde. Anders ausgedrückt, die Ausführungsform von 9 veranschaulicht, dass die erste Induktivität 105 und die zweite Induktivität 106 nicht unbedingt als Gleichtaktdrossel implementiert werden müssen. Um die Einflüsse, die die Induktivitäten 105, 106 auf das Schaltverhalten der Schaltvorrichtung von 9 bei normalem Betrieb haben können, zu reduzieren, können bei manchen Ausführungsformen kleine Induktivitätswerte für die erste Induktivität 105 und die zweite Induktivität 106 verwendet werden. Zum Beispiel können die Induktivitätswerte der ersten Induktivität 105 und der zweiten Induktivität 106 bei der Ausführungsform von 9 in der Größenordnung von einigen 10 nH liegen. Induktivitäten mit derartig kleinen Induktivitätswerten beeinflussen bei manchen Ausführungsformen das normale Verhalten der Schaltvorrichtung möglicherweise nur auf unerhebliche Weise, können aber dennoch einen anbahnenden Lawinendurchbruch erkennen, da ein solcher durch einen schnellen Anstieg des Stroms verbunden mit Induktion einer messbaren Spannung gekennzeichnet ist. Andererseits kann bei manchen Ausführungsformen der normale Schaltbetrieb wesentlich langsamer sein als ein Lawinendurchbruch, sodass nur vernachlässigbare Spannungen über den Induktivitäten 105, 106 bei der Ausführungsform von 9 bei manchen Implementierungen induziert werden.
Die erste Induktivität 105 und die zweite Induktivität 106 bei der Ausführungsform von 9 (und auch bei anderen Ausführungsformen wie der später beschriebenen Ausführungsform von 10) können auch als Rogowskispulen (wie z. B. in 6C gezeigt) implementiert werden, die bei manchen Ausführungsformen Störungen von Stromspitzen mildern können, die durch Spannungssprünge auf den Hochspannung-Versorgungsschienen oder Gateleitungen verursacht sind, wobei derartige Störungen beide Leistungsvorrichtungen 101, 102 in 9 (oder z. B. auch der später beschriebenen 201, 202 in 10) auf gleiche Weise beeinträchtigen. Abschwächen derartiger Störungen durch Stromspitzen (falls relevant) kann im Falle einer Schaltung 60 wie in 6B und 6C gezeigt, bei der eine einzelne Rogowskispule (68) um den Strompfad 62 gewickelt ist, schwieriger sein. Für manche Anwendungen kann aber eine einzige Rogowskispule wie in 6B und 6C dargestellt ausreichen.
Abgesehen von der Abwesenheit der magnetischen Kopplung 112 und/oder Implementierung als Gleichtaktdrossel der ersten Induktivität 105 und der zweiten Induktivität 106 kann die Ausführungsform von 9 der Ausführungsform von 8 entsprechen und wird nicht erneut im Detail beschrieben.
Bei den Ausführungsformen der 8 und 9 kann der erste Lastanschluss 110 ein High-Side-Anschluss sein, d. h. ein Anschluss, der auf einer „Seite“ einer positiven Versorgungsspannung gekoppelt ist, und ein zweiter Lastanschluss 111 kann ein Low-Side-Anschluss sein, zum Beispiel ein Anschluss auf einer „Seite“ einer negativen Versorgungsspannung oder Masse. Die Schaltvorrichtungen der 8 und 9 können zum Beispiel als eine High-Side-Schaltvorrichtung oder als eine Low-Side-Schaltvorrichtung verwendet werden. Bei den Ausführungsformen der 8 und 9 sind die erste Induktivität 105 und die zweite Induktivität 106 dann auf einer „Low-Side“ der Schalter 101, 102, respektive, angeordnet, d. h. zwischen den Schaltvorrichtungen 101, 102 und dem Anschluss 111. Bei anderen Ausführungsformen können die Induktivitäten auf einer High-Side der Schalter angeordnet werden. Eine entsprechende Ausführungsform ist in 10 gezeigt.
Bei der Ausführungsform von 10 entsprechen die Elemente oder Komponenten 201 - 211 im Wesentlichen den Komponenten 101 - 111 der Ausführungsformen der 8 und 9 und werden nicht erneut im Detail beschrieben.
Im Gegensatz zu den Ausführungsformen der 8 und 9 werden bei der Ausführungsform von 10 eine erste Induktivität 205 und eine zweite Induktivität 206 zwischen einem ersten Lastanschluss 210 der Schaltvorrichtung und den Schaltern 201, 202, respektive, angeordnet, wie gezeigt. Anders ausgedrückt, bei der Ausführungsform von 10 können die erste Induktivität 205 und die zweite Induktivität 206 auf einer High-Side des ersten Schalters 201 und des zweiten Schalters 202 angeordnet werden. Unter Bezug auf 8 und 9 erörterte Variationen und Modifikationen können auch auf die in 10 veranschaulichte Ausführungsform zutreffen. Zum Beispiel können erste Induktivität 205 und zweite Induktivität 206 mit einer magnetischen Kopplung und/oder als eine Gleichtaktdrossel implementiert werden, oder sie können ohne magnetische Kopplung implementiert werden, beispielsweise unter Verwendung verhältnismäßig niedriger Induktivitätswerte. Andere Implementierungen sind ebenfalls möglich.
Allgemein können für eine der Ausführungsformen beschriebene Variationen und Modifikationen auch für andere Ausführungsformen anwendbar sein, sofern nicht eigens anderweitig angegeben.
In 11 ist eine räumliche Anordnung eines ersten Schalters 301 und eines zweiten Schalters 302 gemäß einigen Ausführungsformen gezeigt. Es wird darauf hingewiesen, dass getrennt von der Illustration von 11, Anordnungen von Elementen in den Figuren nicht als eine bestimmte räumliche Anordnung anzeigend aufzufassen sind, und die Wahl nur zur Erleichterung der Darstellung erfolgte. Die in 11 gezeigte räumliche Anordnung kann zum Beispiel auf die Schalter 101, 102 der Ausführungsform der 8 und 9, auf die Schalter 201, 202 der Ausführungsform von 10 oder auf die Schalter der Ausführungsformen der 12 bis 15, wie weiter unten erläutert, angewendet werden. Ein oberer Teil von 11 zeigt eine Draufsicht, und ein unterer Teil zeigt eine Querschnittsansicht. Bei der Ausführungsform von 11 sind der erste Schalter 301 und der zweite Schalter 302 in einer Ebene angeordnet.
Eine derartige Anordnung der Schalter kann Teil des Einzelchipdesigns sein, falls der erste Schalter 301 und der zweite Schalter 302 auf einem Einzelchip vorgesehen sind. Falls der erste Schalter 301 und der zweite Schalter 302 auf verschiedenen Chips vorgesehen sind, können die Schalter in einer Ebene angeordnet werden, wie in 11 gezeigt, zum Beispiel auf einer Leiterplatte oder einem anderen Träger für den ersten Schalter 301 und den zweiten Schalter 302.
Bei einer derartigen Anordnung ist die Wahrscheinlichkeit, dass Partikel, zum Beispiel von kosmischer Strahlung stammende, sowohl den ersten Schalter 301 als auch den zweiten Schalter 302 beeinträchtigen, verhältnismäßig gering. Nur Strahlung innerhalb eines verhältnismäßig kleinen Raumwinkels, wie durch die Pfeile 304 angezeigt, insbesondere in der Querschnittsansicht, kann sowohl den ersten Schalter 301 als auch den zweiten Schalter 302 beeinträchtigen. Andere Partikel, wie durch einen Pfeil 303 veranschaulicht, beeinträchtigen nur einen der Schalter, zum Beispiel den ersten Schalter 301 im Falle eines Partikeleinfalls gemäß Pfeil 303. Insbesondere ist die in der Querschnittsansicht gezeigte „Höhe“ oder Tiefe von halbleiterbasierten Schaltern normalerweise verhältnismäßig klein, sodass der Raumwinkel verkleinert wird, in dem zum Beispiel Partikel sowohl den ersten Schalter 301 als auch den zweiten Schalter 302 beeinträchtigen und daher zum Beispiel einen Lawineneffekt bei beiden Schaltern 301, 302 verursachen können.
Anders ausgedrückt, bei manchen Ausführungsformen mit einer Anordnung wie in 11 beeinträchtigen eine große Mehrheit von Partikeln oder andere Strahlungseffekte möglicherweise nur einen der Schalter 301, 302 gleichzeitig, was über Induktivitäten erkannt werden kann, wie unten genauer erläutert.
In 12 ist eine Schaltvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform dargestellt. Die Ausführungsform von 12 umfasst einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter. Der erste Schalter umfasst einen Transistor 411, zum Beispiel einen Feldeffekttransistor oder einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, ist jedoch nicht hierauf beschränkt. In 12 ist als veranschaulichendes Beispiel ein Feldeffekttransistor gezeigt. Eine Schutzdiode 413 ist zwischen Drainanschluss und Sourceanschluss des Transistors 411 gekoppelt.
Ein zweiter Schalter umfasst einen zweiten Transistor 412, der entsprechend dem ersten Transistor 411 implementiert werden kann. Eine zweite Schutzdiode 414 ist zwischen Drainanschluss und Sourceanschluss des zweiten Transistors 412 gekoppelt.
Die Drainanschlüsse des ersten Transistors 411 und des zweiten Transistors 412 sind mit einem Drainanschluss 417 der Schaltvorrichtung von 12 gekoppelt. Der Drainanschluss 417 kann einem ersten Lastanschluss der Schaltvorrichtung entsprechen.
Ein erster Anschluss einer ersten Induktivität 415 ist mit einem Sourceanschluss des ersten Transistors 411 gekoppelt. Ein erster Anschluss einer zweiten Induktivität 416 ist mit einem Sourceanschluss des zweiten Transistors 412 gekoppelt. Ein zweiter Anschluss der ersten Induktivität 415 und ein zweiter Anschluss der zweiten Induktivität 416 sind mit einem Sourceanschluss 418 gekoppelt, der als ein zweiter Lastanschluss der Schaltvorrichtung von 12 dienen kann.
Ein Steueranschluss 419 ist mit Gateanschlüssen des ersten Transistors 411 und des zweiten Transistors 412 gekoppelt und kann als ein Steueranschluss der Schaltvorrichtung von 12 dienen.
Variationen hinsichtlich des ersten Schalters 101, 102 der 8 und 9 sind der erste Schalter 201 und der zweite Schalter 202 der Ausführungsform von 10, die auch auf den ersten und zweiten Schalter der Vorrichtung von 12 anwendbar sind. Hinsichtlich der ersten und zweiten Induktivitäten der Ausführungsformen der 8 bis 10 erörterte Variationen können außerdem auch auf die ersten und zweiten Induktivitäten 415, 416 der Ausführungsform von 12 angewendet werden. Zum Beispiel, während in 12 eine magnetische Kopplung zwischen erster Induktivität 415 und zweiter Induktivität 416 gezeigt ist, und/oder erste Induktivität 415 und zweite Induktivität 416 als eine Gleichtaktdrossel implementiert werden können, kann die magnetische Kopplung bei anderen Ausführungsformen weggelassen werden, ähnlich wie bei der Ausführungsform von 9. Außerdem, während bei der Ausführungsform von 12 die erste Induktivität 415 und die zweite Induktivität 416 auf einer Sourceseite des ersten Transistors 411 und des zweiten Transistors 412 gezeigt sind, können die Induktivitäten bei anderen Ausführungsformen auf einer Drainseite angeordnet werden, ähnlich wie bei der Ausführungsform von 10.
Eine Spannung am ersten Anschluss der ersten Induktivität 415 (Knoten S1), eine Spannung am ersten Anschluss der zweiten Induktivität 416 (Knoten S2) und eine Spannung an den zweiten Anschlüssen der ersten Induktivität 415 und der zweiten Induktivität 416 werden einer Auswerteschaltung 410 zugeführt. Die Auswerteschaltung 410 kann in Hardware, Software, Firmware oder Kombinationen davon implementiert sein und kann zum Beispiel Komponenten wie Analog-DigitalWandler zum Erhalten digitaler Darstellungen der Spannungen und Logikelemente zum Auswerten der digitalen Darstellungen umfassen. Bei manchen Implementierungen kann die Auswerteschaltung 410 einen Prozessor umfassen, der Programme zum Auswerten der digitalen Darstellungen ausführt. Auswerten der Spannungen wird unten genauer erläutert.
Bei der Ausführungsform von 12 kann die Auswerteschaltung 410 im Falle einer Fehlererkennung ein Warnsignal al an einem Ausgangsanschluss 420 ausgeben.
Nun wird die Funktionsweise der Ausführungsform von 12 unter Bezug auf die 13 und 14 erläutert.
In 13 sind die Ströme und Spannungen bei normalem Betrieb der Ausführungsform von 12 gezeigt. Unter normalen Betriebsbedingungen werden beide Transistoren 411, 412 gleichzeitig durch das Steuersignal ctrl am Steueranschluss 419 geschaltet. Ein Strom i1 über den ersten Transistor 411 und ein Strom i2 über den zweiten Transistor 412 weisen daher einen ungefähr simultanen Beginn und Verfall auf, und i1 ~ i2 bleibt beständig. Diese Ströme erzeugen induzierte Spannungen bei der ersten Induktivität 415 und der zweiten Induktivität 416, wie folgt: $u11 = d/dt (i1) * L1$
$u12 = d/dt (i2) * M12$
$u22 = d/dt (i2) * L2$
$u21 = d/dt (i1) * M12$
u₁₁ bezeichnet eine Spannung, die bei der ersten Induktivität 415 durch den Strom i₁ induziert ist, u₂₂ bezeichnet eine Spannung, die bei der zweiten Induktivität 416 durch den Strom i₂ induziert ist, u₁₂ bezeichnet eine Spannung, die bei der ersten Induktivität 415 durch die zweite Induktivität 416 induziert ist, und u₂₁ bezeichnet eine Spannung, die durch die erste Induktivität 415 bei der zweiten Induktivität 416 induziert ist. M₁₂ bezeichnet die gegenseitige Induktanz, wie zuvor erwähnt. Für eine Gleichtaktdrossel-Implementierung mit L₁ = M₁₂ = L₂, wie erläutert, kann u₁₁ = -u₁₂ = -u₂₂ = u₂₁ zutreffen. Daher ist in diesem Fall eine Spannung U₁ über der ersten Induktivität 415 wenigstens ungefähr 0, und eine Spannung U₂ über der zweiten Induktivität 416 ist ebenfalls ungefähr 0.
In diesem Fall kann eine Spannungsdifferenz Δu zwischen U₁ und U₂ (U₁ - U₂), die durch die Auswerteschaltung 410 festgestellt werden kann, ebenfalls ungefähr 0 betragen.
14 zeigt einen Fall, in dem bei der Ausführungsform von 14 sich sowohl der erste Transistor 411 als auch der zweite Transistor 412 in einem geöffneten Zustand befinden, d. h., aus sind. In diesem Zustand interagiert ein Partikel wie durch einen Pfeil 421 angezeigt, zum Beispiel ein Partikel kosmischer Strahlung, mit dem ersten Transistor 411, wodurch ein Lawineneffekt mit Filamentbildung wie oben erläutert ausgelöst wird.
Dies verursacht beispielsweise Fließen eines Stroms i₁ über den ersten Transistor 411, während der zweite Transistor 412 noch offen ist (i₂ ~ 0 entsprechend).
Die obigen Spannungen u₁₁ und u₂₁ können dann wie folgt ausgedrückt werden: $u_{11} = d/dt (i_{1}) \cdot L_{1}$
$u_{21} = d/dt (i_{1}) \cdot M_{12}$
Wie bei der Ausführungsform ausgeführt, trifft L₁ ~ M₁₂, u₁₁ ~ u₂₁ zu. u₂, unter der Annahme, dass die Pfeile unter U₁ und U₂ in 14 die positive Richtung kennzeichnen, dann ist U₁ = u₁₁ und U₂ = -u₂₁. Eine von der Auswerteschaltung 410 gemessene Spannungsdifferenz Δu ist dann $Δ u = U_{1} - U_{2} = 2 * d/dt (i_{1}) * L_{1}$
Im Gegensatz zum Fall von 13, in dem Δu ungefähr 0 war, hat daher Δu nun einen Nicht-Null-Wert. Wenn ein derartiger Nicht-Null-Wert, zum Beispiel ein Wert, der eine Schwelle überschreitet, von der Auswerteschaltung 410 erkannt wird, kann die Auswerteschaltung 410 bei manchen Ausführungsformen ein entsprechendes Warnsignal al ausgeben.
Um Zahlenbeispiele für Leistungs-MOSFETs als ersten Transistor 411 und zweiten Transistor 412 zu geben, kann eine Drain-Source-Spannung in einem offenen Zustand der Transistoren in der Größenordnung von 600 V liegen. Ein Partikel kann dann den Fluss eines Stroms i₁ in der Größenordnung von 1 bis 3 A verursachen. Die Zeit für das Auftreten eines derartigen Stroms kann in der Größenordnung von 1 Nanosekunde oder weniger liegen. Anders ausgedrückt, eine Steilheit d/dt(i₁) kann größer als 10⁹ As^-1 sein. Selbst für kleine Induktivitäten L₁, L₂ von ungefähr 10 nH würde dies einen Spannungsabfall in der Größenordnung von 10 V induzieren, was mühelos erkennbar ist. Da diese Induktion sehr schnell auftritt, kann bei manchen Ausführungsformen eine sehr schnelle Erkennung eines derartigen Fehlerereignisses, zum Beispiel innerhalb von 10 Nanosekunden, möglich sein.
Andererseits, für Hochspannungsanwendungen, die Spannungen von einigen 100 V schalten, können selbst bei normalem Betrieb derartige Spannungsabfälle von 10 V einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Funktion der Schaltvorrichtung bei normalem Betrieb haben.
Bei Ausführungsformen mit Implementierung der ersten Induktivität 415 und der zweiten Induktivität 416 als Gleichtaktdrossel können auch größere Induktivitätswerte verwendet werden, da sich die Wirkungen der Induktivitäten während normalen Betriebs gegenseitig aufheben können. Induktivitäten mit Induktivitätswerten von 100 nH oder höher können zum Beispiel bei manchen Ausführungsformen ohne wesentlichen Einfluss auf den normalen Betrieb der Schaltvorrichtung verwendet werden. Bei manchen Ausführungsformen können Induktivitäten mit höheren Induktivitätswerten einen Stromanstieg in einem bei einem Transistor wie Transistor 411 aufgrund Partikeleinwirkung gebildeten Filament verzögern, wodurch mehr Zeit für Auswertung und/oder Gegenmaßnahmen gewonnen werden kann. Bei manchen Ausführungsformen kann durch eine höhere Induktivität auch eine Erwärmung des Filaments vermindert und in gewissen Fällen sogar eine irreversible Beschädigung des Transistors vermieden werden.
Zum Beispiel, wenn bei einer Betriebsspannung von 600 V die Induktivitätswerte L₁, L₂ jeweils ungefähr 1 µH betragen, benötigt ein Strom in einem Filament bis zum Erreichen eines Werts von ungefähr 1 A möglicherweise länger als 1,5 ns. Ohne Induktivitäten kann die Zeitdauer nur 1/10 dieses Werts oder weniger betragen. Dies kann unter Umständen sogar als eine Maßnahme gegen Zerstörung bei Implementierungen ausreichen, wo Induktivitäten der vollen Betriebsspannung gerecht werden können, ohne Überspannung in einem Gate-Source-Bereich der Transistoren oder in einer Auswerteschaltung zu erzeugen. Bei derartigen Ausführungsformen können die Induktivitäten auf einer High-Side der Schalter wie Transistoren vorgesehen werden, wie in 10 veranschaulicht.
Es wird darauf hingewiesen, dass die obigen Zahlenwerte nur zur weiteren Veranschaulichung dienen und je nach Implementierung und Ausführungsform variieren können.
Bei manchen Ausführungsformen kann als Reaktion auf das Warnsignal von 14 eine Warnmeldung ausgegeben werden. Bei anderen Ausführungsformen kann die Schaltvorrichtung vorübergehend geschlossen werden, wie bereits unter Bezug auf die 1 bis 7 erläutert. Anders ausgedrückt, der unter Bezug auf die 8 bis 14 erläuterte Erkennungsmechanismus kann mit den unter Bezug auf die 1 bis 7 offenbarten Techniken kombiniert werden, kann aber auch unabhängig davon verwendet werden. 15 zeigt eine Ausführungsform, bei der die unter Bezug auf die 1 bis 7 offenbarten Techniken mit der Ausführungsform von 12 kombiniert sind. 15 zeigt eine Schaltvorrichtung, die einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter umfasst. Der erste Schalter umfasst einen Transistor 713 und eine Schutzdiode 715, und der zweite Schalter umfasst einen zweiten Transistor 714 und eine zweite Schutzdiode 716. Außerdem umfasst die Schaltvorrichtung von 15 eine erste Induktivität 717 und eine zweite Induktivität 718. Die Elemente 713 bis 718 können entsprechend den unter Bezug auf die 12 bis 14 erläuterten Elementen 411 bis 416 implementiert und angeordnet werden, und unter Bezug auf die 12 bis 14 erörterte Variationen und Änderungen können auch auf die Ausführungsform von 15 zutreffen.
Ferner umfasst die Ausführungsform von 15 eine Auswerteschaltung 710, die im Wesentlichen der Auswerteschaltung 410 der Ausführungsformen der 12 bis 14 entsprechen kann. Bei der Ausführungsform von 15 kann die Auswerteschaltung 710 ein Warnsignal ausgeben, das einen erkannten Lawinendurchbruch einem Treiber 711 anzeigt. Bei normalem Betrieb kann der Treiber 711 die Gateanschlüsse der Transistoren 713, 714 basierend auf einem Steuersignal ctrl steuern. Im Falle eines einen Lawinendurchbruch anzeigenden Warnsignals kann die Treiberschaltung 711 die Transistoren 713, 714 vorübergehend schließen, um ein elektrisches Feld zu reduzieren und hierdurch den Lawineneffekt zu stoppen oder abzuschwächen. Hierzu kann der Treiber 711 Ladung von einer Hilfsversorgung 712 verwenden, zum Beispiel von einem Kondensator wie dem Kondensator 67 von 6. Ein derartiger Kondensator kann physisch nahe an den Gateanschlüssen der zu schaltenden Schalter wie Transistoren 713, 714 gelegen sein, um schnelles Reagieren auf einen erkannten Lawinendurchbruch oder ein anderes erkanntes Fehlerereignis zu ermöglichen.
Nach einer gewissen vorbestimmten Wartezeit und/oder nachdem Au unter eine vorbestimmte Schwelle gefallen ist, können die Transistoren 713, 714 wieder geöffnet werden. Bei manchen Ausführungsformen kann die vorbestimmte Wartezeit auch durch eine Größe eines als Hilfsversorgung dienenden Kondensators bestimmt sein, zum Beispiel durch eine Menge der Ladung, die der Kondensator speichern kann. Bei anderen Ausführungsformen können andere Techniken verwendet werden.
In den 16 und 17 sind Verfahren gemäß einigen Ausführungsformen schematisch dargestellt. Die unter Bezug auf die 16 und 17 gezeigten Verfahren können mittels der unter Bezug auf die 1 bis 15 gezeigten Vorrichtungen implementiert werden, sie können jedoch auch unabhängig davon implementiert werden. Obwohl die Verfahren als eine Abfolge von Betätigungen oder Ereignissen dargestellt sind, ist die Reihenfolge der Darstellung derartiger Betätigungen oder Ereignisse nicht als beschränkend aufzufassen. Ferner können die in den 16 und 17 gezeigten Verfahren getrennt voneinander, aber auch kombiniert verwendet werden.
Bei 1000 in 16 umfasst das Verfahren Erkennen eines Lawinenereignisses oder eines anderen Fehlerereignisses bei einer Schaltvorrichtung, zum Beispiel bei einer offenen Schaltvorrichtung. Bei 1001 als Reaktion auf Erkennen des Ereignisses umfasst das Verfahren vorübergehendes Schließen der Schaltvorrichtung, z. B. zum Reduzieren eines elektrischen Felds, wodurch bei gewissen Implementierungen ein Lawineneffekt abgeschwächt oder gestoppt werden kann. Nach einer gewissen Zeit kann der Schalter wieder geöffnet werden.
In 17 umfasst das Verfahren bei 1100 Erkennen eines Lawinenereignisses durch Überwachen zweier Induktivitäten in zwei entsprechenden parallelen Schaltpfaden. Zum Beispiel können Spannungen über die Induktivitäten bei manchen Ausführungsformen überwacht werden. Bei 1101 umfasst das Verfahren von 17 Reagieren auf das erkannte Ereignis. Zum Beispiel kann eine Reaktion Abschalten einer Vorrichtung, Ausgeben einer Warnmeldung und/oder vorübergehendes Schließen eines Schalters wie bei 1001 von 16 umfassen. Andere Techniken können ebenfalls verwendet werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen dienen nur als Beispiele und sind nicht als begrenzend aufzufassen. Insbesondere können bei anderen Ausführungsformen andere Merkmale oder Elemente als die oben ausdrücklich beschriebenen verwendet werden. Hier offenbarte Techniken können bei verschiedenen Anwendungen wie Automobilanwendungen oder Raumfahrtanwendungen eingesetzt werden, sind jedoch in dieser Hinsicht nicht beschränkt.

Claims

Vorrichtung, umfassend: einen ersten Schalter, der zur Kopplung mit einer Last eingerichtet ist; eine Steuerschaltung, die eingerichtet ist, den ersten Schalter als Reaktion auf eine Erkennung eines Fehlerereignisses in dem ersten Schalter vorübergehend zu schließen; eine Detektionsschaltung, die eingerichtet ist, das Fehlerereignis zu detektieren; und einen zweiten Schalter, der zu dem ersten Schalter parallel gekoppelt ist, wobei die Detektionsschaltung eine erste Induktivität, die mit dem ersten Schalter in Reihe gekoppelt ist, und eine zweite Induktivität, die mit dem zweiten Schalter in Reihe gekoppelt ist, umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung einen Treiber umfasst, der mit einem Steueranschluss des ersten Schalters gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerschaltung ein Versorgungselement umfasst, das eingerichtet ist, Ladung zum vorübergehenden Schließen des ersten Schalters zu liefern.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Versorgungselement einen Kondensator umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Detektionsschaltung zum Überwachen einer Stromzunahme durch den ersten Schalter eingerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Detektionsschaltung weiter eine Auswerteschaltung umfasst, die eingerichtet ist, einen Spannungsabfall über der ersten Induktivität und/oder über der zweiten Induktivität auszuwerten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, wobei der erste Schalter einen Transistor umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, wobei die Vorrichtung eine Vollbrückenschaltung umfasst, und der Schalter in einem Brückenzweig der Vollbrückenschaltung angeordnet ist.