DE102017204418A1

DE102017204418A1 - Verfahren zum Umschalten eines Halbleiterschalters

Info

Publication number: DE102017204418A1
Application number: DE102017204418.7A
Authority: DE
Inventors: Daniel Marquardt; Ralf Henne; Bernd Wichert; Frank Ueltzhoeffer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-03-16
Filing date: 2017-03-16
Publication date: 2018-09-20
Also published as: CN110392980A; US20200052691A1; US10911043B2; WO2018166697A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (20, 30) und ein Verfahren zum Umschalten eines Halbleiterschalters (10) mittels eines an einem Steueranschluss des Halbleiterschalters (10) anliegenden Schaltsignals (S), wobei das Schaltsignal (S) in Reaktion auf ein Registrieren eines Umschaltens eines Ansteuersignals (A) umgeschaltet wird, wobei eine Totzeit (t) zwischen dem Beginn des Umschaltens des Schaltsignals (S) und dem Umschalten (t) des Halbleiterschalters (10) ermittelt wird, wobei das Umschalten des Halbleiterschalters (10) um eine Wartezeit (t) verzögert wird, z.B. durch Verzögern der Ausgabe des Schaltsignals und/oder Verändern der Signalhöhe, so dass eine einer Soll-Schaltzeit entsprechende Ist-Schaltzeit zwischen Registrieren des Umschaltens des Ansteuersignals (A) und Umschalten des Halbleiterschalters (10) erhalten wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umschalten eines Halbleiterschalters sowie eine Recheneinheit zu dessen Durchführung und eine Transistortreiberschaltung.
Stand der Technik
Es ist üblich, in elektronischen Schaltungen Halbleiterschalter bzw. Feldeffekttransistoren, insbesondere MOSFET, als Schalter einzusetzen. Das Schalten erfolgt durch Aufladen eines Steueranschlusses (Gate) mittels eines von einer sog. Transistortreiberschaltung bereitgestellten Schaltsignals (Spannung oder Strom), wobei jedoch der exakte Umschaltzeitpunkt von der externen Beschaltung und den MOSFET-Eigenschaften abhängt. Diese Eigenschaften sind spezifisch für jeden MOSFET-Typ und variieren innerhalb der Fertigungstoleranz und über der Temperatur. Jedoch ist für bestimmte Anwendungsfälle eine genaue Kenntnis bzw. Vorgabe des Umschaltzeitpunkts wünschenswert.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Umschalten eines Halbleiterschalters sowie eine Recheneinheit zu dessen Durchführung und eine Transistortreiberschaltung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung basiert auf der Idee, eine erwünschte (und insbesondere reproduzierbare) Soll-Schaltzeit zwischen einem Umschalten eines Ansteuersignals (z.B. von einer übergeordneten Steuerung) und dem tatsächlichen Umschalten des Halbleiterschalters dadurch zu erhalten, dass eine Totzeit zwischen dem Beginn des Umschaltens des Schaltsignals an dem Steueranschluss des Halbleiterschalters und dem tatsächlichen Umschalten des Halbleiterschalters ermittelt wird, vorzugsweise in der Transistortreiberschaltung, und das Umschalten des Halbleiterschalters um eine Wartezeit verzögert wird, so dass eine der Soll-Schaltzeit entsprechende Ist-Schaltzeit zwischen der Registrierung des Umschaltens des Ansteuersignals und dem Umschalten des Halbleiterschalters erhalten wird.
Eine Anpassung der Wartezeit erfolgt insbesondere für einen nachfolgenden Schaltvorgang. Auf diese Weise kann die Ist-Schaltzeit als Summe aus systemimmanenter Totzeit und Wartezeit nach jedem Schaltvorgang so nachgeführt werden, dass sie für den nachfolgenden Schaltvorgang möglichst der erwünschten Soll-Schaltzeit entspricht. Zwischenzeitlich aufgetretene Veränderungen der systemimmanenten Totzeit können dann wieder für den nächsten Schaltvorgang ausgeregelt werden usw.
Insbesondere kann das Umschalten des Halbleiterschalters verzögert werden, indem der Beginn des Umschaltens des Schaltsignals verzögert wird und/oder die Signalhöhe des Schaltsignals reduziert wird. Mit anderen Worten wird gemäß erster Variante eine variable Verzögerung (Wartezeit) der Schaltsignalausgabe in einer Transistortreiberschaltung eingeführt. Durch Änderung der variablen Verzögerung kann die tatsächliche Verzögerung kompensiert werden, sodass die Summe aus der variablen und tatsächlichen Verzögerung konstant ist. Gemäß zweiter Variante wird der Umschaltzeitpunkt durch Veränderung des Schaltsignals verändert, insbesondere durch eine Veränderung des Stroms zum Laden/Entladen des Gates. Werden der Strom bzw. die Spannung des Schaltsignals reduziert, dauert es länger bis zum Umschalten und umgekehrt.
Die Erfindung führt eine geregelte und damit sehr konstante Verzögerungszeit des Schaltvorgangs eines Halbleiterschalters ein. Der Einfluss von Fertigungstoleranzen, Bauteileigenschaften und der Temperatur wird ausgeregelt. Damit kann die Verzögerungszeit in einer übergeordneten Systemanwendung kompensiert werden. Die Genauigkeit wird verbessert.
Eine erfindungsgemäße Transistortreiberschaltung weist Eingänge zum Empfangen eines Ansteuersignals und zum Einstellen eines Verzögerungswerts und Ausgänge zum Ausgeben eines Schaltsignals und eines Totzeitwerts, ein Messglied zum Messen des Totzeitwerts als Zeitverzögerung zwischen einem Beginn des Umschaltens des Schaltsignals und einem Umschalten eines angeschlossenen Halbleiterschalters und ein Verzögerungsglied zum Verzögern eines Umschaltens des Halbleiterschalters um den Verzögerungswert auf. Die Transistortreiberschaltung ist insbesondere als integrierte Schaltung (englisch integrated circuit, IC), insbesondere als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (englisch application-specific integrated circuit, ASIC) ausgebildet. Vorteilhafterweise weist eine integrierte Schaltung mehrere Transistortreiber zum wahlfreien Ansteuern mehrerer angeschlossener Transistoren auf.
Die Erfindung eignet sich sowohl für ein Umschalten des Halbleiterschalters von einem nicht-leitenden Zustand in einen leitenden Zustand als auch umgekehrt. Das zugehörige Schaltsignal kann zum Umschalten des Halbleiterschalters von dem nicht-leitenden Zustand in den leitenden Zustand von einem beliebigen ersten Pegel auf einen beliebigen zweiten Pegel, z.B. je nach Bauart von ‚AUS‘ nach ‚EIN‘ oder umgekehrt, umgeschaltet werden. Schließlich kann auch das Umschalten des Schaltsignals in Reaktion auf das Umschalten des Ansteuersignals von einem beliebigen dritten Pegel auf einen beliebigen vierten Pegel, z.B. ‚AUS‘ nach ‚EIN‘ oder umgekehrt, erfolgen. Mit anderen Worten sind alle Permutationen von Umschalten des Halbleiterschalters, Umschalten des Schaltsignals und Umschalten des Ansteuersignals umfasst.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung aufweisend einen Feldeffekttransistor und eine Transistortreiberschaltung.
2 zeigt Signalverläufe beim Umschalten eines Feldeffekttransistors bei Einsatz eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einer Transistortreiberschaltung 20, einem von dieser angesteuerten Halbleiterschalter 10, welcher hier als MOSFET ausgebildet ist, und einer Recheneinheit 30 schematisch in einem Blockdiagramm dargestellt und mit 100 bezeichnet. Mittels des Halbleiterschalters 10 wird z.B. ein Verbraucher 1, z.B. ein Aktor bzw. eine Last, z.B. in einem Fahrzeug, geschaltet.
Die Transistortreiberschaltung 20 weist einen Eingang 21 zum Empfangen eines Ansteuersignals A und einen Ausgang 22 zum Ausgeben eines Schaltsignals S auf. Weiterhin weist die Transistortreiberschaltung 20 einen Eingang 23 zum Empfangen eines Verzögerungswerts t_d und einen Ausgang 24 zum Ausgeben eines Totzeitwerts t₁ auf. Daneben weist die Transistortreiberschaltung 20 ein Verzögerungsglied 25 zum Verzögern des Umschaltens des Halbleiterschalters 10, hier durch Verzögern des Beginns der Ausgabe des Schaltsignals S, um den Verzögerungswert t_d, und ein Messglied 26 zum Messen des Totzeitwerts t₁ als Zeitverzögerung zwischen einem Beginn der Ausgabe des Schaltsignals S und einem Umschalten des angeschlossenen Transistors 10 auf (siehe auch 2). Alternativ oder zusätzlich kann die Verzögerung (t_v) auch durch Variation der Signalhöhe des Schaltsignals variiert werden. In dem Fall wird das Schaltsignal S nicht um t_d verzögert, sondern sein Pegel verändert. Mit anderen Worten t_d wird zu null, aber t₁ wird verändert.
Die Transistortreiberschaltung 20 ist beispielsweise als IC bzw. ASIC ausgebildet und weist mehrere der abgebildeten Transistortreiber zum wahlfreien Ansteuern mehrerer angeschlossener Transistoren auf.
Unter Verweis auf 2 erfolgt das Umschalten des angeschlossenen Transistors 10 durch Aufladen des Gates bzw. einer gegebenenfalls vorhandenen externen Gate-Beschaltung auf eine ausreichend hohe Gate-Source-Spannung U_G. Die Zeitspanne t₁ zwischen dem Beginn ts der Ausgabe des Schaltsignals S und dem tatsächlichen Umschalten des MOSFET 10 zum Zeitpunkt t₀ ist nicht deterministisch, wird jedoch mittels des Messglieds 26 ermittelt bzw. gemessen. Die Zeitspanne t₁ ist insbesondere von der Signalhöhe des Schaltsignals S abhängig.
Bei herkömmlichen Transistortreiberschaltungen ist keine variable bzw. vorgebbare Zeitverzögerung zwischen dem Empfangen des Ansteuersignals A zum Zeitpunkt t_A und der Ausgabe des Schaltsignals S zum Zeitpunkt ts und auch keine Variation der Signalhöhe möglich. Im Rahmen der Erfindung ist jedoch nun die Transistortreiberschaltung 20 dazu eingerichtet, an dem Eingang 23 den Verzögerungswert t_d zu empfangen und mittels des Verzögerungsglieds 25 eine entsprechende Zeitverzögerung zwischen dem Empfangen des Ansteuersignals A zum Zeitpunkt t_A und der Ausgabe des Schaltsignals S zum Zeitpunkt ts bereitzustellen und/oder die Signalhöhe des Schaltsignals S entsprechend zu verändern.
In der Folge wird eine erwünschte (und insbesondere reproduzierbare) Ist-Schaltzeit t_v zwischen dem Empfangen des Ansteuersignals zum Zeitpunkt t_A und dem Schalten des Halbleiterschalters zum Zeitpunkt t₀ erhalten, die insbesondere mittels der als Regler betriebenen Recheneinheit 30 auf eine Soll-Schaltzeit geregelt werden kann. Die Recheneinheit 30 kann beispielsweise Bestandteil eines übergeordneten Steuergeräts sein, welches Funktionen ausführt, bei denen Transistoren zum Schalten verwendet werden. Beispielsweise seien hier Motorsteuergeräte zum Steuern von Einspritzvorgängen genannt.
Wenngleich in der Figur die Erfindung im Zusammenhang mit einem Aufladen des Gates beschrieben wurde, gilt dies mutatis mutandis ebenso für ein Entladen. Für beide Vorgänge können Totzeiten ermittelt und Schaltzeiten mittels Variation von Verzögerungszeiten oder Signalhöhen entsprechend geregelt werden. Gleiches gilt auch für den Zusammenhang zwischen Schaltsignal und Leitungszustand des Halbleiterschalters und zwischen Ansteuersignal und Schaltsignal. Hier ist es ebenso möglich, dass der Halbleiterschalter z.B. in Reaktion auf ein Ausschalten des Schaltsignals einschaltet, oder dass das Schaltsignal z.B. in Reaktion auf ein Abschalten des Ansteuersignals ausgegeben wird.

Claims

Verfahren zum Umschalten eines Halbleiterschalters (10) mittels eines an einem Steueranschluss des Halbleiterschalters (10) anliegenden Schaltsignals (S), wobei das Schaltsignal (S) in Reaktion auf ein Registrieren eines Umschaltens eines Ansteuersignals (A) umgeschaltet wird, wobei eine Totzeit (t₁) zwischen dem Beginn (t_s) des Umschaltens des Schaltsignals (S) und dem Umschalten (t₀) des Halbleiterschalters (10) ermittelt wird, wobei das Umschalten des Halbleiterschalters (10) um eine Wartezeit (t_d) verzögert wird, so dass eine einer Soll-Schaltzeit entsprechende Ist-Schaltzeit (t_v) zwischen Registrieren des Umschaltens (t_A) des Ansteuersignals (A) und Umschalten (t₀) des Halbleiterschalters (10) erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Umschalten des Halbleiterschalters (10) verzögert wird, indem der Beginn des Umschaltens des Schaltsignals (S) verzögert wird und/oder indem die Signalhöhe des Schaltsignals (S) reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Halbleiterschalter (10) von einem nicht-leitenden Zustand in einen leitenden Zustand umgeschaltet wird oder umgekehrt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Schaltsignal (S) von einem ersten Pegel auf einen zweiten Pegel umgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ansteuersignal (A) von einem dritten Pegel auf einen vierten Pegel umgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Feldeffekttransistor als Halbleiterschalter (10) umgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mittels des Halbleiterschalters ein Verbraucher (1) in einem Fahrzeug geschaltet wird.
Recheneinheit (20, 30), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Transistortreiberschaltung (20) aufweisend Eingänge (21, 23) zum Empfangen eines Ansteuersignals (A) und zum Einstellen eines Verzögerungswerts (t_d), Ausgänge (22, 24) zum Ausgeben eines Schaltsignals (S) und eines Totzeitwerts (t₁), ein Messglied (26) zum Ermitteln des Totzeitwerts (t₁) als Zeitverzögerung zwischen einem Beginn (t_s) des Umschaltens des Schaltsignals (S) und einem Umschalten (t₀) eines angeschlossenen Halbleiterschalters (10), und ein Verzögerungsglied (25) zum Verzögern des Umschaltens des Halbleiterschalters (10) um den Verzögerungswert (t_d).
Transistortreiberschaltung (20) nach Anspruch 9, wobei das Verzögerungsglied (25) zum Verzögern eines Beginns (t_s) eines Umschaltens des Schaltsignals (S) und/oder zum Verändern einer Signalhöhe des Schaltsignals (S) eingerichtet ist.
Transistortreiberschaltung (20) nach Anspruch 9 oder 10, die als integrierte Schaltung ausgebildet ist und die insbesondere zum wahlfreien Ansteuern mehrerer angeschlossener Halbleiterschalter (10) ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung (100) mit einer Transistortreiberschaltung (20) nach einem der Ansprüche 9 bis 11 und wenigstens einem an dieser angeschlossenen Halbleiterschalter (10).
Schaltungsanordnung (100) nach Anspruch 12 mit einer Recheneinheit (30) nach Anspruch 8.