DE102022104679A1

DE102022104679A1 - Treiberschaltung, Verfahren und System zum Schützen einer Body-Diode eines Leistungsschalters

Info

Publication number: DE102022104679A1
Application number: DE102022104679.6A
Authority: DE
Inventors: Michael Krug; Marco Bachhuber; Tommaso Bacigalupo; Benedikt Hanelt; Marcus Nuebling
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2021-03-02
Filing date: 2022-02-28
Publication date: 2022-09-08
Also published as: US11362651B1; CN115001299A

Abstract

Die vorliegende Offenbarung ist auf Techniken und Schaltungen zum Schützen einer Body-Diode eines Leistungsschalters vor einer induktiven Last, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist, gerichtet. Eine Treiberschaltung kann detektieren, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus befindet, wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist, und als Reaktion auf das Detektieren, dass sich der Leistungsschalter in dem Entsättigungsmodus befindet, den Leistungsschalter deaktivieren. Darüber hinaus kann die Treiberschaltung detektieren, ob die Body-Diode des Leistungsschalters Schutz bedarf, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist, und als Reaktion auf das Detektieren, dass die Body-Diode Schutz bedarf, den Leistungsschalter gemäß einem Body-Diodenschutzschema steuern.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft Leistungsschalter und insbesondere Techniken und Schaltungen zum Schützen von Leistungsschalterschaltungen vor verschiedenen Problemen, die auftreten können.
Hintergrund
Leistungsschalter werden in den verschiedensten Anwendungen verwendet, um eine Leistungsabgabe an eine Last zu steuern. Als Beispiele kann ein Leistungsschalter einen Feldeffekttransistor (FET), einen Bipolartransistor (BJT), einen Galliumnitrid(GaN)-Schalter oder einen Siliciumcarbid(SiC)-Schalter oder möglicherweise einen siliciumgesteuerten Gleichrichter (SCR) umfassen. Beispiele für FETs können einen Sperrschichtfeldeffekttransistor (JFET), einen Metall-Oxid-Halbleiter-FET (MOSFET), einen Dual-Gate-MOSFET, einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT), jeglichen anderen Typ von FET oder eine Kombination aus diesen beinhalten, sind aber nicht darauf beschränkt. Beispiele für MOSFETs können PMOS, NMOS, DMOS oder jeglichen anderen Typ von MOSFET oder jegliche Kombination aus diesen beinhalten, sind aber nicht darauf beschränkt. MOSFETs können aus Silicium, Galliumnitrid, Siliciumcarbid oder anderen Materialien gebildet sein. Beispiele für BJTs können PNP, NPN, Heteroübergang oder jeglichen anderen Typ von BJT oder jegliche Kombination aus diesen beinhalten, sind aber nicht darauf beschränkt.
Leistungsschalter werden typischerweise durch eine Treiberschaltung über ein Modulationssteuersignal, wie Pulsweitenmodulation (PWM), Pulsfrequenzmodulation (PFM), Pulsdauermodulation, Pulsdichtemodulation oder eine andere Art von Modulationssteuersignal gesteuert. Modulationssteuersignale können an das Gate eines Leistungsschalters angelegt werden, um das Ein-/Ausschalten des Leistungsschalters zu steuern und dadurch die durchschnittliche Leistungsmenge zu steuern, die einer Last durch den Leistungsschalter zugeführt wird. Durch das Ein-/Ausschalten des Leistungsschalters wird seine Leistungsabgabe effektiv in einzelne Teile zerlegt. Der Durchschnittswert der Spannung und/oder des Stroms, die bzw. der einer Last zugeführt wird, kann durch Ein- und Ausschalten des Schalters mit schneller Rate gesteuert werden. Je länger der Schalter im Vergleich zu den Ausschaltperioden eingeschaltet ist, desto höher ist die der Last zugeführte Gesamtleistung. In vielen Anwendungen sind zwei verschiedene Leistungsschalter in einer High-Side- und Low-Side-Konfiguration konfiguriert und wird das Ein-/Ausschalten der beiden Leistungsschalter synchronisiert, um die erwünschte Leistung an einen Schaltknoten zu liefern, der zwischen dem High-Side- und dem Low-Side-Schalter angeordnet ist.
Kurzdarstellung
Es werden eine Treiberschaltung wie in Anspruch 1 definiert, ein Verfahren wie in Anspruch 9 definiert und ein System wie in Anspruch 17 definiert bereitgestellt. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere Ausführungsformen.
Allgemein beschreibt die vorliegende Offenbarung Schaltungen und Techniken, die durch eine Treiberschaltung beim Steuern eines Leistungsschalters angewandt werden. Die Schaltungen und Techniken können Schutz vor einer Leistungsschalterfehlfunktion bereitstellen, der in den verschiedensten Schaltungsanwendungen wünschenswert sein kann, insbesondere in Umgebungen, in denen Sicherheit ein Anliegen ist. Es werden hier viele verschiedene Schaltungen und Techniken beschrieben, und diese verschiedenen Techniken können sich auf bestimmte Lösungen zum Schützen des Leistungsschalters, wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist, oder zum Schützen des Leistungsschalters, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist, beziehen.
Die Techniken der vorliegenden Offenbarung können einen bereits bestehenden Detektionspin, der mit einer Treiberschaltung in Verbindung steht, vorteilhaft einsetzen. Der Detektionspin kann zum Beispiel einen so genannten Entsättigungspin (DESAT-Pin) oder möglicherweise einen Überstromschutzpin (OCP-Pin) umfassen. Die Schaltungen und Techniken der vorliegenden Offenbarung können den Detektionspin für DESAT- oder OCP-Überwachung und -Schutz verwenden, und die Techniken können auch den Detektionspin für zusätzliche Diagnose- oder Detektionszwecke, die mit dem Leistungsschalter in Verbindung stehen, verwenden. Zum Beispiel kann der Detektionspin gemäß der vorliegenden Offenbarung dazu verwendet werden, eine SOA-Grenze (SOA, safe operating area - sicherer Arbeitsbereich) des Leistungsschalters zu überwachen, wenn der Schalter in einem EIN-Zustand betrieben wird. In diesem Fall kann die Treiberschaltung basierend auf einer Änderungsrate eines Signals am Detektionspin detektieren, ob der Leistungsschalter zu einer SOA-Grenze des Leistungsschalters tendiert. Dabei kann die Treiberschaltung dazu konfiguriert sein, den Leistungsschalter als Reaktion auf das Detektieren, dass der Leistungsschalter zu der SOA-Grenze tendiert, zu deaktivieren, was dabei helfen kann, den Leistungsschalter vor einer Fehlfunktion zu schützen.
In anderen Beispielen kann eine Treiberschaltung den Detektionspin dazu verwenden, zu überwachen, ob eine Body-Diode Schutz bedarf, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist. Solch ein Body-Diodenschutz des Leistungsschalters kann dazu wünschenswert sein, den Schalter vor einer Beschädigung zu schützen, die aufgrund dessen auftreten kann, dass Strom oder Spannung von einer induktiven Last zu dem Schalter gelangt, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist. Dementsprechend kann der Detektionspin in diesem Fall durch die Treiberschaltung dazu verwendet werden, zu überwachen, ob die Body-Diode des Leistungsschalters Schutz bedarf, und wenn dies der Fall ist, kann die Treiberschaltung den Leistungsschalter auf eine Weise steuern, die die Body-Diode schützen kann.
In einem Beispiel beschreibt die vorliegende Offenbarung eine Treiberschaltung, die dazu konfiguriert ist, einen Leistungsschalter zu steuern. Die Treiberschaltung kann einen Ausgangspin umfassen, wobei die Treiberschaltung dazu konfiguriert ist, Ansteuerungssignale von dem Ausgangspin zu dem Leistungsschalter zu liefern, um das Ein-/Ausschalten des Leistungsschalters zu steuern. Die Treiberschaltung kann auch einen Detektionspin umfassen, der dazu konfiguriert ist, ein Signal zu empfangen, das mit dem Leistungsschalter in Verbindung steht, wobei der Detektionspin einen DESAT-Detektionspin oder einen OCP-Pin umfasst. Darüber hinaus kann die Treiberschaltung eine Schutzlogik umfassen, die mit dem Detektionspin verbunden ist, wobei die Schutzlogik dazu konfiguriert ist: basierend auf dem Signal zu detektieren, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus oder in einem Überstromzustand befindet; als Reaktion auf das Detektieren, dass sich der Leistungsschalter in dem Entsättigungsmodus oder dem Überstromzustand befindet, den Leistungsschalter zu deaktivieren; basierend auf einer Änderungsrate des Signals zu detektieren, ob der Leistungsschalter zu einer SOA-Grenze des Leistungsschalters tendiert; und als Reaktion auf das Detektieren, dass der Leistungsschalter zu der SOA-Grenze tendiert, den Leistungsschalter zu deaktivieren.
In einem anderen Beispiel beschreibt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Steuern eines Leistungsschalters. Das Verfahren kann Zuführen von Ansteuerungssignalen von einem Ausgangspin zu dem Leistungsschalter zum Steuern des Ein-/Ausschaltens des Leistungsschalters; Empfangen eines Signals, das mit dem Leistungsschalter in Verbindung steht, über einen Detektionspin, wobei der Detektionspin einen DESAT-Detektionspin oder einen OCP-Pin umfasst; basierend auf dem Signal Detektieren, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus oder einem Überstromzustand befindet; als Reaktion auf das Detektieren, dass sich der Leistungsschalter in dem Entsättigungsmodus oder dem Überstromzustand befindet, Deaktivieren des Leistungsschalters; Detektieren, ob der Leistungsschalter zu einer SOA-Grenze des Leistungsschalters tendiert; und als Reaktion auf das Detektieren, dass der Leistungsschalter zu der SOA-Grenze tendiert, Deaktivieren des Leistungsschalters, umfassen.
In einem anderen Beispiel beschreibt die vorliegende Offenbarung ein System, das Folgendes umfasst: einen Leistungsschalter, der einen Transistor aufweist; und eine Treiberschaltung, die dazu konfiguriert ist, den Leistungsschalter zu steuern. Die Treiberschaltung kann einen Ausgangspin, wobei die Treiberschaltung dazu konfiguriert ist, Ansteuerungssignale von dem Ausgangspin zu dem Leistungsschalter zu liefern, um das Ein-/Ausschalten des Leistungsschalters zu steuern, und einen Detektionspin, der dazu konfiguriert ist, ein Signal zu empfangen, das mit dem Leistungsschalter in Verbindung steht, umfassen, wobei der Detektionspin einen DESAT-Detektionspin oder einen OCP-Pin umfasst. Die Treiberschaltung kann auch eine Schutzlogik umfassen, die mit dem Detektionspin verbunden ist, wobei die Schutzlogik dazu konfiguriert ist: basierend auf dem Signal zu detektieren, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus oder in einem Überstromzustand befindet; als Reaktion auf das Detektieren, dass sich der Leistungsschalter in dem Entsättigungsmodus oder dem Überstromzustand befindet, den Leistungsschalter zu deaktivieren; basierend auf einer Änderungsrate des Signals zu detektieren, ob der Leistungsschalter zu einer SOA-Grenze des Leistungsschalters tendiert; und als Reaktion auf das Detektieren, dass der Leistungsschalter zu der SOA-Grenze tendiert, den Leistungsschalter zu deaktivieren.
In einem anderen Beispiel beschreibt die vorliegende Offenbarung eine Treiberschaltung, die dazu konfiguriert ist, einen Leistungsschalter zu steuern, der eine Body-Diode umfasst. In diesem Beispiel umfasst die Treiberschaltung einen Ausgangspin, wobei die Treiberschaltung dazu konfiguriert ist, Ansteuerungssignale von dem Ausgangspin zu dem Leistungsschalter zu liefern, um das Ein-/Ausschalten des Leistungsschalters zu steuern, und einen Detektionspin, der dazu konfiguriert ist, ein Signal zu empfangen, das mit dem Leistungsschalter in Verbindung steht, wobei der Detektionspin einen DESAT-Detektionspin umfasst. Die Treiberschaltung kann auch eine Schutzlogik umfassen, die mit dem Detektionspin verbunden ist, wobei die Schutzlogik dazu konfiguriert ist: zu detektieren, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus befindet, wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist; als Reaktion auf das Detektieren, dass sich der Leistungsschalter in dem Entsättigungsmodus befindet, den Leistungsschalter zu deaktivieren; zu detektieren, ob die Body-Diode des Leistungsschalters Schutz bedarf, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist; und als Reaktion auf das Detektieren, dass die Body-Diode Schutz bedarf, den Leistungsschalter gemäß einem Body-Diodenschutzschema zu steuern.
In einem anderen Beispiel beschreibt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Steuern eines Leistungsschalters, der eine Body-Diode aufweist. Das Verfahren kann Zuführen von Ansteuerungssignalen von einem Ausgangspin einer Treiberschaltung zu dem Leistungsschalter zum Steuern des Ein-/Ausschaltens des Leistungsschalters; Empfangen eines Signals, das mit dem Leistungsschalter in Verbindung steht, über einen Detektionspin der Treiberschaltung, wobei der Detektionspin einen Entsättigungsdetektionspin (DESAT-Detektionspin) umfasst; Detektieren, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus befindet, wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist; als Reaktion auf das Detektieren, dass sich der Leistungsschalter in dem Entsättigungsmodus befindet, Deaktivieren des Leistungsschalters; Detektieren, ob die Body-Diode des Leistungsschalters Schutz bedarf, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist; und als Reaktion auf das Detektieren, dass die Body-Diode Schutz bedarf, Steuern des Leistungsschalters gemäß einem Body-Diodenschutzschema umfassen.
In einem anderen Beispiel beschreibt die vorliegende Offenbarung ein System, das Folgendes umfasst: einen Leistungsschalter, der einen Transistor aufweist; und eine Treiberschaltung, die dazu konfiguriert ist, den Leistungsschalter zu steuern. Die Treiberschaltung kann einen Ausgangspin, wobei die Treiberschaltung dazu konfiguriert ist, Ansteuerungssignale von dem Ausgangspin zu dem Leistungsschalter zu liefern, um das Ein-/Ausschalten des Leistungsschalters zu steuern, und einen Detektionspin, der dazu konfiguriert ist, ein Signal zu empfangen, das mit dem Leistungsschalter in Verbindung steht, umfassen, wobei der Detektionspin einen DESAT-Detektionspin umfasst. Die Treiberschaltung kann auch eine Schutzlogik umfassen, die mit dem Detektionspin verbunden ist, wobei die Schutzlogik dazu konfiguriert ist: zu detektieren, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus befindet, oder wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist; als Reaktion auf das Detektieren, dass sich der Leistungsschalter in dem Entsättigungsmodus befindet, den Leistungsschalter zu deaktivieren; zu detektieren, ob die Body-Diode des Leistungsschalters Schutz bedarf, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist; und als Reaktion auf das Detektieren, dass die Body-Diode Schutz bedarf, den Leistungsschalter gemäß einem Body-Diodenschutzschema ein- und auszuschalten.
Details dieser und weiterer Beispiele werden in den beigefügten Zeichnungen und in der nachfolgenden Beschreibung angeführt. Weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile gehen aus der Beschreibung und den Zeichnungen und aus den Ansprüchen hervor.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Systems, das eine Leistungsschalterschaltung, eine Treiberschaltung und eine Steuerung aufweist.
2 ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften Gate-Treiberschaltung, die einen Leistungstransistor steuert, der mit einer induktiven Last verbunden ist.
3 ist ein Schaubild, das ein allgemeines Phänomen zeigt, durch das die Ausgangskennlinie des IGBTs von der Temperatur abhängig ist, was die Techniken der vorliegenden Offenbarung angehen können.
4 ist ein Zeitdiagramm, das eine Änderungsratendetektionstechnik aufzeigt, die an einem Detektionspin einer Treiberschaltung durchgeführt werden kann.
5 ist ein anderes Zeitdiagramm, das eine andere Änderungsratendetektionstechnik aufzeigt, die an einem Detektionspin einer Treiberschaltung durchgeführt werden kann.
6A und 6B sind grafische Abbildungen von Strom und Spannung bei Normalbetrieb eines IGBTs.
7A und 7B sind grafische Abbildungen von Strom und Spannung während des Betriebs eines IGBTs bei Vorliegen eines resistiven Kurzschlusses.
8A und 8B sind grafische Abbildungen von Strom und Spannung während des Betriebs eines IGBTs bei Vorliegen eines induktiven Kurzschlusses, der über die Zeit zu SOA-Verletzungen führen könnte.
9 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern eines Leistungsschalters darstellt.
10 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Systems, das eine Leistungsschalterschaltung, eine Treiberschaltung und eine Steuerung aufweist.
11 ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften Gate-Treiberschaltung, die einen Leistungstransistor steuert, der mit einer induktiven Last verbunden ist.
12 ist ein Schaltschema, das eine Induktionsmaschine (z. B. einen dreiphasigen Elektromotor) zeigt, der durch einen Satz von Leistungsschaltern gesteuert wird.
13 ist ein Schaubild, das Strom über der Zeit darstellt, der durch eine Freilaufbewegung eines elektrischen Motors verursacht sein kann.
14 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern eines Leistungsschalters darstellt, das durch eine Treiberschaltung gemäß der vorliegenden Offenbarung durchgeführt werden kann.
15 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Systems, das eine Leistungsschalterschaltung, eine Treiberschaltung und eine Steuerung aufweist.

Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Offenbarung beschreibt Schaltungen und Techniken, die durch eine Treiberschaltung beim Steuern eines Leistungsschalters angewandt werden. Die Schaltungen und Techniken können Schutz vor einer Leistungsschalterfehlfunktion bereitstellen, der in den verschiedensten Schaltungsanwendungen wünschenswert sein kann, insbesondere in Umgebungen, in denen Sicherheit ein Anliegen ist. Es werden hier viele verschiedene Schaltungen und Techniken beschrieben, und diese verschiedenen Techniken können sich auf bestimmte Lösungen zum Schützen des Leistungsschalters, wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist, oder zum Schützen des Leistungsschalters, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist, beziehen.
Die Techniken der vorliegenden Offenbarung können einen bereits bestehenden Detektionspin, der mit einer Treiberschaltung in Verbindung steht, vorteilhaft einsetzen. Der Detektionspin kann zum Beispiel einen so genannten Entsättigungspin (DESAT-Pin) oder möglicherweise einen Überstromschutzpin (OCP-Pin) umfassen. DESAT-Pine können dazu verwendet werden, zu überwachen, ob ein Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus betrieben wird, der unerwünscht ist. Wenn ein Leistungsschalter im Entsättigungsmodus betrieben wird, wie durch ein Signal an dem DESAT-Pin bestimmt, kann der Leistungsschalter deaktiviert werden. OCP-Pine werden auch für Leistungsschalterüberwachung und -schutz verwendet, und in diesem Fall kann der Leistungsschalter deaktiviert werden, wenn der Leistungsschalter in einem Überstromzustand betrieben wird, wie durch ein Signal am OCP-Pin bestimmt.
Die Schaltungen und Techniken der vorliegenden Offenbarung können ein Signal an dem bereits bestehenden Detektionspin für zusätzliche Diagnose- oder Detektionszwecke verwenden, die mit dem Leistungsschalter in Verbindung stehen (z. B. zusätzlich zu DESAT-Detektion oder OCP). Zum Beispiel kann der Detektionspin gemäß der vorliegenden Offenbarung dazu verwendet werden, eine SOA-Grenze (SOA, safe operating area - sicherer Arbeitsbereich) des Leistungsschalters zu überwachen, wenn der Schalter in einem EIN-Zustand betrieben wird. In diesem Fall kann die Treiberschaltung basierend auf einer Änderungsrate eines Signals an dem Detektionspin detektieren, ob der Leistungsschalter zu einer SOA-Grenze des Leistungsschalters tendiert. Dabei kann die Treiberschaltung dazu konfiguriert sein, den Leistungsschalter als Reaktion auf das Detektieren, dass der Leistungsschalter zu der SOA-Grenze tendiert, zu deaktivieren, was dabei helfen kann, den Leistungsschalter vor einer Fehlfunktion zu schützen. In einigen Beispielen kann die SOA-Grenze als ein Satz von Strom- und Spannungsbedingungen definiert werden, unter denen erwartet werden kann, dass der Leistungsschalter ohne Selbstbeschädigung betrieben wird.
In anderen Beispielen kann eine Treiberschaltung den Detektionspin dazu verwenden, zu überwachen, ob die Body-Diode Schutz bedarf, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist. Solch ein Body-Diodenschutz des Leistungsschalters kann dazu wünschenswert sein, den Schalter vor einer Beschädigung zu schützen, die aufgrund dessen auftreten kann, dass Strom und/oder Spannung von einer induktiven Last zu dem Schalter gelangt, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist. Dementsprechend kann der Detektionspin in solchen Beispielen durch die Treiberschaltung dazu verwendet werden, zu überwachen, ob die Body-Diode des Leistungsschalters Schutz bedarf, und wenn dies der Fall ist, kann die Treiberschaltung den Leistungsschalter auf eine Weise steuern, die die Body-Diode des Leistungsschalters schützen kann, um dabei zu helfen, eine Fehlfunktion des Leistungsschalters zu vermeiden.
1 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Systems 100, das eine Leistungsschalterschaltung 104, eine Treiberschaltung 102 und eine Steuerung 106 aufweist. Die Steuerung 106 kann einen Mikroprozessor umfassen, der dazu konfiguriert ist, die Treiberschaltung 102 zu steuern. Insbesondere sendet die Steuerung 106 Befehlssignale über den Eingangspin 112 an die Treiberschaltung 102. Basierend auf diesen Befehlssignalen sendet die Treiberschaltung 102 Ein /Aus-Signale (z. B. Gate-Steuersignale) zu der Leistungsschalterschaltung 104, um den Leistungsschalter ein- oder auszuschalten
Die Treiberschaltung 102 kann die Leistungsschalterschaltung 104 über Modulationssignale am Ausgangspin 114 steuern, die das Ein-/Ausschalten eines Transistors in der Leistungsschalterschaltung 104 steuern können. Die Modulationssignale können zum Beispiel Pulsweitenmodulations(PWM)-Signale, Pulsfrequenzmodulations(PFM)-Signale, Pulsdauermodulationssignale, Pulsdichtemodulationssignale oder eine andere Art von Modulationssteuersignal, das zum Steuern eines Leistungstransistors verwendet wird, umfassen. Bei Normalbetrieb können die Signale von der Treiberschaltung 102 über den Ausgangspin 114 an das Gate (oder einen anderen Steueranschluss) eines Leistungsschalters innerhalb der Leistungsschalterschaltung 104 angelegt werden, um das Ein-/Ausschalten des Leistungsschalters zu steuern und dadurch die durchschnittliche Leistungsmenge, die einer Last (in 1 nicht gezeigt) durch den Leistungsschalter zugeführt wird, zu steuern. Im allgemeinsten Sinne kann die Treiberschaltung 102 jegliche Art von Treiber für jegliche Art von Leistungsschalter umfassen, z. B. einen High-Side-Schalter-Treiber, einen Low-Side-Schalter-Treiber, einen Treiber innerhalb eines Sperrleistungswandlers oder einen beliebigen Treiber, der in einer beliebigen Schaltungsanordnung, die das Ein-/Ausschalten eines oder mehrerer Leistungsschalter steuert, verwendet wird.
Die Leistungsschalterschaltung 104 kann einen Leistungstransistor umfassen. In dem Beispiel von 1 kann der Leistungstransistor in der Leistungsschalterschaltung 104 einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) oder einen MOSFET umfassen. Der MOSFET kann aus Silicium gebildet sein, in welchem Fall der MOSFET dann als Silicium-MOSFET bezeichnet werden kann. Alternativ kann der MOSFET aus einem anderen Halbleitermaterial wie beispielsweise Siliciumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) gebildet sein, in welchem Fall der MOSFET dann als SiC-MOSFET oder GaN-MOSFET bezeichnet werden kann.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung weist die Treiberschaltung 102 eine Schutzlogik 10 auf, die mit dem Detektionspin 116 verbunden ist. Der Detektionspin 116 kann einen so genannten DESAT-Pin oder einen OCP-Pin umfassen. Die DESAT/OCP-Logik 12 bezieht sich auf eine Logik, die dazu konfiguriert ist, zu bestimmen, ob ein Leistungsschalter innerhalb einer Leistungsschalterschaltung 104 in einem Entsättigungsmodus oder einem Überstromzustand (z. B. typischerweise dem einen oder dem anderen) betrieben wird. Die DESAT/OCP-Logik 12 kann dazu konfiguriert sein, als Reaktion auf das Detektieren, dass der Leistungsschalter innerhalb der Leistungsschalterschaltung 104 im Entsättigungsmodus oder im Überstromzustand betrieben wird, den Leistungsschalter zu deaktivieren. In dem Beispiel einer Entsättigung kann die Logik 12 zum Detektieren, ob sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, dazu konfiguriert sein, eine Signalgröße des Signals am Detektionspin 116 mit einem Entsättigungsschwellenwert zu vergleichen, wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist. Das am Detektionspin 116 detektierte Signal kann zum Beispiel ein Maß des Spannungsabfalls über den Leistungsschalter innerhalb der Leistungsschalterschaltung 104 umfassen. In einigen Fällen kann dieser Spannungsabfall über den Leistungsschalter innerhalb der Leistungsschalterschaltung 104 als eine „Vce“-Spannung bezeichnet werden, die typischerweise eine Spannung zwischen einem Kollektor und einem Emitter eines IGBTs anzeigt.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung können zusätzlich zu dem Überprüfen auf DESAT oder OCP eine oder mehrere zusätzliche Überprüfungen durch die Schutzlogik 10 basierend auf dem Signal oder den Signalen, das bzw. die am Detektionspin 116 empfangen wird bzw. werden, durchgeführt werden. Insbesondere beinhaltet die Schutzlogik 10 eine SOA-Vorhersagelogik 14. Die SOA-Vorhersagelogik 14 kann dazu konfiguriert sein, basierend auf einer Änderungsrate des Signals am Detektionspin 116 zu detektieren, ob der Leistungsschalter zu einer SOA-Grenze des Leistungsschalters tendiert. Des Weiteren kann die SOA-Vorhersagelogik 14 dazu konfiguriert sein, als Reaktion auf das Detektieren, dass der Leistungsschalter zu der SOA-Grenze tendiert, den Leistungsschalter innerhalb der Leistungsschalterschaltungsanordnung 104 zu deaktivieren. Die Änderungsrate des Signals am Detektionspin 116 kann zum Beispiel mit einer erwarteten Rate verglichen werden. Wenn die Rate zu hoch ist, kann dies einen Trend zu einer SOA-Grenze anzeigen, der eine Beschädigung verursachen kann. Die SOA-Vorhersagelogik 14 kann dazu konfiguriert sein, wenn die Änderungsrate des Signals am Detektionspin 116 zu hoch ist, den Leistungsschalter innerhalb der Leistungsschalterschaltungsanordnung 104 zu deaktivieren. Die erwartete Rate kann innerhalb der SOA-Vorhersagelogik 14 für einen gegebenen Typ von Leistungsschalterschaltungsanordnung vordefiniert sein. Die erwartete Rate könnte auch ein programmierbarer Parameter sein, der durch einen Benutzer/Kunden durch Ändern des Parameters in einem nichtflüchtigen Speicher eingestellt werden kann. Durch Deaktivieren des Leistungsschalters als Reaktion darauf, dass die Änderungsrate des Signals am Detektionspin 116 zu hoch ist, können die Techniken dabei helfen, einen anschließenden Schaltzyklus zu vermeiden, der wahrscheinlich den Leistungsschalter beschädigen könnte.
Zum Detektieren, ob der Leistungsschalter zu der SOA-Grenze tendiert, kann die SOA-Vorhersagelogik 14 in einigen Beispielen dazu konfiguriert sein, die Änderungsrate des Signals basierend auf zwei oder mehr Messungen einer Akkumulation des Signals zu bestimmen. Das Signal am Detektionspin 116 kann einen Spannungsabfall über den Leistungsschalter anzeigen, und die zwei oder mehr Messungen der Akkumulation des Signals können dazu verwendet werden, eine Steigung der Akkumulation über eine Zeitdauer zu definieren, die die Änderungsrate des Signals anzeigt. Mit anderen Worten können zwei oder mehr Messungen und die Zeit zwischen solchen Messungen dazu verwendet werden, die die Änderungsrate des Signals am Detektionspin 116 definierende Steigung zu definieren.
Die SOA-Grenze des Leistungsschalters kann temperaturabhängig sein. Dementsprechend kann die SOA-Vorhersagelogik 14 in einigen Fällen dazu konfiguriert sein, basierend auf der Änderungsrate des Signals am Detektionspin 116 und basierend auf einer Temperatur, die mit dem Leistungsschalter in Verbindung steht, zu detektieren, ob der Leistungsschalter zu der SOA-Grenze des Leistungsschalters tendiert. In diesem Fall kann die Temperatur des Leistungsschalters innen oder lokal gemessen werden oder möglicherweise basierend auf einem bzw. einer oder mehreren Parametern oder Messungen abgeleitet werden. Verschiedene Änderungsraten des Signals am Detektionspin 116 können zum Beispiel in Abhängigkeit von der Temperatur, bei der der Leistungsschalter betrieben wird, zulässig oder unzulässig sein.
Bei Einschalten eines Leistungsschalters kann in einigen Fällen die SOA-Vorhersagelogik 14 dazu konfiguriert sein, vor Durchführen von Messungen oder Bestimmungen bis nach einer kurzen „Austast“-Zeit zu warten. Zum Beispiel kann sich die kurze „Austast“-Zeit auf eine Zeitdauer beziehen, die für den Leistungsschalter erforderlich ist, um einen stationären Zustand zu erreichen. Während Übergängen von Ein- oder Aus-Zuständen kann der Leistungstransistor kurze Spannungs- oder Stromspitzen erfahren, aber hierbei handelt es sich um Spitzen kurzer Dauer, die in der Regel keine Probleme verursachen. Dementsprechend kann zum Erreichen wünschenswerter Bestimmungen die Änderungsrate des Signals am Detektionspin 116 durch die SOA-Vorhersagelogik 14 über eine Zeitdauer bestimmt werden, wobei bei Einschalten des Leistungsschalters die Zeitdauer nach einer Austastzeit, oder nachdem Strom durch den Leistungsschalter einen Stromschwellenwert erreicht hat, beginnt. Auf diese Weise können durch Verzögern der Akkumulationsmessungen bis nach der Austastzeit, oder bis Strom durch den Leistungsschalter einen Stromschwellenwert erreicht hat, wünschenswertere Messungen und Bestimmungen durch die SOA-Vorhersagelogik 14 durchgeführt werden.
In einigen Beispielen kann die Änderungsrate des Signals am Detektionspin 116 eine Slew-Rate anzeigen, die mit dem Leistungsschalter in Verbindung steht. In einigen Beispielen kann die SOA-Vorhersagelogik 14 dazu konfiguriert sein, die Slew-Rate basierend auf einem Zeitraum zwischen einer Akkumulation des Signals, die einen ersten Schwellenwert erreicht, und der Akkumulation des Signals, die einen zweiten Schwellenwert erreicht, zu bestimmen. Wie bei dem anderen Beispiel kann der Zeitraum bei Einschalten des Leistungsschalters nach Abwarten einer Austastzeit (z. B. einer vordefinierten Zeitdauer), oder wenn Strom durch den Leistungsschalter einen Stromschwellenwert erreicht hat (z. B. eine Zeitdauer, die dem Zeitraum entspricht, den der Strom durch den Leistungsschalter benötigt, um nach dem Einschalten einem vordefinierten Stromschwellenwert zu erreichen), definiert werden.
Leistungsschalter, insbesondere IGBT- und SiC-Leistungsmodule, können dazu verwendet werden, Ströme im Bereich von mehreren Hundert Ampere zu schalten. Schutz solcher Module kann Folgendes beinhalten:

a) DESAT - Entsättigungsschutz. DESAT kann sich auf die Überwachung von Vce über ein IGBT/SiC-Leistungsmodul beziehen. Falls Spannung zu groß wird, wenn Strom zu groß wird, wird das Leistungsmodul abgeschaltet.
b) OCP - Überstromschutz. OCP kann sich auf die Überwachung der Spannung an einem eigens vorgesehenen Leistungsmodulpin beziehen. Einige Leistungsmodule stellen reduzierte Strominformationen am eigens vorgesehenen OCP-Pin bereit.

Diese Schutze können definierte Schwellenwerte aufweisen, die manchmal bei Einschalten programmierbar sind. Wenn der Schwellenwert erreicht ist, wird in einigen Fällen ein Abschalten des Leistungsmoduls eingeleitet. Auf diese Weise können destruktive Ströme detektiert und im Leistungsschalter verhindert werden.
Selbst mit DESAT- oder OCP-Schutz kann es jedoch Probleme bei dem Betrieb von Leistungsschaltern geben. Es kann selbst unter solchen destruktiven Strömen oder Schwellenwerten, die durch DESAT- oder OCP-Überwachung untersucht werden, zu einer Beschädigung des Leistungsschalters kommen, wie zum Beispiel, wenn der Leistungsschalter über eine lange Zeitdauer in Hochstromsituationen betrieben wird. Wenn ein Leistungsschalter in einen hochinduktiven Kurzschluss geschaltet wird, kann es eine Situation geben, in der Strom ständig ansteigt, aber nicht den Überstrom- oder Entsättigungsschutzschwellenwert erreicht. In diesem Fall kann das nächste Ausschalten hohe Spannungen (aufgrund von Induktivität) in Verbindung mit (noch) hohen Strömen verursachen. Diese unerwünschte Situation kann zu SOA-/RBSOA-Verletzungen führen, die den Leistungsschalter beeinträchtigen oder zerstören können. RBSOA bezieht sich auf „reverse bias safe operating area“ (sicherer Rückwärtsarbeitsbereich). In einigen Fällen sind Leistungsmodule „überdimensioniert“, um dabei zu helfen, zu gewährleisten, dass Schlimmstfall-SOA-/RBSOA-Verletzungen von dem Leistungsschalter bewältigt werden können, aber dies erhöht die Kosten der Leistungsleiterproduktion.
In einigen Beispielen können die Techniken dieser Offenbarung die Verwendung von kostengünstigeren (qualitätsärmeren) Leistungsschaltern in einer oder mehreren Umgebungen, in denen Leistungsschalter zuvor überdimensioniert wurden, gestatten, z. B. durch Gewährleisten, dass SOA-/RBSOA-Verletzungen vorhergesagt und vermieden werden. Dies kann auch dabei helfen, die Ausbeute bei der Schaltungsfertigung durch Senken der Qualitätsschwelle, die für eine gegebene Charge von Leistungsschaltern in dem Schaltungsfertigungsprozess erforderlich ist, zu verbessern. Statt Überdimensionierung von Leistungsschaltern zum Bewältigen von Schlimmstfall-Szenarien können die Techniken der vorliegenden Offenbarung dabei helfen, solche Schlimmstfall-Szenarien durch Überwachen und Schützen des SOA des Leistungsmoduls in unseren IGBT-/SiC-Gate-Treibern zu vermeiden. Und durch Durchführen solch eines Überwachens und Schützens über einen bereits bestehenden Pin (z. B. DESAT oder OCP) können Kosten bei einer Implementierung, die hochkompatibel mit bestehenden Systemen ist, reduziert werden.
2 ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften Treiberschaltung 20, die einen Leistungstransistor 210 steuert, der mit einer induktiven Last 250 verbunden ist, die eine Motorwicklung oder eine andere elektrische Spule, die eine Induktivität bildet, umfassen kann. In diesem Beispiel kann der Leistungstransistor 210 einen IGBT umfassen. In anderen Beispielen kann der Leistungstransistor 210 jedoch einen MOSFET umfassen, der eine Body-Diode aufweist (in 2 nicht gezeigt). Im Falle eines MOSFETs kann zum Beispiel eine Body-Diode einen parasitären pn-Übergang umfassen, der bei der Herstellung des MOSFETs gebildet wird. In beiden Fällen kann der Treiber 20 über den Eingangspin 22, der mit einem Mikroprozessor verbunden sein kann, Ein/Aus-Befehlssignale empfangen. Basierend auf diesen Ein/Aus-Befehlssignalen sendet die Treiberschaltung 20 über den Ausgangspin 24 Ein/Aus-Signale an das Gate des Leistungstransistors 210. Ein oder mehrere Verstärker 202 können basierend auf den am Eingangspin 22 empfangenen Ein/Aus-Befehlssignalen die Gate-Ansteuerungssignale erzeugen. Die Gate-Ansteuerungssignale können zum Beispiel PWM-Signale, PFM-Signale, Pulsdauermodulationssignale, Pulsdichtemodulationssignale oder eine andere Art von Modulationssteuersignal, das zum Steuern des Leistungstransistors 210 verwendet wird, umfassen. Bei Normalbetrieb werden die Signale von der Treiberschaltung 20 über den Ausgangspin 24 an das Gate (oder einen anderen Steueranschluss) des Leistungstransistors 210 angelegt, um das Ein-/Ausschalten des Leistungstransistors 210 zu steuern und dadurch die durch den Leistungsschalter zu der Last 250 gelieferte durchschnittliche Leistungsmenge zu steuern. In 2 ist auch ein Massepin 26 dargestellt.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung weist die Treiberschaltung 20 eine Logik 25 auf, die mit einem DESAT-Pin 28 verbunden ist. Obgleich getrennt dargestellt, kann die Logik 25 Komparatoren 204 und 206 sowie einen Widerstand 208 zwischen einer Bezugs-Vcc-Spannung und dem DESAT-Pin 28 aufweisen. Außerhalb der Treiberschaltung 20 kann der DESAT-Pin 28 mit einem Widerstand 222 verbunden sein. Der Widerstand 222 ist mit einer Diode 220 verbunden, und die Diode 220 ist mit dem Laststrompfad zwischen der Last 250 und dem Leistungstransistor 210 verbunden. Anders ausgedrückt, der Widerstand 222 und die Diode 220 sind zwischen dem DESAT-Pin 28 und einem Knoten positioniert, der sich zwischen dem Leistungstransistor 210 und der induktiven Last 250 befindet. Diese Anordnung gestattet der Treiberschaltung 20, den DESAT-Pin 28 und die externe Diode 220 zum Überwachen einer Spannung über den Leistungstransistor 210 zu verwenden, der im Falle eines IGBTs eine Kollektor-Emitter-Spannung (z. B. („Vce“) umfassen kann.
Die externe Diode 220 kann eine Spannungsentkopplungsvorrichtung für die Treiberschaltung 20 umfassen. Insbesondere entkoppelt die externe Diode 220 den mit dem Laststrompfad des Leistungstransistors 210 verbundenen Hochspannungsbereich von dem Niederspannungsbereich der Treiberschaltung 20. Die Treiberschaltung 20 kann zum Beispiel mit weniger als 50 oder 60 V betrieben werden, während der Laststrompfad des Leistungstransistors 210 Spannungen von über 1000 Volt widerstehen kann.
Die Treiberschaltung 20 kann dazu konfiguriert sein, wenn der Leistungstransistor 210 eingeschaltet ist, den Leistungstransistor 210 als Reaktion auf das Detektieren, dass der Leistungstransistor 210 in einem Entsättigungsmodus betrieben wird, zu deaktivieren. Zum Beispiel kann der Komparator 204 dazu konfiguriert sein, einen Signalwert des Signals am DESAT-Pin 28 mit einem Entsättigungsschwellenwert zu vergleichen, wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist. Das am DESAT-Pin 28 detektierte Signal kann wieder ein Maß des Spannungsabfalls über den Leistungstransistor 210 umfassen. Wenn das am DESAT-Pin 28 detektierte Signal den DESAT-Schwellenwert übersteigt, dann kann die Logik 25 bewirken, dass die Treiberschaltung 20 Ausgangssignale über den Ausgangspin 24 sendet, die den Leistungstransistor 210 deaktivieren. Als nicht einschränkendes Beispiel kann der DESAT-Schwellenwert ungefähr 9 Volt betragen, obgleich verschiedene Transistoren höhere oder niedrigere DESAT-Schwellenwerte definieren können.
Zusätzlich zu dem Überprüfen auf Entsättigung des Leistungstransistors 210 kann die Treiberschaltung 20 gemäß der vorliegenden Offenbarung ferner dazu konfiguriert sein, eine oder mehrere zusätzliche Überprüfungen basierend auf dem Signal oder den Signalen, das bzw. die am DESAT-Pin 28 empfangen wird bzw. werden, durchzuführen. Insbesondere weist die Treiberschaltung 20 einen zusätzlichen Komparator 206 und eine zusätzliche Logik innerhalb der Logik 25 auf, die dazu konfiguriert sind, basierend auf einer Änderungsrate des Signals am DESAT-Pin 28 zu detektieren, ob der Leistungstransistor 210 zu einer SOA-Grenze tendiert. Obgleich getrennt dargestellt, kann der Komparator 206 als Teil der Logik 25 innerhalb der Treiberschaltung 20 betrachtet werden.
Die Treiberschaltung 20 kann dazu konfiguriert sein, als Reaktion auf das Detektieren, dass der Leistungstransistor zu seiner SOA-Grenze tendiert, den Leistungstransistor 210 zu deaktivieren. Zum Beispiel kann die Treiberschaltung 20 dazu konfiguriert sein, eine Änderungsrate des Signals am DESAT-Pin 28 zu detektieren, und diese Änderungsrate kann mit einer erwarteten Rate verglichen werden. Wenn die Rate zu hoch ist, kann dies auf einen Trend zu einer SOA-Grenze hindeuten, was eine Beschädigung, wie beispielsweise in einem zukünftigen Schaltzyklus, verursachen kann. Wenn die Änderungsrate des Signals am DESAT-Pin 28 zu hoch ist, dann kann die Treiberschaltung 20 dazu konfiguriert sein, den Leistungstransistor 210 zu deaktivieren. Die erwartete Rate kann innerhalb der Logik 25 für einen gegebenen Typ von Leistungsschalterschaltung vordefiniert sein. Die erwartete Rate könnte auch ein programmierbarer Parameter sein, der durch einen Benutzer/Kunden durch Ändern des Parameters in einem nichtflüchtigen Speicher eingestellt werden kann. Die Logik 25 kann eine Akkumulation über die Zeit, z. B. im Bereich von 1 - 2 Volt, überwachen, um die Änderungsrate der Spannung am DESAT-Pin 28 zu überwachen. Der Komparator 206 kann mit einem oder mehreren SOA-Schwellenwerten programmiert sein, um diese Änderungsrate zu bestimmen, die eine Slew-Rate des Leistungstransistors 210 definieren kann. Die SOA-Logik 20 kann einen Zähler aufweisen, um die Spannungsakkumulation (z. B. die Änderung der Spannung) über die Zeit zu messen oder den Zeitraum zu messen, den die Spannung braucht, um auf eine bestimmte Höhe (wie zum Beispiel zwei Volt) zu akkumulieren, oder um den Zeitraum zu messen, den die Spannung braucht, um von einer Höhe (wie zum Beispiel ein Volt) auf eine andere Höhe (wie zum Beispiel zwei Volt) zu akkumulieren. In anderen Beispielen kann die Logik 25 zum Detektieren, ob der Leistungstransistor 210 zu der SOA-Grenze tendiert, dazu konfiguriert sein, basierend auf zwei oder mehr Messungen einer Akkumulation des Signals über die Zeit (z. B. zwei Messungen der Spannung am DESAT-Pin 28 und eines Zeitraums zwischen solchen Messungen) die Änderungsrate des Signals am DESAT-Pin 28 zu bestimmen. Auf diese und andere Weisen kann die Treiberschaltung 20 die Änderungsrate des Signals am DESAT-Pin 28 messen. In jedem Fall kann die Treiberschaltung 20, wenn die Logik 25 bestimmt, dass die Änderungsrate des Signals am DESAT-Pin 28 eine zulässige Änderungsrate übersteigt, Signale über den Ausgangspin 24 zum Deaktivieren des Leistungstransistors 210 senden, wodurch der Leistungstransistor 210 davor geschützt werden kann, jemals die Grenzen seines SOA zu erreichen.
In einigen Fällen kann die SOA-Grenze des Leistungsschalters temperaturabhängig sein. 3 ist ein Schaubild, das ein allgemeines Phänomen zeigt, durch das die Ausgangskennlinie eines IGBTs von der Temperatur abhängig ist. Wie in 3 zu sehen ist, ist Vce vs. einen Kollektorstrom aufgetragen, aber diese Abbildung folgt einer Transferkurve eines IGBTs, die bei verschiedenen Temperaturen verschieden ist. Bei 1,6 Volt definiert die Transferkurve des IGBTs zum Beispiel 1000 Ampere bei 170 Grad C, aber bei 1,6 Volt definiert die Transferkurve des IGBTs ungefähr 1500 Ampere bei 25 Grad C. In einigen Beispielen können die Techniken der vorliegenden Offenbarung den temperaturabhängigen Betrieb des Leistungstransistors 210 erkennen und berücksichtigen. Mit anderen Worten können verschiedene Änderungsraten des am DESAT-Pin 28 detektierten Signals in Abhängigkeit von der mit dem Leistungstransistor 210 verbundenen Temperatur zulässig oder unzulässig sein. Dementsprechend kann die Logik 25 in einigen Fällen dazu konfiguriert sein, basierend auf der Änderungsrate des Signals am DESAT-Pin 28 und basierend auf einer mit dem Leistungstransistor 210 verbundenen Temperatur zu detektieren, ob der Leistungsschalter zu der SOA-Grenze des Leistungsschalters tendiert. In diesem Fall kann die mit dem Leistungstransistor 210 verbundene Temperatur innen oder lokal gemessen oder basierend auf einem bzw. einer oder mehreren Parametern oder Messungen möglicherweise abgeleitet werden.
Bei Einschalten eines Leistungsschalters kann in einigen Fällen die Logik 25 für SOA-Überwachung dazu konfiguriert sein, vor Durchführen von Messungen oder Bestimmungen der Änderungsrate des Signals am DESAT-Pin 28 bis nach einer kurzen „Austast“-Zeit oder Zeitdauer, bis Strom durch den Leistungsschalter einen Stromschwellenwert erreicht hat, zu warten. Zum Beispiel kann sich die kurze „Austast“-Zeit auf eine Zeitdauer beziehen, die für den Leistungsschalter erforderlich ist, um einen stationären Zustand zu erreichen, der durch eine vordefinierte Zeitdauer oder durch einen Zeitraum, den der Leistungstransistor 210 braucht, um eine vordefinierte Stromflusshöhe zu erreichen, definiert sein kann. Während Übergängen von Ein- oder Aus-Zuständen kann der Leistungstransistor 210 kurze Spannungs- oder Stromspitzen erfahren, aber hierbei handelt es sich um Spitzen kurzer Dauer, die in der Regel keine Probleme verursachen. Dementsprechend kann zum Erreichen wünschenswerter Bestimmungen die Änderungsrate des Signals am DESAT-Pin 28 durch die Logik 25 über eine Zeitdauer bestimmt werden, wobei bei Einschalten des Leistungsschalters die Zeitdauer nach einer Austastzeit, oder nachdem Strom durch den Leistungsschalter 210 einen Stromschwellenwert erreicht hat, beginnt. Auf diese Weise können durch Verzögern der Akkumulationsmessungen bis nach der Austastzeit, oder bis Strom durch den Leistungstransistor 210 einen Stromschwellenwert erreicht hat, wünschenswertere Messungen und Bestimmungen durch die Logik 25 vorgenommen werden.
In einigen Beispielen kann die Änderungsrate des Signals am DESAT-Pin 28 eine Slew-Rate anzeigen, die mit dem Leistungsschalter in Verbindung steht. In einigen Beispielen kann die Logik 25 dazu konfiguriert sein, die Slew-Rate basierend auf einem Zeitraum zwischen einer Akkumulation des Signals, die einen ersten Schwellenwert erreicht, und der Akkumulation des Signals, die einen zweiten Schwellenwert erreicht, zu bestimmen. Wie bei dem anderen Beispiel kann der Zeitraum bei Einschalten des Leistungsschalters nach Abwarten einer Austastzeit, oder wenn Strom durch den Leistungstransistor 210 einen Stromschwellenwert erreicht hat, definiert werden.
Allgemeiner kann die Temperaturabhängigkeit der SOA-Messungen auf verschiedenste Weisen kompensiert werden. In einigen Fällen kann die Temperaturabhängigkeit durch Messen der anfänglichen DESAT-Spannung am DESAT-Pin 28, wenn der Leistungstransistor 210 einschaltet, und Verwenden dieser anfänglichen Temperatur als Bezugspunkt angegangen werden. In einigen Fällen kann die Temperaturabhängigkeit durch Einstellen von Schwellenwerten gemäß einem oder mehreren Temperaturelementen (z. B. temperaturabhängige Dioden oder temperaturabhängige Widerstände) innerhalb eines Leistungsmoduls angegangen werden. Die Gate-Spannung des Leistungsmoduls kann auch zum Einstellen seiner Grenze berücksichtigt werden, da der Spannungsabfall über einen Leistungstransistor für eine definierte Stromhöhe als Funktion der zugeführten Gate-Spannung skalieren kann.
4 ist ein Zeitdiagramm, das eine Änderungsratendetektionstechnik aufzeigt, die an einem Detektionspin einer Treiberschaltung durchgeführt werden kann. In diesem Beispiel kann ein Schwellenwert 40 einen Ampereschwellenwert für Strom durch den Leistungsschalter umfassen, und der Schwellenwert 40 kann in der Treiberlogik gespeichert sein. Die Logik kann dazu konfiguriert sein, die Dauer des DESAT-Spannungssignals über dem Schwellenwert 40 zu messen. In dem Beispiel von 4 kann der Schwellenwert 40 800 Ampere entsprechen, obgleich andere Werte für verschiedene Leistungsschalter definiert sein könnten. Mit dem Beispiel von 4 kann der Leistungsschalter deaktiviert werden, wenn die Einschaltzeit über dem Stromschwellenwert 40 t_limit übersteigt.
5 ist ein anderes Zeitdiagramm, das eine andere Änderungsratendetektionstechnik an einem Detektionspin einer Treiberschaltung aufzeigt. In diesem Beispiel kann die Treiberlogik einer Treiberschaltung die Zeit zwischen der einen ersten Schwellenwert 50 erreichenden und einen zweiten Schwellenwert 51 erreichenden Spannung an einem Detektionspin messen. Mit zwei Spannungsmessungen und einer Zeit zwischen solchen Messungen kann die Logik die Slew-Rate (Tslew) bestimmen. In einigen Fällen kann der zweite Schwellenwert 51 eine Delta-Spannung (z. B. eine Änderung) bezüglich des ersten Schwellenwertes 50 umfassen. In einigen Fällen (wie in 5 gezeigt) kann der erste Schwellenwert als Stromhöhe definiert sein (z. B. 800 Ampere, was wiederum das Zeitfenster, das der Leistungsschalter braucht, um 800 Ampere Stromfluss zu erreichen definiert). In anderen Beispielen könnte der erste Schwellenwert jedoch als eine vordefinierte Austastzeit (z. B. eine Zeitdauer) definiert sein, in welchem Fall die Stromhöhe nach der vordefinierten Austastzeit die erste Messung zum Bestimmen von Tslew festlegt.
6A und 6B sind grafische Abbildungen von Strom und Spannung bei Normalbetrieb eines IGBTs. Wie in 6A gezeigt ist, zeigen Kurven 61 die Stromhöhe des IGBTs, der in einem gesättigten Bereich (keinem linearen Bereich) arbeitet. Wie in 6B gezeigt ist, zeigt Kurve 62 einen Spannungsabfall über den IGBT (Vce) während solch eines Normalbetriebs.
7A und 7B sind grafische Abbildungen von Strom und Spannung während des Betriebs eines IGBTs bei Vorliegen eines resistiven Kurzschlusses. Dementsprechend zeigen 7A und 7B die Funktionsweise von DESAT-Überwachung auf, die der vorliegenden Offenbarung entspricht. Wie in 7A gezeigt ist, zeigt die Kurve 71 die Stromhöhe des IGBTs mit einem sofortigen Sprung, weil der IGBT in einem entsättigten (linearen) Bereich arbeitet und völlig überlastet ist, auf. Wie in 7B gezeigt ist, zeigt die Kurve 72 einen Spannungsabfall über den IGBT (Vce) während des Betriebs mit einem resistiven Kurzschluss. In diesem Fall steigt die DESAT-Spannung schnell an. Bei Erreichen eines DESAT-Schwellenwerts unter diesen Bedingungen (z. B. 9 Volt) kann der Leistungsschalter deaktiviert werden, um eine Beschädigung/Zerstörung des Leistungsschalters zu vermeiden.
8A und 8B sind grafische Abbildungen von Strom und Spannung während des Betriebs eines IGBTs bei Vorliegen eines induktiven Kurzschlusses (z. B. eines induktiven Kurzschlusses in der Last), der über die Zeit zu SOA-Verletzungen führen könnte. Dementsprechend zeigen 8A und 8B die Funktionsweise von SOA-Überwachung auf, die mit DESAT-Überwachung kombiniert werden kann (wie beispielsweise hier beschrieben und in 7A und 7B gezeigt). Wie in 8A gezeigt ist, zeigt Kurve 81 die Stromhöhe des IGBTs mit einem konstanten Anstieg der Stromrate, der durch Induktivität begrenzt ist. In diesem Fall kann der IGBT in seinen linearen Betriebsbereich eintreten. Wie in 8B gezeigt ist, zeigt Kurve 82 einen Spannungsabfall über den IGBT (Vce) während des Betriebs bei Vorliegen eines induktiven Kurzschlusses. In diesem Fall steigt die DESAT-Spannung mit einer linearen Änderungsrate über die Zeit an. Bei Identifizierung einer SOA-Grenzverletzung kann der Leistungsschalter deaktiviert werden, um eine Beschädigung/Zerstörung des Leistungsschalters zu vermeiden. Wie hier beschrieben ist, kann die SOA-Grenze wieder basierend auf einer Änderungsrate der Spannungshöhe am DESAT-Pin (oder einem anderen Detektionspin) definiert und bestimmt werden. Die Änderungsrate kann auf verschiedenste Weisen, wie oben angeführt, bestimmt werden.
9 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern eines Leistungsschalters darstellt, das durch eine Treiberschaltung gemäß der vorliegenden Offenbarung durchgeführt werden kann. 9 wird aus der Perspektive der in 1 gezeigten Treiberschaltung 102 beschrieben, obgleich das Verfahren auf verschiedenste andere Treiberschaltungen angewandt werden könnte. Wie in 9 gezeigt ist, führt die Treiberschaltung 102 einem Leistungsschalter innerhalb der Leistungsschalterschaltung 104 Ansteuerungssignale von dem Ausgangspin 114 zu, um das Ein-/Ausschalten des Leistungsschalters zu steuern (901). Die Treiberschaltung 102 empfängt über einen Detektionspin 116 ein mit dem Leistungsschalter verbundenes Signal (902). Zum Beispiel kann der Detektionspin 116 einen bereits bestehenden DESAT-Detektionspin oder einen bereits bestehenden OCP-Pin umfassen. Basierend auf dem Signal am Detektionspin 116 detektiert die Treiberschaltung 102, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus oder einem Überstromzustand befindet (903). Wenn sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus oder Überstromzustand befindet (Ja-Zweig von 903), deaktiviert die Treiberschaltung 102 den Leistungsschalter (905). Selbst wenn sich der Leistungsschalter NICHT in einem Entsättigungsmodus oder Überstromzustand befindet (Nein-Zweig von 903), führt die Treiberschaltung 102 zusätzliche Überprüfungen hinsichtlich des SOA durch. Insbesondere detektiert die Treiberschaltung 102, ob der Leistungsschalter zu einer SOA-Grenze des Leistungsschalters tendiert (904). Wenn der Leistungsschalter zu der SOA-Grenze des Leistungsschalters tendiert (Ja-Zweig von 904), deaktiviert die Treiberschaltung 102 den Leistungsschalter (906).
Wie oben erläutert wurde, kann der Detektionspin einen bereits bestehenden DESAT-Detektionspin umfassen, in welchem Fall das Detektieren, ob sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet (903) Vergleichen eines Signalwerts des Signals am DESAT-Detektionspin mit einem Entsättigungsschwellenwert bei eingeschaltetem Leistungsschalter beinhalten kann.
Des Weiteren kann, wie oben beschrieben, das Detektieren, ob der Leistungsschalter zu der SOA-Grenze tendiert (904), Bestimmen einer Änderungsrate des Signals am DESAT-Detektionspin basierend auf zwei oder mehr Messungen einer Akkumulation des Signals umfassen, wobei das Signal einen Spannungsabfall über den Leistungsschalter angibt, und die zwei oder mehr Messungen der Akkumulation des Signals eine Steigung der Akkumulation über eine Zeitdauer, die die Änderungsrate des Signals angibt, definieren. Zum Beispiel können zwei Spannungsmessungen und die Zeit zwischen ihnen dazu verwendet werden, die zwei oder mehr Messungen der Akkumulation des Signals zu definieren. Schließlich können zwei oder mehr Messungen einer Akkumulation des Signals eine Steigung oder eine Slew-Rate, die mit der Spannung über den Leistungsschalter verbunden ist, definieren, die als zulässig oder als eine Deaktivierung des Schalters aufgrund der Wahrscheinlichkeit einer zukünftigen SOA-Verletzung erfordernd identifiziert werden kann.
Wie angemerkt, kann die Treiberschaltung 102 in einigen Fällen Temperatur im Leistungsschalter berücksichtigen, z. B. basierend auf der Änderungsrate des Signals und basierend auf einer mit dem Leistungsschalter verbundenen Temperatur detektieren, ob der Leistungsschalter zu der SOA-Grenze des Leistungsschalters tendiert. In einigen Fällen wird die Änderungsrate des Signals am Detektionspin 116 über eine Zeitdauer bestimmt, wobei bei Einschalten des Leistungsschalters die Zeitdauer nach einer Austastzeit, oder nachdem Strom durch den Leistungsschalter einen Stromschwellenwert erreicht hat, beginnt. Die Treiberschaltung 102 kann dazu konfiguriert sein, die Änderungsrate nach der Austastzeit, oder nachdem Strom durch den Leistungsschalter einen Stromschwellenwert erreicht hat, zu bestimmen, wodurch der Treiberschaltung 102 gestattet wird, Spannungs- oder Stromspitzen zu ignorieren, die zu Beginn eines Schaltzyklus beim Einschalten des Leistungstransistors typisch sind.
Als zusätzliche Alternativen zu den oben beschriebenen Techniken und Schaltungen könnten in einigen Beispielen die SOA-Schutztechniken der vorliegenden Offenbarung an einem getrennten Pin der Treiberschaltung (z. B. von dem DESAT- oder OCP-Pin getrennt) implementiert werden. Es könnte auch ein Analog-Digital-Wandler (oder eine andere Schaltungsanordnung) zum Messen der DESAT-Spannung am DESAT-Pin verwendet werden. In noch weiteren Beispielen könnte eine RC-Schaltung durch die Treiberschaltung verwendet werden, um die Spannung am DESAT-Pin zu integrieren, und diese Integration könnte dazu verwendet werden, zu bestimmen, ob der Leistungsschalter zu der SOA-Grenze tendiert. Die Treiberschaltung könnte auch eine Schnellstromdetektion, z. B. über das magnetische Prinzip (Hall) oder indirekte Stromprinzip (Shunt), verwenden, um die Stromhöhe durch den Leistungsschalter zu überwachen.
Die obige Besprechung der 1 - 9 umfasst allgemein eine Besprechung einer prädiktiven Überwachung eines SOA über einen bereits bestehenden Detektionspin, der auch aus anderen Gründen verwendet wird, z. B. DESAT oder OCP. Die beschriebene SOA-Überwachung wird in der Regel durchgeführt, wenn ein Leistungstransistor eingeschaltet ist, manchmal nach einer Zeitdauer des Eingeschaltetseins, oder nachdem der Strom durch den Leistungstransistor im eingeschalteten Zustand einen Stromschwellenwert erreicht hat.
Es gibt jedoch auch andere Situationen, in denen Probleme eines Leistungsschalters auftreten können, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist. Zum Beispiel gibt es Situationen, in denen ein Kurzschluss in einer induktiven Last eine Beschädigung eines Leistungsschalters verursachen kann, indem er eine so genannte Body-Diode des Leistungsschalters überlastet, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist. Des Weiteren gibt es andere Situationen, in denen die Body-Diode überlastet werden kann, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist. Einige Leistungsschalter wie beispielsweise MOSFETs weisen eine Body-Diode auf. Die Body-Diode kann einen parasitären pn-Übergang umfassen, der bei der Herstellung des Leistungsschalters gebildet wird.
In einigen Beispielen der vorliegenden Offenbarung kann eine Treiberschaltung einen bereits bestehenden Detektionspin verwenden, um zu überwachen, ob eine Body-Diode Schutz bedarf, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist. Solch ein Body-Diodenschutz des Leistungsschalters kann dazu wünschenswert sein, den Schalter vor einer Beschädigung zu schützen, die aufgrund dessen auftreten kann, dass Strom oder Spannung von einer induktiven Last zu dem Schalter passiert, selbst wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist.
Dementsprechend kann der Detektionspin in diesem Fall durch die Treiberschaltung dazu verwendet werden, zu überwachen, ob die Body-Diode des Leistungsschalters Schutz bedarf, und wenn dies der Fall ist, kann die Treiberschaltung den Leistungsschalter auf eine Weise steuern, die die Body-Diode schützen kann.
10 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Systems 1000, das eine Leistungsschalterschaltung 1004, eine Treiberschaltung 1002 und eine Steuerung 1006 aufweist. Die Steuerung 1006 kann einen Mikroprozessor umfassen, der dazu konfiguriert ist, die Treiberschaltung 1002 zu steuern. Die Steuerung 1006 sendet über den Eingangspin 1022 Befehlssignale an die Treiberschaltung 1002. Basierend auf diesen Befehlssignalen sendet die Treiberschaltung 1002 Ein/Aus-Signale (z. B. Gate-Steuersignale) an die Leistungsschalterschaltung 1004, um den Leistungsschalter ein- oder auszuschalten.
Zum Beispiel kann die Treiberschaltung 1002 die Leistungsschalterschaltung 1004 über Modulationssignale am Ausgangspin 1024 steuern, die das Ein-/Ausschalten eines Transistors innerhalb einer Leistungsschalterschaltung 1004 steuern können. Die Modulationssignale können zum Beispiel PWM-Signale, PFM-Signale, Pulsdauermodulationssignale, Pulsdichtemodulationssignale oder eine andere Art von Modulationssteuersignal, das zum Steuern eines Leistungstransistors verwendet wird, umfassen. Bei Normalbetrieb können die Signale von der Treiberschaltung 1002 über den Ausgangspin 1024 an das Gate (oder einen anderen Steueranschluss) eines Leistungsschalters innerhalb der Leistungsschalterschaltung 1004 angelegt werden, um das Ein-/Ausschalten des Leistungsschalters zu steuern und dadurch die einer Last (in 10 nicht gezeigt) durch den Leistungsschalter zugeführte durchschnittliche Leistungsmenge zu steuern. Im allgemeinsten Sinne kann die Treiberschaltung 1002 jegliche Art von Treiber für jegliche Art von Leistungsschalter umfassen, z. B. einen High-Side-Schalter-Treiber, einen Low-Side-Schalter-Treiber, einen Treiber innerhalb eines Sperrleistungswandlers oder einen beliebigen Treiber, der in einer beliebigen Schaltungsanordnung, die das Ein-/Ausschalten eines oder mehrerer Leistungsschalter steuert, verwendet wird.
Die Leistungsschalterschaltung 1004 kann einen Leistungstransistor umfassen. In dem Beispiel von 10 kann der Leistungstransistor in der Leistungsschalterschaltung 1004 einen beliebigen Transistor umfassen, der eine Body-Diode aufweist, wie beispielsweise einen MOSFET. Der MOSFET kann aus Silicium gebildet sein, in welchem Fall der MOSFET dann als Silicium-MOSFET bezeichnet werden kann. Alternativ kann der MOSFET aus einem anderen Halbleitermaterial wie beispielsweise SiC oder GaN gebildet sein, in welchem Fall der MOSFET dann als SiC-MOSFET oder GaN-MOSFET bezeichnet werden kann. Jeglicher andere Transistor, der eine Body-Diode aufweist, kann von den Treibertechniken der vorliegenden Offenbarung profitieren, insbesondere bei Verwendung zum Steuern von Leistung zu einer induktiven Last. Die Body-Diode kann zum Beispiel einen parasitären pn-Übergang umfassen, der bei der Herstellung des MOSFETs gebildet wird.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung weist die Treiberschaltung 1002 eine Schutzlogik 1010 auf, die mit einem Detektionspin 1026 verbunden ist. Der Detektionspin 1026 kann einen so genannten DESAT-Pin umfassen. Die DESAT-Logik 1012 bezieht sich auf eine Logik, die dazu konfiguriert ist, zu bestimmen, ob ein Leistungsschalter innerhalb einer Leistungsschalterschaltung 1004 in einem Entsättigungsmodus betrieben wird, wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist. Die DESAT-Logik 1012 kann dazu konfiguriert sein, als Reaktion auf das Detektieren, dass der Leistungsschalter innerhalb der Leistungsschalterschaltung 1004 im Entsättigungsmodus, den Leistungsschalter zu deaktivieren. Die DESAT-Logik 1012 kann beispielsweise dazu konfiguriert sein, zum Detektieren, ob sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, eine Signalgröße des Signals am Detektionspin 1026 mit einem Entsättigungsschwellenwert zu vergleichen, wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist. Das am Detektionspin 1026 detektierte Signal kann zum Beispiel ein Maß des Spannungsabfalls über den Leistungsschalter innerhalb der Leistungsschalterschaltung 1004 umfassen.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung können zusätzlich zu dem Überprüfen auf DESAT eine oder mehrere zusätzliche Überprüfungen durch die Schutzlogik 1010 basierend auf dem Signal oder den Signalen, das bzw. die am Detektionspin 1026 empfangen werden, durchgeführt werden. In dem Beispiel von 10 beinhaltet die Schutzlogik 1010 die Body-Dioden-Schutzlogik 1014. Die Body-Dioden-Schutzlogik 1014 kann dazu konfiguriert sein, zu detektieren, ob die Body-Diode des Leistungsschalters Schutz bedarf, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist, und als Reaktion auf das Detektieren, dass die Body-Diode Schutz bedarf, den Leistungsschalter gemäß einem Body-Dioden-Schutzschema zu steuern. Wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, kann das Body-Dioden-Schutzschema Wiedereinschalten und möglicherweise Wiederausschalten des Schalters beinhalten, und dieser Prozess des Ein- und Ausschaltens kann sich auf eine Weise wiederholen, die die Body-Diode vor ansonsten schädigenden Bedingungen schützen kann.
Die DESAT-Logik 1012 bezieht sich auf eine Logik, die dazu konfiguriert ist, zu bestimmen, ob ein Leistungsschalter innerhalb einer Leistungsschalterschaltung 1004 in einem Entsättigungsmodus oder einem Überstromzustand (z. B. typischerweise dem einen oder dem anderen) betrieben wird. Die DESAT/OCP-Logik 1012 kann dazu konfiguriert sein, als Reaktion auf das Detektieren, dass der Leistungsschalter innerhalb der Leistungsschalterschaltung 1004 im Entsättigungsmodus oder im Überstromzustand betrieben wird, den Leistungsschalter zu deaktivieren. In dem Beispiel einer Entsättigung kann die DESAT-Logik 1012 zum Detektieren, ob sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, dazu konfiguriert sein, eine Signalgröße des Signals am Detektionspin 1026 mit einem Entsättigungsschwellenwert zu vergleichen, wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist. Das am Detektionspin 1026 detektierte Signal kann zum Beispiel ein Maß des Spannungsabfalls über den Leistungsschalter innerhalb der Leistungsschalterschaltung 1004 umfassen. In einigen Fällen kann dieser Spannungsabfall über den Leistungsschalter innerhalb der Leistungsschalterschaltung 1004 als eine „Vce“-Spannung bezeichnet werden, die typischerweise eine Spannung zwischen einem Kollektor und einem Emitter eines IGBTs anzeigt.
Die Body-Dioden-Schutzlogik 1014 ist dazu konfiguriert, zum Detektieren, ob die Body-Diode des Leistungsschalters innerhalb der Leistungsschalterschaltung 1004 Schutz bedarf, das Signal am Detektionspin 1026 mit einer negativen Spannungsschwelle zu vergleichen, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist. Wenn die Body-Dioden-Schutzlogik 1014 bestimmt, dass das Signal am Detektionspin 1026 niedriger als die negative Schwelle ist, dann wird der Leistungsschalter ausgeschaltet, die Body-Dioden-Schutzlogik 1014 kann dazu konfiguriert sein, den Leistungsschalter gemäß einem Diodenschutzschema einzuschalten.
Die negative Spannungsschwelle kann einen programmierbaren Schwellenwert in der Treiberschaltung umfassen, der geändert werden kann, um die Treiberschaltung für verschiedene Lasten zu konfigurieren. Die Treiberschaltung 1002 kann mit Standard-Body-Dioden-Schutzschwellenwerten programmiert sein, aber diese können von dem Nutzer konfiguriert oder rekonfiguriert werden. In einigen Beispielen ist die negative Spannungsschwelle ein erster Schwellenwert. In diesem Fall kann die Body-Dioden-Schutzlogik 1014 zum Steuern des Leistungsschalters gemäß dem Body-Dioden-Schutzschema ferner dazu konfiguriert sein, das Signal am Detektionspin 1026 mit einem zweiten Schwellenwert zu vergleichen, und die Treiberschaltung 1002 kann dazu konfiguriert sein, als Reaktion darauf, dass das Signal größer als der zweite Schwellenwert ist, als Teil des Body-Dioden-Schutzschemas den Leistungsschalter wieder auszuschalten. Das Body-Dioden-Schutzschema kann wieder einen Prozess des Ein- und Ausschaltens des Leistungsschalters beinhalten, und dieser Prozess kann sich auf eine Weise wiederholen, die die Body-Diode vor ansonsten schädigenden Bedingungen schützt. Sowohl der erste als auch der zweite Schwellenwert können programmierbare Schwellenwerte in der Treiberschaltung umfassen, die geändert werden können, um die Treiberschaltung für verschiedene Lasten zu konfigurieren. Der zweite Schwellenwert kann eine zweite negative Schwelle oder möglicherweise eine Massespannung umfassen.
Der Body-Dioden-Schutzprozess kann nach einer Austastzeit beginnen, um zu gestatten, dass Spannungs- oder Stromspitzen während des Schaltzyklus ignoriert werden können. Die Austastzeit kann eine feste Zeitdauer umfassen oder kann einen Zeitraum umfassen, bevor Strom durch den Leistungsschalter auf einen bestimmten Stromschwellenwert reduziert wird. Dementsprechend kann in einigen Beispielen die Body-Dioden-Schutzlogik 1014 der Treiberschaltung 1002 dazu vorgesehen sein, bei Ausschalten des Leistungsschalters innerhalb der Leistungsschalterschaltung 1004 durch die Treiberschaltung 1002 zu detektieren, ob die Body-Diode des Leistungsschalters nach einer Austastzeit Schutz bedarf.
In vielen Schaltungsanwendungen werden Leistungsschalter (auch als Leistungstransistoren oder Leistungsmodule bezeichnet) gemeinhin zum Schalten von Strömen im Bereich von mehreren Hundert Ampere verwendet. Bei einem Versagen im Hauptwechselrichter muss das System in einen sicheren Zustand schalten. Für Elektrofahrzeuge beispielsweise ist dieser Ausfallschutz für Insassen des Fahrzeugs erforderlich.
Bei einer Induktionsmaschine (z. B. einem Asynchronmotor oder ASM), bei einem fremderregten Motor (EESM) oder bei einer permanenterregten Synchronmaschine (PMSM) ohne aktive Kurzschlussfähigkeiten kann der sichere Zustand des Systems sein, die Leistungsschalter zu öffnen, so dass die Energie, die in den Wicklungen oder Käfig der Maschine gespeichert sein kann, kein Drehmoment an den Rädern verursacht. Der Nachteil dieses sicheren Zustands besteht darin, dass der Strom nicht gesteuert werden kann und in einigen Fällen der Strom Stromspitzen über Tausende von Ampere erreichen kann, die durch die Rückwärts-Body-Diode des Leistungshalbleiters fließen. Solche Situationen können möglicherweise den Leistungsschalter beschädigen oder zerstören.
Mögliche Lösungen für dieses Problem können Folgendes beinhalten:

- Begrenzungen, dass SiC/GaN-MOSFETs nicht mit einem ASM oder einem EESM oder einer PMSM ohne aktive Kurzschlussfähigkeiten verwendet werden können
- Begrenzungen, dass der Leistungs-MOSFET überdimensioniert werden muss, damit genug Die-Größe und Wärmekapazität vorhanden ist, um den hohen kommenden Strömen durch seine Body-Diode zu widerstehen
- Begrenzungen, dass der Leistungs-MOSFET eine zusätzliche Diode parallel zu seiner Body-Diode aufweisen muss, um die kommenden Ströme durch seine Body-Diode aufzuteilen.
- Begrenzungen, die eine Spannungsüberwachung von Strom über die Body-Diode mit externen Komponenten erfordern, die bei einem Sperrleistungswandler möglicherweise zu einer Mikrosteuerung zurück übertragen werden muss, die eine galvanisch getrennte „Primärseiten“-Steuerung sein kann, die von einem „Sekundärseiten-Leistungsschalter“ galvanisch getrennt ist.

Alle diese potenziellen Lösungen weisen jedoch sehr hohe Kosten und/oder Komplexitäten auf, die mit den Lösungen verbunden sind.
Das Body-Dioden-Schutzschema der vorliegenden Offenbarung, das an einem bestehenden Detektionspin durchgeführt werden kann, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist, kann eine bessere Lösung als die oben erwähnten bieten. Für einige Situationen können die Techniken der vorliegenden Offenbarung die Verwendung von SiC-Leistungsmodulen mit ASMs, EESMs oder einer PMSM ohne aktive Kurzschlussfähigkeiten gestatten.
Die Techniken der vorliegenden Offenbarung können ein oder mehrere vorstehend angeführte Probleme lösen, indem die Durchlassspannung der (Rückwärts-)Body-Diode eines Leistungshalbleiters mit seinem Gate-Treiber überwacht wird. Wenn ein hoher Strom durch die Body-Diode fließt, kann der Leistungsschalter eingeschaltet werden, um den Strom zu übernehmen. Aufgrund seines niedrigen Rds ON kann weniger Energie in dem Leistungsmodul aufgenommen werden. Durch Ausnutzen eines bereits bestehenden Pins der untermassefähig ist, wie zum Beispiel ein bestehender DESAT-Pin, werden keine zusätzlichen Kosten erzeugt, und eine Implementierung kann mit bestehenden Gate-Treibern hochkompatibel sein.
11 ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften Gate-Treiberschaltung 1101, die einen Leistungstransistor 1110 steuert, der mit einer induktiven Last 1150 verbunden ist. In diesem Beispiel kann der Leistungstransistor 1110 jeglichen Leistungstransistor umfassen, der eine Body-Diode 1115, wie beispielsweise einen MOSFET, aufweist. Die Body-Diode 1115 umfasst einen parasitären pn-Übergang, der bei der Herstellung des Leistungstransistors 1110 gebildet wird. Die Treiberschaltung 1101 kann einen Gate-Treiber umfassen, der über den Eingangspin 1122, der mit einem Mikroprozessor verbunden sein kann, Ein-/Aus-Befehlssignale empfängt. Basierend auf diesen Ein-/Aus-Befehlssignalen sendet die Treiberschaltung 1101 über den Ausgangspin 1124 Ein/Aus-Signale zu dem Gate des Leistungstransistors 1110. Ein oder mehrere Verstärker 1102 können die Gate-Ansteuerungssignale basierend auf den am Eingangspin 1122 empfangenen Ein-/Aus-Befehlssignalen erzeugen. Die Gate-Ansteuerungssignale können zum Beispiel PWM-Signale, PFM-Signale, Pulsdauermodulationssignale, Pulsdichtemodulationssignale oder eine andere Art von Modulationssteuersignal, das zum Steuern des Leistungstransistors 1110 verwendet wird, umfassen. Bei Normalbetrieb werden die Signale von der Treiberschaltung 1101 über den Ausgangspin 1124 an das Gate (oder einen anderen Steueranschluss) eines Leistungstransistors 1110 angelegt, um das Ein-/Ausschalten des Leistungstransistors 1110 zu steuern und dadurch die einer induktiven Last 1150 durch den Leistungsschalter zugeführte durchschnittliche Leistungsmenge zu steuern. In 11 wird auch ein Massepin 1126 dargestellt.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung weist die Treiberschaltung 1101 eine Logik 1125 auf, die mit einem DESAT-Pin 1128 verbunden ist. Obgleich getrennt dargestellt, kann die Logik 1125 Komparatoren 1108, 1104 und 1106 sowie einen Widerstand 1108 zwischen einer Bezugs-Vcc-Spannung und einem DESAT-Pin 1128 aufweisen. Außerhalb der Treiberschaltung 1101 kann der DESAT-Pin 1128 mit einem Widerstand 1120 verbunden sein. Der Widerstand 1120 ist mit einer Diode 1130 verbunden, und die Diode 1130 ist mit dem Laststrompfad zwischen der Last 1150 und dem Leistungstransistor 1110 verbunden. Anders ausgedrückt, der Widerstand 1120 und die Diode 1130 sind zwischen dem DESAT-Pin 1128 und einem Knoten positioniert, der sich zwischen dem Leistungstransistor 1110 und der induktiven Last 1150 befindet. Diese Anordnung gestattet der Treiberschaltung 1101, den DESAT-Pin 1128 und die externe Diode 1130 zum Überwachen einer negativen Spannung über den Leistungstransistor 1110 zu verwenden, wenn der Leistungstransistor 1110 ausgeschaltet ist.
Die externe Diode 1120 kann eine Spannungsentkopplungsvorrichtung für die Treiberschaltung 1101 umfassen. Insbesondere entkoppelt die externe Diode 1120 den mit dem Laststrompfad des Leistungstransistors 1110 verbundenen Hochspannungsbereich von dem Niederspannungsbereich der Treiberschaltung 1101. Die Treiberschaltung 1101 kann zum Beispiel mit weniger als 50 oder 60 V betrieben werden, während der Laststrompfad des Leistungstransistors 1110 Spannungen von über 1000 Volt widerstehen kann.
Die Treiberschaltung 1101 kann dazu konfiguriert sein, wenn der Leistungstransistor 1110 eingeschaltet ist, den Leistungstransistor 1110 als Reaktion auf das Detektieren, dass der Leistungstransistor 1110 in einem Entsättigungsmodus betrieben wird, zu deaktivieren. Zum Beispiel kann der Komparator 1108 dazu konfiguriert sein, einen Signalwert des Signals am DESAT-Pin 1128 mit einem Entsättigungsschwellenwert zu vergleichen, wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist. Das am DESAT-Pin 1128 detektierte Signal kann ein Maß des Spannungsabfalls über den Leistungstransistor 1110 umfassen. Wenn das am DESAT-Pin 1128 detektierte Signal den DESAT-Schwellenwert übersteigt (wie durch den Komparator 1108 bestimmt), dann kann die Logik 1125 bewirken, dass die Treiberschaltung 1101 Ausgangssignale über den Ausgangspin 1128 sendet, die den Leistungstransistor 1110 deaktivieren. Als Beispiel kann der DESAT-Schwellenwert ungefähr 9 Volt betragen, obgleich verschiedene Transistoren höhere oder niedrigere DESAT-Schwellenwerte definieren können.
Zusätzlich zu dem Überprüfen auf Entsättigung des Leistungstransistors 1110, wenn der Leistungstransistor 1110 eingeschaltet ist, kann die Treiberschaltung 1101 gemäß der vorliegenden Offenbarung ferner dazu konfiguriert sein, eine oder mehrere zusätzliche Überprüfungen basierend auf dem Signal oder den Signalen, das bzw. die am DESAT-Pin 1128 empfangen wird bzw. werden, durchzuführen, wenn der Leistungstransistor 1110 ausgeschaltet ist. Insbesondere weist die Treiberschaltung 1101 zusätzliche Komparatoren 1104 und 1106 sowie eine zusätzliche Logik innerhalb der Logik 1125 auf, die dazu konfiguriert ist, zu detektieren, ob die Body-Diode 1115 des Leistungstransistors 1110 Schutz bedarf. Obgleich getrennt dargestellt, können die zusätzlichen Komparatoren 1104 und 1106 als Teil der Logik 1125 innerhalb der Treiberschaltung 1101 betrachtet werden.
Die Treiberschaltung 1101 kann dazu konfiguriert sein, zu detektieren, ob die Body-Diode 1115 des Leistungstransistors 1110 Schutz bedarf, wenn der Leistungstransistor 1110 ausgeschaltet ist, und die Treiberschaltung 1101 kann dazu konfiguriert sein, als Reaktion auf das Detektieren, dass die Body-Diode 1115 Schutz bedarf, den Leistungsschalter 1110 gemäß einem Body-Dioden-Schutzschema zu steuern. Zum Beispiel kann der Komparator 1104 dazu konfiguriert sein, zu detektieren, ob die Body-Diode 1115 Schutz bedarf, indem er das Signal am DESAT-Pin 1128 mit einer negativen Spannungsquelle vergleicht. Treiberschaltung 1101 kann dazu konfiguriert sein, wenn die Spannung am DESAT-Pin 1128 niedriger als die negative Spannungsschwelle ist (d. h. einen höheren negativen Spannungswert als die negative Spannungsschwelle hat), den Leistungsschalter gemäß dem Body-Dioden-Schutzschema zu steuern. Für den Body-Dioden-Schutz kann die Logik 1125 dazu konfiguriert sein, als Reaktion darauf, dass der Komparator 1104 detektiert, dass das Signal am DESAT-Pin 1128 kleiner als die negative Schwelle ist, den Leistungsschalter einzuschalten. Die negative Schwelle des Komparators 1104 kann einen programmierbaren Schwellenwert umfassen, der geändert werden kann, um die Treiberschaltung 1101 für verschiedene Lasten zu konfigurieren.
In einigen Beispielen kann die negative Spannungsschwelle (z. B. Schwellenwert 2) des Komparators 1104 einen ersten Schwellenwert umfassen, der mit Körperdioden-Schutz verbunden ist. Beim Einschalten des Leistungsschalters 1110 kann der Komparator 1106 für das Diodenschutzschema ferner dazu konfiguriert sein, das Signal am DESAT-Pin mit einem zweiten Schwellenwert (z. B. Schwellenwert 3) zu vergleichen, und als Reaktion darauf, dass das Signal am DESAT-Pin eine größere Spannung als der zweite Schwellenwert hat, kann die Treiberschaltung 1101 den Leistungsschalter ausschalten. Sowohl der erste Schwellenwert (z. B. Schwellenwert 2 von 11) als auch der zweite Schwellenwert (z. B. Schwellenwert 3 von 11) können programmierbare Schwellenwerte der Treiberschaltung umfassen, die geändert werden können, um den Body-Dioden-Schutz der Treiberschaltung 1101 für verschiedene Lasten oder für verschiedene Transistoren zu konfigurieren. Der zweite Schwellenwert (z. B. Schwellenwert 3 von 11) kann entweder einen zweiten negativen Schwellenwert oder eine Masse umfassen. Ferner kann die Treiberschaltung 1101 in einigen Fällen dazu konfiguriert sein, bei Ausschalten des Leistungsschalters nach einer Austastzeit, die zu ignorierende kurze Spannungs- oder Stromspitzen berücksichtigen kann, zu detektieren, ob die Body-Diode des Leistungsschalters Schutz bedarf.
Im Betrieb können die Komparatoren 1104 und 1106 ein Spannungsband für das Body-Dioden-Schutzschema definieren. Das Body-Dioden-Schutzschema kann Einschalten (z. B. als Reaktion darauf, dass die negative Spannung unter der negativen Spannungsschwelle 2 des Komparators 1104 liegt) und dann wieder Ausschalten (z. B. als Reaktion darauf, dass die Spannung über der Schwelle 3 des Komparators 1106 liegt) des Schalters beinhalten. Dieser Body-Dioden-Schutzprozess des Ein- und Ausschaltens kann sich auf eine Weise wiederholen, die die Body-Diode vor ansonsten schädigenden Bedingungen, die ansonsten durch einen Kurzschluss in der induktiven Last 1150 verursacht werden, schützen kann.
In einigen Beispielen verwendet die vorliegende Offenbarung einen DESAT-Pin (z. B. 1128) und eine externe Diode (z. B. 1130), um die Spannung über einen Leistungstransistor (z. B. 1110) zu überwachen. Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann eine Treiberschaltung zusätzlich zu der DESAT-Überwachung dazu konfiguriert sein, weitere zwei Spannungspegel zu überwachen, die unter Masse (oder möglicherweise auf Masse bei dem zweiten Spannungspegel) liegen, um die Durchlassspannung der Body-Diode in dem Leistungshalbleiter zu detektieren. Diese beiden Body-Dioden-Schutzschwellen können programmierbar gemacht werden. Für diese Schwellenpegel kann jeglichen bestehenden Austastzeiten eine weitere (wahlweise programmierbare) Austastzeit hinzugefügt werden. Im Gegensatz zu der typischen DESAT-Überwachung kann die Body-Dioden-Spannungsüberwachung einen oder mehrere Spannungspegel beinhalten, die evaluiert werden, wenn der Leistungstransistor ausgeschaltet ist. Sobald ein erster Schwellenpegel (z. B. Schwellenwert 2 von 11) unter Masse überstiegen wird, kann der Leistungstransistor 1110 eingeschaltet werden, solange die Spannung am DESAT-Pin 1128 über der zweiten Schwellengrenze (z. B. Schwellenwert 3 von 11), die ein weiterer negativer Spannungspegel oder Masse sein kann, liegt.
Während des Body-Dioden-Schutzes wird der Leistungstransistor 1110, wenn die Spannung unter die zweite Schwellengrenze (z. B. Schwellenwert 3 von 11) abfällt, durch die Treiberschaltung 1101 ausgeschaltet. Obgleich zwei Komparatoren 1104 und 1106 für das Body-Dioden-Schutzschema gezeigt werden, kann in anderen Beispielen ein ähnliches Schema mit einem Komparator und mit einer programmierbaren Hysterese erreicht werden.
Obgleich Temperaturabhängigkeit des Durchlassspannungsabfalls über die Body-Diode 1115 berücksichtigt werden kann, kann die Treiberschaltung 1101 in diesem Fall eine oder mehrere zusätzliche Verbindungen (nicht gezeigt) haben, um die Bestimmung der mit der Body-Diode 1115 verbundenen Temperatur zu gestatten.
In einigen Beispielen können die Treiberschaltungen der vorliegenden Offenbarung einen oder mehrere zusätzliche Komparatoren am DESAT-Pin mit einer Schwellenspannung von unter 0V (programmierbare oder feste Pegel) hinzufügen. Die Body-Dioden-Schutztechniken können eine zusätzliche Austastzeit (z. B. nach einem Abschalten und vor dem Detektieren) bereitstellen, um ein falsches Auslösen zu vernachlässigen, und die zusätzliche Austastzeit kann programmierbar oder fest sein. Die Fehlerreaktion für den Body-Dioden-Schutz besteht anfangs darin, den Leistungsschalter einzuschalten, was das Gegenteil von der DESAT-Detektion ist, die bei eingeschaltetem Schalter durchgeführt wird und deren Fehlerreaktion darin besteht, den Schalter auszuschalten, wenn der DESAT-Schwellenwert überstiegen wird. Das Body-Dioden-Schutzschema kann den Leistungsschalter so lange in dem eingeschalteten Zustand halten, wie die Spannung am DESAT-Pin unter einem zweiten Body-Dioden-Schwellenwert (z. B. Schwellenwert 3 von 11) bleibt, der einen Wert von unter null Volt oder einen Wert von null Volt entsprechend Masse aufweisen kann.
In einigen Beispielen können die beschriebenen Body-Dioden-Schutztechniken Leistungsverluste beim Erreichen eines sicheren Zustands minimieren. Beim Body-Dioden-Schutz können Leistungsschalter in einigen Anwendungen kleiner werden, und daher kann das System kostengünstiger als Systeme werden, die mit Treiberschaltungen betrieben werden, welche keinen Body-Dioden-Schutz durchführen. Die Robustheit des Systems kann verbessert werden, und ein System oder eine Schaltung, das bzw. die die Techniken der vorliegenden Offenbarung verwendet, kann die Möglichkeit fördern, SiC- oder GaN-Technologien bei induktiven Lasten, wie zum Beispiel induktiven Maschinen, Elektromotoren oder irgendwelchen anderen Lasten, die zumindest teilweise induktiv sind, zu verwenden.
Diese Techniken der vorliegenden Offenbarung können auch dabei helfen, einen Markt von SiC-MOSFETs bis ASM, EESM oder PMSM ohne aktive Kurzschlussfähigkeiten für Hauptwechselrichteranwendungen zu erzielen. Des Weiteren können die Techniken in einigen Beispielen eine signifikante Verkleinerung der optionalen Spezifikationen von Leistungs-MOSFETs und den Body-Dioden bezüglich Systemen oder Schaltungen, die die Techniken der vorliegenden Offenbarung nicht verwenden, gestatten.
12 ist ein Schaltschema, das eine Induktionsmaschine (z. B. einen dreiphasigen Elektromotor), der durch einen Satz von Leistungsschaltern 1204 gesteuert wird, zeigt. 12 zeigt einen möglichen Stromflusspfad, wenn die Induktionsmaschine 1202 einen elektrischen Kurzschluss aufweist. In diesem Fall kann der Strom durch die Body-Dioden oder Leistungsschalter T3 und T5 fließen, was zu Problemen oder einer Beschädigung der Leistungsschalter T3 und T5 führen kann. Die Techniken der vorliegenden Offenbarung können dabei helfen, Leistungsschalter in diesen oder anderen Situationen, in denen unkontrollierter Strom durch die Body-Dioden fließen kann, zu schützen.
13 ist ein Schaubild, das Strom über der Zeit darstellt, der durch eine Freilaufbewegung eines elektrischen Motors verursacht sein kann. Die in Kurve 1302 gezeigten Stromspitzen schwächen sich über die Zeit ab, aber diese Stromspitzen können eine Beschädigung verursachen. In einigen Beispielen kann das Body-Dioden-Schutzschema der vorliegenden Offenbarung, das an einem bereits bestehenden DESAT-Pin implementiert ist, die Body-Diode von Leistungsschaltern vor Stromspitzen wie den in 13 gezeigten schützen.
14 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern eines Leistungsschalters darstellt, das durch eine Treiberschaltung gemäß der vorliegenden Offenbarung durchgeführt werden kann. 14 wird aus der Perspektive der in 10 gezeigten Treiberschaltung 1002 beschrieben, obgleich das Verfahren auf verschiedenste andere Treiberschaltungen angewandt werden könnte. Wie in 14 gezeigt ist, führt die Treiberschaltung 1102 einem Leistungsschalter innerhalb der Leistungsschalterschaltung 1004 Ansteuerungssignale von dem Ausgangspin 1124 zu, um das Ein-/Ausschalten des Leistungsschalters zu steuern (1401). Die Treiberschaltung 1102 empfängt über einen Detektionspin 1026 ein mit dem Leistungsschalter verbundenes Signal (1402). Zum Beispiel kann der Detektionspin 1102 einen bereits bestehenden DESAT-Detektionspin umfassen. Wenn der Leistungsschalter in einem eingeschalteten Zustand betrieben wird (Ja-Zweig von 1403) detektiert die Treiberschaltung 1002, basierend auf dem Signal am Detektionspin 1102, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus befindet (1404). Wenn sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus befindet (Ja-Zweig von 1404) deaktiviert die Treiberschaltung 1002 den Leistungsschalter (1405).
Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist die Treiberschaltung 1002 dazu konfiguriert, zusätzliche Überprüfungen durchzuführen, wenn der Leistungsschalter in einem AusZustand betrieben wird (Nein-Zweig von 1403). Insbesondere detektiert die Treiberschaltung 1002, wenn der Leistungsschalter innerhalb der Leistungsschalterschaltung 104 ausgeschaltet ist (Nein-Zweig von 1403), basierend auf dem Signal am Detektionspin 1026, ob die Body-Diode des Leistungsschalters Schutz bedarf. Wenn die Body-Diode des Leistungsschalters basierend auf dem Signal am Detektionspin 1026 Schutz bedarf (Ja-Zweig von 1406), dann steuert die Treiberschaltung 1002 den Leistungsschalter innerhalb der Leistungsschalterschaltung 1004 gemäß einem Body-Dioden-Schutzschema (1408).
Wie oben erläutert wurde, kann der Detektionspin einen bereits bestehenden DESAT-Detektionspin umfassen, in welchem Fall das Detektieren, ob sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet (1404) Vergleichen eines Signalwerts des Signals am DESAT-Detektionspin mit einem Entsättigungsschwellenwert bei eingeschaltetem Leistungsschalter beinhalten kann.
Das Detektieren, ob die Body-Diode des Leistungsschalters Schutz bedarf (1406), kann Vergleichen des Signals am DESAT-Detektionspin mit einer negativen Spannungsschwelle beinhalten, und Steuern des Leistungsschalters gemäß dem Body-Dioden-Schutzschema (1407) kann Einschalten des Leistungsschalters als Reaktion darauf, dass das Signal kleiner als die negative Schwelle ist, umfassen. In einigen Beispielen kann die negative Schwelle ein programmierbarer Schwellenwert in der Treiberschaltung 1402 sein, der innerhalb der Treiberschaltung 1402 programmiert oder geändert werden kann, um die Treiberschaltung 1402 für verschiedene Lasten oder verschiedene Transistoren zu konfigurieren. In einigen Beispielen ist die negative Spannungsschwelle ein erster Schwellenwert, und das Steuern des Leistungsschalters gemäß dem Body-Dioden-Schutzschema (1408) umfasst ferner Vergleichen des Signals am DESAT-Detektionspin mit einem zweiten Schwellenwert und Wiederausschalten des Leistungsschalters als Reaktion darauf, dass das Signal größer als der zweite Schwellenwert ist.
In einigen Fällen sind sowohl der erste als auch der zweite Schwellenwert programmierbare Schwellenwerte in der Treiberschaltung, die geändert werden können, um die Treiberschaltung für verschiedene Lasten oder für verschiedene Transistoren zu konfigurieren. Der zweite Schwellenwert kann entweder ein zweiter negativer Schwellenwert oder eine Massespannung sein. Bei Ausschalten des Leistungsschalters kann auch eine Austastzeit für Body-Dioden-Schutzüberwachung nach einer Austastzeit hinzugefügt oder eingestellt werden.
Die Schaltungen und Techniken der vorliegenden Offenbarung können Schutz gegen eine Leistungsschalterfehlfunktion bereitstellen, der in den verschiedensten Schaltungsanwendungen wünschenswert sein kann, insbesondere in Umgebungen, in denen Sicherheit ein Anliegen ist. Es werden hier viele verschiedene Schaltungen und Techniken beschrieben, und diese verschiedenen Techniken können sich auf bestimmte Lösungen zum Schützen des Leistungsschalters, wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist, oder zum Schützen des Leistungsschalters, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist, beziehen.
Die Techniken der vorliegenden Offenbarung können einen bereits bestehenden Detektionspin, der mit einer Treiberschaltung in Verbindung steht, vorteilhaft einsetzen. Der Detektionspin kann zum Beispiel einen so genannten DESAT-Pin oder möglicherweise einen OCP-Pin umfassen. Zum Beispiel beschreiben 1 - 10 verschiedene Schaltungen und Techniken, in denen ein bereits bestehender Detektionspin dazu verwendet werden kann, eine SOA-Grenze des Leistungsschalters zu überwachen, wenn der Schalter in einem eingeschalteten Zustand betrieben wird. Darüber hinaus beschreiben 11 - 14 verschiedene Schaltungen und Techniken, in denen ein bereits bestehender Detektionspin dazu verwendet werden kann, zu überwachen, ob eine Body-Diode Schutz bedarf, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist. In einigen Beispielen können die in 11 - 14 beschriebenen Techniken und Schaltungen mit den in 1 - 10 beschriebenen Techniken und Schaltungen kombiniert werden. Mit anderen Worten kann eine Treiberschaltung mit fortschrittlichen Detektionsfähigkeiten an einem bestehenden DESAT-Pin, der über einen einzigen Detektionspin DESAT-Detektion durchführen kann, SOA-Überwachung durchführen kann und Body-Dioden-Schutz durchführen kann, konfiguriert werden. In diesem Fall kann die Treiberschaltung eine ähnliche Logik wie die der 1 und 10 beinhalten, und die Treiberschaltung kann die Verfahren der 9 und 14 durchführen.
15 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Systems 1500, das eine Leistungsschalterschaltung 1504, eine Treiberschaltung 1502 und eine Steuerung 1506 aufweist. Die Steuerung 1506 kann einen Mikroprozessor umfassen, der dazu konfiguriert ist, die Treiberschaltung 1502 zu steuern. Die Steuerung 1506 sendet Befehlssignale über den Eingangspin 1522 an die Treiberschaltung 1502. Basierend auf diesen Befehlssignalen sendet die Treiberschaltung 1502 Ein/Aus-Signale (z. B. Gate-Steuersignale) an die Leistungsschalterschaltung 1504, um den Leistungsschalter ein- oder auszuschalten.
Die Treiberschaltung 1502 kann die Leistungsschalterschaltung 1504 über Modulationssignale am Ausgangspin 1524 steuern, die das Ein-/Ausschalten eines Transistors in der Leistungsschalterschaltung 1504 steuern können. Die Modulationssignale können zum Beispiel PWM-Signale, PFM-Signale, Pulsdauermodulationssignale, Pulsdichtemodulationssignale oder eine andere Art von Modulationssteuersignal, das zum Steuern eines Leistungstransistors verwendet wird, umfassen. Bei Normalbetrieb können die Signale von der Treiberschaltung 1502 über den Ausgangspin 1524 an das Gate (oder einen anderen Steueranschluss) eines Leistungsschalters innerhalb der Leistungsschalterschaltung 1504 angelegt werden, um das Ein-/Ausschalten des Leistungsschalters zu steuern und dadurch die durchschnittliche Leistungsmenge, die einer Last (in 15 nicht gezeigt) durch den Leistungsschalter zugeführt wird, zu steuern. Die Treiberschaltung 1502 kann jegliche Art von Treiber für jegliche Art von Leistungsschalter umfassen, z. B. einen High-Side-Schalter-Treiber, einen Low-Side-Schalter-Treiber, einen Treiber innerhalb eines Sperrleistungswandlers oder einen beliebigen Treiber, der in einer beliebigen Schaltungsanordnung, die das Ein-/Ausschalten eines oder mehrerer Leistungsschalter steuert, verwendet wird.
Die Leistungsschalterschaltung 1504 kann einen Leistungstransistor umfassen. In dem Beispiel von 15 kann der Leistungstransistor in der Leistungsschalterschaltung 1504 einen beliebigen Transistor, der eine Body-Diode aufweist, wie beispielsweise einen MOSFET, umfassen. Der MOSFET kann aus Silicium gebildet sein, in welchem Fall der MOSFET dann als Silicium-MOSFET bezeichnet werden kann. Alternativ kann der MOSFET aus einem anderen Halbleitermaterial wie beispielsweise SiC oder GaN gebildet sein, in welchem Fall der MOSFET dann als SiC-MOSFET oder GaN-MOSFET bezeichnet werden kann. Jeglicher andere Transistor, der eine Body-Diode aufweist, kann von den Treibertechniken der vorliegenden Offenbarung profitieren, insbesondere bei Verwendung beim Steuern einer induktiven Last. Die Body-Diode kann zum Beispiel einen parasitären pn-Übergang umfassen, der bei der Herstellung des MOSFETs gebildet wird.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung weist die Treiberschaltung 1502 eine Schutzlogik 1510 auf, die mit einem Detektionspin 1526 verbunden ist. Der Detektionspin 1526 kann einen so genannten DESAT-Pin umfassen. Die DESAT-Logik 1512 bezieht sich auf eine Logik, die dazu konfiguriert ist, zu bestimmen, ob ein Leistungsschalter innerhalb einer Leistungsschalterschaltung 1504 in einem Entsättigungsmodus betrieben wird, wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist. Die DESAT-Logik 1512 kann dazu konfiguriert sein, als Reaktion auf das Detektieren, dass der Leistungsschalter innerhalb der Leistungsschalterschaltung 1504 im Entsättigungsmodus betrieben wird, den Leistungsschalter zu deaktivieren. Die DESAT-Logik 1512 kann dazu konfiguriert sein, zum Detektieren, ob der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus betrieben wird, einen Signalwert des Signals am Detektionspin 1526 mit einem Entsättigungsschwellenwert zu vergleichen, wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist. Das am Detektionspin 1526 detektierte Signal kann zum Beispiel ein Maß des Spannungsabfalls über den Leistungsschalter innerhalb der Leistungsschalterschaltung 1504 umfassen.
Zusätzlich zu dem Überprüfen auf DESAT können zusätzliche Überprüfungen durch die Schutzlogik 1510 basierend auf dem Signal oder den Signalen, das bzw. die am Detektionspin 1526 empfangen wird bzw. werden, durchgeführt werden. In dem Beispiel von 15 beinhaltet die Schutzlogik 1510 eine Body-Dioden-Schutzlogik 1518. Die Body-Dioden-Schutzlogik 1518 kann dazu konfiguriert sein, zu detektieren, ob die Body-Diode des Leistungsschalters Schutz Bedarf, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist, und als Reaktion auf das Detektieren, dass die Body-Diode Schutz bedarf, den Leistungsschalter gemäß einem Body-Dioden-Schutzschema zu steuern. Zusätzliche nähere Details von Body-Dioden-Schutzschemata sind vorstehend in der Besprechung der 11 - 14 angeführt, und diese und weitere Body-Dioden-Schutzschemata können durch die Body-Dioden-Schutzlogik 1518 als Reaktion auf das Detektieren, dass die Body-Diode Schutz bedarf, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist, durchgeführt werden.
Bei dem Beispiel von 15 kann die Schutzlogik 1510 ferner zusätzlich zu dem Überprüfen auf DESAT und Überprüfen, ob die Body-Diode Schutz bedarf, auch eine SOA-Schutzlogik 1514 beinhalten, die ähnlich wie die in 1 beschriebene SOA-Schutzlogik 14 sein kann. Bei dem Beispiel von 15 kann somit eine Treiberschaltung 1502 dazu konfiguriert sein, zu detektieren, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus befindet, wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist; als Reaktion auf das Detektieren, dass sich der Leistungsschalter in dem Entsättigungsmodus befindet, den Leistungsschalter zu deaktivieren; zu detektieren, ob die Body-Diode des Leistungsschalters Schutz bedarf, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist; als Reaktion auf das Detektieren, dass die Body-Diode Schutz bedarf, den Leistungsschalter gemäß einem Body-Dioden-Schutzschema zu steuern; basierend auf einer Änderungsrate des Signals, wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist, zu detektieren, ob der Leistungsschalter zu einer SOA-Grenze des Leistungsschalters tendiert; und als Reaktion auf das Detektieren, dass der Leistungsschalter zu der SOA-Grenze tendiert, den Leistungsschalter zu deaktivieren. In einigen Beispielen kann die Treiberschaltung 1510 dazu konfiguriert sein, die Verfahren sowohl von 9 als auch 14 durchzuführen.
Die folgenden Absätze können einen oder mehrere Aspekte der Offenbarung darstellen.
Absatz 1 - Eine Treiberschaltung, die zum Steuern eines Leistungsschalters konfiguriert ist, wobei die Treiberschaltung Folgendes umfasst: einen Ausgangspin, wobei die Treiberschaltung dazu konfiguriert ist, Ansteuerungssignale von dem Ausgangspin zu dem Leistungsschalter zu liefern, um das Ein-/Ausschalten des Leistungsschalters zu steuern; einen Detektionspin, der dazu konfiguriert ist, ein Signal zu empfangen, das mit dem Leistungsschalter in Verbindung steht, wobei der Detektionspin einen DESAT-Detektionspin oder einen OCP-Pin umfasst; und eine Schutzlogik, die mit dem Detektionspin verbunden ist, wobei die Schutzlogik dazu konfiguriert ist: basierend auf dem Signal zu detektieren, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus oder in einem Überstromzustand befindet; als Reaktion auf das Detektieren, dass sich der Leistungsschalter in dem Entsättigungsmodus oder dem Überstromzustand befindet, den Leistungsschalter zu deaktivieren; basierend auf einer Änderungsrate des Signals zu detektieren, ob der Leistungsschalter zu einer SOA-Grenze des Leistungsschalters tendiert; und als Reaktion auf das Detektieren, dass der Leistungsschalter zu der SOA-Grenze tendiert, den Leistungsschalter zu deaktivieren.
Absatz 2 - Die Treiberschaltung nach Absatz 1, wobei der Detektionspin den DESAT-Detektionspin umfasst und die Schutzlogik dazu konfiguriert ist, zu detektieren, ob sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, und als Reaktion auf das Detektieren, dass sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, den Leistungsschalter zu deaktivieren, wobei die Schutzlogik dazu konfiguriert ist, zum Detektieren, ob sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, einen Signalwert des Signals mit einem Entsättigungsschwellenwert zu vergleichen, wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist.
Absatz 3 - Die Treiberschaltung nach Absatz 1 oder 2, wobei die Schutzlogik dazu konfiguriert ist, zum Detektieren, ob der Leistungsschalter zu der SOA-Grenze tendiert, die Änderungsrate des Signals basierend auf zwei oder mehr Messungen einer Akkumulation des Signals zu bestimmen.
Absatz 4 - Der Treiber nach Absatz 3, wobei das Signal einen Spannungsabfall über den Leistungsschalter anzeigt und die zwei oder mehr Messungen der Akkumulation des Signals eine Steigung der Akkumulation über eine Zeitdauer definieren, die die Änderungsrate des Signals anzeigt.
Absatz 5 - Die Treiberschaltung nach einem der Absätze 1 - 4, wobei der Leistungsschalter Folgendes umfasst: einen IGBT; einen Silicium-MOSFET; einen SiC-MOSFET oder einen GaN-MOSFET.
Absatz 6 - Die Treiberschaltung nach einem der Absätze 1 - 5, wobei die Schutzlogik dazu konfiguriert ist, basierend auf der Änderungsrate des Signals und basierend auf einer mit dem Leistungsschalter verbundenen Temperatur zu detektieren, ob der Leistungsschalter zu der SOA-Grenze des Leistungsschalters tendiert.
Absatz 7 - Die Treiberschaltung nach einem der Absätze 1 - 6, wobei die Änderungsrate über eine Zeitdauer bestimmt wird, wobei bei Einschalten des Leistungsschalters die Zeitdauer nach einer Austastzeit, oder nachdem Strom durch den Leistungsschalter einen Stromschwellenwert erreicht hat, beginnt.
Absatz 8 - Die Treiberschaltung nach einem der Absätze 1 - 7, wobei die Änderungsrate einer Slew-Rate entspricht.
Absatz 9 - Die Treiberschaltung nach Absatz 8, wobei die Schutzlogik dazu konfiguriert ist, basierend auf einem Zeitraum zwischen einer Akkumulation des Signals, die einen ersten Schwellenwert erreicht, und der Akkumulation des Signals, die einen zweiten Schwellenwert erreicht, die Slew-Rate zu bestimmen.
Absatz 10 - Die Treiberschaltung nach Absatz 9, wobei bei Einschalten des Leistungsschalters der Zeitraum nach einer Austastzeit, oder nachdem Strom durch den Leistungsschalter einen Stromschwellenwert erreicht hat, erfolgt.
Absatz 11 - Ein Verfahren zum Steuern eines Leistungsschalters, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:. Zuführen von Ansteuerungssignalen von einem Ausgangspin zu dem Leistungsschalter zum Steuern des Ein-/Ausschaltens des Leistungsschalters; Empfangen eines Signals, das mit dem Leistungsschalter in Verbindung steht, über einen Detektionspin, wobei der Detektionspin einen DESAT-Detektionspin oder einen OCP-Pin umfasst; basierend auf dem Signal Detektieren, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus oder einem Überstromzustand befindet; als Reaktion auf das Detektieren, dass sich der Leistungsschalter in dem Entsättigungsmodus oder dem Überstromzustand befindet, Deaktivieren des Leistungsschalters; Detektieren, ob der Leistungsschalter zu einer SOA-Grenze des Leistungsschalters tendiert; und als Reaktion auf das Detektieren, dass der Leistungsschalter zu der SOA-Grenze tendiert, Deaktivieren des Leistungsschalters.
Absatz 12 - Das Verfahren nach Absatz 11, wobei der Detektionspin den DESAT-Detektionspin umfasst und das Verfahren Detektieren, ob sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, und als Reaktion auf das Detektieren, dass sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, Deaktivieren des Leistungsschalters umfasst, wobei das Detektieren, ob sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, Vergleichen eines Signalwerts des Signals mit einem Entsättigungsschwellenwert, wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist, umfasst.
Absatz 13 - Das Verfahren nach Absatz 11 oder 12, wobei das Detektieren, ob der Leistungsschalter zu der SOA-Grenze tendiert, basierend auf zwei oder mehr Messungen einer Akkumulation des Signals Bestimmen der Änderungsrate des Signals umfasst, wobei das Signal einen Spannungsabfall über den Leistungsschalter anzeigt und die zwei oder mehr Messungen der Akkumulation des Signals eine Steigung der Akkumulation über eine Zeitdauer, die die Änderungsrate des Signals anzeigt, definieren.
Absatz 14 - Das Verfahren nach einem der Absätze 11 - 13, ferner umfassend basierend auf der Änderungsrate des Signals und basierend auf einer mit dem Leistungsschalter verbundenen Temperatur Detektieren, ob der Leistungsschalter zu der SOA-Grenze des Leistungsschalters tendiert.
Absatz 15 - Das Verfahren nach einem der Absätze 11 - 14, wobei die Änderungsrate über eine Zeitdauer bestimmt wird, wobei bei Einschalten des Leistungsschalters die Zeitdauer nach einer Austastzeit, oder nachdem Strom durch den Leistungsschalter einen Stromschwellenwert erreicht hat, beginnt.
Absatz 16 - Das Verfahren nach einem der Absätze 11 - 15, wobei die Änderungsrate einer Slew-Rate entspricht, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bestimmen der Slew-Rate basierend auf einem Zeitraum zwischen einer Akkumulation des Signals, die einen ersten Schwellenwert erreicht, und der Akkumulation des Signals, die einen zweiten Schwellenwert erreicht.
Absatz 17 - Das Verfahren nach Absatz 16, wobei bei Einschalten des Leistungsschalters der Zeitraum nach einer Austastzeit, oder nachdem Strom durch den Leistungsschalter einen Stromschwellenwert erreicht hat, erfolgt.
Absatz 18 - Ein System, das Folgendes umfasst: einen Leistungsschalter, der einen Transistor aufweist; und eine Treiberschaltung, die dazu konfiguriert ist, den Leistungsschalter zu steuern, wobei die Treiberschaltung Folgendes umfasst: einen Ausgangspin, wobei die Treiberschaltung dazu konfiguriert ist, Ansteuerungssignale von dem Ausgangspin zu dem Leistungsschalter zu liefern, um das Ein-/Ausschalten des Leistungsschalters zu steuern; einen Detektionspin, der dazu konfiguriert ist, ein Signal zu empfangen, das mit dem Leistungsschalter in Verbindung steht, wobei der Detektionspin einen DESAT-Detektionspin oder einen OCP-Pin umfasst; und eine Schutzlogik, die mit dem Detektionspin verbunden ist, wobei die Schutzlogik dazu konfiguriert ist: basierend auf dem Signal zu detektieren, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus oder in einem Überstromzustand befindet; als Reaktion auf das Detektieren, dass sich der Leistungsschalter in dem Entsättigungsmodus oder dem Überstromzustand befindet, den Leistungsschalter zu deaktivieren; basierend auf einer Änderungsrate des Signals zu detektieren, ob der Leistungsschalter zu einer SOA-Grenze des Leistungsschalters tendiert; und als Reaktion auf das Detektieren, dass der Leistungsschalter zu der SOA-Grenze tendiert, den Leistungsschalter zu deaktivieren.
Absatz 19 - Das System nach Absatz 18, wobei das System ferner Folgendes umfasst: eine Mikrosteuerung, die dazu konfiguriert ist, der Treiberschaltung Steuersignale zuzuführen, wobei die Steuersignale die Ansteuerungssignale definieren.
Absatz 20 - Das System nach Absatz 18 oder 19, ferner umfassend: einen Widerstand; und eine Diode, wobei der Widerstand und die Diode zwischen dem Detektionspin und einem Knoten, der sich zwischen dem Leistungsschalter und einer induktiven Last befindet, positioniert sind.
Absatz 21 - Eine Treiberschaltung, die dazu konfiguriert ist, einen Leistungsschalter zu steuern, der eine Body-Diode aufweist, wobei die Treiberschaltung Folgendes umfasst: einen Ausgangspin, wobei die Treiberschaltung dazu konfiguriert ist, Ansteuerungssignale von dem Ausgangspin zu dem Leistungsschalter zu liefern, um das Ein-/Ausschalten des Leistungsschalters zu steuern; einen Detektionspin, der dazu konfiguriert ist, ein Signal zu empfangen, das mit dem Leistungsschalter in Verbindung steht, wobei der Detektionspin einen DESAT-Detektionspin umfasst; und eine Schutzlogik, die mit dem Detektionspin verbunden ist, wobei die Schutzlogik dazu konfiguriert ist: zu detektieren, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus befindet, wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist; als Reaktion auf das Detektieren, dass sich der Leistungsschalter in dem Entsättigungsmodus befindet, den Leistungsschalter zu deaktivieren; zu detektieren, ob die Body-Diode des Leistungsschalters Schutz bedarf, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist; und als Reaktion auf das Detektieren, dass die Body-Diode Schutz bedarf, den Leistungsschalter gemäß einem Body-Diodenschutzschema zu steuern.
Absatz 22 - Die Treiberschaltung nach Absatz 21, wobei die Schutzlogik dazu konfiguriert ist, zum Detektieren, ob sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, einen Signalwert des Signals mit einem Entsättigungsschwellenwert zu vergleichen.
Absatz 23 - Die Treiberschaltung nach Absatz 21 oder 22, wobei die Schutzlogik dazu konfiguriert ist, zum Detektieren, ob die Body-Diode des Leistungsschalters Schutz bedarf, das Signal mit einer negativen Spannungsschwelle zu vergleichen, wobei zum Steuern des Leistungsschalters gemäß dem Body-Dioden-Schutzschema die Schutzlogik dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf, dass das Signal kleiner als die negative Schwelle ist, den Leistungsschalter einzuschalten.
Absatz 24 - Die Treiberschaltung nach Absatz 23, wobei die negative Schwelle ein programmierbarer Schwellenwert in der Treiberschaltung ist, der geändert werden kann, um die Treiberschaltung für verschiedene Lasten zu konfigurieren.
Absatz 25 - Die Treiberschaltung nach Absatz 23 oder 24, wobei die negative Spannungsschwelle ein erster Schwellenwert ist, wobei zum Steuern des Leistungsschalters gemäß dem Body-Dioden-Schutzschema die Schutzlogik ferner dazu konfiguriert ist, das Signal mit einem zweiten Schwellenwert zu vergleichen und als Reaktion darauf, dass das Signal größer als der zweite Schwellenwert ist, den Leistungsschalter wieder auszuschalten.
Absatz 26 - Die Treiberschaltung nach Absatz 25, wobei der erste und der zweite Schwellenwert programmierbare Schwellenwerte in der Treiberschaltung sind, die geändert werden können, um die Treiberschaltung für verschiedene Lasten zu konfigurieren.
Absatz 27 - Die Treiberschaltung nach Absatz 25 und 26, wobei der zweite Schwellenwert entweder ein zweiter negativer Schwellenwert oder eine Masse ist.
Absatz 28 - Die Treiberschaltung nach einem der Absätze 21 - 27, wobei der Leistungsschalter Folgendes umfasst: einen Silicium-MOSFET; einen GaN-MOSFET; oder einen SiC-MOSFET.
Absatz 29 - Die Treiberschaltung nach einem der Absätze 21 - 28, wobei die Treiberschaltung dazu konfiguriert ist, bei Ausschalten des Leistungsschalters nach einer Austastzeit zu detektieren, ob die Body-Diode des Leistungsschalters Schutz bedarf.
Absatz 30 - Die Treiberschaltung nach einem der Absätze 21 - 29, wobei die Treiberschaltung ferner dazu konfiguriert ist: basierend auf einer Änderungsrate des Signals, wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist, zu detektieren, ob der Leistungsschalter zu einer SOA-Grenze des Leistungsschalters tendiert; und als Reaktion auf das Detektieren, dass der Leistungsschalter zu der SOA-Grenze tendiert, den Leistungsschalter zu deaktivieren.
Absatz 31 - Ein Verfahren zum Steuern eines Leistungsschalters, der eine Body-Diode aufweist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Zuführen von Ansteuerungssignalen von einem Ausgangspin einer Treiberschaltung zu dem Leistungsschalter zum Steuern des Ein-/Ausschaltens des Leistungsschalters; Empfangen eines Signals, das mit dem Leistungsschalter in Verbindung steht, über einen Detektionspin der Treiberschaltung, wobei der Detektionspin einen DESAT-Detektionspin umfasst; Detektieren, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus befindet, wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist; als Reaktion auf das Detektieren, dass sich der Leistungsschalter in dem Entsättigungsmodus befindet, Deaktivieren des Leistungsschalters; Detektieren, ob die Body-Diode des Leistungsschalters Schutz bedarf, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist; und als Reaktion auf das Detektieren, dass die Body-Diode Schutz bedarf, Steuern des Leistungsschalters gemäß einem Body-Diodenschutzschema.
Absatz 32 - Das Verfahren nach Absatz 31, wobei das Detektieren, ob sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, Vergleichen eines Signalwerts des Signals mit einem Entsättigungsschwellenwert umfasst.
Absatz 33 - Das Verfahren nach Absatz 31 oder 32, wobei das Detektieren, ob die Body-Diode des Leistungsschalters Schutz bedarf, Vergleichen des Signals mit einer negativen Spannungsschwelle beinhaltet, wobei das Steuern des Leistungsschalters gemäß dem Body-Dioden-Schutzschema Folgendes umfasst: als Reaktion darauf, dass das Signal kleiner als die negative Schwelle ist, Einschalten des Leistungsschalters.
Absatz 34 - Das Verfahren nach Absatz 33, wobei die negative Schwelle ein programmierbarer Schwellenwert in der Treiberschaltung ist, der geändert werden kann, um die Treiberschaltung für verschiedene Lasten zu konfigurieren.
Absatz 35 - Das Verfahren nach Absatz 33 oder 34, wobei die negative Spannungsschwelle ein erster Schwellenwert ist, wobei das Steuern des Leistungsschalters gemäß dem Body-Dioden-Schutzschema ferner Folgendes umfasst: Vergleichen des Signals mit einem zweiten Schwellenwert und als Reaktion darauf, dass das Signal größer als der zweite Schwellenwert ist, Ausschalten des Leistungsschalters.
Absatz 36 - Das Verfahren nach Absatz 35, wobei der erste und der zweite Schwellenwert programmierbare Schwellenwerte in der Treiberschaltung sind, die geändert werden können, um die Treiberschaltung für verschiedene Lasten zu konfigurieren.
Absatz 37 - Das Verfahren nach Absatz 25 und 36, wobei der zweite Schwellenwert entweder ein zweiter negativer Schwellenwert oder eine Masse ist.
Absatz 38 - Das Verfahren nach einem der Absätze 31 - 37, ferner umfassend: bei Ausschalten des Leistungsschalters nach einer Austastzeit Detektieren, ob die Body-Diode des Leistungsschalters Schutz bedarf.
Absatz 39 - Das Verfahren nach einem der Absätze 31 - 38, ferner umfassend: basierend auf einer Änderungsrate des Signals, wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist, Detektieren, ob der Leistungsschalter zu einer SOA-Grenze des Leistungsschalters tendiert; und als Reaktion auf das Detektieren, dass der Leistungsschalter zu der SOA-Grenze tendiert, Deaktivieren des Leistungsschalters.
Absatz 40 - Ein System, das Folgendes umfasst: einen Leistungsschalter, der einen Transistor aufweist; und eine Treiberschaltung, die dazu konfiguriert ist, den Leistungsschalter zu steuern, wobei die Treiberschaltung Folgendes umfasst: einen Ausgangspin, wobei die Treiberschaltung dazu konfiguriert ist, Ansteuerungssignale von dem Ausgangspin zu dem Leistungsschalter zu liefern, um das Ein-/Ausschalten des Leistungsschalters zu steuern; einen Detektionspin, der dazu konfiguriert ist, ein Signal zu empfangen, das mit dem Leistungsschalter in Verbindung steht, wobei der Detektionspin einen DESAT-Detektionspin umfasst; und eine Schutzlogik, die mit dem Detektionspin verbunden ist, wobei die Schutzlogik dazu konfiguriert ist: zu detektieren, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus befindet, oder wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist; als Reaktion auf das Detektieren, dass sich der Leistungsschalter in dem Entsättigungsmodus befindet, den Leistungsschalter zu deaktivieren; zu detektieren, ob die Body-Diode des Leistungsschalters Schutz bedarf, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist; und als Reaktion auf das Detektieren, dass die Body-Diode Schutz bedarf, den Leistungsschalter gemäß einem Body-Diodenschutzschema ein- und auszuschalten.
Absatz 41 - Das System nach Absatz 40, wobei das System ferner Folgendes umfasst: eine Mikrosteuerung, die dazu konfiguriert ist, der Treiberschaltung Steuersignale zuzuführen, wobei die Steuersignale die Ansteuerungssignale definieren.
Absatz 42 - Das System nach Absatz 40 oder 41, ferner umfassend: einen Widerstand; und eine Diode, wobei der Widerstand und die Diode zwischen dem Detektionspin und einem Knoten, der sich zwischen dem Leistungsschalter und einer induktiven Last befindet, positioniert sind.
Absatz 43 - Das System nach einem der Absätze 40 - 42, wobei zum Detektieren, ob die Body-Diode des Leistungsschalters Schutz bedarf, die Schutzlogik dazu konfiguriert ist, das Signal mit einer ersten Spannungsschwelle zu vergleichen, wobei die erste Spannungsschwelle eine negative Schwelle ist, und wobei zum Steuern des Leistungsschalters gemäß dem Body-Dioden-Schutzschema die Schutzlogik dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf, dass das Signal kleiner als die erste Spannungsschwelle ist, den Leistungsschalter einzuschalten, und wobei zum Steuern des Leistungsschalters gemäß dem Body-Dioden-Schutzschema die Schutzlogik ferner dazu konfiguriert ist, das Signal mit einer zweiten Spannungsschwelle zu vergleichen und als Reaktion darauf, dass das Signal größer als die zweite Spannungsschwelle ist, den Leistungsschalter wieder auszuschalten, wobei die zweite Spannungsschwelle eine zweite negative Schwelle oder null ist.
Absatz 44 - Das System nach einem der Absätze 40 - 43, wobei die Treiberschaltung ferner dazu konfiguriert ist: basierend auf einer Änderungsrate des Signals, wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist, zu detektieren, ob der Leistungsschalter zu einer SOA-Grenze des Leistungsschalters tendiert; und als Reaktion auf das Detektieren, dass der Leistungsschalter zu der SOA-Grenze tendiert, den Leistungsschalter zu deaktivieren.
Es sind in der vorliegenden Offenbarung verschiedene Aspekte beschrieben worden. Diese und weitere Aspekte liegen innerhalb des Schutzumfangs der folgenden Ansprüche.

Claims

Treiberschaltung, die zum Steuern eines Leistungsschalters, der eine Body-Diode aufweist, konfiguriert ist, wobei die Treiberschaltung Folgendes umfasst: einen Ausgangspin, wobei die Treiberschaltung dazu konfiguriert ist, Ansteuerungssignale von dem Ausgangspin zu dem Leistungsschalter zu liefern, um das Ein-/Ausschalten des Leistungsschalters zu steuern; einen Entsättigungs(DESAT)-Detektionspin, der dazu konfiguriert ist, ein Signal zu empfangen, das mit dem Leistungsschalter in Verbindung steht, wobei der Detektionspin einen Entsättigungs(DESAT)-Detektionspin umfasst; und eine Schutzlogik, die mit dem Detektionspin verbunden ist, wobei die Schutzlogik dazu konfiguriert ist: zu detektieren, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus befindet, wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist; als Reaktion auf das Detektieren, dass sich der Leistungsschalter in dem Entsättigungsmodus befindet, den Leistungsschalter zu deaktivieren; zu detektieren, ob die Body-Diode des Leistungsschalters Schutz bedarf, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist; und als Reaktion auf das Detektieren, dass die Body-Diode Schutz bedarf, den Leistungsschalter gemäß einem Body-Diodenschutzschema zu steuern.
Treiberschaltung nach Anspruch 1, wobei zum Detektieren, ob sich der Leistungsschalter in dem Entsättigungsmodus befindet, die Schutzlogik dazu konfiguriert ist, einen Signalwert des Signals mit einem Entsättigungsschwellenwert zu vergleichen.
Treiberschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei zum Detektieren, ob die Body-Diode des Leistungsschalters Schutz bedarf, die Schutzlogik dazu konfiguriert ist, das Signal mit einer negativen Spannungsschwelle zu vergleichen, wobei zum Steuern des Leistungsschalters gemäß dem Body-Dioden-Schutzschema die Schutzlogik dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf, dass das Signal kleiner als die negative Schwelle ist, den Leistungsschalter einzuschalten.
Treiberschaltung nach Anspruch 3, wobei die negative Schwelle ein programmierbarer Schwellenwert in der Treiberschaltung ist, der geändert werden kann, um die Treiberschaltung für verschiedene Lasten zu konfigurieren.
Treiberschaltung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die negative Spannungsschwelle ein erster Schwellenwert ist, wobei zum Steuern des Leistungsschalters gemäß dem Body-Dioden-Schutzschema die Schutzlogik ferner dazu konfiguriert ist, das Signal mit einem zweiten Schwellenwert zu vergleichen und als Reaktion darauf, dass das Signal größer als der zweite Schwellenwert ist, den Leistungsschalter wieder auszuschalten.
Treiberschaltung nach Anspruch 5, wobei der erste und der zweite Schwellenwert programmierbare Schwellenwerte in der Treiberschaltung sind, die geändert werden können, um die Treiberschaltung für verschiedene Lasten zu konfigurieren, und/oder wobei der zweite Schwellenwert entweder ein zweiter negativer Schwellenwert oder eine Masse ist.
Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Treiberschaltung dazu konfiguriert ist, bei Ausschalten des Leistungsschalters nach einer Austastzeit zu detektieren, ob die Body-Diode des Leistungsschalters Schutz bedarf.
Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Treiberschaltung ferner dazu konfiguriert ist: basierend auf einer Änderungsrate des Signals, wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist, zu detektieren, ob der Leistungsschalter zu einer Safe-Operating-Area(SOA)-Grenze des Leistungsschalters tendiert; und als Reaktion auf das Detektieren, dass der Leistungsschalter zu der SOA-Grenze tendiert, den Leistungsschalter zu deaktivieren.
Verfahren zum Steuern eines Leistungsschalters, der eine Body-Diode aufweist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Zuführen von Ansteuerungssignalen von einem Ausgangspin einer Treiberschaltung zu dem Leistungsschalter zum Steuern des Ein-/Ausschaltens des Leistungsschalters; Empfangen eines Signals, das mit dem Leistungsschalter in Verbindung steht, über einen Detektionspin der Treiberschaltung, wobei der Detektionspin einen Entsättigungs(DESAT)-Detektionspin umfasst; Detektieren, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus befindet, wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist; als Reaktion auf das Detektieren, dass sich der Leistungsschalter in dem Entsättigungsmodus befindet, Deaktivieren des Leistungsschalters; Detektieren, ob die Body-Diode des Leistungsschalters Schutz bedarf, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist; und als Reaktion auf das Detektieren, dass die Body-Diode Schutz bedarf, Steuern des Leistungsschalters gemäß einem Body-Diodenschutzschema.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Detektieren, ob sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, Vergleichen eines Signalwerts des Signals mit einem Entsättigungsschwellenwert umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Detektieren, ob die Body-Diode des Leistungsschalters Schutz bedarf, Vergleichen des Signals mit einer negativen Spannungsschwelle beinhaltet, wobei das Steuern des Leistungsschalters gemäß dem Body-Dioden-Schutzschema Folgendes umfasst: als Reaktion darauf, dass das Signal kleiner als die negative Schwelle ist, Einschalten des Leistungsschalters.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die negative Schwelle ein programmierbarer Schwellenwert in der Treiberschaltung ist, der geändert werden kann, um die Treiberschaltung für verschiedene Lasten zu konfigurieren.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die negative Spannungsschwelle ein erster Schwellenwert ist, wobei das Steuern des Leistungsschalters gemäß dem Body-Dioden-Schutzschema ferner Folgendes umfasst: Vergleichen des Signals mit einem zweiten Schwellenwert und als Reaktion darauf, dass das Signal größer als der zweite Schwellenwert ist, Ausschalten des Leistungsschalters.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der erste und der zweite Schwellenwert programmierbare Schwellenwerte in der Treiberschaltung sind, die geändert werden können, um die Treiberschaltung für verschiedene Lasten zu konfigurieren, und/oder wobei der zweite Schwellenwert entweder ein zweiter negativer Schwellenwert oder eine Masse ist.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend: bei Ausschalten des Leistungsschalters nach einer Austastzeit Detektieren, ob die Body-Diode des Leistungsschalters Schutz bedarf.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, ferner umfassend: basierend auf einer Änderungsrate des Signals, wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist, Detektieren, ob der Leistungsschalter zu einer Safe-Operating-Area(SOA)-Grenze des Leistungsschalters tendiert; und als Reaktion auf das Detektieren, dass der Leistungsschalter zu der SOA-Grenze tendiert, Deaktivieren des Leistungsschalters.
System, umfassend: einen Leistungsschalter, der einen Transistor aufweist; und eine Treiberschaltung, die dazu konfiguriert ist, den Leistungsschalter zu steuern, wobei die Treiberschaltung Folgendes umfasst: einen Ausgangspin, wobei die Treiberschaltung dazu konfiguriert ist, Ansteuerungssignale von dem Ausgangspin zu dem Leistungsschalter zu liefern, um das Ein-/Ausschalten des Leistungsschalters zu steuern; einen Detektionspin, der dazu konfiguriert ist, ein Signal zu empfangen, das mit dem Leistungsschalter in Verbindung steht, wobei der Detektionspin einen Entsättigungs(DESAT)-Detektionspin umfasst; und eine Schutzlogik, die mit dem Detektionspin verbunden ist, wobei die Schutzlogik dazu konfiguriert ist: zu detektieren, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus befindet, oder wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist; als Reaktion auf das Detektieren, dass sich der Leistungsschalter in dem Entsättigungsmodus befindet, den Leistungsschalter zu deaktivieren; zu detektieren, ob die Body-Diode des Leistungsschalters Schutz bedarf, wenn der Leistungsschalter ausgeschaltet ist; und als Reaktion auf das Detektieren, dass die Body-Diode Schutz bedarf, den Leistungsschalter gemäß einem Body-Diodenschutzschema ein- und auszuschalten.
System nach Anspruch 17, wobei das System ferner Folgendes umfasst: eine Mikrosteuerung, die dazu konfiguriert ist, der Treiberschaltung Steuersignale zuzuführen, wobei die Steuersignale die Ansteuerungssignale definieren, und/oder ferner umfassend: einen Widerstand; und eine Diode, wobei der Widerstand und die Diode zwischen dem Detektionspin und einem Knoten, der sich zwischen dem Leistungsschalter und einer induktiven Last befindet, positioniert sind.
System nach Anspruch 17 oder 18, wobei zum Detektieren, ob die Body-Diode des Leistungsschalters Schutz bedarf, die Schutzlogik dazu konfiguriert ist, das Signal mit einer ersten Spannungsschwelle zu vergleichen, wobei die erste Spannungsschwelle eine negative Schwelle ist, und wobei zum Steuern des Leistungsschalters gemäß dem Body-Dioden-Schutzschema die Schutzlogik dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf, dass das Signal kleiner als die erste Spannungsschwelle ist, den Leistungsschalter einzuschalten, und wobei zum Steuern des Leistungsschalters gemäß dem Body-Dioden-Schutzschema die Schutzlogik ferner dazu konfiguriert ist, das Signal mit einer zweiten Spannungsschwelle zu vergleichen und als Reaktion darauf, dass das Signal größer als die zweite Spannungsschwelle ist, den Leistungsschalter wieder auszuschalten, wobei die zweite Spannungsschwelle eine zweite negative Schwelle oder null ist.
System nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die Treiberschaltung ferner dazu konfiguriert ist: basierend auf einer Änderungsrate des Signals, wenn der Leistungsschalter eingeschaltet ist, zu detektieren, ob der Leistungsschalter zu einer Safe-Operating-Area(SOA)-Grenze des Leistungsschalters tendiert; und als Reaktion auf das Detektieren, dass der Leistungsschalter zu der SOA-Grenze tendiert, den Leistungsschalter zu deaktivieren.