DE102015121194A1

DE102015121194A1 - Vorrichtung mit integriertem Schutzverlauf und Verfahren

Info

Publication number: DE102015121194A1
Application number: DE102015121194.7A
Authority: DE
Inventors: Dr. Graf Alfons
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-12-04
Filing date: 2015-12-04
Publication date: 2017-06-08
Also published as: US20170163255A1; CN106849919B; CN106849919A; US10985744B2

Abstract

Es wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, umfassend einen elektronischen Schalter, eine Ansteuereinheit zur Ansteuerung des elektronischen Schalters, eine Diagnoseeinheit zur Bestimmung eines Stroms durch den elektronischen Schalter, einen Speicher zur Speicherung eines Schutzverlaufs, wobei die Ansteuereinheit so eingerichtet ist, dass basierend auf dem von der Diagnoseeinheit bestimmten Strom durch den elektronischen Schalter und basierend auf dem Schutzverlauf der elektronische Schalter angesteuert wird. Weiterhin wird ein Verfahren angegeben zum Ansteuern eines elektronischen Schalters.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem integrierten Schutzverlauf (z.B. umfassend mindestens eine Kennlinie) sowie ein Verfahren zum Ansteuern eines elektronischen Schalters.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung, insbesondere ein elektronisches Bauteil, so zu verbessern, dass ein Schutz des Bauteils und ggf. angeschlossener Elemente verbessert wird.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung angegeben, umfassend

– einen elektronischen Schalter,
– eine Ansteuereinheit zur Ansteuerung des elektronischen Schalters,
– eine Diagnoseeinheit zur Bestimmung eines Stroms durch den elektronischen Schalter,
– einen Speicher zur Speicherung eines Schutzverlaufs,
– wobei die Ansteuereinheit so eingerichtet ist, dass basierend auf dem von der Diagnoseeinheit bestimmten Strom durch den elektronischen Schalter und basierend auf dem Schutzverlauf der elektronische Schalter angesteuert wird.

Hierbei ist es von Vorteil, dass die Vorrichtung eine effiziente eingebaute Stromsicherung aufweist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Vorrichtung eine selbstsichernde Sicherungsfunktion aufweist, ohne dass ein separater Mikrocontroller oder eine andere externe Einrichtung erforderlich ist. Es handelt sich beispielsweise bei der Vorrichtung um einen schützenden Schalter, der sich selbst und eine angeschlossene Leitung bzw. Last vor einem zu großen Strom schützt. Beispielsweise kann der Selbstschutz des Schalters durch die geeignete Dimensionierung des elektronischen Schalters und der Auslegung des Schutzverlaufs vorgegeben sein.
Die Diagnoseeinheit und der Speicher können ein integrierter Teil der Vorrichtung sein. Insbesondere kann hierfür ein einzelner Chip eingesetzt werden. Auch ist es möglich, dass mehrere Chips zur Integration der Vorrichtung verwendet werden.
Es ist eine Option, dass die Vorrichtung als Chip-on-Chip oder als Chip-by-Chip montiert ist. Der Schalter und die Schutzvorrichtung können auch in einem Chip monolithisch ausgeführt sein.
Die Vorrichtung kann wie ein herkömmlicher Transistor oder MOSFET angesteuert werden. Insofern kann die Ansteuerung des Basis-Anschlusses bzw. des Gate-Anschlusses über einen bekannten Gate-Treiber durchgeführt werden.
Es ist eine Option, dass der Gate-Treiber in der Schutzschaltung integriert ist und die Ansteuerung über einen digitalen Eingangs-Pin erfolgt.
Es ist eine Option, dass die Diagnoseeinheit den Strom durch den elektronischen Schalter bestimmt anhand einer Spannungsmessung, z.B. einem Spannungsabfall über einer Drain-Source-Strecke eines MOSFET oder einer Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors.
Alternativ ist die Spannungsmessung an einen beliebigen Widerstandsanteil in dem Hauptstrompfad des elektronischen Schalters möglich. Beispielsweise kann ein Spannungsabfall an einem Widerstand eines Bonddrahtes oder an einem Widerstand einer Source-Metallisierung bestimmt werden.
Die von der Vorrichtung bereitgestellte Sicherungsfunktion ist z.B. über eine Spannung bzw. Spannungsänderung, die an einen ihrer Anschlüsse (z.B. dem Gate- bzw. Eingangs-Anschluss oder Eingangs-Pin) angelegt wird, rückstellbar.
Die hier genannte Ansteuereinheit kann insbesondere als eine Prozessoreinheit und/oder eine zumindest teilweise festverdrahtete oder logische Schaltungsanordnung ausgeführt sein, die beispielsweise derart eingerichtet ist, dass das Verfahren wie hierin beschrieben durchführbar ist. Besagte Verarbeitungseinheit kann jede Art von Prozessor oder Rechner oder Computer mit entsprechend notwendiger Peripherie (Speicher, Input/Output-Schnittstellen, Ein-Ausgabe-Geräte, etc.) sein oder umfassen.
Somit wird beispielsweise eine Leitungsschutzkennlinie (auch bezeichnet als Sicherungskennlinie) implementiert. Eine solche Kennlinie umfasst insbesondere eine auf den energetischen Schutz und/oder den thermischen Schutz der Leitung ausgerichtete (z.B. optimierte) Kennlinie und/oder eine auf den energetischen und/oder thermischen Schutz des elektronischen Schalters ausgerichtete (z.B. optimierte) Kennlinie. Diese beiden Kennlinien können sich in ihrer Funktion ergänzen oder sie können durch die jeweilige andere Kennlinie bereits abgedeckt sein.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Diagnoseeinheit eingerichtet ist zur Bestimmung einer Temperatur.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Temperatur mittels eines Temperatursensors bestimmt wird, der in der Nähe des elektronischen Schalters angeordnet ist.
Der Temperatursensor kann z.B. ein pn-Übergang oder ein temperaturempfindlicher Widerstand sein.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Ansteuereinheit so eingerichtet ist, dass basierend auf dem von der Diagnoseeinheit bestimmten Strom durch den elektronischen Schalter, der Temperatur und basierend auf dem Schutzverlauf der elektronische Schalter angesteuert wird.
Insbesondere kann ein Abschaltkriterium für ein Abschalten des elektronischen Schalters bestimmt sein durch den Strom IL(T) durch den elektronischen Schalter, der sich aus der Spannung UDS(T) über den elektronischen Schalter und den Widerstand RON (T) in Abhängigkeit von der Temperatur T ergibt: IL(T) = UDS(T)/RON(T).
Alternativ kann auch eine Spannung UBHL(T) über einem Widerstand, z.B. einem Bonddraht-Widerstand RB(T) in Abhängigkeit von der Temperatur T ausgewertet werden gemäß: IL(T) = UBHL(T)/RB(T).
Ein Ziel dieser Auswertung ist es, die gleichbleibende Strommessung bei jeder Temperatur zu gewährleisten.
Die hier vorgestellte Sicherungsfunktion kann temperaturabhängig oder temperaturunabhängig ausgeführt sein.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Temperatur des elektronischen Schalters unter Berücksichtigung eines thermischen Modells des Schalters bestimmt wird.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Temperatur der zu schützenden Leitung unter Berücksichtigung eines thermischen Modells der Leitung bestimmt wird.
Somit kann beispielsweise die (tatsächliche) Temperatur des elektronischen Schalters und/oder die Temperatur der zu schützenden Leitung (z.B. durch Bestimmung der Temperatur des die Leitung umgebenden Isolationsmaterials) bestimmt werden.
Es ist eine Weiterbildung, dass der Schutzverlauf einer Kennlinie entspricht oder mindestens eine Kennlinie umfasst.
Beispielsweise kann die Kennlinie eine Sicherungskennlinie sein. Somit kann der elektronische Schalter ausgeschaltet werden, wenn ein Strom bestimmt wird, der die Sicherungskennlinie in Abhängigkeit der Einwirkzeit erreicht oder überschreitet.
Auch ist es eine Option, dass die Kennlinie eine IL²t-Kennlinie oder eine abgewandelte Funktion davon ist.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Kennlinie einen temperaturabhängigen Verlauf des Widerstands RON des elektronischen Schalters umfasst.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Kennlinie einen temperaturabhängigen Verlauf eines Widerstands eines Bonddrahts umfasst.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Ansteuereinheit so eingerichtet ist, dass sie den elektronischen Schalter abschaltet basierend auf dem von der Diagnoseeinheit bestimmten Strom durch den elektronischen Schalter, einer Zeitdauer und basierend auf dem Schutzverlauf.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Ansteuereinheit so eingerichtet ist, dass sie den elektronischen Schalter abschaltet basierend auf einem thermischen Modell des elektronischen Schalters und/oder basierend auf einem thermischen Modell der zu schützenden Leitung.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Ansteuereinheit so eingerichtet ist, dass der Strom durch den elektronischen Schalter auf Chipebene oder auf Bausteinebene kalibrierbar und speicherbar ist.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Ansteuereinheit so eingerichtet ist, dass der Schutzverlauf auf Chipebene oder auf Bausteinebene kalibrierbar und speicherbar ist.
Insbesondere können Strom und/oder Schutzverlauf permanent in einem flüchtigen oder einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert werden.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Ansteuereinheit so eingerichtet ist, dass der Schutzverlauf auf Chipebene oder auf Bausteinebene während des Betriebs verändert wird.
Beispielsweise ist es möglich, die gespeicherten Werte zu verändern.
Insbesondere ist es eine Option, dass die Kalibrierung und/oder eine Einstellung des Schutzverlaufs, z.B. der Kennlinie (insbesondere der Sicherungskennlinie), vorab bei der Fertigung der Vorrichtung oder im Rahmen eines Anwendungsszenarios (z.B. bei einem Kunden, der die Vorrichtung z.B. in einem Fahrzeug einsetzt) durchgeführt wird.
Es ist eine Weiterbildung, dass der Speicher über mindestens einen Anschluss-Pin der Vorrichtung programmierbar ist.
Beispielsweise kann der Schutzverlauf (z.B. Sicherungskennlinie) in den Speicher geschrieben oder ein dort vorhandener Schutzverlauf geändert werden, indem bestimmte Pulse oder statische Signale an mindestens einen Anschluss-Pin der Vorrichtung angelegt werden.
Eine Option besteht darin, dass eine maximale Sicherungskennlinie vorgesehen ist, die den maximal zulässigen Strom in Abhängigkeit von der Einwirkzeit vorgibt. Eine Programmierung der Sicherungskennlinie kann in diesem Fall nur auf einen geringeren zulässigen Strom herabgesetzt (nicht erhöht) werden. Dies entspricht einem Selbstschutz der Vorrichtung.
Es ist eine Weiterbildung, dass eine Spannungsversorgung vorgesehen ist, die anhand der Spannungen, die zwischen den Anschlüssen der Vorrichtung abfallen, die Vorrichtung mit Spannung versorgt.
Beispielsweise kann die Spannung, die zwischen dem Gate- und dem Source-Anschluss abfällt, und/oder die Spannung, die zwischen dem Drain- und dem Source-Anschluss abfällt, zur Spannungsversorgung der Vorrichtung genutzt werden. Hierbei ist es von Vorteil, dass kein zusätzlicher Versorgungsanschluss für die Vorrichtung benötigt wird.
Alternativ kann die Spannung zwischen Drain (Vbat) und Masse oder eine separate Spannungsquelle oder Spannungsversorgung verwendet werden.
Ein Vorteil besteht auch darin, dass anhand der Vorrichtung ein Leitungsschutz auch in einem Standby-Modus möglich ist, in dem die Vorrichtung einen sehr geringen Eigenstromverbrauch aufweist.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass anhand der Vorrichtung ein Leitungsschutz auch in einem Schalt-Modus möglich ist, in dem die Vorrichtung auch während des Ein- und Ausschaltvorgangs den Strom erfassen kann.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Ansteuereinheit so eingerichtet ist, dass der elektronische Schalter nach der Schutzabschaltung dauerhaft oder für eine notwendige Zeitdauer ausgeschaltet bleibt.
Insbesondere kann ein Zähler vorgesehen sein, der die Abschaltvorgänge (Ereignisse, die zum Auslösen der Sicherungsfunktion führten) zählt (speichert). Erreicht der Zähler einen vorgegebenen Schwellwert, so kann der elektronische Schalter dauerhaft ausgeschaltet werden/bleiben oder die drohende Abschaltung vorzeitig signalisieren. Optional kann eine vorgegebene Zeitdauer bestimmt sein, nach deren Ablauf der elektronische Schalter wieder eingeschaltet wird oder eingeschaltet werden kann. Diese Zeitdauer kann auch über ein thermisches Model (Abkühlkurve des Schalters oder der Leitung) errechnet werden.
Ein Abschalten des elektronischen Schalters kann von der Vorrichtung so realisiert werden, dass der Gate-Anschluss des elektronischen Schalters mit dem Source-Anschluss verbunden wird. Somit kann die Ansteuereinheit einen Schalter derart ansteuern, dass entweder der Gate-Anschluss der Vorrichtung mit dem Gate-Anschluss des elektronischen Schalters (im Normalbetrieb) verbunden ist oder dass der Gate-Anschluss der Vorrichtung nicht mit dem Gate-Anschluss des elektronischen Schalters (im Abschaltzustand) verbunden ist.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Ansteuereinheit so eingerichtet ist, dass der elektronische Schalter dauerhaft ausgeschaltet bleibt, sobald eine vorgegebene Anzahl von Abschaltungen erreicht oder überschritten ist.
Eine weitere Option besteht darin, dass eine Diagnosefunktion der Vorrichtung bereitgestellt wird mittels einer Strom-Auswertung an einem Anschluss-Pin (dem Gate-Anschluss) der Vorrichtung.
Hierbei sei angemerkt, dass die Vorrichtung sowohl n-Kanal MOSFET als auch p-Kanal MOSFET aufweisen kann.
Es ist eine Weiterbildung, dass der elektronische Schalter zwei antiseriell geschaltete MOSFET aufweist.
Es ist eine Weiterbildung, dass die zwei antiseriell geschalteten MOSFET über eine Sicherungseinrichtung verbunden sind.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Vorrichtung drei Anschlusspins aufweist und anstelle eines herkömmlichen elektronischen Schalters verwendet werden kann.
Die hier beschriebenen Erläuterungen und Merkmale betreffend die Vorrichtung gelten für das Verfahren entsprechend. Die Vorrichtung kann in einer Komponente oder verteilt in mehreren Komponenten ausgeführt sein.
Weiterhin wird ein Verfahren vorgeschlagen zur Ansteuerung eines elektronischen Schalters,

– bei dem ein Strom durch den elektronischen Schalter bestimmt wird,
– bei dem basierend dem Strom und basierend auf einem in einem Speicher gespeicherten Schutzverlauf der elektronische Schalter angesteuert wird.

Es ist eine Weiterbildung, dass

– eine Temperatur bestimmt wird,
– basierend auf dem Strom, der Temperatur und dem Schutzverlauf der elektronische Schalter angesteuert wird.

Es ist eine Weiterbildung, dass der Schutzverlauf in dem Speicher veränderbar ist.
Es ist eine Weiterbildung, dass der Schutzverlauf verändert wird, indem die folgenden Schritte durchgeführt werden:

– Einprägen eines Stroms oder eines Stromverlaufs in den elektronischen Schalter;
– Bestimmen eines Abschaltzeitpunkts basierend auf dem eingeprägten Strom;
– Bestimmen einer Abweichung zwischen dem Abschaltzeitpunkt und einem vorgegebenen Abschaltzeitpunkt;
– Nachjustieren des Schutzverlaufs unter Berücksichtigung der Abweichung.

Es ist eine Weiterbildung, dass die Schritte zur Veränderung des Schutzverlaufs für vorgegebene Ströme und/oder Temperaturen durchgeführt werden.
Der hier erwähnte elektronische Schalter kann dabei einen Transistor, Bipolartransistor, Feldeffekttransistor, MOSFET, IGBT oder sonstigen Halbleiterschalter bzw. eine Kombination von Halbleiterschaltern und in Form von Halbleitermodulen umfassen.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
Es zeigen:
1 eine Anordnung einer Schmelzsicherung mit beispielsweise 15A in Kombination mit einem Relaiskontakt als ein Schaltelement in Verbindung mit einer Ansteuerung;
2 einen Leitungsschutz unter Verwendung eines sogenannten geschützten elektronischen Schalters (SmartFET);
3 eine Vorrichtung, die eine verbesserte Selbstsicherung bereitstellt;
4 ein schematisches Schaubild einer Schaltung für eine beispielhafte Realisierung einer Vorrichtung mit Sicherungsfunktion;
5 ein beispielhaftes Diagramm zur Veranschaulichung der Messung des Laststroms IL mittels der Auswertung der Spannung UDS;
6 ein beispielhaftes Diagramm für eine Spannungsversorgung der Kontrollschaltung;
7 eine beispielhafte Schaltungsanordnung für eine Gate-Ansteuerung mittels mehrerer Transistoren;
8 ein beispielhaftes Diagramm mit einer Spannungssequenz zur Programmierfreischaltung der Einheit;
9 eine Schaltung basierend auf der Darstellung von 4, wobei ein Mess-Strom bereitgestellt wird;
10 ein schematisches Schaltbild für eine alternative Ausführungsform, bei der der Gate-Anschluss des MOSFET über eine Ladungspumpe angesteuert wird;
11 ein weiteres schematisches Schaltbild basierend auf der in 10 gezeigten Schaltung, bei dem ein Spannungsabfall über einem Bonddraht bestimmt wird und in Abhängigkeit dieses Spannungsabfalls der MOSFET angesteuert wird;
12 ein beispielhaftes symbolisches Schaltbild für die hier vorgeschlagene Vorrichtung mit Sicherungsfunktion umfassend einen n-Kanal MOSFET bzw. einen p-Kanal MOSFET;
13 Vorrichtung zur Bereitstellung einer bidirektionalen Sicherungsfunktion.
Eine Aufgabe einer elektronischen Sicherung besteht darin, der Sicherung nachgeschaltete Leitungen bis zu einer Last zu schützen. Insbesondere ist es ein Ziel, einen sicheren Arbeitsbereich (SOA: Safe Operating Area) der Leitung möglichst effizient zu nutzen, also die physikalischen Möglichkeiten der Leitung auszunutzen; eine effiziente elektronische Sicherung kann auf die Leitung angepasst sein, so dass die Leitung selbst nicht mehr oder nur noch in einem reduzierten Maße überdimensioniert werden muss. Mit anderen Worten ermöglicht eine effiziente Sicherungsfunktion, dass die Leitung einen geringeren Querschnitt aufweisen kann, als das bei Verwendung einer herkömmlichen Schmelzsicherung der Fall wäre. Dies führt zu geringeren Kabelkosten, geringerem Gewicht und weniger Platzbedarf (z.B. bei Kabelbäumen in einem Fahrzeug).
1 zeigt eine Anordnung einer Schmelzsicherung 101 mit beispielsweise 15A in Kombination mit einem Relaiskontakt 102 als ein Schaltelement mit einer Ansteuerung 103. Die Ansteuerung 103 kann z.B. einen Mikrocontroller und einen Treiber aufweisen und mit einer Versorgungsspannung 104 sowie mit Masse 105 verbunden sein.
Eine Batteriespannung ist mit einem Anschluss 106 verbunden. Der Anschluss 106 ist über den Relaiskontakt 102, die Schmelzsicherung 101, eine Leitung 107 und eine Last RL mit Masse 105 verbunden.
Die Sicherungsauslösung der Schmelzsicherung 101 ist eine Funktion eines Laststroms IL, einer Einwirkzeit t sowie einer Starttemperatur T und damit unabhängig von der Relais-Schalterfunktion und dessen Ansteuerung. Die Schmelzsicherung 101 hat hierbei den Vorteil, dass sie dann auslöst, wenn der Strom für eine bestimmte Zeit zu hoch ist, unabhängig von Randbedingungen wie Betriebsspannung, Schalteransteuerung oder Diagnose. Die Schmelzsicherung ist somit "selbstsicher".
2 zeigt einen Leitungsschutz unter Verwendung eines sogenannten geschützten elektronischen Schalters 201, der hier auch aus SmartFET bezeichnet wird. Der elektronische Schalter 201 kann z.B. einen Halbleiterschalter 203 (z.B. einen Transistor, einen FET, einen MOSFET oder einen IGBT) sowie eine Logikeinheit 204 umfassen. Der Halbleiterschalter 203 (hier ein n-Kanal MOSFET) umfasst einen Mess-Anschluss 210, der ebenso wie sein Gate mit der Logikeinheit 204 verbunden ist. Die Logikeinheit 204 ist weiterhin mit Masse 208 verbunden. Ein Mikrocontroller 202 ist mit einer Versorgungsspannung 206 und mit Masse 208 verbunden. Die Logikeinheit 204 liefert einen Sense-Strom an den Mikrocontroller 202 (gemäß einer Spannung die an einem Widerstand 205 abfällt) und der Mikrocontroller 202 liefert ein Steuersignal IN an die Logikeinheit 204. Der Drain-Anschluss des Halbleiterschalters 203 ist mit einem Knoten 207 verbunden, an dem eine Batteriespannung anliegt. Der Source-Anschluss des Halbleiterschalters 203 ist über eine Leitung 209 und eine Last RL mit Masse 208 verbunden.
Eine Sicherungsabschaltung des elektronischen Schalters 201 kann z.B. erreicht werden, wenn eine der folgenden Bedingungen eintritt:

– ein Überschreiten eines in dem elektronischen Schalter 201 ausgewerteten Trip-Stroms Itrip;
– ein Überschreiten eines Begrenzungsstroms Ilim (z.B. Limitierung auf 100A), mit einer damit verbundenen Temperaturerhöhung;
– eine Überschreitung einer integrierten Abschalttemperatur Toff (z.B. 170°C);
– ein Überschreiten eines Schwellwerts von einem Strom, der mittels einer Sense-Strom-Auswertung bestimmt wird;
– ein Überschreiten eines Schwellwerts von einem Strom, der mittels einer Sense-Strom-Auswertung bestimmt wird, für eine bestimmte Zeit;
– eine Abschaltung verursacht durch den Mikrocontroller 202.

Somit funktioniert die vollständige Sicherungsfunktion in dem Gesamtsystem. Falls sich beispielsweise der Mikrocontroller 202 in einem Schlafmodus befindet, bei der Verarbeitung hängengeblieben oder mit anderen Aufgaben ausgelastet ist, kommt es zu Verzögerungen der Stromauswertung. Dies kann für eine schnelle Umsetzung der Sicherungsfunktion problematisch sein. Ferner kann eine fehlerhafte Messung des Sense-Stroms oder eine fehlerhafte Auswertung im Mikrocontroller 202 zu einem Versagen der Sicherungsfunktion führen. Demnach ist die Selbstsicherheit eines derartigen elektronischen Schalters verbesserungswürdig.
3 zeigt eine Vorrichtung 301, die eine verbesserte Selbstsicherheit bereitstellt. Die Vorrichtung 301 umfasst einen elektronischen Schalter 303, z.B. einen n-Kanal MOSFET. Die bereitgestellte Sicherungsfunktionalität wird mit der Funktion des MOSFET 303 kombiniert, so dass eine Selbstsicherung auch ohne Ansteuerung von außen oder ohne die Auswertung einer Diagnose gewährleistet ist.
Beispielsweise hat die Vorrichtung 301 drei Anschlüsse, die denen eines herkömmlichen Transistors, z.B. MOSFET, entsprechen können. Gemäß dem in 3 gezeigten Beispiel hat die Vorrichtung 301 die Anschlüsse Gate G, Source S und Drain D. Weiterhin ist eine integrierte Sicherungsfunktion vorgesehen, die von einem Laststrom IL und einer Zeit t abhängt. Eine ggf. unerwünschte Abhängigkeit von einer Starttemperatur T lässt sich reduzieren bzw. eliminieren. Auch ist es ein Vorteil, dass die Vorrichtung 301 als integrierte Sicherung ausgeführt sein kann, die z.B. über ihren Gate-Anschluss G zurückgesetzt werden kann.
Der Drain-Anschluss D ist mit einer Batteriespannung Vbat verbunden. Der Source-Anschluss ist über eine Leitung 209 mit einer Last RL verbunden.
Hierbei ist es von Vorteil, dass die Sicherungsfunktion die Vorrichtung 301 selbst als auch die Leitung 209 schützt. Die Vorrichtung 301 stellt somit insbesondere einen aktiv schützenden Schalter bereit. Optional kann die Sicherungsfunktion um einen Temperaturschutz, z.B. in Form einer Übertemperaturabschaltung, ergänzt werden. Die Sicherungsfunktionalität kann die Funktion einer Schmelzsicherung 304 umfassen, die über den Gate-Anschluss G angesteuert, z.B. zurückgesetzt oder programmiert, werden kann.
Ein Mikrocontroller 302 (ggf. mit einem Treiber, der auch Teil des Mikrocontrollers sein kann) steuert den Gate-Anschluss G der Vorrichtung 301 an. Der Mikrocontroller 302 ist mit einer Versorgungsspannung 206 und mit Masse 208 verbunden.
Beispielsweise hat die Vorrichtung 301 einen Nominalstrom von 10A und eine implementierte Sicherung bei einem Nennstrom Is von 15A. Der Strom Is kann der Vorrichtung 301 z.B. ab Werk eingeprägt sein. Auch ist es eine Option, dass der Strom Is später, z.B. für eine Applikation, auf einen vorgegebenen, z.B. niedrigeren Wert programmiert werden kann.
Beispielsweise hat die Sicherungsfunktion der Vorrichtung 301 die Kennlinie einer Schmelzsicherung. Hierzu kann z.B. mittels eines Logikteils (in der Vorrichtung 301 oder in dem Mikrocontroller 302) ein Produkt IL²·t, aus dem Quadrat des Laststroms und der Zeit t über die Einwirkzeit t aufintegriert werden. Überschreitet das Ergebnis dieser Integration einen vorgegebene Grenzwert, so wird die Vorrichtung 301 abgeschaltet.
Die Kennlinie kann auch abweichend von einer Schmelzsicherung konfiguriert sein. Insbesondere könnte die Kennlinie auf individuelle Vorgaben hin konfiguriert bzw. konfigurierbar sein. Beispielsweise wird die Kennlinie auf eine SOA-Kennlinie (SOA: Safe Operating Area; sicherer Arbeitsbereich) der zu schützenden Leitung ausgelegt, z.B. auf eine Leitung mit einem Kupfer-Querschnitt von 1mm², die sich in einer umgebenden Luft mit max. 85°C befindet und deren Isolation auf max. 105°C erhitzt werden darf. Wird eine andere Leitung verwendet, die eine maximale Isolatortemperatur von z.B. 150°C aufweist oder befindet sich die Leitung beispielsweise in einer Umgebung mit 105°C, so ergibt sich dadurch eine andere SOA-Kennlinie der Leitung. Die individuelle Vorgabe der Kennlinie in der Vorrichtung 301 ist vorzugsweis so ausgelegt, dass unterschiedliche Bedingungen berücksichtigt werden können.
4 zeigt ein schematisches Schaubild einer Schaltung für eine beispielhafte Realisierung einer Vorrichtung 401 mit Sicherungsfunktion.
Beispielhaft kann die Vorrichtung einen n-Kanal MOSFET 403 sowie eine Kontrollschaltung 402 umfassen, die insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein können. Auch können die Halbleiterbauelemente (Chips) in einer Chip-on-Chip-Technik oder in einer Chip-by-Chip Technik aufgebaut sein. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung die drei Anschlüsse Gate G, Source S und Drain D auf und kann somit anstatt eines herkömmlichen MOSFET eingesetzt werden. Der Drain-Anschluss der Vorrichtung 401 entspricht dem Drain-Anschluss des MOSFET 403 und der Source-Anschluss der Vorrichtung 401 entspricht dem Source-Anschluss des MOSFET 403.
Die Kontrollschaltung 402 umfasst eine Einheit 404, die eine Stromversorgung, eine Logikschaltung und einen Speicher bereitstellt. Weiterhin umfasst die Kontrollschaltung 402 einen Schalter S1 sowie einen Temperatursensor 405.
Mittels des Temperatursensors 405 kann eine Temperatur des MOSFET 403 hinreichend genau bestimmt und an die Einheit 404 übermittelt werden.
Der Gate-Anschluss der Vorrichtung 401 ist mit der Einheit 404 und mit einem Anschluss 406 des Schalters S1 verbunden. Ein Anschluss 407 des Schalters S1 ist mit der Einheit 404 und mit dem Source-Anschluss des MOSFET 403 verbunden. Der Schalter S1 wird von der Einheit 404 so angesteuert, dass entweder der Anschluss 406 oder der Anschluss 407 mit dem Gate-Anschluss des MOSFET 403 verbunden ist. Ferner ist die Einheit 404 mit dem Drain-Anschluss des MOSFET 403 verbunden.
Im Ergebnis gibt es somit zwischen der Kontrollschaltung 402 und dem MOSFET 403 die Verbindungen 408, 409 und 410.
Hierbei ist es von Vorteil, dass als MOSFET 403 ein herkömmlicher preisgünstiger MOSFET Chip verwendet werden kann. Dieser MOSFET 403 benötigt selbst keinen Mess- oder Temperatur-Anschluss.
Ein Laststrom wird anhand einer Spannung UDS, die zwischen dem Drain- und dem Source-Anschluss des MOSFET 403 abfällt, bestimmt. Die Spannung UDS ist aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Durchlasswiderstands RON des MOSFET 403 üblicherweise stark temperaturabhängig. Diese Temperaturabhängigkeit des Durchlasswiderstands RON kann (z.B. näherungsweise) in dem Speicher der Einheit 404 hinterlegt sein und somit kompensiert werden. Weitere Temperaturabhängigkeiten, Streuungen bzw. Abweichungen vom Idealverhalten, z.B. basierend auf Fertigungs- und Montagestreuungen können mittels einer Referenzmessung kalibriert und optional auch in dem Speicher der Einheit 404 hinterlegt werden. Der Speicher ist beispielsweise ein Permanentspeicher.
Für den (weitgehend) temperaturunabhängigen Laststrom IL₀ gilt somit
wobei die Spannung UDS(T) und die Temperatur T gemessen werden und die Kennlinie des Durchlasswiderstands RON₀(T) in dem Speicher hinterlegt ist.
Die Temperatur T wird beispielsweise mittels des Temperatursensors 405 in der Kontrollschaltung 402 bestimmt. Die so gemessene Temperatur kann von der Temperatur des MOSFET-Kanals abweichen, was eine gewisse Ungenauigkeit bei der Auswertung des Laststroms IL bedingt. Diese Ungenauigkeit kann reduziert bzw. kompensiert werden, indem mittels der Kenntnis von Strom und Zeit ausgehend von der gemessenen Temperatur auf die tatsächliche Temperatur hochgerechnet wird. Eine solche Hochrechnung kann beispielsweise innerhalb der Kontrollschaltung 402 mittels eines thermischen Modells des MOSFET 403 erfolgen. Hierdurch lässt sich die Genauigkeit der Bestimmung des Laststroms IL weiter verbessern.
5 zeigt ein beispielhaftes Diagramm zur Veranschaulichung der Messung des Laststroms IL mittels der Auswertung der Spannung UDS.
Auf der x-Achse ist ein Temperaturbereich von beispielhaft –40°C bis 150°C aufgetragen. Über diesem Temperaturbereich sind dargestellt:

– eine (gemessene) Kennlinie der Spannung UDS, die von der Temperatur T als auch von dem Durchlasswiderstand RON abhängt,
– eine Kennlinie des Durchlasswiderstands RON₀ entsprechend der physikalischen Vorgaben mit einer herstellungsbedingten Streuung (gekennzeichnet durch einen Bereich um die Kennlinie),
– eine Kennlinie eines Laststroms IL₀ gemäß der Kalibrierung und Berechnung (hierbei ist ersichtlich, dass der Laststrom IL₀ temperaturunabhängig ist und entsprechend der Streuung des Durchlasswiderstands RON₀ eine gewisse Streuung aufweist, die z.B. durch die Kalibrierung weitgehend eliminiert wird).

Wird beispielsweise in einem Kalibriervorgang bei einer Temperatur von 25°C ein tatsächlicher Laststrom von 20A eingeprägt, so ergibt sich hieraus eine gemessene Spannung UDS 501. Hieraus kann ein Messwert 502 für den Laststrom IL bestimmt werden, der genau dem Laststrom von 20A entspricht.
Eine Versorgungsspannung Vint für die Kontrollschaltung 402 kann aus der Spannung UDS oder aus einer Spannung UGS (Spannung zwischen dem Gate- und dem Source-Anschluss des MOSFET 403) gewonnen werden. Hierfür können innerhalb der Vorrichtung 401 der Gate-Anschluss G sowie die Verbindungen 408 und 410 genutzt werden. Wird der MOSFET 403 als Schalttransistor verwendet, ist stets eine der beiden Spannungen UDS oder UGS in ausreichender Höhe verfügbar. Damit ist eine kontinuierliche Versorgung der Kontrollschaltung 402 gewährleistet, ohne dass hierfür eine zusätzlicher Anschluss für die Versorgungsspannung benötigt würde.
6 zeigt ein beispielhaftes Diagramm für eine Spannungsversorgung der Kontrollschaltung 402. Der Gate-Anschluss G ist über eine Diode 601 mit einem Knoten 606 verbunden. Der Knoten 606 ist über einen Spannungsregler 604 mit einem Knoten 605 verbunden, an dem die Versorgungsspannung Vint für die Kontrollschaltung 402 bereitgestellt wird. Der Knoten 606 ist über eine Diode 602 mit einem Anschluss 607 verbunden, der mit der Verbindung 408 kontaktiert wird. Die Diode 601 und die Diode 602 sind so angeordnet, dass deren Kathode jeweils in Richtung des Knotens 606 zeigt.
Der Knoten 606 ist weiterhin über einen Kondensator 603 mit einem Anschluss 608 verbunden, der mit der Verbindung 410 kontaktiert wird. Der Anschluss 608 ist auch mit dem Spannungsregler 604 verbunden.
Mittels der in 6 gezeigten Schaltung ist es möglich, eine kontinuierliche Versorgungsspannung an dem Knoten 605 bereitzustellen. Schaltet die Spannung UDS zu einem Zeitpunkt t0 ab, so steigt die Spannung UGS zu diesem Zeitpunkt t0 an; aus beiden Spannungen kann insgesamt die Versorgungsspannung zum Betrieb der Kontrollschaltung 402 gewonnen werden.
Sobald die Kontrollschaltung 402 die Bedingung für die Sicherungsauslösung bestimmt hat, wird der Gate-Anschuss G von der Verbindung 409 zu dem Gate des MOSFET 403 getrennt und es soll über die Verbindung 410 das Potential am Source-Anschluss des MOSFET 403 auf das Potential des Gates des MOSFET 403 gelegt werden. Diese Zusammenhang ist in 4 durch den Schalter S1 veranschaulicht.
7 zeigt eine beispielhafte Schaltungsanordnung für eine derartige Gate-Ansteuerung mittels mehrerer Transistoren 701 bis 704, wobei die Transistoren 701, 702 und 704 n-Kanal MOSFET sind und der Transistor 703 ein p-Kanal MOSFET ist.
Der Gate-Anschluss G ist mit dem Source-Anschluss des MOSFET 703 verbunden. Die Versorgungsspannung liegt an einem Anschluss 705 an, der über einen Widerstand 706 mit einem Knoten 707 verbunden ist. Der Knoten 707 ist mit dem Gate-Anschluss des MOSFET 703 und mit dem Gate-Anschluss des MOSFET 704 verbunden. Weiterhin ist der Knoten 707 mit dem Drain-Anschluss des MOSFET 702 verbunden.
Ein Anschluss 708 ist mit der Einheit 404 und mit dem Gate-Anschluss des MOSFET 702 verbunden. Der Source-Anschluss des MOSFET 702 ist mit einem Knoten 709 verbunden, der auch mit dem Source-Anschluss des MOSFET 704 sowie mit dem Source-Anschluss des MOSFET 701 verbunden ist. Der MOSFET 701 entspricht hierbei dem gesteuerten elektronischen Schalter 403 aus 4.
Der Drain-Anschluss des MOSFET 703 ist mit einem Knoten 710 und mit dem Drain-Anschluss des MOSFET 704 verbunden. Der Knoten 710 ist mit dem Gate-Anschluss des MOSFET 701 verbunden. Weiterhin ist zwischen dem Knoten 710 und dem Knoten 709 ein Widerstand 711 angeordnet.
Der Drain-Anschluss des MOSFET 701 ist mit einer Batteriespannung Vbat verbunden.
Beispielsweise kann der Spannungsabfall UDS zwischen dem Drain-Anschluss und dem Source-Anschluss des MOSFET 701 mittels eines Komparators gemessen und an die Einheit 404 übermittelt werden, die dann den Gate-Anschluss des MOSFET 702 entsprechend ansteuert.
Die Einheit 404 kann derart konfiguriert sein, dass nach Auslösung der Sicherungsfunktion die Vorrichtung entweder eine Funktion LATCH-AUS oder eine Funktion AUTO-RESTART erhält. Im Fall der Funktion LATCH-AUS kann der MOSFET 701 dauerhaft ausgeschaltet bleiben. Über die kurzzeitige Deaktivierung der Gate-Spannung UGS (0V) kann die LATCH-AUS Funktion rückgesetzt werden. In der Funktion AUTO-RESTART kann die Sicherungsfunktion über den MOSFET 701 (z.B. automatisch) nach einer vorgegebenen Zeitdauer oder einer simulierten Abkühlphase der Leitung zurückgesetzt werden.
Eine Option besteht darin, dass die Sicherungsfunktion nicht bei jeder Pulslücke einer Pulsweitenmodulationsapplikation zurückgesetzt wird. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass eine Zeitdauer bis zum Rücksetzen der Sicherungsfunktion größer ist als die längste Zeitdauer bei der ein PWM-Signal (PWM: Pulsweitenmodulation) ausgeschaltet ist.
Eine andere Option besteht darin, dass der MOSFET 701 durchgeschaltet ist auch wenn kein (oder kein signifikanter) Laststrom fließt. Dies trifft beispielsweise auf ein Fahrzeug zu, das in einem geparkten oder einem sonstigen Stromsparmodus (auch bezeichnet als IDLE-Modus) nur einen geringen Eigenstromverbrauch aufweist. Auch in dem IDLE-Modus soll der Leitungsschutz funktionieren. Die hier beschriebene Vorrichtung 401 ermöglicht dies, da die Messung der Spannung UDS an dem MOSFET 701 auch bei geringem Laststrom möglich ist. Insbesondere ist die Erfassung der Spannung UDS sowie die daraus zu ermittelnde Höhe des Laststroms IL bei sehr kleinem Eigenstromverbrauch in der Vorrichtung 401 möglich, da hierzu keine großen Stromverbraucher wie beispielsweise Stromspiegel benötigt werden, wie dies bei einer Sense-Strom-Messung erforderlich wäre.
Die Daten zur Kalibrierung des Laststroms und zur Einstellung des Sicherungskennlinie werden beispielsweise in einem Speicher abgelegt, z.B. einem EEPROM-, Flash-, OTP- oder ZAP-Speicher.
Während der Herstellung der Vorrichtung kann der Speicher z.B. über Anschlüsse, Pads oder Wafer-Nadeln programmiert werden. Bei der Herstellung und/oder im Einsatz (z.B. beim Kunden) kann die Programmierung des Speichers an einem Testgerät über bestehende Anschluss-Pins erfolgen.
8 zeigt ein beispielhaftes Diagramm mit einer Spannungssequenz zur Programmierfreischaltung der Einheit 404. Beispielsweise kann die Drain-Source-Spannung UDS des MOSFET 701 gemäß einem vorgegebenen Muster moduliert werden, um in einen Programmiermodus der Einheit 404 zu gelangen. In dem Programmiermodus kann ein Modulationsschema genutzt werden, um die Einheit 404 zu programmieren, der Gate-Anschluss dient als Dateneingang und ist von dem MOSFET 701 getrennt ausgeführt. Eine Option besteht darin, dass nach der Programmierung, der Gate-Anschluss des MOSFET 701 freigegeben wird und zur Ausgabe des Speicherinhalts genutzt wird, um diesen zu verifizieren.
8 zeigt eine Programmierung von mehreren Bits, wobei ein Bit mit dem Wert "0" oder "1" während einer Dauer t_bit programmiert wird. In dem gezeigten Beispiel wird der Wert "1" programmiert, wenn während der Dauer t_bit zuerst eine längere Dauer eine Spannung größer Us_high und anschließend für eine kürzere Dauer eine Spannung kleiner Us_low anliegt. Umgekehrt wird der Wert "0" programmiert, wenn während der Dauer t_bit zuerst eine kürzere Dauer eine Spannung größer Us_high und anschließend für eine längere Dauer eine Spannung kleiner Us_low anliegt. Die kürzere Dauer kann t_bit/3 und die längere Dauer kann 2·t_bit/3 sein. Wird die Spannung kleiner als Us_low für eine längere Zeitdauer (z.B. länger als 2·t_bit/3) gehalten, so wird der Programmiermodus wieder verlassen. Entsprechend kann der Programmiermodus mit dem gleichen Signal eingeleitet werden.
Vor jeder Sicherungsabschaltung ist der Halbleiterschalter einer erheblichen thermischen Belastung ausgesetzt. Eine Vielzahl von Sicherungsabschaltungen reduzieren somit die Lebensdauer des Halbleiterschalters. Eine Option besteht somit darin, eine maximale Anzahl von Sicherungsauslösungen vorzugeben, die beispielsweise von der Einheit 404 (z.B. einem Zustandsautomaten, auch bezeichnet als "State Machine") überwacht wird. Mit Erreichen dieser Anzahl kann die Vorrichtung dauerhaft abgeschaltet werden (d.h. der MOSFET 403 wird abgeschaltet) oder der MOSFET 403 (Anmerkung: dies gilt auch für den MOSFET 701 aus 7) darf nur noch eine vorgegebene Anzahl von weiteren Einschaltvorgängen durchlaufen. Dies hat den Vorteil, dass der Halbleiterschalter geschützt wird und rechtzeitig vor Eintreten eines potentiellen Alterungsdefekts (auch dauerhaft) abgeschaltet werden kann.
Die Anzahl der Sicherungsabschaltungen kann beispielsweise in dem Speicher gespeichert werden. Bei Erreichen einer vorgegebenen Anzahl von Sicherungsabschaltung (optional: pro vorgegebenem Zeitraum) kann das Wiedereinschalten des Halbleiterschalters blockiert werden.
Die hier beispielhaft erläuterte Einheit 404 (bzw. die Kontrollschaltung 402) der Vorrichtung 401 kann um weitere Funktionen und/oder Komponenten ergänzt werden.
9 zeigt eine Schaltung basierend auf der Darstellung von 4. Die Einheit 404 kann an einem Anschluss 901 eine Strominformation bereitstellen, wobei dazu beispielhaft an einem Anschluss 902 der Einheit 404 ein Strom I_IS ausgegeben wird, der mittels eines Widerstands R_IS in eine dazu proportionale Spannung U_IS = R_IS·I_IS gewandet wird. An dem Widerstand R_IS kann somit ein proportionaler Spannungsabfall mit Masse-Bezug für einen Mikrokontroller erzeugt werden.
10 zeigt ein schematisches Schaltbild für eine alternative Ausführungsform, bei der die Einheit 404 über eine Gate-Ladungspumpe verfügt, um den Gate-Anschluss des MOSFET 403 anzusteuern.
Die in 10 gezeigte Schaltung basiert auf der Schaltung gemäß 9. Im Gegensatz zu 9 ist kein Schalter S1 vorgesehen, über den der Gate-Anschluss des MOSFET 403 direkt angesteuert werden kann. Statt dessen umfasst die Einheit 404 in 10 einen digitalen Eingangs-Pin IN, der eine in der Einheit 404 integrierte Ladungspumpe ein- bzw. ausschaltet. Der Eingangs-Pin IN ist massebezogen, die Einheit 404 weist vorzugsweise ebenfalls einen Masse-Anschluss auf. Die Spannungsversorgung der Einheit 404 erfolgt über den Drain-Anschluss des MOSFET 403 (Vbat) und den Masse-Anschluss. Alternativ kann die Einheit 404 auch einen eigenen positiven Versorgungs-Anschluss mit eigener Versorgungsspannung aufweisen.
Mittels der Ladungspumpe in der Einheit 404 wird die Gatespannung für den MOSFET 403 an der Verbindung 409 bereitgestellt.
11 zeigt ein weiteres schematisches Schaltbild basierend auf der in 10 gezeigten Schaltung. Im Unterschied zu 10 weist die Schaltung gemäß 11 eine Bonddraht B auf, der einen Knoten BH mit einem Knoten BL verbindet. Der Knoten BH ist mit der Verbindung 410 und mit dem Source-Anschluss des MOSFET 403 verbunden. Der Knoten BL ist über eine Verbindung 411 mit der Einheit 404 verbunden. Weiterhin ist der Knoten BL mit einem Anschluss S' der Vorrichtung 401 verbunden.
Hierbei sei angemerkt, dass anstelle des Bonddrahts auch eine Ribbon-Bondung, Clip-Bondung oder eine sonstige Art einer widerstandsbehafteten Bondung verwendet werden kann. Auch ist es eine Option, dass ein auszuwertender Spannungsabfall auch an widerstandsbehafteten Gehäuseteilen oder sonstigen widerstandsbehafteten Komponenten abgegriffen werden kann.
In diesem Beispiel erfolgt die Erfassung des Laststroms IL nicht mittels der Spannung UDS an dem MOSFET 403, sondern mittels eines Spannungsabfalls UBHL an dem Bonddraht B. Auch hier handelt es sich um eine Spannungsmessung zur Laststrombestimmung, die oben genannten Schritte der Auswertung und Kalibrierung können somit entsprechend angewandt werden. Da auch der Bonddraht B ein temperaturabhängiger Widerstand ist, kann auch für den Bonddraht B eine temperatur- und streuungsabhängige Kennlinie in dem Speicher der Einheit 404 bereitgestellt werden.
Ein Vorteil besteht darin, dass der Laststrom auch linear während des Ein- und Ausschaltvorgangs von dem MOSFET 403 bestimmt werden kann und damit die vollständige Sicherungsfunktion bereits während des Schaltvorgangs bereitsteht.
Ein Defekt eines ständig leitenden MOSFET 403 kann im ausgeschalteten Zustand des MOSFET 403 erkannt werden, da bereits ein Stromfluss gemessen wird, obwohl dieser Null sein sollte.
Hierbei bleibt der Vorteil, einen üblichen MOSFET-Chip zu verwenden, erhalten. Es ist insbesondere nicht erforderlich, Messstrukturen in den Halbleiter selbst zu integrieren.
Die Verbindung 411 zwischen der Einheit 404 und dem MOSFET 403 ermöglicht es der Einheit 404, den Spannungsabfall UBHL an dem Bonddraht B zu erfassen.
12 zeigt ein beispielhaftes symbolisches Schaltbild 905 für die hier vorgeschlagene Vorrichtung mit Sicherungsfunktion umfassend einen n-Kanal MOSFET und ein beispielhaftes symbolisches Schaltbild 907 für die hier vorgeschlagene Vorrichtung mit Sicherungsfunktion umfassend einen p-Kanal MOSFET.
Die Schaltbilder 905 und 907 zeigen beispielhaft unidirektionale Bauelemente auf Basis herkömmlicher MOSFET, d.h. die Sicherungskennlinie ist nur in einer Hauptstromrichtung wirksam. Im Fall einer Verpolung der Betriebsspannung fließt der Strom parallel zu dem MOSFET über eine antiparallele Diode 906 bzw. 908 (auch bezeichnet als "Body-Diode"). In diesem Fall der Verpolung erfolgt somit keine Sicherungsabschaltung.
Eine bidirektionale Sicherungsfunktion kann mittels der Vorrichtungen 910, 911 gemäß 13 erreicht werden. Die Vorrichtung 910 umfasst zwei n-Kanal MOSFET und die Vorrichtung 911 umfasst zwei p-Kanal MOSFET.
Die bidirektionale Vorrichtung 910, 911 umfasst jeweils zwei antiseriell geschaltete MOSFET. Hierzu können entweder die Drain- als auch die Source-Anschlüsse zusammengeschaltet werden. Die Zusammenschaltung der Source-Anschlüsse ist vorteilhaft, damit die Gate-Source-Spannung für beide Transistoren identisch ist. Mit diesem Ansatz können die folgenden Ziele erreicht werden:

– Der zweite Transistor der jeweiligen Schaltung dient als Verpolschutzschalter. Bei einer Verpolung wird der Stromfluss abgeschaltet und es ist keine Sicherungsfunktion erforderlich. Dies ist deshalb von Vorteil, weil bei einer Verpolung meist kein Strom fließen soll (rückwärts sperrend).
– Der zweite Transistor der jeweiligen Schaltung übernimmt bei der Verpolung und bei einem rückwärts fließenden Strom die Schaltfunktion als auch die Sicherungs-Abschaltfunktion. Er kann also sowohl rückwärts leitend geschaltet sein und dabei einen Sicherungsschutz gewährleisten. Vorzugsweise können für den zweiten Transistor dieselben Diagnose- und Kalibrierungsmaßnahmen durchgeführt werden wie für den ersten Transistor, nur mit geändertem Vorzeichen der Spannung.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das mindestens eine gezeigte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Vorrichtung umfassend – einen elektronischen Schalter, – eine Ansteuereinheit zur Ansteuerung des elektronischen Schalters, – eine Diagnoseeinheit zur Bestimmung eines Stroms durch den elektronischen Schalter, – einen Speicher zur Speicherung eines Schutzverlaufs, – wobei die Ansteuereinheit so eingerichtet ist, dass basierend auf dem von der Diagnoseeinheit bestimmten Strom durch den elektronischen Schalter und basierend auf dem Schutzverlauf der elektronische Schalter angesteuert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Diagnoseeinheit eingerichtet ist zur Bestimmung einer Temperatur.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Temperatur mittels eines Temperatursensors bestimmt wird, der in der Nähe des elektronischen Schalters angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei der die Ansteuereinheit so eingerichtet ist, dass basierend auf dem von der Diagnoseeinheit bestimmten Strom durch den elektronischen Schalter, der Temperatur und basierend auf dem Schutzverlauf der elektronische Schalter angesteuert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der die Temperatur des elektronischen Schalters unter Berücksichtigung eines thermischen Modells des Schalters bestimmt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der die Temperatur der zu schützenden Leitung unter Berücksichtigung eines thermischen Modells der Leitung bestimmt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Schutzverlauf einer Kennlinie entspricht oder mindestens eine Kennlinie umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Kennlinie einen temperaturabhängigen Verlauf des Widerstands RON des elektronischen Schalters umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Kennlinie einen temperaturabhängigen Verlauf eines Widerstands eines Bonddrahts umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Ansteuereinheit so eingerichtet ist, dass sie den elektronischen Schalter abschaltet basierend auf dem von der Diagnoseeinheit bestimmten Strom durch den elektronischen Schalter, einer Zeitdauer und basierend auf dem Schutzverlauf.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Ansteuereinheit so eingerichtet ist, dass sie den elektronischen Schalter abschaltet basierend auf einem thermischen Modell des elektronischen Schalters und/oder basierend auf einem thermischen Modell der zu schützenden Leitung.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Ansteuereinheit so eingerichtet ist, dass der Strom durch den elektronischen Schalter auf Chipebene oder auf Bausteinebene kalibrierbar und speicherbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Ansteuereinheit so eingerichtet ist, dass der Schutzverlauf auf Chipebene oder auf Bausteinebene kalibrierbar und speicherbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Ansteuereinheit so eingerichtet ist, dass der Schutzverlauf auf Chipebene oder auf Bausteinebene während des Betriebs verändert wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Speicher über mindestens einen Anschluss-Pin der Vorrichtung programmierbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Spannungsversorgung, die anhand der Spannungen, die zwischen den Anschlüssen der Vorrichtung abfallen, die Vorrichtung mit Spannung versorgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Ansteuereinheit so eingerichtet ist, dass der elektronische Schalter nach der Schutzabschaltung dauerhaft oder für eine notwendige Zeitdauer ausgeschaltet bleibt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Ansteuereinheit so eingerichtet ist, dass der elektronische Schalter dauerhaft ausgeschaltet bleibt, sobald eine vorgegebene Anzahl von Abschaltungen erreicht oder überschritten ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der elektronische Schalter zwei antiseriell geschaltete MOSFET aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der die zwei antiseriell geschalteten MOSFET über eine Sicherungseinrichtung verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Vorrichtung drei Anschlusspins aufweist und anstelle eines herkömmlichen elektronischen Schalters verwendet werden kann.
Verfahren zur Ansteuerung eines elektronischen Schalters, – bei dem ein Strom durch den elektronischen Schalter bestimmt wird, – bei dem basierend auf dem Strom und basierend auf einem in einem Speicher gespeicherten Schutzverlauf der elektronische Schalter angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 22, – bei dem eine Temperatur bestimmt wird, – bei dem basierend auf dem Strom, der Temperatur und dem Schutzverlauf der elektronische Schalter angesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 oder 23, bei dem der Schutzverlauf in dem Speicher veränderbar ist.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem der Schutzverlauf verändert wird, indem die folgenden Schritte durchgeführt werden: – Einprägen eines Stroms oder eines Stromverlaufs in den elektronischen Schalter; – Bestimmen eines Abschaltzeitpunkts basierend auf dem eingeprägten Strom; – Bestimmen einer Abweichung zwischen dem Abschaltzeitpunkt und einem vorgegebenen Abschaltzeitpunkt; – Nachjustieren des Schutzverlaufs unter Berücksichtigung der Abweichung.
Verfahren nach Anspruch 25, bei dem die Schritte zur Veränderung des Schutzverlaufs für vorgegebene Ströme und/oder Temperaturen durchgeführt werden.