DE102017122765A1

DE102017122765A1 - System und verfahren für einen detektor für zu hohe leistung

Info

Publication number: DE102017122765A1
Application number: DE102017122765.2A
Authority: DE
Inventors: Karl Norling; Erwin Huber
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2018-04-05
Also published as: US20180097515A1; US10868529B2; CN107887895A; CN107887895B

Abstract

Ein System und ein Verfahren für einen Überstromdetektor enthält eine Anordnung. Die Anordnung enthält eine Schwellenwerterzeugungsschaltung und eine Schaltung zum Feststellen zu hoher Leistung. Die Schwellenwerterzeugungsschaltung ist dazu ausgebildet, basierend auf einem Ausgangssignal eines Temperatursensors, der sich in der Nähe eines Leistungstransistors befindet, und einer maximalen Leistungsdissipation in dem Leistungstransistor einen Schwellenwert zu erzeugen. Die Schaltung zum Feststellen zu hoher Leistung ist dazu ausgebildet, basierend auf dem Schwellenwert und einer Schalterspannung einen Zustand zu hoher Leistung des Leistungstransistors festzustellen. Die Schalterspannung wird zwischen einer Source und einem Drain oder einem Kollektor und einem Emitter des Leistungstransistors detektiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gatetreiber und, bei bestimmten Ausgestaltungen, ein System und ein Verfahren für einen Überstromzustandsdetektor.
Allgemein verwenden Inverter für Leistungsgeneratoren, Motoren, Leistungsversorgungen und dergleichen Hochspannungsleistungshalbleiterschalter. Leistungsgeneratoren und -versorgungen können Anordnungen wie beispielsweise Solarpanels, Windturbinen und unterbrechungsfreie Leistungsversorgungen (UPS) aufweisen. Leistungshalbleiterschalter können Bauelemente wie beispielsweise Bipolartransistoren (BJTs), Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) und dergleichen aufweisen. Diese Leistungsschalter können einen Überlastzustand wie beispielsweise einen Überstrom, einer Überspannung oder einer Übertemperatur erfahren.
Das Detektieren von Zuständen mit zu hohem Strom ermöglicht es Niederspannungsanordnungen wie beispielsweise integrierten Schaltungs-(IC)-Bauelementen, einen Leistungsschalter vor Zuständen mit zu hohem Strom zu schützen. Ein Verfahren zum Detektieren von Zuständen von zu hohem Strom beinhaltet das direkte Messen des Ausgangsstroms des schaltenden Netzwerks wie beispielsweise einer Halbbrücke. Ein weiteres Verfahren zum Detektieren von Überstromzuständen beinhaltet die Implementierung einer schnellen Entsättigungs- oder Sättigungsdetektion in dem Schalter. Während einer Strom-Überbelastung kann die Kollektor-Emitter-Spannung V_CE eines BJTs oder IGBTs rapide ansteigen, während der Schalter die Sättigung verlässt. Ein BJT oder IGBT, der die Sättigung verlässt, kann manchmal als in "Entsättigung" befindlich bezeichnet werden. Gleichermaßen kann die Drain-Source-Spannung V_DS eines MOSFETs rapide ansteigen, während der Schalter den linearen Arbeitsbereich verlässt. Ein MOSFET, der den linearen Bereich verlässt, kann manchmal als in "Sättigung" befindlich bezeichnet werden. Das Messen von V_CE oder V_DS ist ein indirekter und schneller Weg, um festzustellen, ob der Schalter in Entsättigung und eine Strom-Überbelastung geraten ist. Allerdings können Halbleiterschalter für Leistungsgeneratoren und -versorgungen bei hohen Spannungen arbeiten, weshalb V_CE oder V_DS zu groß sein kann, um es direkt mit einem IC zu messen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst eine Anordnung eine Schwellenwerterzeugungsschaltung und eine Schaltung zum Feststellen einer zu hohen Leistung. Die Schwellenwerterzeugungsschaltung ist dazu ausgebildet, basierend auf einem Ausgangssignal eines Temperatursensors in der Nähe eines Leistungstransistors und einer maximalen Leistungsdissipation in dem Leistungstransistor einen Schwellenwert zu erzeugen. Die Schaltung zum Feststellen einer zu hohen Leistung ist dazu ausgebildet, einen Zustand zu hoher Leistung des Leistungstransistors basierend auf dem Schwellenwert und einer Schalterspannung festzustellen. Die Schalterspannung wird zwischen einem Source und einem Drain oder einem Kollektor und einem Emitter des Leistungstransistors detektiert.
Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und deren Vorteile wird nun Bezug genommen auf die folgenden Beschreibungen, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen vorgenommen werden, in denen:
1A und 1B Schaltbilder von Entsättigungsdetektoren sind;
2 ein Blockdiagramm eines Leistungssystems ist;
3–7 Blockdiagramme von Entsättigungsdetektionssystemen sind; und
8 ein Flussdiagramm eines Entsättigungsdetektionsverfahrens ist.
Die Herstellung und Verwendung von Ausgestaltungen dieser Offenbarung wird unten ausführlich erörtert. Es versteht sich jedoch, dass die hierin offenbarten Konzepte in einer breiten Vielfalt spezifischer Zusammenhänge verkörpert sein können, dass die hierin erörterten konkreten Ausgestaltungen lediglich illustrativ sind und nicht dazu dienen, den Geltungsbereich der Ansprüche zu beschränken. Es versteht sich weiterhin, dass verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abwandlungen hierin vorgenommen werden können, ohne den Gedanken und den Geltungsbereich dieser Offenbarung, wie sie durch die angehängten Ansprüche definiert sind, zu verlassen.
Gemäß verschiedenen Ausgestaltungen werden Techniken zum Begrenzen von Zuständen mit zu hoher Leistung in einem Halbleiterleistungsschalter bereitgestellt. Der Ausdruck (Ent-)Sättigung, wie er hierin verwendet wird, bezieht sich, wenn er ohne Bezug auf einen bestimmten Typ von Schalter verwendet wird, entweder auf einen Bipolartransistor (wie beispielsweise einen BJT oder IGBT), der sich in Entsättigung befindet, oder einen Feldeffekttransistor (wie beispielsweise einen MOSFET), der sich in Sättigung befindet. Zustände mit zu hoher Leistung eines Leistungsschalters können, neben anderen Parametern, durch Feststellen eines Zustands mit zu hohem Strom in dem Leistungsschalter festgestellt werden. Andererseits ist ein IC dazu ausgebildet, die Kollektor-Emitter-Spannung V_CE oder die Drain-Source-Spannung V_DS eines Leistungsschalters indirekt zu messen. Die Kollektor-Emitter-Spannung V_CE oder die Drain-Source-Spannung V_DS des Leistungsschalters wird indirekt gemessen, weil sie hohen Spannungsschwankungen wie beispielsweise bis zu etwa 1000 V unterliegen kann. Das Verhältnis der Kollektor-Emitter-Spannung V_CE zum Kollektorstrom I_C eines IGBTs driftet mit der Temperatur des Übergangs. Diese Drift kann zu einer ungenauen (Ent-)Sättigungsdetektion führen, was falschpositive Resultate bewirkt und zu einer Instabilität bei dem Inverter führt. Weiterhin kann eine ungenaue (Ent-)Sättigungsdetektion falschnegative Resultate verursachen, was dazu führt, dass der IGBT während eines Zustands mit zu hohem Strom, der den IGBT aufgrund von elektrischer Überbelastung zerstören oder die Zuverlässigkeit des IGBTs verringern kann, führen kann. Diese Drift kann die Fehlerhäufigkeit von Schaltern erhöhen, was die Zuverlässigkeit aufgrund elektrischer oder thermischer Belastungen verringert. Verschiedene Ausgestaltungen integrieren (einen) Temperaturensensor(en) mit einem Treibersystem für einen Halbleiterleistungsschalter und verändern einen Schwellenwert von V_CE oder V_DS, der eine Schalter-(Ent-)Sättigung anzeigt (manchmal als "(Ent-)Sättigungsschwellenwert" bezeichnet). Der (Ent-)Sättigungsschwellenwert wird entsprechend der gemessenen Temperatur verändert.
Das schnelle Ausschalten eines Halbleiterleistungsschalters, wenn er sich unter Last oder zu hoher Last befindet, kann eine Beschädigung des Schalters bewirken und/oder zu einem unerwarteten Betrieb der Schaltung führen. Weiches Schalten, z. B. graduelles Schalten, kann es erlauben, einen Halbleiterleistungsschalter abzuschalten, wenn er sich unter Teil- oder Vollbelastungen befindet. Hartes oder abruptes Schalten kann nur unter bestimmten Belastungen sicher sein. Zum Beispiel können einige Schalter beschädigt werden oder nicht korrekt arbeiten, wenn sie, wenn der Kollektorstrom mehr als das Zweifache eines nominalen Ausmaßes ausmacht, abrupt geschaltet werden. Aufgrund von Reiheninduktivitäten, die mit dem Schalter gekoppelt sein können, können sich Energien aufbauen und, wenn der Schalter ausgeschaltet wird, eine Überspannung des Schalters bewirken.
Einige Arten von Schaltern wie beispielsweise Siliziumkarbid-(SiC)-MOSFETs können geringere Sättigungsdetektionsschwellenwerte, die stärker mit der Temperatur driften, aufweisen. Zum Beispiel können einige IGBTs einen Entsättigungsdetektionsschwellenwert um 9 V aufweisen, allerdings können einige SiC-MOSFETs Sättigungsdetektionsschwellenwerte aufweisen, die geringer als 2 V sind. Bauelemente mit geringeren (Ent-)Sättigungsdetektionsschwellenwerten können durch Störungen bei der Versorgungsspannung und/oder dem Ausgangsstrom gravierender beeinträchtigt werden und sie können deshalb schneller in Arbeitsbereiche gelangen, in denen ein abruptes Ausschalten unsicher ist. Zusätzlich sind Temperaturkoeffizienten von Bauelementen mit geringerem Schwellenwert ähnlich zu Bauelementen mit höherem Schwellenwert. Folglich können Bauelemente mit geringerem Schwellenwert durch Änderungen der Temperatur gravierender beeinträchtigt werden. Bei einigen Ausgestaltungen kann der (Ent-)Sättigungsschwellenwert, nachdem er um Temperaturveränderungen bereinigt wurde, kompensiert werden. Das Einstellen des (Ent-)Sättigungsschwellenwerts zum Aufrechterhalten eines bestimmten Betriebszustands kann die Kurzschlussverluste in einem Schalter konstant halten. Das Überkompensieren des (Ent-)Sättigungsschwellenwerts für höhere Temperaturen kann die Kurzschlussverluste bei jenen Temperaturen weiter verringern und verhindern, dass der Schalter Betriebsbedingungen um einen Umfang, der die hartes Schalten unsicher macht, überschreitet. Dies kann die Maximaltemperaturen, die der Schalter-Übergang erfährt, verringern, was die Belastungen in dem Bauelement verringert.
Auch wenn die dargestellten Ausgestaltungen im Zusammenhang mit der Einstellung von Entsättigungsschwellenwerten von BJTs oder IGBTs nach Maßgabe von Temperatursensoren vorgestellt werden, versteht es sich, dass die hierin dargelegten Verfahren bei anderen Leistungsschaltern angewendet werden könnten. Zum Beispiel könnten auch Spannungen über den Anschlüssen von MOSFETs gemessen werden, und ein Sättigungsschwellenwert des MOSFETs könnte eingestellt werden. Weiterhin könnten mehr als ein Umgebungssensor und/oder mehr als eine Art von Umgebungssensor verwendet werden.
1A ist ein Schaltbild eines Entsättigungsdetektorsystems 100, das Teil eines Leistungsinverters sein kann, gemäß einer Ausgestaltung. Das Entsättigungsdetektorsystem 100 enthält einen Leistungsschalter 102, eine Detektorschnittstellenschaltung 104, einen Temperatursensor 106 und einen Gatetreiber 108.
Bei dem Leistungsschalter 102 handelt es sich um einen Halbleiterleistungsschalter wie beispielsweise einen BJT, IGBT oder MOSFET. Wenn es sich bei dem Leistungsschalter 102 um einen BJT oder IGBT handelt, kann die Kollektor-Emitter-Spannung V_CE des Leistungsschalters 102 während eines Zustands mit zu hoher Belastung ansteigen, wenn der Leistungsschalter 102 in Entsättigung geht. Wenn es sich bei dem Leistungsschalter 102 um einen MOSFET handelt, kann die Drain-Source-Spannung V_DS des Leistungsschalters 102 während eines Zustands mit zu hoher Belastung ansteigen, wenn der Leistungsschalter 102 in Sättigung geht. Bei Ausgestaltungen, bei denen es sich bei dem Leistungsschalter 102 um einen MOSFET handelt, kann der Leistungsschalter 102 ein SiC-MOSFET sein. Die Kollektor-Emitter-Spannung V_CE des Leistungsschalters 102 kann Spannungsschwankungen von bis zu etwa 1000 V aufweisen.
Die Detektorschnittstellenschaltung 104 ist mit dem Leistungsschalter 102 gekoppelt und misst indirekt die Kollektor-Emitter-Spannung V_CE oder die Drain-Source-Spannung V_DS des Leistungsschalters 102. Die Detektorschnittstellenschaltung 104 enthält eine Hochspannungsdiode 110 und einen Buswiderstand 112 in Reihe und ist mit dem Kollektor oder Drain des Leistungsschalters 102 gekoppelt. Die Hochspannungsdiode 110 weist über sich einen Spannungsabfall V_D in Vorwärtsrichtung auf. Der Schutzwiderstand 112 weist einen Widerstand R_prot auf. Bei einigen Ausgestaltungen beträgt der Widerstand R_prot etwa 1 kΩ. Auch wenn 1A die Kathode der Hochspannungsdiode 110 so zeigt, dass sie mit dem Leistungsschalter 102 gekoppelt ist, versteht es sich, dass die Hochspannungsdiode 110 und der Schutzwiderstand 112 derart vertauscht sein können, dass der Schutzwiderstand 112 mit dem Leistungsschalter 102 gekoppelt ist und dass die Anode der Hochspannungsdiode 110 mit dem Gatetreiber 108 gekoppelt ist.
Der Temperatursensor 106 misst verschiedene Temperaturen in dem Entsättigungsdetektorsystem 100, so dass der Entsättigungsschwellenwert eingestellt werden kann. Wie unten erörtert könnte der Temperatursensor 106 die Temperatur von einem oder mehreren Bauelementen in dem Entsättigungsdetektorsystem 100 messen, und er kann Umgebungstemperaturen oder Sperrschichttemperaturen des Bauelements messen.
Der Gatetreiber 108 erzeugt ein Hoch-Strom- und/oder Hoch-Spannungs-Ansteuerausgangssignal, das dem Gate des Leistungsschalters 102 zugeführt wird. Bei dem Ansteuerausgangssignal kann es sich um ein größeres Signal, das von einem Logikpegelsignal wie beispielsweise dem Ausgangssignal eines Mikrocontrollers erzeugt wird, handeln. Zum Beispiel kann das erzeugte Ansteuerausgangssignal eine Spannung von bis zu etwa +/–15 V und einen Strom von bis zu etwa 10 A aufweisen. Bei einigen Ausgestaltungen ist der Gatetreiber eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), die einen Pegelumsetzer oder eine Isolationsschaltung mit einem Verstärker aufweist (nicht gezeigt). Bei derartigen Ausgestaltungen kann der Gatetreiber 108 aus einem Niederleistungssignal ein Ansteuersignal mit höherem Pegel erzeugen. Der Gatetreiber 108 weist Anschlüsse für eine Quellenspannung V_CC, eine Entsättigungsdetektionsspannung V_DESAT und eine Masseverbindung auf und enthält Messschnittstellen 114, einen Schutz-MOSFET 116 und eine Stromquelle 118. Bei einigen Ausgestaltungen kann der Gatetreiber 108 zwischen dem Entsättigungsdetektionsspannungs-V_DESAT-Anschluss und GND auch ein Filter (nicht gezeigt), das verwendet werden kann, um zu verhindern, dass Rauschen und Spikes falschpositive Resultate der Entsättigungsdetektion bewirken, aufweisen.
Messschnittstellen 114 enthalten einen Komparator und eine Sensorschnittstelle (nicht gezeigt). Die Detektorschnittstellenschaltung 104 ist mit dem Komparator gekoppelt und der Temperatursensor 106 ist mit der Sensorschnittstelle gekoppelt. Wenn der Leistungsschalter 102 ein ist, vergleicht der Komparator V_CE oder V_DS mit einem Entsättigungsschwellenwert, um festzustellen, ob sich der Leistungsschalter 102 in Entsättigung befindet. Die Messschnittstellen 114 verbinden den Temperatursensor 106 mit dem Gatetreiber 108 und anderen Anordnungen.
Der Schutz-MOSFET 116 befindet sich zwischen dem Entsättigungsdetektionsspannung-V_DESAT-Anschluss des Gatetreibers 108 und der Masse und schützt die Messschnittstellen 114. Der Schutz-MOSFET 116 wird aktiviert (z. B. wird das Gate in den aktiven Bereich gesteuert), wenn das Ansteuerausgangssignal für den Leistungsschalter 102 deaktiviert wird, indem der Detektionsspannungs-V_DESAT-Anschluss nach GND geklemmt wird. Das Aktivieren des Schutz-MOSFETs 116 kann verhindern, dass irgendwelche Spannungen, die an dem Kollektor oder Drain des Leistungsschalters 102 vorliegen, durch die Hochspannungsdiode 110 und den Schutzwiderstand 112 an den Detektionsspannungs-V_DESAT-Anschluss übertragen werden. Durch Aktivieren des Schutz-MOSFETs 116 wenn der Leistungsschalter 102 deaktiviert ist (z. B. nach einer Entsättigungsdetektion) kann der Gatetreiber 108 ebenfalls gegenüber plötzlichen Anstiegen (engl.: "surges") geschützt sein.
Die Stromquelle 118 wird durch die Leistungsquelle V_CC mit Leistung versorgt und zwingt einen Bias-Strom I_m, von dem Entsättigungsdetektionsspannungs-V_DESAT-Anschluss durch den Schutzwiderstand 112 und die Hochspannungsdiode 110 und zu dem Kollektor oder Drain des Leistungsschalters 102 zu fließen. Der Bias-Strom I_m kann bereitgestellt werden, wenn der Leistungsschalter 102 eingeschaltet ist und die Spannung an dem Kollektor oder Drain des Leistungsschalters 102 gemessen wird. Die Hochspannungsdiode 110 schützt den Gatetreiber 108 gegenüber einer potentiell hohen Spannung an dem Kollektor oder Drain des Leistungsschalters 102, wenn der Bias-Strom I_m bereitgestellt wird. Das Treiben des Bias-Stroms I_m bewirkt einen Spannungsabfall über der Hochspannungsdiode 110, was den Gatetreiber 108 gegenüber hohen Spannungen schützt. Der Spannungsabfall V_D über der Hochspannungsdiode 110 kann zu der Kollektor-Emitter-Spannung V_CE des Leistungsschalters 102 in Beziehung gesetzt werden gemäß: V_DESAT = I_m·R_prot + V_D + V_CE (1).
Weil der Bias-Strom I_m, der Widerstand R_prot und der Spannungsabfall V_D bekannte Werte sind, misst der Gatetreiber 108 die Entsättigungsdetektionsspannung V_DESAT und berechnet die Kollektor-Emitter-Spannung V_CE. Die Kollektor-Emitter-Spannung V_CE kann dann mit einem Entsättigungsschwellenwert, der mit einer Schwellenwerterzeugungsschaltung erzeugt wird, verglichen werden (unten erläutert).
Das Verhalten der verschiedenen Komponenten in dem Entsättigungsdetektorsystem 100 kann bei höheren Temperaturen driften, so dass einige der Variablen in Gleichung (1) beeinflusst werden. Zum Beispiel kann die Stromquelle 118 den Bias-Strom I_m bei höheren Temperaturen nicht genau erzeugen, und der Gatetreiber 108 kann die Entsättigungsdetektionsspannung V_DESAT nicht genau messen. Die Hochspannungsdiode 110 und der Leistungsschalter 102 verhalten sich bei höheren Temperaturen ebenfalls anders.
Der Spannungsabfall V_D der Hochspannungsdiode 110 verringert sich, wenn die Temperatur ansteigt, was die durch den Gatetreiber 108 gemessene Entsättigungsdetektionsspannung V_DESAT für eine gegebene Kollektor-Emitter-Spannung V_CE verringert. Der Entsättigungsschwellenwert kann verringert werden, um den verringerten Spannungsabfall V_D zu kompensieren. Der Temperaturkoeffizient des Spannungsabfalls V_D variiert abhängig von der Art der verwendeten Diode und kann zwischen etwa –1 mV/°C und etwa –7 mV/°C liegen. Bei einigen Ausgestaltungen kann mehr als eine Hochspannungsdiode 110 verwendet werden, indem sie in Reihe angeordnet werden. Bei derartigen Ausgestaltungen wird der Temperaturkoeffizient mit der Anzahl der verwendeten Dioden multipliziert. Die Hochspannungsdiode 110 muss sich als Resultat des Betriebs nicht aufheizen, wird jedoch durch die Umgebungstemperatur in der Nähe des Leistungsschalters 102 beeinträchtigt.
Für eine gegebene Last steigt die Kollektor-Emitter-Spannung V_CE des Leistungsschalters 102 mit der Temperatur an. Um den Anstieg der Kollektor-Emitter-Spannung V_CE zu kompensieren, kann ein höherer Entsättigungsschwellenwert erforderlich sein. Der Temperaturkoeffizient variiert abhängig vom Typ des verwendeten Halbleiterschalters. Aufgrund des Betriebs erwärmt sich der Leistungsschalter 102, und er wird weiterhin durch die Umgebungstemperatur in der Nähe des Leistungsschalters 102 beeinflusst. Zusätzlich erwärmt sich der (Ansteuer-)-Sperrschicht (engl.: "driver junction") des Leistungsschalters 102, wenn die Schaltfrequenz ansteigt.
Der Entsättigungsschwellenwert kann entsprechend den Temperaturkoeffizienten und Änderungen der Temperaturen verschiedener Komponenten in dem Entsättigungsdetektorsystem 100 eingestellt werden. Bei einigen Ausgestaltungen werden die Temperaturen und Temperaturkoeffizienten der Hochspannungsdiode 110, des Schutzwiderstands 112 und des Leistungsschalters 102 beim Einstellen des Entsättigungsschwellenwerts berücksichtigt. In anderen Worten, der Entsättigungsschwellenwert V_TH kann basierend auf dem Verhalten des Systems als Ganzes und nicht der isoliert betrachteten Temperatur irgendeiner bestimmten Komponente bestimmt werden. Zum Beispiel können die Konstellation von Bauelementen und die Temperaturverteilung in dem Entsättigungsdetektorsystem 100 beim Bestimmen des Entsättigungsschwellenwerts berücksichtigt werden. Der Entsättigungsschwellenwert kann bestimmt werden gemäß V_TH = I_m·R_prot + [V_D + TC_D·T_D] + [V_CE,SAT + TC_SAT·T_SWITCH] (2), wobei TC_D der Temperaturkoeffizient der Vorwärtsspannung der Hochspannungsdiode 110 ist, T_D die Temperatur der Diode ist, V_CE,SAT die Sättigungsspannung des Leistungsschalters 102 ist, TC_SAT der Temperaturkoeffizient der Sättigungsspannung des Leistungsschalters 102 ist, und T_SWITCH die Temperatur des Schalters ist. Bei Ausgestaltungen, bei denen mehr als eine Hochspannungsdiode verwendet wird, kann der Ausdruck [V_D + TC_D*T_D] mit der Anzahl von Hochspannungsdioden multipliziert werden.
Obwohl oben nicht gezeigt versteht es sich, dass andere Komponenten ebenfalls kompensiert werden können. Wenn zum Beispiel die Stromquelle einen signifikanten Temperaturkoeffizienten aufweist, so dass der Bias-Strom I_m variiert, kann der Spannungsabfall V_D der Hochspannungsdiode 110 ebenfalls angepasst werden. Weiterhin können andere Komponenten nicht angepasst werden. Zum Beispiel kann es sich bei dem Schutzwiderstand 112 um einen Widerstand mit einem geringen Temperaturkoeffizienten, der sich mit der Temperatur nicht signifikant ändert, handeln.
Der Entsättigungsschwellenwert V_TH kann so berechnet werden, dass er bei bestimmten Betriebsbedingungen der Komponenten überschritten wird. Bei einigen Ausgestaltungen ist der Entsättigungsschwellenwert V_TH dergestalt, dass er überschritten wird, wenn der Leistungsschalter 102 einen bestimmten Kollektorstrom I_C übersteigt. Bei einigen Ausgestaltungen wird der Entsättigungsschwellenwert V_TH so bestimmt, dass er überschritten wird, wenn die Leistungsdissipation in dem Leistungsschalter 102 einen bestimmten Wert übersteigt. Der Entsättigungsschwellenwert V_TH kann so gewählt sein, dass jeder Betriebszustand erreicht werden kann. Wie oben erwähnt kann der Entsättigungsschwellenwert V_TH darüber hinaus kompensiert werden. Zum Beispiel kann der Entsättigungsschwellenwert V_TH so bestimmt werden, dass er bei einem geringeren Strom oder einer geringeren Leistungsdissipation in dem Leistungsschalter 102 überschritten wird. Der geringere Storm oder die geringere Leistungsdissipation kann erreicht werden, wenn sich die Komponenten bei einer höheren Temperatur als einer vorgegebenen Temperatur (wie beispielsweise Raumtemperatur) befinden.
Bei einigen Ausgestaltungen kann der Entsättigungsschwellenwert abgeschätzt werden, indem ein Temperaturkoeffizient des Systems bestimmt und eine Temperatur in dem System gemessen werden. Der Temperaturkoeffizient des Systems kann durch Aufsummieren der Temperaturkoeffizienten der Komponenten in dem System berechnet werden. Die Temperatur kann z. B. eine Umgebungstemperatur sein.
Zum Beispiel kann eine Einstellung des Entsättigungsschwellenwerts berechnet werden gemäß: TC_system·(T_measured – T_offset) (3), wobei TC_system der Temperaturkoeffizient des Systems ist, T_measured eine gemessene Temperatur ist und T_offset eine Offset-Temperatur, bei der es sich um eine fiktive Temperatur von kombinierten Anordnungen mit dem Temperaturkoeffizienten TC_system handelt.
1B ist ein Schaltbild eines Entsättigungsdetektorsystems 150, das Teil eines Leistungsinverters sein kann, gemäß einer Ausgestaltung. Das Entsättigungsdetektorsystem 150 ist ähnlich dem Entsättigungsdetektorsystem 100 mit der Ausnahme, dass die Detektorschnittstellenschaltung 104 anders konfiguriert ist. Die abweichende Konfiguration der Detektorschnittstellenschaltung 104 stellt ein alternatives Verfahren zum Schützen des Gatetreibers 108 bereit. Insbesondere ist die Hochspannungsdiode 110 durch einen Widerstand 120 ersetzt, eine Niederspannungsdiode 122 ist mit der Leistungsversorgung (z. B. der Quellenspannung V_CC) des Gatetreibers 108 gekoppelt, und die Stromquelle 118 ist entfernt.
Wenn sich der Leistungsschalter 102 des Entsättigungsdetektorsystems 150 im Aus-Zustand befindet, wird der Schutz-MOSFET 116 aktiviert, um den Eingang des Komparators in den Messschnittstellen 114 auf 0 V zu klemmen. Zur selben Zeit kann die Kollektor-Emitter-Spannung V_CE des Leistungsschalters 102 unabhängig von der Flussrichtung des Laststroms bei einem leicht negativen Spannungspotential liegen oder bei einem hohen Spannungspotential wie beispielsweise etwa 800 V. Abhängig von dem Verhältnis zwischen den Widerständen 112 und 120 und der Kollektor-Emitter-Spannung V_CE kann die Niederspannungsdiode 122 in Vorwärtsrichtung vorgespannt oder in Rückwärtsrichtung vorgespannt sein. Der Widerstand der Widerstände 112 und 120 kann hoch sein, so dass die Widerstände 112 und 120 im Aus-Zustand keine übermäßige Leistung verbrauchen. Wenn die Kollektor-Emitter-Spannung V_CE im Aus-Zustand hoch war, wird die Kollektor-Emitter-Spannung V_CE auf die Sättigungsspannung V_CE,SAT llen, wenn der Leistungsschalter 102 eingeschaltet abfa wird. Wenn (oder kurz nachdem) der Leistungsschalter 102 eingeschaltet wird, wird der Schutz-MOSFET 116 ausgeschaltet, um die Klemmung des Komparatoreingangs zu lösen.
Der Reihenwiderstand der Widerstände 112 und 120 zwischen dem Komparatoreingang und dem Kollektor oder der Source des Leistungsschalters 102 kann hoch sein. Aufgrund dieses hohen Widerstands kann irgendeine Kapazität oder parasitäre Kapazität an dem Entsättigungsdetektionsspannungs-V_DESAT-Knoten die Reaktionszeit der Entsättigungsdetektion verlangsamen. Sie kann außerdem Störungen ausfiltern. Wenn Entsättigung auftritt, steigt die Kollektor-Emitter-Spannung V_CE auf einen Pegel, der höher als der Schwellenwert des Komparators ist, an, und der Leistungsschalter 102 wird deaktiviert.
Während der Entsättigung kann die Kollektor-Emitter-Spannung V_CE die Versorgungsspannung des Gatetreibers 108 (z. B. die Quellenspannung V_CC) übersteigen. Falls dies geschieht, können die Niederspannungsdiode 122 und der Widerstand 120 den Gatetreiber 108 vor potentiell zerstörerischen Spannungspegeln am Kollektor des Leistungsschalters 102 schützen. Die Niederspannungsdiode 122 klemmt den Knoten zwischen den Widerständen 112 und 120 auf eine Spannung, die hier die Summe der Quellenspannung V_CC und der Schwellenwertspannung der Niederspannungsdiode 122 in Vorwärtsrichtung ist. Strom fließt vom Kollektor des Leistungsschalters 102 durch den Widerstand 120 und die Niederspannungsdiode 122.
2 ist ein Blockschaltbild eines Leistungssystems 200. Das Leistungssystem 200 enthält einen Leistungsgenerator 202, einen Inverter 204, einen Treiber 206, eine Last 208 und einen Controller 210. Bei dem Leistungsgenerator 202 handelt es sich um eine Anordnung, die, wie beispielsweise ein Solarpanel, ein Netzstecker oder eine Windturbine, ein DC-Signal beibringt. Auch wenn er als einzelner Block dargestellt ist, versteht es sich, dass der Leistungsgenerator 202 viele Anordnungen wie beispielsweise mehrere Windturbinen in einer Windfarm enthalten kann. Der Inverter empfängt das DC-Signal von dem Leistungsgenerator 202 und erzeugt ein AC-Signal. Bei einigen Ausgestaltungen kann es sich bei dem Inverter 204 um eine Anordnung mit mehreren Zweigen wie beispielsweise einem neutralpunktgeklemmten (NPC) Inverter handeln. Der Treiber 206 erzeugt ein Ansteuerausgangssignal, das den Gates der Leistungsschalter in dem Inverter 204 zugeführt wird. Die Last wird durch das AC-Signal mit Leistung versorgt und sie kann für ein größeres elektrisches Verteilungsnetz bezeichnend sein. Der Controller 210 steuert den Treiber 206 gemäß einer von dem Leistungsgenerator 202, dem Inverter 204 und dem Treiber 206 empfangenen Rückkopplung.
Gemäß verschiedenen Ausgestaltungen erfasst der Treiber 206 die Entsättigung der Leistungsschalter in dem Inverter 204 und kann den Inverter 204 ausschalten und/oder den Fehler anderen Systemen mitteilen. Bei der in 2 gezeigten Ausgestaltung teilt der Treiber 206 dem Controller 210 den Fehler des Inverters mit, allerdings können andere Operatoren oder Systeme benachrichtigt werden. Der Treiber 206 wertet verschiedene Temperaturen wie beispielsweise die Temperaturen von Anordnungen in dem Treiber 206 und/oder dem Inverter 204 oder Umgebungstemperaturen aus und stellt den Entsättigungsschwellenwert für den Inverter 204 entsprechend den Temperaturen ein.
3 ist ein Blockschaltbild eines Entsättigungsdetektionssystems 300. Das Entsättigungsdetektionssystem 300 enthält den Leistungsschalter 102, die Detektorschnittstellenschaltung 104, den Temperatursensor 106 und den Gatetreiber 108. Auch wenn die verschiedenen Anordnungen in dem Entsättigungsdetektionssystem 300 als separate Blöcke dargestellt sind, versteht es sich, dass einige von ihnen auf demselben, mikrofabrizierten Die gebildet sein können, und dass sich einige oder alle von ihnen auf demselben Substrat befinden können. Weiterhin sind bei einigen Ausgestaltungen die Anordnungen des Entsättigungsdetektionssystems 300 durch einen Kühlkörper (nicht gezeigt) bedeckt.
Der Temperatursensor 106 ist dem umgebenden Umfeld ausgesetzt. Von daher misst der Temperatursensor 106 die globale Umgebungstemperatur des Entsättigungsdetektionssystems 300, die durch mehrere Anordnungen in dem Entsättigungsdetektionssystem 300 beeinflusst wird. Bei einigen Ausgestaltungen misst der Temperatursensor 106 die Umgebungstemperatur eines Inverters, von dem das Entsättigungsdetektionssystem 300 einen Teil darstellt.
Der Gatetreiber 108 enthält einen Bus 302, eine externe Schnittstelle 304, eine Master-Steuereinheit 306, einen Speicher 308, einen Komparator 310 und einen Digital-Analog-Wandler (DAC) 312. Anordnungen in dem Gatetreiber 108 können (oder können nicht) über den Bus 302 miteinander verbunden werden. Die externe Schnittstelle 304 ist mit dem Bus 302 verbunden und bietet für äußere Anordnungen eine Schnittstelle, um mit dem Entsättigungsdetektionssystem 300 interagieren zu können. Zum Beispiel kann die externe Schnittstelle 304 an ein System, in das das Entsättigungsdetektionssystem 300 integriert ist, eine Mitteilung, die auf einen Zustand mit zu hohem Strom oder einen Bauelementfehler hinweist, senden. Die externe Schnittstelle 304 kann z. B. mit einem Mikrocontroller, einem Mikroprozessor, einem digitalen Signalprozessor (DSP), einem feldprogrammierbaren Gatterarray (FPGA), einer digitalen Logikanordnung, einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) oder dergleichen kommunizieren.
Die Master-Steuereinheit 306 steuert den Gatetreiber 108. Sie enthält Funktionseinheiten und/oder Schaltungen zum Ausführen von Einschaltsequenzen, Steuern von Leistungsmodi, Optimieren und Testen des Gatetreibers 108. Die Master-Steuereinheit 306 kann einen Steuerautomaten (engl.: "control state machine") enthalten, der mit dem Komparator 310 verbunden ist und den Leistungsschalter 102 steuert. Gemäß Ausgestaltungen steuert die Master-Steuereinheit 306 die Empfindlichkeit der Überstromdetektion durch Einstellen des Entsättigungsschwellenwerts gemäß den von dem Temperatursensor 106 gelesenen Werten. Bei der Master-Steuerungseinheit 306 kann es sich um einen Mikrocontroller, einen Mikroprozessor, einen DSP, eine digitale Logikanordnung, einen ASIC oder dergleichen handeln.
Der Speicher 308 speichert Werte, die von der Master-Steuerungseinheit 306 oder externen Systemen verwendet werden. Gemäß einigen Ausgestaltungen speichert der Speicher 308 Koeffizienten, aus dem/den gelesenen Temperaturwert(en) bestimmt wurden. Die Koeffizienten werden von der Master-Steuerungseinheit 306 verwendet, um den Entsättigungsschwellenwert einzustellen. Bei dem Speicher 308 kann es sich um einen flüchtigen Speicher, z. B. einen Direktzugriffsspeicher (RAM), handeln, oder es kann sich um einen nicht-flüchtigen Speicher, z. B. einen Flash-Speicher, handeln.
Der Gatetreiber 108 stellt außerdem eine Hoch-Strom- und/oder Hoch-Spannungs-Ansteuerausgangssignal bereit, das dem Gate des Leistungsschalters 102 zugeführt wird, bereit. Der Gatetreiber 108 kann weiterhin einen Pegelumsetzer und einen Verstärker (nicht gezeigt) aufweisen. Einige Komponenten wie beispielsweise der Pegelumsetzer können der vollen Sourcespannung des Leistungsschalters 102, die bei einigen Ausgestaltungen größer oder gleich etwa 1200 V sein kann, ausgesetzt sein. Der Pegelumsetzer und ein Verstärker können Teil von z. B. der externen Schnittstelle 304 sein. Bei Ausgestaltungen, bei denen das Entsättigungsdetektionssystem 300 in dem Gatetreiber 108 Teil eines Leistungsinverters ist, kann das Ansteuerausgangssignal entsprechend Befehlen für den gewünschten Ausgangssignalkurvenverlauf, die von der Master-Steuerungseinheit 306 über die externe Schnittstelle 304 empfangen werden, geschaltet werden. Der Gatetreiber 108 kann das Ausgangssignal mit einer Sinuswellen-Modulation erzeugen, wobei der Leistungsschalter 102 mit einer höheren Frequenz als das Ausgangssignal des Leistungsinverters geschaltet wird. Zum Beispiel kann der Leistungsschalter 102 mit einer Frequenz zwischen etwa 4 kHz und etwa 20 kHz geschaltet werden.
Der Komparator 310, manchmal als Überstromdetektor bezeichnet, vergleicht die gemessene Kollektor-Emitter-Spannung V_CE von der Detektorschnittstellenschaltung 104 mit einem durch den DAC 312 bereitgestellten Schwellenwert. Wie oben erörtert zeigt eine hohe Kollektor-Emitter-Spannung V_CE an, dass der Leistungsschalter 102 einen zu hohen Strom erfährt. Wenn die Kollektor-Emitter-Spannung V_CE den Schwellenwert übersteigt, gibt der Komparator 310 ein Signal, das einen Überstromzustand signalisiert, aus. Die Master-Steuerungseinheit 306 kann dann den Leistungsschalter 102 ausschalten. Bei einigen Ausgestaltungen teilt die Master-Steuerungseinheit 306 anderen Systemen den Überstrom über die externe Schnittstelle 304 mit. Es wird darauf hingewiesen, dass bei einigen Ausgestaltungen auch andere Überstromdetektoren verwendet werden können. Der Komparator 310 enthält auch den Schutz-MOSFET 116, der eingeschaltet werden kann, um den Komparator 310 an GND zu klemmen, wenn der Leistungsschalter 102 ausgeschaltet wird. Der Komparator 310 kann auch Quellen zum Erzeugen des Bias-Stroms I_m enthalten.
Der DAC 312, manchmal als Schwellenwerterzeugungsschaltung bezeichnet, erzeugt ein Analogsignal, das den Entsättigungsschwellenwert kennzeichnet. Ein digitaler Wert für den Entsättigungsschwellenwert wird durch die Master-Steuerungseinheit 306 bestimmt. Die Master-Steuerungseinheit 306 stellt den von dem DAC 312 bereitgestellten Wert entsprechend dem Koeffizienten in dem Speicher 308 ein. Zum Beispiel kann die Master-Steuerungseinheit 306 den Schwellenwert erhöhen, wenn die Umgebungstemperatur hoch ist. Bei einigen Ausgestaltungen kann die Master-Steuerungseinheit 306 Einstellungen des Entsättigungsschwellenwerts kompensieren, um zu verhindern, dass sich der Leistungsschalter 102 während des Betriebs zunehmend erwärmt. Zum Beispiel kann die Master-Steuerungseinheit 306 die Temperaturkoeffizienten für den Entsättigungsschwellenwert auf einen Wert, der geringer als die kombinierten Temperaturkoeffizienten des Leistungsschalters 102 und der Hochspannungsdiode 110 ist, einstellen. Das Kompensieren des Entsättigungsschwellenwerts kann eine allmähliche Verschlechterung der Überstromtauglichkeit des Leistungsschalters 102 vermeiden. Es wird darauf hingewiesen, dass bei einigen Ausgestaltungen andere Schwellenwerterzeugungsschaltungen verwendet werden können.
Auch wenn das in 3 gezeigte Entsättigungsdetektionssystem 300 ein digitales System ist, wird darauf hingewiesen, dass andere Arten von Systemen verwendet werden könnten, um den Entsättigungsschwellenwert zu erzeugen und einzustellen. Zum Beispiel kann es sich bei einigen Ausgestaltungen bei der Master-Steuerungseinheit 306 um eine analoge Schaltung, die den Entsättigungsschwellenwert einstellt, handeln. Bei derartigen Ausgestaltungen muss das System den DAC 312 oder den Speicher 308 nicht enthalten, und die Anordnungen können auf eine andere Weise gekoppelt werden. Zum Beispiel kann zwischen der Master-Steuerungseinheit 306 und dem Komparator 310 eine direkte analoge Verbindung bestehen.
4 ist ein Blockdiagramm eines Entsättigungsdetektionssystems 400. Das Entsättigungsdetektionssystem 400 ist ähnlich dem Entsättigungsdetektionssystem 300 mit der Ausnahme, dass der Komparator 310 und der DAC 312 durch einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 402 ersetzt sind. Anstelle dem Komparator 310 ein Referenzsignal zuzuführen, tastet die Master-Steuerungseinheit 306 das Ausgangssignal der Detektorschnittstellenschaltung 104 mit dem ADC 402 ab, um die Kollektor-Emitter-Spannung V_CE zu bestimmen. Die Master-Steuerungseinheit 306 vergleicht dann die abgetasteten Werte mit einem Entsättigungsschwellenwert, um festzustellen, ob sich der Leistungsschalter 102 in Entsättigung befindet. Von daher bildet die Kombination der Master-Steuerungseinheit 306 und des ADCs 402 die Schwellenwerterzeugungsschaltung und den Überstromdetektor.
5 ist ein Blockdiagramm eines Entsättigungsdetektionssystems 500. Das Entsättigungsdetektionssystem 500 ist ähnlich dem Entsättigungsdetektionssystem 300 mit der Ausnahme, dass sich der Temperatursensor 106 nahe bei oder in dem Gatetreiber 108 befindet. Der Temperatursensor 106 kann die lokale Umgebungstemperatur in der Nähe des Gatetreibers 108 messen, oder er kann direkt die Sperrschichttemperaturen von Bauelementen in dem Gatetreiber 108 messen. Die Master-Steuerungseinheit 306 kann den dem Komparator 310 zugeführten Entsättigungsschwellenwert erhöhen, wenn die Umgebungstemperatur in dem Gatetreiber 108 ansteigt.
6 ist ein Blockdiagramm eines Entsättigungsdetektionssystems 600. Das Entsättigungsdetektionssystem 600 ist ähnlich dem Entsättigungsdetektionssystem 300 mit der Ausnahme, dass sich der Temperatursensor 106 nahe bei oder in der Detektorschnittstellenschaltung 104 befindet. Der Temperatursensor 106 kann die lokale Umgebungstemperatur in der Nähe der Hochspannungsdiode und der Detektorschnittstellenschaltung 104 messen, oder er kann direkt die Sperrschichttemperatur der Hochspannungsdiode 110 messen. Die Master-Steuerungseinheit 306 kann den dem Komparator 310 zugeführten Entsättigungsschwellenwert verringern, wenn die Temperatur nahe bei oder in der Detektorschnittstellenschaltung 104 ansteigt.
7 ist ein Blockdiagramm eines Entsättigungsdetektionssystems 700. Das Entsättigungsdetektionssystem 700 ist ähnlich dem Entsättigungsdetektionssystem 300 mit der Ausnahme, dass sich der Temperatursensor 106 nahe bei oder in dem Leistungsschalter 102 befindet. Der Temperatursensor 106 kann die lokale Umgebungstemperatur in der Nähe des Leistungsschalters 102 messen, er kann direkt eine Sperrschichttemperatur des Leistungsschalters 102 messen, oder er kann die Temperatur einer Basisplatte des Leistungsschalters 102 messen. Die Master-Steuerungseinheit 306 kann den dem Komparator 310 zugeführten Entsättigungsschwellenwert erhöhen, wenn die Temperatur nahe bei oder in dem Leistungsschalter 102 ansteigt.
8 ist ein Flussdiagramm eines Entsättigungsdetektionsverfahrens 800. Das Entsättigungsdetektionsverfahren 800 lässt Operationen, die in einem Entsättigungsdetektionssystem auftreten, erkennen. Bei einigen Ausgestaltungen führt das Entsättigungsdetektionssystem nur dann Operationen in dem Entsättigungsdetektionsverfahren 800 aus, wenn das Ansteuerausgangssignal high ist, z. B. wenn der Leistungsschalter aktiviert ist.
Von einem oder mehr Temperatursensoren in dem Leistungssystem wird ein Wert/werden Werte gelesen (Schritt 802). Die Temperatursensoren können Umgebungstemperaturen oder bestimmte Bauelement-Sperrschichttemperaturen messen. Der Entsättigungsschwellenwert wird unter Verwendung eines Korrekturkoeffizienten und des Temperaturwerts/der Temperaturwerte eingestellt (Schritt 804). Bei dem Korrekturkoeffizienten kann es sich um einen in einer Nachschlagtabelle gespeicherten Wert handeln. Der Entsättigungsschwellenwert kann mit dem Korrekturkoeffizienten berechnet werden gemäß: V_TH = C_TH·T – O, (4) wobei C_TH der Korrekturkoeffizient ist, T einer von dem Temperaturwert/den Temperaturwerten ist, und O ein Offsetwert ist. Bei einigen Ausgestaltungen kann ein Entsättigungsschwellenwert mit einer Gleichung höherer Ordnung wie beispielsweise einer Gleichung, die zwei Korrekturkoeffizienten verwendet und Effekte zweiter Ordnung berücksichtigt, genauer berechnet werden. Der neue Entsättigungsschwellenwert kann z. B. an einen DAC ausgegeben werden. Die Kollektor-Emitter-Spannung V_CE des Leistungsschalters wird unter Verwendung des Entsättigungsdetektors gemessen und mit dem Entsättigungsschwellenwert verglichen (Schritt 806). Wenn die Kollektor-Emitter-Spannung V_CE den Entsättigungsschwellenwert übersteigt (Schritt 808), dann befindet sich der Leistungsschalter in einem Zustand mit zu hohem Strom. Der Leistungsschalter wird ausgeschaltet und ein externes System wird optional benachrichtigt (Schritt 810). Wenn die Kollektor-Emitter-Spannung V_CE den Entsättigungsschwellenwert nicht übersteigt (Schritt 808), wird das Entsättigungsdetektionsverfahren 800 ab Schritt 802 wiederholt.
Ein Vorteil einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besteht in einer verringerten Größe des Leistungsschalters und einer erhöhten Zuverlässigkeit. Typischerweise kann die Verwendung größerer Halbleiterschalter und Leiter die Überlastfestigkeit erhöhen. Das elektrischen Schützen der Schalter gegen Überstromzustände kann den Bedarf an größeren Schaltern präkludieren, was die Bauelementkosten und -größe verringert. Zusätzlich können durch die Erhöhung der Genauigkeit der Überstromdetektion Leistungsschalter mit geringeren Entsättigungsdetektionsschwellenwerten geschützt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung enthält eine Anordnung eine Schwellenwerterzeugungsschaltung und eine Schaltung zum Feststellen einer Überlast. Die Schwellenwerterzeugungsschaltung ist dazu ausgebildet, einen Schwellenwert basierend auf einem Ausgangssignal eines Temperatursensors, der sich in der Nähe eines Leistungstransistors befindet, und einer maximalen Leistungsdissipation in dem Leistungstransistor zu erzeugen. Die Überspannungsbestimmungsschaltung ist dazu ausgebildet, basierend auf dem Schwellenwert und einer Schalterspannung einen Zustand zu hoher Leistung des Leistungstransistors festzustellen. Die Schalterspannung wird zwischen einer Source und einem Drain oder einem Kollektor und einem Emitter des Leistungstransistors detektiert.
Bei einigen Ausgestaltungen enthält die Schaltung zum Feststellen einer zu hohen Leistung einen Komparator, der dazu ausgebildet ist, den Schwellenwert mit der Schalterspannung zu vergleichen. Bei einigen Ausgestaltungen enthält die Anordnung weiterhin einen Speicher. Der Speicher ist dazu ausgebildet, Koeffizienten, die den Schwellenwert mit dem Ausgangssignal des Temperatursensors verknüpfen, zu speichern, wobei die Schwellenwerterzeugungsschaltung weiterhin dazu ausgebildet ist, den Schwellenwert basierend auf den in den Speicher gespeicherten Koeffizienten einzustellen. Bei einigen Ausgestaltungen enthält die Schaltung zum Feststellen einer zu hohen Leistung einen Komparator, der so ausgebildet ist, dass er mit einer Detektorschnittstellenschaltung gekoppelt werden kann, wobei der Komparator die Schalterspannung misst, wobei die Detektorschnittstellenschaltung einen Schutzwiderstand und eine Diode aufweist, wobei der Schutzwiderstand und die Diode in Reihe gekoppelt sind, und sie weist weiterhin eine Stromquelle auf. Die Stromquelle ist dazu ausgebildet, einen Bias-Strom durch den Schutzwiderstand und die Diode bereitzustellen. Bei einigen Ausgestaltungen handelt es sich bei dem Leistungstransistor um einen Bipolartransistor (BJT), und eine Spannung, die den Zustand zu hoher Leistung des BJTs erkennen lässt, wird gemäß V_DESAT = I_m*R_prot + V_D + V_CE erzeugt, wobei R_prot ein Widerstand des Schutzwiderstands ist, V_D eine Vorwärtsspannung der Diode ist, I_m der Bias-Strom ist, und V_CE die Schalterspannung ist. Bei einigen Ausgestaltungen handelt es sich bei dem Leistungstransistor um einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffektransistor (MOSFET). Bei einigen Ausgestaltungen ist die Schwellenwerterzeugungsschaltung dazu ausgebildet, eine Temperatur von zumindest einem/einer von der Schutzschaltung zum Feststellen zu hoher Leistung, der Diode und dem Leistungstransistor zu messen, und die Schwellenwerterzeugungsschaltung ist weiterhin dazu ausgebildet, den Schwellenwert entsprechend der gemessenen Temperatur zu erzeugen. Bei einigen Ausgestaltungen ist die Schwellenwerterzeugungsschaltung weiterhin dazu ausgebildet, den Schwellenwert entsprechend einem kombinierten Temperaturkoeffizienten von der zumindest einer/einem von der Schaltung zum Feststellen zu hoher Leistung, der Diode und dem Leistungstransistor zu erzeugen. Bei einigen Ausgestaltungen ist die Schwellenwerterzeugungsschaltung dazu ausgebildet, den Schwellenwert entsprechend einem maximalen Ausgangsstrom des Leistungstransistors zu erzeugen. Bei einigen Ausgestaltungen ist die Schwellenwerterzeugungsschaltung dazu ausgebildet, den Schwellenwert entsprechend einer maximalen Leistungsdissipation in dem Leistungstransistor zu erzeugen. Bei einigen Ausgestaltungen befindet sich der Temperatursensor auf demselben Halbleiter-Die wie die Diode. Bei einigen Ausgestaltungen befindet sich der Temperatursensor auf demselben Halbleiter-Die wie der Leistungstransistor. Bei einigen Ausgestaltungen befindet sich der Temperatursensor auf demselben Halbleiter-Die wie die Schaltung zum Feststellen zu hoher Leistung.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung enthält ein System einen Leistungstransistor, eine Detektorschnittstellenschaltung, einen Temperatursensor und einen Treiber. Die Detektorschnittstellenschaltung ist so ausgebildet, dass sie mit dem Leistungstransistor gekoppelt werden kann. Die Detektorschnittstellenschaltung ist weiterhin dazu ausgebildet, eine Schalterspannung zwischen einer Source und einem Drain oder einem Kollektor und einem Emitter des Leistungstransistors zu detektieren. Der Temperatursensor ist dazu ausgebildet, eine Temperatur des Systems zu messen. Der Treiber ist so ausgebildet, dass er mit dem Leistungstransistor, der Detektorschnittstellenschaltung und dem Temperatursensor gekoppelt werden kann. Der Treiber enthält eine Referenzerzeugungsschaltung und eine Schaltung zum Feststellen von zu hoher Leistung. Die Referenzerzeugungsschaltung ist dazu ausgebildet, ein Referenzsignal entsprechend der gemessenen Temperatur des Systems und einer maximalen Leistungsdissipation in dem Leistungstransistor zu erzeugen. Die Schaltung zum Feststellen zu hoher Leistung ist dazu ausgebildet, die detektierte Schalterspannung mit dem erzeugten Referenzsignal zu vergleichen. Die Schaltung zum Feststellen zu hoher Leistung ist weiterhin dazu ausgebildet, basierend auf dem Vergleichsergebnis einen Zustand zu hoher Leistung des Leistungstransistors festzustellen.
Bei einigen Ausgestaltungen befindet sich der Temperatursensor in der Nähe von zumindest einer/einem von der Schaltung zum Feststellen zu hoher Leistung, einer Diode in der Detektorschnittstellenschaltung und dem Leistungstransistor, und bei der durch den Temperatursensor gemessenen Temperatur des Systems handelt es sich um eine Temperatur von zumindest einer/einem von der Schaltung zum Feststellen zu hoher Leistung, der Diode und dem Leistungstransistor. Bei einigen Ausgestaltungen ist die Referenzerzeugungsschaltung weiterhin dazu ausgebildet, das Referenzsignal entsprechend einem kombinierten Temperaturkoeffizienten von zumindest einer/einem von der Schaltung zum Feststellen zu hoher Leistung, der Diode und dem Leistungstransistor zu erzeugen. Bei einigen Ausgestaltungen ist die Referenzerzeugungsschaltung dazu ausgebildet, das Referenzsignal entsprechend einem maximalen Ausgangsstrom des Leistungstransistors zu erzeugen. Bei einigen Ausgestaltungen ist die Referenzerzeugungsschaltung dazu ausgebildet, das Referenzsignal entsprechend einer maximalen Leistungsdissipation in dem Leistungstransistor zu erzeugen. Bei einigen Ausgestaltungen enthält das System weiterhin eine Steuerschaltung. Die Steuerschaltung ist dazu ausgebildet, den Leistungstransistor als Reaktion darauf, dass die Schaltung zum Feststellen zu hoher Leistung einen Zustand zu hoher Leistung des Leistungstransistors festgestellt hat, zu deaktivieren. Bei einigen Ausgestaltungen ist die Steuerschaltung weiterhin dazu ausgebildet, als Reaktion darauf, dass sie durch die Schaltung zum Feststellen zu hoher Leistung benachrichtigt wurde, ein anderes System zu benachrichtigen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das Empfangen von einem oder mehr Werten einer Temperatur eines Systems, das einen Leistungstransistor und einen Temperatursensor aufweist. Das Verfahren umfasst weiterhin das Erzeugen eines Entsättigungsschwellenwerts entsprechend dem einen oder den mehr empfangenen Wert(en) der Temperatur des Systems. Das Verfahren umfasst weiterhin das Vergleichen einer Kollektor-Emitter- oder Source-Drain-Spannung des Leistungstransistors mit dem erzeugten Entsättigungsschwellenwert. Das Verfahren umfasst weiterhin das Deaktivieren des Leistungstransistors als Reaktion darauf, dass die Kollektor-Emitter-Spannung oder die Source-Drain-Spannung den Entsättigungsschwellenwert übersteigt.
Bei einigen Ausgestaltungen umfasst das Verfahren weiterhin das Benachrichtigen eines Systems als Reaktion auf das Deaktivieren des Leistungstransistors. Bei einigen Ausgestaltungen umfasst das Erzeugen des Entsättigungsschwellenwerts entsprechend dem einen oder den mehr Wert(en) der Temperatur des Systems das Zugreifen auf Korrekturkoeffizienten und das Erzeugen des Entsättigungsschwellenwerts entsprechend den Temperaturkoeffizienten und dem einen oder den mehr empfangenen Wert(en) der Temperatur des Systems.
Obwohl diese Erfindung in Bezug auf illustrative Ausgestaltungen beschrieben wurde, soll die Beschreibung in einem beschränkenden Sinn ausgelegt werden. Verschiedene Modifikationen und Kombinationen der illustrativen Ausgestaltungen ebenso wie andere Ausgestaltungen der Erfindung sind für Fachleute anhand der Beschreibung ersichtlich.

Claims

Anordnung, die aufweist: eine Schwellenwerterzeugungsschaltung, die dazu ausgebildet ist, basierend auf einem Ausgangssignal eines Temperatursensors, der sich in der Nähe eines Leistungstransistors befindet, und einer maximalen Leistungsdissipation in dem Leistungstransistor einen Schwellenwert zu erzeugen; und eine Schaltung zum Feststellen zu hoher Leistung, die dazu ausgebildet ist, basierend auf dem Schwellenwert und einer Schalterspannung, die zwischen einer Source und einem Drain oder einem Kollektor und einem Emitter des Leistungstransistors detektiert wird, einen Zustand zu hoher Leistung eines Leistungstransistors festzustellen.
Anordnung gemäß Anspruch 1, bei der die Schaltung zum Feststellen zu hoher Leistung aufweist: einen Komparator, der dazu ausgebildet ist, den Schwellenwert mit der Schalterspannung zu vergleichen.
Anordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, die weiterhin aufweist: einen Speicher, der dazu ausgebildet ist, Koeffizienten, die den Schwellenwert mit dem Ausgangssignal des Temperatursensors verknüpfen, zu speichern, wobei die Schwellenwerterzeugungsschaltung weiterhin dazu ausgebildet ist, den Schwellenwert basierend auf dem in dem Speicher gespeicherten Koeffizienten einzustellen.
Anordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Schaltung zum Feststellen zu hoher Leistung aufweist: einen Komparator, der so ausgebildet ist, dass er mit einer Detektorschnittstellenschaltung gekoppelt werden kann, wobei der Komparator die Schalterspannung misst, wobei die Detektorschnittstellenschaltung einen Schutzwiderstand und eine Diode aufweist, wobei der Schutzwiderstand und die Diode in Reihe gekoppelt sind; und eine Stromquelle, die dazu ausgebildet ist, einen Bias-Strom durch den Schutzwiderstand und die Diode bereitzustellen.
Anordnung gemäß Anspruch 4, bei der der Leistungstransistor ein Bipolartransistor (BJT) ist, und eine Spannung, die den Zustand zu hoher Leistung des BJTs erkennen lässt, erzeugt wird gemäß: V_DESAT = I_m·R_prot + V_D + V_CE, wobei R_prot ein Widerstand des Schutzwiderstands ist, V_D eine Vorwärtsspannung der Diode ist, I_m der Bias-Strom ist, und V_CE die Schalterspannung ist.
Anordnung gemäß Anspruch 4, bei der der Leistungstransistor ein MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) ist.
Anordnung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der die Schwellenwerterzeugungsschaltung dazu ausgebildet ist, eine Temperatur von zumindest einer/einem von der Schaltung zum Feststellen zu hoher Leistung, der Diode und dem Leistungstransistor zu messen, und bei der die Schwellenwerterzeugungsschaltung weiterhin dazu ausgebildet ist, den Schwellenwert entsprechend der gemessenen Temperatur zu erzeugen.
Anordnung gemäß Anspruch 7, bei der die Schwellenwerterzeugungsschaltung dazu ausgebildet ist, den Schwellenwert entsprechend einem kombinierten Temperaturkoeffizienten von zumindest einer/einem von der Schaltung zum Feststellen zu hoher Leistung, der Diode und dem Leistungstransistor zu erzeugen.
Anordnung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, bei der sich der Temperatursensor auf demselben Halbleiter-Die wie die Diode befindet.
Anordnung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 9, bei der sich der Temperatursensor auf demselben Halbleiter-Die wie der Leistungstransistor befindet.
Anordnung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 9, bei der sich der Temperatursensor auf demselben Halbleiter-Die wie die Schaltung zum Feststellen zu hoher Leistung befindet.
System, das aufweist: einen Leistungstransistor; eine Detektorschnittstellenschaltung, die so ausgebildet ist, dass sie mit dem Leistungstransistor gekoppelt werden kann, und dazu, eine Schalterspannung zwischen einer Source und einem Drain oder einem Kollektor und einem Emitter des Leistungstransistors zu detektieren; einen Temperatursensor, der dazu ausgebildet ist, eine Temperatur des Systems zu messen; und einen Treiber, der so ausgebildet ist, dass er mit dem Leistungstransistor, der Detektorschnittstellenschaltung und dem Temperatursensor gekoppelt werden kann, wobei der Treiber aufweist: eine Referenzerzeugungsschaltung, die dazu ausgebildet ist, ein Referenzsignal entsprechend der gemessenen Temperatur des Systems und einer maximalen Leistungsdissipation in dem Leistungstransistor zu erzeugen; und eine Schaltung zum Feststellen zu hoher Leistung, die dazu ausgebildet ist, die detektierte Schalterspannung mit dem erzeugten Referenzsignal zu vergleichen und basierend auf dem Vergleichsergebnis einen Zustand zu hoher Leistung des Leistungstransistors festzustellen.
System gemäß Anspruch 12, bei dem sich der Temperatursensor in der Nähe von zumindest einer/einem von der Schaltung zum Feststellen zu hoher Leistung, einer Diode in der Detektorschnittstellenschaltung und dem Leistungstransistor befindet, und bei dem es sich bei der durch den Temperatursensor gemessenen Temperatur des Systems um eine Temperatur von zumindest einer/einem von der Schaltung zum Feststellen zu hoher Leistung, der Diode und dem Leistungstransistor handelt.
System gemäß Anspruch 13, bei dem die Referenzerzeugungsschaltung weiterhin dazu ausgebildet ist, das Referenzsignal entsprechend einem kombinierten Temperaturkoeffizienten von zumindest einer/einem von der Schaltung zum Feststellen zu hoher Leistung, der Diode und dem Leistungstransistor zu erzeugen.
System gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, das weiterhin eine Steuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, den Leistungstransistor als Reaktion darauf, dass die Schaltung zum Feststellen zu hoher Leistung einen Zustand zu hoher Leistung des Leistungstransistors feststellt, zu deaktivieren.
System gemäß Anspruch 15, bei dem die Steuerschaltung weiterhin dazu ausgebildet ist, als Reaktion darauf, dass sie durch die Schaltung zum Feststellen zu hoher Leistung benachrichtigt wurde, ein anderes System benachrichtigt.
Verfahren, das aufweist: Empfangen von einem oder mehr Werten einer Temperatur eines Systems, das einen Leistungstransistor aufweist, von einem Temperatursensor; Erzeugen eines Entsättigungsschwellenwerts entsprechend dem/den empfangenen einen oder mehr Werten der Temperatur des Systems; Vergleichen einer Kollektor-Emitter- oder Source-Drain-Spannung des Leistungstransistors mit dem erzeugten Entsättigungsschwellenwert; und Deaktivieren des Leistungstransistors als Reaktion darauf, dass die Kollektor-Emitter- oder Source-Drain-Spannung den Entsättigungsschwellenwert übersteigt.
Verfahren gemäß Anspruch 17, das weiterhin aufweist: Benachrichtigen des Systems als Reaktion auf das Deaktivieren des Leistungstransistors.
Verfahren gemäß Anspruch 17 oder 18, bei dem das Erzeugen des Entsättigungsschwellenwerts entsprechend dem einen oder den mehr Werten der Temperatur des Systems aufweist: Zugreifen auf Korrekturkoeffizienten; und Erzeugen des Entsättigungsschwellenwerts entsprechend den Korrekturkoeffizienten und dem einen oder den mehr empfangenen Werten der Temperatur des Systems.