DE102022104700A1

DE102022104700A1 - Überwachen eines sicheren betriebsbereichs (“safe operating area”; soa) eines leistungsschalters

Info

Publication number: DE102022104700A1
Application number: DE102022104700.8A
Authority: DE
Inventors: Tommaso Bacigalupo; Michael Krug; Marcus Nübling
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: US20220285927A1; US11539359B2; CN115001464A

Abstract

Diese Offenbarung ist auf Schaltungen und Techniken zum Schützen eines Leistungsschalters, wenn der Leistungsschalter EIN geschaltet ist, gerichtet. Eine Treiberschaltung kann basierend auf einem Signal an einem Detektionspin ermitteln, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus oder einem Überstromzustand befindet, und den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus oder Überstromzustand befindet, deaktivieren. Darüber hinaus kann die Treiberschaltung basierend auf einer Änderungsrate des Signals ermitteln, ob sich der Leistungsschalter auf einen Grenzwert für den sicheren Betriebsbereich (SOA) des Leistungsschalters zubewegt, und den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert zubewegt, deaktivieren.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft Leistungsschalter und insbesondere Techniken und Schaltungen zum Schützen von Leistungsschalterschaltungen vor verschiedenen Problemen, die auftreten können.
HINTERGRUND
Leistungsschalter werden in einer breiten Vielfalt von Anwendungen eingesetzt, um die an eine Last gelieferte Leistung zu steuern. Als Beispiele kann ein Leistungsschalter einen Feldeffekttransistor (FET), einen Bipolar-Transistor („bipolar junction transistor“; BJT), einen Galliumnitrid (GaN)-Schalter oder einen Siliziumkarbid (SiC)-Schalter oder möglicherweise einen Thyristor (silicon-controlled rectifier; SCR) aufweisen. Beispiele für FETs können einen Sperrschicht-Feldeffekttransistor („junction field-effect transistor“; JFET), Metalloxidhalbleiter-FET (MOSFET), Dual-Gate-MOSFET, Bipolartransistor mit isoliertem Gate („insulated-gate bipolar transistor“; IGBT), jede andere Art von FET oder eine beliebige Kombination hiervon beinhalten, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Beispiele für MOSFETs können PMOS, NMOS, DMOS oder jede andere Art von MOSFET oder eine beliebige Kombination hiervon beinhalten, sind jedoch nicht darauf beschränkt. MOSFETs können in Silizium, Galliumnitrid, Siliziumkarbid oder anderen Materialien gebildet werden. Beispiele für BJTs können PNP-, NPN-, Heteroübergangs- oder jede andere Art von BJT oder eine beliebige Kombination hiervon beinhalten, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Leistungsschalter werden typischerweise von einer Treiberschaltung über ein Modulationssteuersignal wie beispielsweise 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 Menge der über den Leistungsschalter an eine Last gelieferten Leistung zu steuern. Das Ein-/Ausschalten des Leistungsschalters zerhackt dessen Leistungsabgabe faktisch in diskrete Teile. Der Durchschnittswert der Spannung und/oder des Stroms, die/der einer Last zugeführt wird, kann durch Ein- und Ausschalten des Schalters mit einer hohen Geschwindigkeit gesteuert werden. Je länger der Schalter verglichen mit den Aus-Zeitperioden ein ist, desto höher ist die der Last zugeführte Gesamtleistung. Bei vielen Anwendungen werden zwei verschiedene Leistungsschalter in einer High-Side- und Low-Side-Konfiguration konfiguriert, und das Ein-/Ausschalten der beiden Leistungsschalter wird synchronisiert, um die gewünschte Leistung an einen zwischen dem High-Side- und dem Low-Side-Schalter positionierten Schaltknoten zu liefern. Die Erfinder haben einen Bedarf an einer verbesserten Steuerung von Leistungsschaltern festgestellt. Dementsprechend ist das Ziel der vorliegenden Erfindung die Verbesserung der Steuerung von Leistungsschaltern.
ÜBERBLICK
Das erwähnte Ziel wird durch die Schaltung nach Anspruch 1, das Verfahren nach Anspruch 11 sowie das System nach Anspruch 18 erreicht. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterentwicklungen werden durch die abhängigen Ansprüche abgececckt. Im Allgemeinen beschreibt diese Offenbarung Schaltungen und Techniken, die von einer Treiberschaltung beim Steuern eines Leistungsschalters angewandt werden. Die Schaltungen und Techniken können einen Schutz gegen eine Fehlfunktion des Leistungsschalters bieten, was bei einer breiten Vielfalt von Schaltungsanwendungen, insbesondere in Umgebungen, in denen Sicherheit eine Rolle spielt, wünschenswert sein kann. Es gibt viele verschiedene hierin beschriebene Schaltungen und Techniken, und diese verschiedenen Techniken können sich auf spezifische Lösungen zum Schützen des Leistungsschalters, wenn der Leistungsschalter EIN geschaltet ist, oder zum Schützen des Leistungsschalters, wenn der Leistungsschalter AUS geschaltet ist; beziehen.
Die Techniken dieser Offenbarung können sich einen bereits vorhandenen Detektionspin, der einer Treiberschaltung zugeordnet ist, zunutze machen. Der Detektionspin kann zum Beispiel einen sogenannten Entsättigungs („desaturation“; DESAT)-Pin oder möglicherweise einen Überstromschutz („overcurrent protection“; OCP)-Pin aufweisen. Die Schaltungen und Techniken dieser Offenbarung können den Detektionspin zur/zum DESAT- oder OCP-Überwachung und -Schutz verwenden, und die Techniken können den Detektionspin auch für dem Leistungsschalter zugeordnetw, zusätzliche Diagnose- oder Erkennungszwecke verwenden. Zum Beispiel kann der Detektionspin gemäß dieser Offenbarung verwendet werden, um einen Grenzwert für den sicheren Betriebsbereich („safe operating area“; SOA) des Leistungsschalters zu überwachen, wenn der Schalter in einem EIN-Zustand arbeitet. In diesem Fall kann die Treiberschaltung basierend auf einer Änderungsrate eines Signals an dem Detektionspin ermitteln, ob sich der Leistungsschalter auf einen SOA-Grenzwert zubewegt. Dabei kann die Treiberschaltung dazu ausgebildet sein, den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert zubewegt, zu deaktivieren, was helfen kann, den Leistungsschalter vor Fehlfunktion zu schützen.
Bei anderen Beispielen kann eine Treiberschaltung den Detektionspin verwenden, um zu überwachen, ob eine Bodydiode Schutz benötigt, wenn der Leistungsschalter AUS geschaltet ist. Ein derartiger Bodydiodenschutz des Leistungsschalters kann wünschenswert sein, um den Schalter vor einer Beschädigung zu schützen, die aufgrund von Strom oder Spannung auftreten kann, der/die von einer induktiven Last zu dem Schalter gelangen kann, wenn der Leistungsschalter AUS geschaltet ist. Dementsprechend kann in diesem Fall der Detektionspin von der Treiberschaltung verwendet werden, um zu überwachen, ob die Bodydiode des Leistungsschalters Schutz benötigt, und wenn dies der Fall ist, kann die Treiberschaltung den Leistungsschalter auf eine Weise, die die Bodydiode schützten kann, steuern.
Bei einem Beispiel beschreibt diese Offenbarung eine Treiberschaltung, die dazu ausgebildet ist, einen Leistungsschalter zu steuern. Die Treiberschaltung kann einen Ausgangspin aufweisen, wobei die Treiberschaltung dazu ausgebildet ist, Ansteuersignale von dem Ausgangspin an den Leistungsschalter zu liefern, um das EIN/AUS-Schalten des Leistungsschalters zu steuern. Die Treiberschaltung kann auch einen Detektionspin, der dazu ausgebildet ist, ein dem Leistungsschalter zugeordnetes Signal zu empfangen, aufweisen, wobei der Detektionspin einen DESAT-Detektionspin oder einen OCP-Pin aufweist. Zusätzlich kann die Treiberschaltung eine mit dem Detektionspin verbundene Schutzlogik aufweisen, wobei die Schutzlogik dazu ausgebildet ist: basierend auf dem Signal zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus oder Überstromzustand befindet, den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus oder Überstromzustand befindet, zu deaktivieren; basierend auf einer Änderungsrate des Signals zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter auf einen SOA-Grenzwert des Leistungsschalters zubewegt; und den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert zubewegt, zu deaktivieren.
Bei einem anderen Beispiel beschreibt diese Offenbarung ein Verfahren zum Steuern eines Leistungsschalters. Das Verfahren kann aufweisen: das Liefern von Ansteuersignalen von einem Ausgangspin an den Leistungsschalter, um das EIN/AUS-Schalten des Leistungsschalters zu steuern; das Empfangen eines dem Leistungsschalter zugeordneten Signals über einen Detektionspin, wobei der Detektionspin einen DESAT-Detektionspin oder einen OCP-Pin aufweist; das Ermitteln, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus oder einem Überstromzustand befindet, basierend auf dem Signal; das Deaktivieren des Leistungsschalters als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus oder Überstromzustand befindet, das Ermitteln, ob sich der Leistungsschalter auf einen SOA-Grenzwert des Leistungsschalters zubewegt; und das Deaktivieren des Leistungsschalters als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert zubewegt.
Bei einem anderen Beispiel beschreibt diese Offenbarung ein System, das aufweist: einen Leistungsschalter, der einen Transistor enthält; und eine Treiberschaltung, die dazu ausgebildet ist, den Leistungsschalter zu steuern. Die Treiberschaltung kann einen Ausgangspin aufweisen, wobei die Treiberschaltung dazu ausgebildet ist, Ansteuersignale von dem Ausgangspin an den Leistungsschalter zu liefern, um das EIN/AUS-Schalten des Leistungsschalters zu steuern, und einen Detektionspin, der dazu ausgebildet ist, ein dem Leistungsschalter zugeordnetes Signal zu empfangen, wobei der Detektionspin einen DESAT-Detektionspin oder einen OCP-Pin aufweist. Die Treiberschaltung kann auch eine mit dem Detektionspin verbundene Schutzlogik aufweisen, wobei die Schutzlogik dazu ausgebildet ist: basierend auf dem Signal zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus oder einem Überstromzustand befindet, den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus oder Überstromzustand befindet, zu deaktivieren; basierend auf einer Änderungsrate des Signals zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter auf einen SOA-Grenzwert des Leistungsschalters zubewegt; und den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert zubewegt, zu deaktivieren.
Bei einem weiteren Beispiel beschreibt diese Offenbarung eine Treiberschaltung, die dazu ausgebildet ist, einen Leistungsschalter, der eine Bodydiode enthält, zu steuern. Bei diesem Beispiel weist die Treiberschaltung einen Ausgangspin auf, wobei die Treiberschaltung dazu ausgebildet ist, Ansteuersignale von dem Ausgangspin an den Leistungsschalter zu liefern, um das EIN/AUS-Schalten des Leistungsschalters zu steuern, und einen Detektionspin, der dazu ausgebildet ist, ein dem Leistungsschalter zugeordnetes Signal zu empfangen, wobei der Detektionspin einen DESAT-Detektionspin aufweist. Die Treiberschaltung kann auch eine mit dem Detektionspin verbundene Schutzlogik aufweisen, wobei die Schutzlogik dazu ausgebildet ist: zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus befindet, wenn der Leistungsschalter EIN geschaltet ist; den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, zu deaktivieren; zu ermitteln, ob die Bodydiode des Leistungsschalters Schutz benötigt, wenn der Leistungsschalter AUS geschaltet ist; und den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass die Bodydiode Schutz benötigt, gemäß einem Bodydiodenschutzschema zu steuern.
Bei einem anderen Beispiel beschreibt diese Offenbarung ein Verfahren zum Steuern eines Leistungsschalters, der eine Bodydiode enthält. Das Verfahren kann aufweisen: das Liefern von Ansteuersignalen von einem Ausgangspin einer Treiberschaltung an den Leistungsschalter, um das EIN/AUS-Schalten des Leistungsschalters zu steuern; das Empfangen eines dem Leistungsschalter zugeordneten Signals über einen Detektionspin der Treiberschaltung, wobei der Detektionspin einen Entsättigungs (DESAT)-Detektionspin aufweist; das Ermitteln, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus befindet, wenn der Leistungsschalter EIN geschaltet ist; das Deaktivieren des Leistungsschalters als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, das Ermitteln, ob die Bodydiode des Leistungsschalters Schutz benötigt, wenn der Leistungsschalter AUS geschaltet ist; und das Steuern des Leistungsschalters gemäß einem Bodydiodenschutzschema als Reaktion auf das Feststellen, dass die Bodydiode Schutz benötigt.
Bei einem anderen Beispiel beschreibt diese Offenbarung ein System, das aufweist: einen Leistungsschalter, der einen Transistor enthält; und eine Treiberschaltung, die dazu ausgebildet ist, den Leistungsschalter zu steuern. Die Treiberschaltung kann einen Ausgangspin aufweisen, wobei die Treiberschaltung dazu ausgebildet ist, Ansteuersignale von dem Ausgangspin an den Leistungsschalter zu liefern, um das EIN/AUS-Schalten des Leistungsschalters zu steuern, und einen Detektionspin, der dazu ausgebildet ist, ein dem Leistungsschalter zugeordnetes Signal zu empfangen, wobei der Detektionspin einen DESAT-Detektionspin aufweist. Die Treiberschaltung kann auch eine mit dem Detektionspin verbundene Schutzlogik aufweisen, wobei die Schutzlogik dazu ausgebildet ist: zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus befindet oder wenn der Leistungsschalter EIN geschaltet ist; den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, zu deaktivieren; zu ermitteln, ob die Bodydiode des Leistungsschalters Schutz benötigt, wenn der Leistungsschalter AUS geschaltet ist; und den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass die Bodydiode Schutz benötigt, gemäß einem Bodydiodenschutzschema EIN und AUS zu schalten.
Einzelheiten von diesen und anderen Beispielen werden in den beiliegenden Zeichnungen und der Beschreibung unten dargelegt. Weitere Merkmale, Gegenstände und Vorteile werden aus der Beschreibung und den Zeichnungen und aus den Ansprüchen ersichtlich.
Figurenliste

1 ist ein Blockschaltbild eines Beispielsystems, das eine Leistungsschalterschaltung, eine Treiberschaltung und einen Controller enthält.
2 ist ein Blockschaltbild einer Beispiel-Gatetreiberschaltung, die einen Leistungstransistor, der mit einer induktiven Last verbunden ist, steuert.
3 ist ein Graph, der ein allgemeines Phänomen veranschaulicht, bei dem die Ausgangscharakteristik eines IGBTs von der Temperatur abhängt, was durch die Techniken dieser Offenbarung angegangen werden kann.
4 ist ein Zeitdiagramm, das eine Technik zur Ermittlung der Änderungsrate, die an einem Detektionspin der Treiberschaltung durchgeführt werden kann, zeigt.
5 ist ein weiteres Zeitdiagramm, das eine andere Technik zur Ermittlung der Änderungsrate, die an einem Detektionspin der Treiberschaltung durchgeführt werden kann, zeigt.
6A und 6B sind grafische Darstellungen von Strom und Spannung während des normalen Betriebs eines IGBTs.
7A und 7B sind grafische Darstellungen von Strom und Spannung während des Betriebs eines IGBTs bei Vorhandensein einer resistiven Kurzschlusses.
8A und 8B sind grafische Darstellungen von Strom und Spannung während des Betriebs eines IGBTs bei Vorhandensein eines induktiven Kurzschlusses, der im Laufe der Zeit zu SOA-Verletzungen führen kann.
9 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern eines Leistungsschalters veranschaulicht.
10 ist ein Blockschaltbild eines Beispielsystems, das eine Leistungsschalterschaltung, eine Treiberschaltung und einen Controller enthält.
11 ist ein Blockschaltbild einer Beispiel-Gatetreiberschaltung, die einen Leistungstransistor, der mit einer induktiven Last verbunden ist, steuert.
12 ist ein Schaltplan, der eine Induktionsmaschine (z. B. einen Dreiphasen-Elektromotor), die durch einen Satz von Leistungsschaltern gesteuert wird, zeigt.
13 ist ein Graph, der den Strom über die Zeit, der durch die Freilaufbewegung eines Elektromotors verursacht werden kann, darstellt.
14 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern eines Leistungsschalters, das von einer Treiberschaltung gemäß dieser Offenbarung durchgeführt werden kann, veranschaulicht.
15 ist ein Blockschaltbild eines Beispielsystems, das eine Leistungsschalterschaltung, eine Treiberschaltung und einen Controller enthält.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Diese Offenbarung beschreibt Schaltungen und Techniken, die von einer Treiberschaltung beim Steuern eines Leistungsschalters angewandt werden. Die Schaltungen und Techniken können einen Schutz gegen eine LeistungsschalterFehlfunktion bieten, was bei einer breiten Vielfalt von Schaltungsanwendungen, insbesondere in Umgebungen, in denen Sicherheit eine Rolle spielt, wünschenswert sein kann. Es gibt viele verschiedene hierin beschriebene Schaltungen und Techniken, und diese verschiedenen Techniken können sich auf spezifische Lösungen zum Schützen des Leistungsschalters, wenn der Leistungsschalter EIN geschaltet ist, oder zum Schützen des Leistungsschalters, wenn der Leistungsschalter AUS geschaltet ist, beziehen.
Die Techniken dieser Offenbarung können einen bereits vorhandenen, einer Treiberschaltung zugeordneten Detektionspin nutzen. Der Detektionspin kann zum Beispiel einen sogenannten Entsättigungspin (DESAT) oder möglicherweise einen Überstromschutz (OCP)-Pin aufweisen. DESAT-Pins können verwendet werden, um zu überwachen, ob ein Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus arbeitet, was unerwünscht ist. Wenn ein Leistungsschalter, wie durch ein Signal an dem DESAT-Pin bestimmt, im Entsättigungsmodus arbeitet, kann der Leistungsschalter deaktiviert werden. OCP-Pins werden auch für die Überwachung und den Schutz von Leistungsschaltern verwendet, und in diesem Fall kann der Leistungsschalter deaktiviert werden, wenn sich der Leistungsschalter, wie durch ein Signal an dem OCP-Pin bestimmt, in einem Überstromzustand befindet.
Die Techniken und Schaltungen dieser Offenbarung können ein Signal an dem bereits vorhandenen Detektionspin für zusätzliche, dem Leistungsschalter zugeordnete Diagnose- oder Ermittlungszwecke verwenden (z. B. zusätzlich zur DESAT-Erkennung oder zum OCP). Zum Beispiel kann der Detektionspin gemäß dieser Offenbarung verwendet werden, um einen Grenzwert für den sicheren Betriebsbereich („safe operating area“; SOA) des Leistungsschalters zu überwachen, wenn sich der Schalter im EIN-Zustand befindet. In diesem Fall kann die Treiberschaltung basierend auf der Änderungsrate eines Signals an dem Detektionspin ermitteln, ob sich der Leistungsschalter auf einen SOA-Grenzwert zubewegt. Dabei kann die Treiberschaltung dazu ausgebildet sein, den Leistungsschalter als Reaktion auf des Feststellen, dass sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert zubewegt, zu deaktivieren, was dazu beitragen kann, den Leistungsschalter vor Fehlfunktionen zu schützen. Bei einigen Beispielen kann der SOA-Grenzwert als ein Satz von Strom- und Spannungsbedingungen, unter denen der Leistungsschalter voraussichtlich ohne Selbstbeschädigung arbeiten kann, definiert werden.
Bei anderen Beispielen kann eine Treiberschaltung den Detektionspin verwenden, um zu überwachen, ob eine Bodydiode Schutz benötigt, wenn der Leistungsschalter AUS geschaltet ist. Ein derartiger Bodydiodenschutz des Leistungsschalters kann wünschenswert sein, um den Schalter vor einer Beschädigung zu schützen, die durch Strom und/oder Spannung entsteht, der/die von einer induktiven Last zu dem Schalter gelangen kann, wenn der Leistungsschalter AUS geschaltet ist. Dementsprechend kann bei derartigen Beispielen der Detektionspin von der Treiberschaltung verwendet werden, um zu überwachen, ob die Bodydiode des Leistungsschalters Schutz benötigt, und wenn dies der Fall ist, kann die Treiberschaltung den Leistungsschalter in einer Weise, die die Bodydiode des Leistungsschalters schützen kann, steuern, um eine Fehlfunktion des Leistungsschalters vermeiden zu helfen.
1 ist ein Blockschaltbild eines Beispielsystems 100, das eine Leistungsschalterschaltung 104, eine Treiberschaltung 102 und einen Controller 106 enthält. Der Controller 106 kann einen Mikroprozessor, der dazu ausgebildet ist, die Treiberschaltung 102 zu steuern, aufweisen. Insbesondere sendet der Controller 106 über den Eingangspin 112 Befehlssignale an die Treiberschaltung 102. Basierend auf diesen Befehlssignalen sendet die Treiberschaltung 102 EIN/AUS-Signale (z. B. Gatesteuersignale) an die Leistungsschalterschaltung 104, um den Leistungsschalter EIN oder AUS zu schalten.
Die Treiberschaltung 102 kann die Leistungsschalterschaltung 104 über Modulationssignale, die das EIN/AUS-Schalten eines Transistors in der Leistungsschalterschaltung 104 steuern können, an dem Ausgangspin 114 steuern. Die Modulationssignale können zum Beispiel Pulsweitenmodulationssignale (PWM), Pulsfrequenzmodulationssignale (PFM), Pulsdauermodulationssignale, Pulsdichtemodulationssignale oder eine andere Art von Modulationssteuersignalen, die verwendet werde, um einen Leistungstransistors zu steuern, aufweisen. Im Normalbetrieb können die Signale von der Treiberschaltung 102 über den Ausgangspin 114 an das Gate (oder einen anderen Steueranschluss) eines Leistungsschalters in der Leistungsschalterschaltung 104 angelegt werden, um das Ein-/Ausschalten des Leistungsschalters zu steuern und dadurch die durchschnittliche Menge an Leistung, die durch den Leistungsschalter an eine Last geliefert wird (in 1 nicht dargestellt), zu steuern. Im allgemeinsten Sinne kann die Treiberschaltung 102 jede Art von Treiber für jede Art von Leistungsschalter, z. B. einen High-Side-Schalter-Treiber, einen Low-Side-Schalter-Treiber, einen Treiber in einem Leistungssperrwandler oder einen bleibigen Treiber, der in einer beliebigen Schaltungsanordnung, die das EIN/AUS-Schalten von einem oder mehr Leistungsschaltern steuert, verwendet wird, aufweisen.
Die Leistungsschalter-Schaltung 104 kann einen Leistungstransistor aufweisen. Bei dem Beispiel von 1 kann der Leistungstransistor in der Leistungsschalterschaltung 104 einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) oder einen MOSFET aufweisen. Der MOSFET kann in Silizium gebildet sein, wobei der MOSFET in diesem Fall als Silizium-MOSFET bezeichnet werden kann. Alternativ kann der MOSFET in einem anderen Halbleitermaterial wie beispielsweise Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) gebildet sein, wobei der MOSFET in diesem Fall als SiC-MOSFET oder GaN-MOSFET bezeichnet werden kann.
Gemäß dieser Offenbarung enthält die Treiberschaltung 102 eine mit einem Detektionspin 116 verbundene Schutzlogik 10. Der Detektionspin 116 kann einen sogenannten DESAT-Pin oder einen OCP-Pin aufweisen. Die DESAT/OCP-Logik 12 bezieht sich auf eine Logik, die dazu ausgebildet ist, zu bestimmen, ob ein Leistungsschalter in der Leistungsschalterschaltung 104 in einem Entsättigungsmodus oder einem Überstromzustand (z. B. typischerweise dem einen oder dem anderen) arbeitet. Die DESAT/OCP-Logik 12 kann dazu ausgebildet sein, den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass der Leistungsschalter in der Leistungsschalterschaltung 104 im Entsättigungsmodus oder im Überstromzustand arbeitet, zu deaktivieren. Bei dem Beispiel der Entsättigung kann die Logik 12 dazu ausgebildet sein, eine Signalstärke des Signals an dem Detektionspin 116 mit einem Entsättigungsschwellenwert zu vergleichen, wenn der Leistungsschalter EIN geschaltet ist, um zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet. Das an dem Detektionspin 116 ermittelte Signal kann zum Beispiel ein Maß für den Spannungsabfall über dem Leistungsschalter in der Leistungsschalterschaltung 104 aufweisen. In einigen Fällen kann dieser Spannungsabfall über dem Leistungsschalter in der Leistungsschalterschaltung 104 als eine „Vce“-Spannung, die typischerweise eine Spannung zwischen einem Kollektor und einem Emitter eines IGBTs anzeigt, bezeichnet werden.
Gemäß dieser Offenbarung können zusätzlich zum Prüfen von DESAT oder OCP eine oder mehr Zusatzprüfungen von der Schutzlogik 10 basierend auf dem Signal oder den Signalen, die an dem Detektionspin 116 empfangen werden, durchgeführt werden. Insbesondere enthält die Schutzlogik 10 eine SOA-Vorhersagelogik 14. Die SOA-Vorhersagelogik 14 kann dazu ausgebildet sein, basierend auf einer Änderungsrate des Signals an dem Detektionspin 116 zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter auf einen SOA-Grenzwert des Leistungsschalters zubewegt. Darüber hinaus kann die SOA-Vorhersagelogik 14 dazu ausgebildet sein, den Leistungsschalter in dem Schaltkreis 104 als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwerte zubewegt, zu deaktivieren. Zum Beispiel kann die Änderungsrate des Signals an dem Detektionspin 116 mit einer erwarteten Rate verglichen werden. Wenn die Rate zu hoch ist, kann dies auf eine Tendenz zu einem SOA-Grenzwert hinweisen, was eine Beschädigung verursachen kann. Daher kann die SOA-Vorhersagelogik 14, wenn die Änderungsrate des Signals an dem Detektionspin 116 zu hoch ist, dazu ausgebildet sein, den Leistungsschalter in dem Leistungsschalterschaltkreis 104 zu deaktivieren. Die erwartete Rate kann in der SOA-Vorhersagelogik 14 für einen bestimmten Typ von Leistungsschalterschaltung vordefiniert werden. Die erwartete Rate könnte auch ein programmierbarer Parameter, der von einem Nutzer/Kunden durch Ändern des Parameters in einem nichtflüchtigen Speicher gesetzt werden kann, sein. Durch Deaktivieren des Leistungsschalters als Reaktion darauf, dass die Änderungsrate des Signals an dem Detektionspin 116 zu hoch ist, können die Techniken dazu beitragen, einen nachfolgenden Schaltzyklus, der den Leistungsschalter wahrscheinlich beschädigen könnte, zu vermeiden.
Bei einigen Beispielen kann die SOA-Vorhersagelogik 14, um zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert zubewegt, dazu ausgebildet sein, die Änderungsrate des Signals basierend auf zwei oder mehr Messungen einer Akkumulation des Signals zu bestimmen. Das Signal an dem Detektionspin 116 kann einen Spannungsabfall über dem Leistungsschalter anzeigen, und die zwei oder mehr Messungen der Akkumulation des Signals können verwendet werden, um eine Flanke der Akkumulation über eine Zeitperiode, die auf die Änderungsrate des Signals schließen lässt, zu definieren. Mit anderen Worten, zwei oder mehr Messungen und die Zeit zwischen derartigen Messungen können verwendet werden, um die Flanke, die die Änderungsrate des Signals an dem Detektionspin 116 definiert, zu definieren.
Der SOA-Grenzwert des Leistungsschalters kann temperaturabhängig sein. Dementsprechend kann in einigen Fällen die SOA-Vorhersagelogik 14 dazu ausgebildet sein, basierend auf der Änderungsrate des Signals an dem Detektionspin 116 und basierend auf einer dem Leistungsschalter zugeordneten Temperatur zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert des Leistungsschalters zubewegt. In diesem Fall kann die Temperatur des Leistungsschalters intern oder lokal gemessen oder möglicherweise basierend auf einem oder mehr Parametern oder Messungen abgeleitet werden. Unterschiedliche Änderungsraten des Signals an dem Detektionspin 116 können zum Beispiel abhängig von der Temperatur, bei der der Leistungsschalter arbeitet, akzeptabel oder inakzeptabel sein.
In einigen Fällen kann die SOA-Vorhersagelogik 14 dazu ausgebildet sein, auf das EIN-Schalten eines Leistungsschalters hin bis nach einer kurzen „Nichtbeachtungs“ („blanking“)- Periode zu warten, bevor sie Messungen oder Bestimmungen durchführt. Zum Beispiel kann sich die kurze „Nichtbeachtungs“-Periode auf eine Zeitperiode beziehen, die der Leistungsschalter benötigt, um einen stationären Zustand zu erreichen. Während Übergängen vom EIN- oder AUS-Zuständen kann der Leistungstransistor kurze Spannungs- oder Stromspitzen erfahren, aber diese sind nur Spitzen von kurzer Dauer, die typischerweise keine Probleme verursachen. Dementsprechend kann die Änderungsrate des Signals an dem Detektionspin 116, um wünschenswerte Bestimmungen zu erzielen, durch die SOA-Vorhersagelogik 14 über eine Zeitperiode bestimmt werden, wobei die Zeitperiode auf das EIN-Schalten des Leistungsschalters hin nach einer Nichtbeachtungs-Periode oder nachdem der Strom durch den Leistungsschalter einen Stromschwellenwert erreicht hat, beginnt. Auf diese Weise können durch Verzögern der Akkumulationsmessungen bis nach der Nichtbeachtungs-Periode oder bis nachdem der Strom durch den Leistungsschalter einen Stromschwellenwert erreicht hat, wünschenswertere Messungen und Bestimmungen durch die SOA-Vorhersagelogik 14 gemacht werden.
Bei einigen Beispielen kann die Änderungsrate des Signals an dem Detektionspin 116 auf eine dem Leistungsschalter zugeordnete Flankensteilheit schließen lassen. Bei einigen Beispielen kann die SOA-Vorhersagelogik 14 dazu ausgebildet sein, die Flankensteilheit basierend auf einer Menge an Zeit 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 die Menge an Zeit auf das EIN-Schalten des Leistungsschalters hin nach dem Abwarten einer Nichtbeachtungs-Periode (z. B. eine vordefinierte Zeitperiode) oder nachdem der Strom durch den Leistungsschalter einen Stromschwellenwert erreicht hat (z. B. eine Zeitperiode, die der Menge an Zeit entspricht, die der Strom durch den Leistungsschalter benötigt, um nach dem EIN-Schalten einen vordefinierten Stromschwellenwert zu erreichen), definiert werden.
Leistungsschalter, insbesondere IGBT- und SiC-Leistungsmodule, können verwendet werden, um Ströme im Bereich von mehreren hundert Ampere zu schalten. Der Schutz derartiger Module kann beinhalten:

a) DESAT - Entsättigungsschutz. DESAT kann sich auf das Überwachen von Vce über dem IGBT/SiC-Leistungsmodul beziehen. Wenn die Spannung zu groß wird, während der Strom zu groß wird, wird das Leistungsmodul abgeschaltet.
b) OCP - Überstromschutz. OCP kann sich auf das Überwachen der Spannung an einem dedizierten Leistungsmodul-Pin beziehen. Einige Leistungsmodule liefern eine verkleinerte Strominformation an einem dedizierten OCP-Pin.

Diese Schutzfunktionen können definierte Schwellenwerte, die manchmal beim Einschalten programmierbar sind, besitzen. In einigen Fällen wird immer, wenn der Schwellenwert erreicht wird, ein AUS-Schalten des Leistungsmoduls eingeleitet. Auf diese Weise können zerstörerische Ströme im Leistungsschalter ermittelt und verhindert werden.
Selbst mit DESAT- oder OCP-Schutz kann es jedoch Probleme beim Betrieb von Leistungsschaltern geben. Eine Beschädigung des Leistungsschalters kann auch unterhalb derartiger von der DESAT- oder OCP-Überwachung untersuchter zerstörerischer Ströme oder Schwellenwerte auftreten, beispielsweise, wenn der Leistungsschalter über eine längere Zeitperiode in Hochstromsituationen betrieben wird. Wenn zum Beispiel ein Leistungsschalter in eine hochinduktive Schaltung geschaltet wird, kann es zu einer Situation kommen, in der der Strom stetig ansteigt, aber nicht die Überstrom- oder Entsättigungsschutzschwellenwerte erreicht. In diesem Fall kann das nächste AUS-Schalten hohe Spannungen (aufgrund der Induktivität) in Verbindung mit (noch) hohen Strömen verursachen. Diese nicht wünschenswerte Situation kann zu SOA/RBSOA-Verletzungen, die den Leistungsschalter beeinträchtigen oder zerstören können, führen. RBSOA bezieht sich auf „sicherer Betriebsbereich bei umgekehrtem Bias“ („reverse bias safe operating area“). In einigen Fällen werden Leistungsmodule „überdimensioniert“, um sicherzustellen, dass SOA/RBSOA-Verletzungen im Worst-Case durch den Leistungsschalter bewältigt werden können, was jedoch die Kosten der Leistungsschalterproduktion erhöht.
Bei einigen Beispielen können die Techniken dieser Offenbarung die Verwendung von weniger teuren (qualitativ schlechteren) Leistungsschaltern in einer oder mehr Einstellungen ermöglichen, in denen Leistungsschalter zuvor überdimensioniert wurden, z. B. durch Sicherstellen, dass SOA/RBSOA-Verletzungen im Voraus vorhergesagt und vermieden werden. Dies kann auch helfen, die Ausbeute bei der Schaltungsherstellung zu verbessern, indem die Qualitätsschwelle, die für eine bestimmte Charge von Leistungsschaltern benötigt wird, im Schaltungsherstellungsprozess gesenkt wird. Anstatt Leistungsschalter überzudimensionieren, um Worst-Case-Szenarien zu bewältigen, können die Techniken dieser Offenbarung helfen, solche Worst-Case-Szenarien durch Überwachen und Schützen des SOAs des Leistungsmoduls in unseren IGBT/SiC-Gatetreibern vorherzusagen und zu vermeiden. Und durch Durchführen einer derartigen Überwachung und eines derartigen Schutzes über einen bereits vorhandenen Pin (z. B. DESAT oder OCP) können Kosten bei einer Implementierung, die in hohem Maße mit bestehenden Systemen kompatibel ist, verringert werden.
2 ist ein Blockschaltbild einer Beispiel-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, aufweisen kann. Bei diesem Beispiel kann der Leistungstransistor 210 einen IGBT aufweisen. Bei anderen Beispielen kann der Leistungstransistor 210 jedoch einen MOSFET, der eine Bodydiode (in 2 nicht gezeigt) enthält, aufweisen. Im Fall eines MOSFETs kann eine Bodydiode zum Beispiel einen parasitären PN-Übergang, der bei der Herstellung des MOSFETs gebildet wird, aufweisen. In jedem Fall kann der Treiber 20 über den Eingangspin 22, der mit einem Mikroprozessor verbunden werden 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 mehr Verstärker 202 können das Gate ansteuernde Signale basierend auf den an dem Eingangspin 22 empfangenen EIN/AUS-Befehlssignalen erzeugen. Die das Gate ansteuernden Signale können zum Beispiel PWM-Signale, PFM-Signale, Pulsdauermodulationssignale, Pulsdichtemodulationssignale oder eine andere Art von Modulationssteuersignal, das verwendet wird, um den Leistungstransistors 210 zu steuern, aufweisen. Im 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-/Aus-Schalten des Leistungstransistors 210 zu steuern und dadurch die durchschnittliche Menge an Leistung, die über den Leistungsschalter an die Last 250 geliefert wird, zu steuern. Ein Massepin 26 ist ebenfalls in 2 dargestellt.
Gemäß dieser Offenbarung enthält die Treiberschaltung 20 eine Logik 25, die mit einem DESAT-Pin 28 verbunden ist. Obwohl separat dargestellt, kann die Logik 25 Komparatoren 204 und 206 sowie einen Widerstand 208 zwischen einer Referenz-Vcc-Spannung und dem DESAT-Pin 28 enthalten. Außerhalb der Treiberschaltung 20 kann der DESAT-Pin 28 mit dem Widerstand 222 verbunden sein. Der Widerstand 222 ist mit der 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 zwischen dem Leistungstransistor 210 und der induktiven Last 250 befindlichen Knoten angeordnet. Diese Anordnung erlaubt es der Treiberschaltung 20, den DESAT-Pin 28 und die externe Diode 220 zu verwenden, um eine Spannung über dem Leistungstransistor 210, die im Falle eines IGBTs eine Kollektor-Emitter-Spannung (z. B. „Vce“) aufweisen kann, zu überwachen.
Die externe Diode 220 kann eine spannungsentkoppelnde Vorrichtung für die Treiberschaltung 20 aufweisen. Insbesondere entkoppelt die externe Diode 220 den dem Laststrompfad des Leistungstransistors 210 zugeordneten Hochspannungsbereich von dem Niederspannungsbereich der Treiberschaltung 20. Die Treiberschaltung 20 kann zum Beispiel bei weniger als 50 oder 60 Volt arbeiten, während der Laststrompfad des Leistungstransistors 210 in der Lage sein kann, Spannungen über 1000 Volt zu widerstehen.
Wenn der Leistungstransistor 210 EIN geschaltet ist, kann die Treiberschaltung 20 dazu ausgebildet sein, den Leistungstransistor 210 als Reaktion auf das Feststellen, dass der Leistungstransistor 210 in einem Entsättigungsmodus arbeitet, zu deaktivieren. Zum Beispiel kann der Komparator 204 dazu ausgebildet sein, eine Signalstärke an dem DESAT-Pin 28 mit einem Entsättigungsschwellenwert zu vergleichen, wenn der Leistungsschalter EIN ist. Auch hier kann das an dem DESAT-Pin 28 ermittelte Signal ein Maß für den Spannungsabfall über dem Leistungstransistor 210 aufweisen. Wenn das an dem DESAT-Pin 28 ermittelte Signal den DESAT-Schwellenwert überschreitet, kann die Logik 25 die Treiberschaltung 20 veranlassen, über den Ausgangspin 24 Ausgangssignale, die den Leistungstransistor 210 deaktivieren, zu senden. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann der DESAT-Schwellenwert näherungsweise 9 Volt betragen, obwohl verschiedene Transistoren höhere oder niedrigere DESAT-Schwellenwerte definieren können.
Gemäß dieser Offenbarung kann die Treiberschaltung 20 zusätzlich zum Prüfen der Entsättigung des Leistungstransistors 210 weiterhin dazu ausgebildet sein, eine oder mehr Zusatzprüfungen basierend auf dem Signal oder den Signalen, die an dem DESAT-Pin 28 empfangen werden, durchzuführen. Insbesondere enthält die Treiberschaltung 20 einen zusätzlichen Komparator 206 und eine zusätzliche Logik in der Logik 25, die dazu ausgebildet sind, basierend auf einer Änderungsrate des Signals an dem DESAT-Pin 28 zu ermitteln, ob sich der Leistungstransistor 210 auf einen SOA-Grenzwert zubewegt. Obwohl separat dargestellt, kann der Komparator 206 als Teil der Logik 25 in der Treiberschaltung 20 angesehen werden.
Die Treiberschaltung 20 kann dazu ausgebildet sein, den Leistungstransistor 210 als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungstransistor auf seinen SOA-Grenzwert zubewegt, zu deaktivieren. Zum Beispiel kann die Treiberschaltung 20 dazu ausgebildet sein, eine Änderungsrate des Signals an dem DESAT-Pin 28 zu ermitteln, und diese Änderungsrate kann mit einer erwarteten Rate verglichen werden. Wenn die Rate zu hoch ist, kann dies ein Hinweis auf eine Tendenz hin zu einem SOA-Grenzwert sein, die eine Beschädigung, beispielsweise in einem zukünftigen Schaltzyklus, verursachen kann. Daher kann die Treiberschaltung 20 dazu ausgebildet sein, den Leistungstransistor 210 zu deaktivieren, wenn die Änderungsrate des Signals an dem DESAT-Pin 28 zu hoch ist. Die erwartete Rate kann in der Logik 25 für einen gegebenen Typ von Leistungsschalterschaltung vordefiniert werden. Die erwartete Rate könnte auch ein programmierbarer Parameter sein, der von einem Nutzer/Kunden durch Ändern des Parameters in einem nichtflüchtigen Speicher eingestellt werden kann. Die Logik 25 kann eine Akkumulation über die Zeit, z. B. in dem Bereich von 1 - 2 Volt, überwachen, um die Änderungsrate der Spannung an dem DESAT-Pin 28 zu bestimmen. Der Komparator 206 kann mit einem oder mehr SOA-Schwellenwerten programmiert werden, um diese Änderungsrate, die eine Flankensteilheit des Leistungstransistors 210 definieren kann, zu bestimmen. Die SOA-Logik 20 kann einen Zähler enthalten, um die Spannungsakkumulation (z. B. die Änderung der Spannung) über die Zeit zu messen, oder um die Menge an Zeit zu messen, die die Spannung benötigt, um auf einen bestimmten Pegel (wie beispielsweise zwei Volt) zu akkumulieren, oder um die Menge an Zeit zu messen, die Spannung benötigt, um von einem Pegel (wie beispielsweise einem Volt) auf einen anderen Pegel (wie beispielsweise zwei Volt) zu akkumulieren. Bei anderen Beispielen kann die Logik 25 dazu ausgebildet sein, die Änderungsrate des Signals an dem DESAT-Pin 28 basierend auf zwei oder mehr Messungen einer Akkumulation des Signals über die Zeit zu bestimmen (z. B. zwei Messungen der Spannung an dem DESAT-Pin 28 und eine Menge an Zeit zwischen diesen Messungen), um zu ermitteln, ob sich der Leistungstransistor 210 auf den SOA-Grenzwert zubewegt. Auf diese und andere Weise kann die Treiberschaltung 20 die Änderungsrate des Signals an dem DESAT-Pin 28 messen. In jedem Fall kann die Treiberschaltung 20, wenn die Logik 25 bestimmt, dass die Änderungsrate des Signals an dem DESAT-Pin 28 eine akzeptable Änderungsrate überschreitet, Signale über den Ausgangspin 24 senden, um den Leistungstransistor 210 zu deaktivieren, was den Leistungstransistor 210 davor, jemals die Grenzwerte seines SOAs zu erreichen, schützen kann.
In einigen Fällen kann der SOA-Grenzwert des Leistungsschalters temperaturabhängig sein. 3 ist ein Graph, der ein allgemeines Phänomen, bei dem die Ausgangscharakteristik eines IGBTs von der Temperatur abhängig ist, veranschaulicht. Wie in 3 zu sehen ist, ist Vce einem Kollektorstrom zugeordnet, aber diese Zuordnung folgt einer Übertragungskurve eines IGBTs, die bei verschiedenen Temperaturen unterschiedlich ist. Zum Beispiel definiert die Übertragungskurve des IGBTs bei 1,6 Volt 1000 Ampere bei 170 Grad Celsius, aber bei 1,6 Volt definiert die Übertragungskurve des IGBTs näherungsweise 1500 Ampere bei 25 Grad Celsius. Bei einigen Beispielen können die Techniken dieser Offenbarung den temperaturabhängigen Betrieb des Leistungstransistors 210 erkennen und berücksichtigen. Mit anderen Worten, abhängig von der dem Leistungstransistor 210 zugeordneten Temperatur können unterschiedliche Änderungsraten des an dem DESAT-Pin 28 ermittelten Signals akzeptabel oder inakzeptabel sein. Dementsprechend kann die Logik 25 in einigen Fällen dazu ausgebildet sein, basierend auf der Änderungsrate des Signals an dem DESAT-Pin 28 und basierend auf einer dem Leistungstransistor 210 zugeordneten Temperatur zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert des Leistungsschalter zubewegt. In diesem Fall kann die dem Leistungstransistor 210 zugeordnete Temperatur intern oder lokal gemessen oder möglicherweise basierend auf einem oder mehr Parametern oder Messungen abgeleitet werden.
In einigen Fällen kann die Logik 25 zur SOA-Überwachung dazu ausgebildet sein, auf das EIN-Schalten eines Leistungsschalters hin vor dem Durchführen von Messungen oder Bestimmungen der Änderungsrate des Signals an dem DESAT-Pin 28 bis nach einer kurzen „Nichtbeachtungs“-Periode oder einer Zeitperiode, bis der Strom durch den Leistungsschalter einen Stromschwellenwert erreicht, zu warten. Zum Beispiel kann sich die kurze „Nichtbeachtungs“-Periode auf eine Zeitperiode beziehen, die der Leistungsschalter benötigt, um einen stationären Zustand zu erreichen, der durch eine vordefinierte Zeitperiode oder durch eine Menge an Zeit, die der Leistungstransistor 210 benötigt, um einen vordefinierten Pegel des Stromflusses zu erreichen, definiert sein kann. Während Übergängen von EIN- zu AUS-Zuständen kann der Leistungstransistor 210 kurze Spannungs- oder Stromspitzen erfahren, allerdings sind diese nur Spitzen von kurzer Dauer und verursachen normalerweise keine Probleme. Dementsprechend kann die Änderungsrate des Signals an dem DESAT-Pin 28 von der Logik 25 über eine Zeitperiode bestimmt werden, wobei die Zeitperiode auf das EIN-Schalten des Leistungsschalters hin nach einer Nichtbeachtungs-Periode oder nachdem der Strom durch den Leistungstransistor 210 einen Stromschwellenwert erreicht hat, beginnt, um gewünschte Bestimmungen zu erzielen. Auf diese Weise können durch Verzögern der Akkumulationsmessungen bis nach der Nichtbeachtungs-PPeriode oder nachdem der Strom durch den Leistungstransistor 210 einen Stromschwellenwert erreicht hat, wünschenswertere Messungen und Bestimmungen durch die Logik 25 gemacht werden.
Bei dem Beispiel kann die Änderungsrate des Signals an dem DESAT-Pin 28 auf eine dem Leistungsschalter zugeordnete Flankensteilheit schließen lassen. Bei einigen Beispielen kann die Logik 25 dazu ausgebildet sein, die Flankensteilheit basierend auf einer Menge an Zeit zwischen einer Akkumulation des Signals, das einen ersten Schwellenwert erreicht, und der Akkumulation des Signals, das einen zweiten Schwellenwert erreicht, zu bestimmen. Wie bei anderen Beispielen kann die Menge an Zeit auf das EIN-Schalten des Leistungsschalters hin definiert werden, nachdem eine Nichtbeachtungs-Periode abgewartet wurde oder nachdem der Strom durch den Leistungstransistor 210 einen Stromschwellenwert erreicht hat.
Allgemeiner kann die Temperaturabhängigkeit der SOA-Messungen auf eine Anzahl verschiedener Arten kompensiert werden. In einigen Fällen kann die Temperaturabhängigkeit durch Messen der anfänglichen DESAT-Spannung an dem DESAT-Pin 28, wenn der Leistungstransistor 210 EIN schaltet, und Verwenden dieser anfänglichen Temperatur als Referenzpunkt angegangen werden. In einigen Fällen kann die Temperaturabhängigkeit durch Anpassung von Schwellenwerten entsprechend einem oder mehr Temperaturelementen (z. B. temperaturabhängige Dioden oder temperaturabhängige Widerstände) in einem Leistungsmodul angegangen werden. Auch die Gate-Spannung des Leistungsmoduls kann zum Einstellen seines Grenzwerts berücksichtigt werden, da sich der Spannungsabfall über einem Leistungstransistor für einen definierten Strompegel als Funktion der zugeführten Gate-Spannung skalieren kann.
4 ist ein Zeitdiagramm, das eine Technik zur Ermittlung der Änderungsrate, die an einem Detektionspin der Treiberschaltung durchgeführt werden kann, zeigt. Bei diesem Beispiel kann ein Schwellenwert 40 einen Ampere-Schwellenwert für einen Strom durch den Leistungsschalter aufweisen, und der Schwellenwert 40 kann in der Treiberlogik gespeichert werden. Die Logik kann dazu ausgebildet sein, die Dauer des DESAT-Spannungssignals über dem Schwellenwert 40 zu messen. Bei dem Beispiel in 4 kann der Schwellenwert 40 800 Ampere entsprechen, obwohl für verschiedene Leistungsschalter andere Werte definiert werden können. Bei dem Beispiel von 4 kann der Leistungsschalter deaktiviert werden, wenn die EIN-Zeit oberhalb des Stromschwellenwerts 40 t_limit überschreitet.
5 ist ein weiteres Zeitdiagramm, das eine andere Technik zur Ermittlung der Änderungsrate an einem Detektionspin der Treiberschaltung zeigt. Bei diesem Beispiel kann die Treiberlogik einer Treiberschaltung die Zeit, zwischen der die Spannung an einem Detektionspin einen ersten Schwellenwert 50 erreicht und einen zweiten Schwellenwert 51 erreicht, messen. Mit zwei Spannungsmessungen und einer Zeit zwischen derartigen Messungen kann die Logik die Flankensteilheit (Tslew) bestimmen. In einigen Fällen kann der zweite Schwellenwert 51 eine Deltaspannung (z. B. eine Änderung) relativ zu dem ersten Schwellenwert 50 aufweisen. In einigen Fällen (wie in 5 gezeigt) kann der erste Schwellenwert als Strompegel definiert sein (z. B. 800 Ampere, was wiederum das Zeitfenster definiert, das der Leistungsschalter benötigt, um einen Stromfluss von 800 Ampere zu erreichen). Bei anderen Beispielen könnte der erste Schwellenwert jedoch als eine vordefinierte Nichtbeachtungs-Periode (z. B. eine Zeitperiode) definiert werden, wobei in diesem Fall der Pegel des Stroms nach dieser vordefinierten Nichtbeachtungs-Periode die erste Messung zum Bestimmen von Tslew bilden könnte.
6A und 6B sind grafische Darstellungen von Strom und Spannung während des normalen Betriebs eines IGBTs. Wie in 6A gezeigt, zeigt die Kurve 61 den Strompegel des IGBTs, der in einem gesättigten Bereich (nicht in einem linearen Bereich) arbeitet. Wie in 6B gezeigt, zeigt die Kurve 62 einen Spannungsabfall über dem IGBT (Vce) während eines derartigen normalen Betriebs.
7A und 7B sind grafische Darstellungen von Strom und Spannung während des Betriebs eines IGBTs bei Vorhandensein eines resistiven Kurzschlusses. Dementsprechend zeigen 7A und 7B den Betrieb der DESAT-Überwachung in Übereinstimmung mit dieser Offenbarung. Wie in 7A gezeigt, zeigt die Kurve 71 den Strompegel des IGBTs mit einem prompten Sprung, da der IGBT in einem entsättigten (linearen) Gebiet arbeitet und völlig überlastet ist. Wie in 7B gezeigt, zeigt die Kurve 72 einen Spannungsabfall über dem IGBT (Vce) während des Betriebs mit einer resistiven Schaltung. In diesem Fall rampt die DESAT-Spannung schnell aufwärts. Auf das Erreichen eines DESAT-Schwellenwertes unter diesen Bedingungen (z. B. 9 Volt) hin kann der Leistungsschalter deaktiviert werden, um eine Beschädigung/Zerstörung des Leistungsschalters zu vermeiden.
8A und 8B sind grafische Darstellungen von Strom und Spannung während des Betriebs eines IGBTs bei Vorhandensein eines induktiven Kurzschlusses (z. B. eines induktiven Kurzschlusses in der Last), was mit der Zeit zu SOA-Verletzungen führen könnte. Dementsprechend zeigen 8A und 8B die Funktionsweise der SOA-Überwachung, die mit der DESAT-Überwachung (wie beispielsweise der hier beschriebenen und in 7A und 7B gezeigten) kombiniert werden kann. Wie in 8A gezeigt, zeigt die Kurve 81 den Strompegel des IGBTs mit einem konstanten Anstieg der durch die Induktivität begrenzten Stromrate. In diesem Fall kann der IGBT in seinen linearen Betriebsbereich gelangen. Wie in 8B gezeigt, zeigt die Kurve 82 einen Spannungsabfall über dem IGBT (Vce) während des Betriebs bei Vorhandensein eines induktiven Kurzschlusses. In diesem Fall steigt die DESAT-Spannung mit einer linearen Änderungsrate über der Zeit an. Auf das Erkennen einer SOA-Grenzwertverletzung hin kann der Leistungsschalter deaktiviert werden, um eine Beschädigung/Zerstörung des Leistungsschalters zu vermeiden. Wiederum kann der SOA-Grenzwert wie hierin beschrieben basierend auf einer Änderungsrate eines Spannungspegels an dem DESAT-Pin (oder einem anderen Detektionspin) definiert und bestimmt werden. Die Änderungsrate kann, wie oben dargelegt, auf verschiedene Arten bestimmt werden.
9 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern eines Leistungsschalters, das von einer Treiberschaltung gemäß dieser Offenbarung durchgeführt werden kann, veranschaulicht. 9 wird aus der Perspektive der in 1 gezeigten Treiberschaltung 102 beschrieben, obwohl das Verfahren auch für eine Vielzahl anderer Treiberschaltungen gelten kann. Wie in 9 gezeigt, liefert die Treiberschaltung 102 Ansteuersignale von dem Ausgangspin 114 an einen Leistungsschalter in der Leistungsschalterschaltung 104, um das EIN/AUS-Schalten des Leistungsschalters zu steuern (901). Die Treiberschaltung 102 empfängt über einen Detektionspin 116 ein dem Leistungsschalter zugeordnetes Signal (902). Zum Beispiel kann der Detektionspin 116 einen bereits vorhandenen DESAT-Detektionspin oder einen bereits vorhandenen OCP-Pin aufweisen. Basierend auf dem Signal an dem Detektionspin 116 ermittelt die Treiberschaltung 102, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus oder in 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). Auch wenn sich der Leistungsschalter NICHT in einem Entsättigungsmodus oder Überstromzustand befindet (Nein-Zweig von 903), führt die Treiberschaltung 102 zusätzliche Prüfungen in Bezug auf den SOA durch. Insbesondere ermittelt die Treiberschaltung 102, ob sich der Leistungsschalter auf einen SOA-Grenzwert des Leistungsschalters zubewegt (904). Wenn sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert des Leistungsschalters zubewegt (Ja-Zweig von 904), deaktiviert die Treiberschaltung 102 den Leistungsschalter (905).
Wie oben erläutert, kann der Detektionspin einen bereits vorhandenen DESAT-Detektionspin aufweisen, wobei in diesem Fall das Ermitteln, ob sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet (903), das Vergleichen einer Signalstärke des Signals an dem DESAT-Detektionspin mit einem Entsättigungsschwellenwert enthalten kann, wenn der Leistungsschalter EIN ist.
Darüber hinaus kann, wie oben beschrieben, das Ermitteln, ob sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert zubewegt (904), das Bestimmen einer Änderungsrate des Signals an dem DESAT-Detektionspin basierend auf zwei oder mehr Messungen einer Akkumulation des Signals aufweisen, wobei das Signal einen Spannungsabfall über dem Leistungsschalter anzeigt und die zwei oder mehr Messungen der Akkumulation des Signals eine Flanke der Akkumulation über eine Zeitperiode, die auf die Änderungsrate des Signals schließen lässt, definieren. Zum Beispiel können zwei Spannungsmessungen und die Zeit zwischen ihnen verwendet werden, um die zwei oder mehr Messungen der Akkumulation des Signals zu definieren. Letztendlich können zwei oder mehr Messungen einer Akkumulation des Signals eine der Spannung über dem Leistungsschalter zugeordnete Flanke oder Flankensteilheit, die aufgrund der Wahrscheinlichkeit einer zukünftigen SOA-Verletzung als akzeptabel oder als erforderlich für die Deaktivierung des Schalters identifiziert werden kann, definieren.
Wie angemerkt kann die Treiberschaltung 102 in einigen Fällen die Temperatur in dem Leistungsschalter berücksichtigen, z. B. indem sie basierend auf der Änderungsrate des Signals und basierend auf einer dem Leistungsschalter zugeordneten Temperatur ermittelt, ob sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert des Leistungsschalters zubewegt. In einigen Fällen wird die Änderungsrate des Signals an dem Detektionspin 116 über eine Zeitperiode bestimmt, wobei die Zeitperiode auf das EIN-Schalten des Leistungsschalters hin nach einer Nichtbeachtungs-Periode oder nachdem der Strom durch den Leistungsschalter einen Stromschwellenwert erreicht, beginnt. Die Treiberschaltung 102 kann dazu ausgebildet sein, die Änderungsrate nach der Nichtbeachtungs-Periode oder nachdem der Strom durch den Leistungsschalter einen Stromschwellenwert erreicht, zu bestimmen, was es der Treiberschaltung 102 ermöglichen kann, Spannungs- oder Stromspitzen, die zu Beginn eines Schaltzyklus' beim EIN-Schalten des Leistungstransistors typisch sind, zu ignorieren.
Als zusätzliche Alternativen zu den oben beschriebenen Techniken und Schaltungen könnten die SOA-Schutztechniken dieser Offenbarung bei einigen Beispielen an einem separaten Pin der Treiberschaltung implementiert werden (z. B. getrennt von dem DESAT- oder OCP-Pin). Auch könnte ein Analog-Digital-Wandler (oder ein anderer Schaltkreis) verwendet werden, um die DESAT-Spannung an dem DESAT-Pin zu messen. Bei noch anderen Beispielen könnte durch die Treiberschaltung eine RC-Schaltung verwendet werden, um die Spannung an dem DESAT-Pin zu integrieren, und diese Integration könnte verwendet werden, um zu bestimmen, ob sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert zubewegt. Auch könnte die Treiberschaltung eine Schnellstromermittlung („fast-current detection“), z. B. über ein magnetisches Prinzip (Hall) oder ein Prinzip von indirektem Strom (Shunt), verwenden, um den Strompegel durch den Leistungsschalter zu überwachen.
Die obige Erörterung der 1 - 9 war allgemein mit einer Erörterung des prädiktiven Überwachens der SOA über einen bereits vorhandenen Detektionspin, der auch aus anderen Gründen, z. B. zu DESAT oder OCP, verwendet wird, verbunden. Das beschriebene SOA-Überwachen wird typischerweise durchgeführt, wenn ein Leistungstransistor EIN geschaltet ist, manchmal nach einer Zeitperiode des sich EIN befindens oder nachdem der Strom durch den Leistungstransistor, während er EIN ist, einen Stromschwellenwert erreicht hat.
Es gibt jedoch auch andere Situationen, in denen Probleme mit einem Leistungsschalter auftreten können, wenn der Leistungsschalter AUS geschaltet ist. Zum Beispiel gibt es Situationen, in denen ein Kurzschluss in einer induktiven Last einem Leistungsschalter eine Beschädigung zufügen kann, indem eine so genannte Bodydiode des Leistungsschalters überlastet wird, wenn der Leistungsschalter AUS geschaltet ist. Außerdem gibt es andere Situationen, in denen die Bodydiode überlastet werden kann, wenn der Leistungsschalter AUS geschaltet ist. Einige Leistungsschalter wie beispielsweise MOSFETs enthalten eine Bodydiode. Die Bodydiode kann einen parasitären PN-Übergang, der beim Herstellen des Leistungsschalters gebildet wird, aufweisen.
Bei einigen Beispielen dieser Offenbarung kann eine Treiberschaltung einen bereits vorhandenen Detektionspin verwenden, um zu überwachen, ob eine Bodydiode Schutz benötigt, wenn der Leistungsschalter AUS geschaltet ist. Ein derartiger Bodydiodenschutz des Leistungsschalters kann wünschenswert sein, um den Schalter vor Beschädigung, die aufgrund von Strom oder Spannung, der/die von einer induktiven Last zu dem Schalter gelangt, auftreten kann, wenn der Leistungsschalter AUS geschaltet ist, zu schützen. Dementsprechend kann in diesem Fall der Detektionspin von der Treiberschaltung verwendet werden, um zu überwachen, ob die Bodydiode des Leistungsschalters Schutz benötigt, und wenn dies der Fall ist, kann die Treiberschaltung den Leistungsschalter auf eine Weise, die die Bodydiode schützten kann, steuern.
10 ist ein Blockschaltbild eines Beispielsystems 1000, das eine Leistungsschalterschaltung 1004, eine Treiberschaltung 1002 und einen Controller 1006 enthält. Der Controller 1006 kann einen Mikroprozessor, der dazu ausgebildet ist, die Treiberschaltung 1002 zu steuern, aufweisen. Der Controller 1006 sendet über einen Eingangspin 1022 Befehlssignale an die Treiberschaltung 1002. Basierend auf diesen Befehlssignalen sendet die Treiberschaltung 1002 EIN/AUS-Signale (z. B. GateSteuersignale) an die Leistungsschalterschaltung 1004, um den Leistungsschalter EIN oder AUS zu schalten.
Zum Beispiel kann die Treiberschaltung 1002 die Leistungsschalterschaltung 1004 über Modulationssignale an dem Ausgangspin 1024, die das EIN/AUS-Schalten eines Transistors in der Leistungsschalterschaltung 1004 steuern können, steuern. Die Modulationssignale können zum Beispiel PWM-Signale, PFM-Signale, Pulsdauermodulationssignale, Pulsdichtemodulationssignale oder eine andere Art von Modulationssteuersignal, das zum Steuern eines Leistungstransistors verwendet wird, aufweisen. Im Normalbetrieb können die Signale von der Treiberschaltung 1002 über den Ausgangspin 1024 an das Gate (oder einen anderen Steueranschluss) eines Leistungsschalters in der Leistungsschalterschaltung 1004 angelegt werden, um das Ein-/Ausschalten des Leistungsschalters zu steuern und dadurch die durchschnittliche Menge an Leistung, die durch den Leistungsschalter an eine Last (in 10 nicht gezeigt) geliefert wird, zu steuern. Im allgemeinsten Sinne kann die Treiberschaltung 1002 jede Art von Treiber für jede Art von Leistungsschalter aufweisen, z. B. einen High-Side-Schalter-Treiber, einen Low-Side-Schalter-Treiber, einen Treiber in einem Leistungssperrwandler oder einen Treiber, der in einer beliebigen Schaltungsanordnung, die das EIN/AUS-Schalten von einem oder mehr Leistungsschaltern steuert, verwendet wird.
Die Leistungsschalter-Schaltung 1004 kann einen Leistungstransistor aufweisen. Bei dem Beispiel von 10 kann der Leistungstransistor in der Leistungsschaltung 1004 einen beliebigen Transistor, der eine Bodydiode enthält, beispielsweise einen MOSFET, aufweisen. Der MOSFET kann in Silizium gebildet sein, wobei der MOSFET in diesem Fall als Silizium-MOSFET bezeichnet werden kann. Alternativ kann der MOSFET auch in einem anderen Halbleitermaterial wie beispielsweise SiC oder GaN gebildet werden, wobei der MOSFET in diesem Fall als SiC-MOSFET oder GaN-MOSFET bezeichnet werden kann. Jeder andere Transistor, der eine Bodydiode enthält, kann von den Treibertechniken dieser Offenbarung profitieren, insbesondere, wenn er zum Steuern von Leistung an eine induktive Last verwendet wird. Die Bodydiode kann zum Beispiel einen parasitären PN-Übergang, der beim Herstellen des MOSFETs gebildet wird, aufweisen.
Gemäß dieser Offenbarung enthält die Treiberschaltung 1002 eine Schutzlogik 1010, die mit einem Detektionspin 1026 verbunden ist. Der Detektionspin 1026 kann einen sogenannten DESAT-Pin aufweisen. Eine DESAT-Logik 1012 bezieht sich auf eine Logik, die dazu ausgebildet ist, zu bestimmen, ob ein Leistungsschalter in der Leistungsschalterschaltung 1004 in einem Entsättigungsmodus arbeitet, wenn der Leistungsschalter EIN geschaltet ist. Die DESAT-Logik 1012 kann dazu ausgebildet sein, den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass der Leistungsschalter in der Leistungsschalterschaltung 1004 im Entsättigungsmodus arbeitet, zu deaktivieren. Zum Beispiel kann die DESAT-Logik 1012, um zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, dazu ausgebildet sein, eine Signalstärke des Signals an dem Detektionspin 1026 mit einem Entsättigungsschwellenwert zu vergleichen, wenn der Leistungsschalter EIN ist. Das an dem Detektionspin 1026 ermittelte Signal kann zum Beispiel ein Maß für den Spannungsabfall über dem Leistungsschalter in der Leistungsschalterschaltung 1004 aufweisen.
Gemäß dieser Offenbarung können zusätzlich zum Prüfen von DESAT eine oder mehr zusätzliche Prüfungen durch die Schutzlogik 1010 basierend auf dem Signal oder den Signalen, die an dem Detektionspin 1026 empfangen werden, durchgeführt werden. Bei dem Beispiel von 10 enthält die Schutzlogik 1010 die Bodydiodenschutzlogik 1014. Die Bodydiodenschutzlogik 1014 kann dazu ausgebildet sein, zu ermitteln, ob die Bodydiode des Leistungsschalters einen Schutz benötigt, wenn der Leistungsschalter AUS geschaltet ist, und den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass die Bodydiode einen Schutz benötigt, gemäß einem Bodydiodenschutzschema zu steuern. Wie unten ausführlicher beschrieben, kann das Bodydiodenschutzschema das Wiedereinschalten des Schalters und möglicherweise das erneute AUS-Schalten beinhalten, und dieser Prozess des EIN- und AUS-Schaltens kann sich auf eine Weise, die die Bodydiode vor anderweitig schädlichen Bedingungen schützen kann, wiederholen.
Die DESAT-Logik 1012 bezieht sich auf eine Logik, die dazu ausgebildet ist, zu bestimmen, ob ein Leistungsschalter in der Leistungsschalterschaltung 1004 in einem Entsättigungsmodus oder in einem Überstromzustand (z. B. typischerweise dem einen oder dem anderen) arbeitet. Die DESAT-Logik 1012 kann dazu ausgebildet sein, den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass der Leistungsschalter in der Leistungsschalterschaltung 1004 im Entsättigungsmodus oder im Überstromzustand arbeitet, zu deaktivieren. Bei dem Beispiel der Entsättigung kann die DESAT-Logik 1012 dazu ausgebildet sein, eine Signalstärke des Signals an dem Detektionspin 1026 mit einem Entsättigungsschwellenwert zu vergleichen, wenn der Leistungsschalter EIN geschaltet ist, um zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet. Das an dem Detektionspin 1026 erfasste Signal kann zum Beispiel ein Maß für den Spannungsabfall über dem Leistungsschalter in der Leistungsschalterschaltung 1004 aufweisen. In einigen Fällen kann dieser Spannungsabfall über dem Leistungsschalter in der Leistungsschalterschaltung 1004 als „Vce“-Spannung, die typischerweise eine Spannung zwischen einem Kollektor und einem Emitter eines IGBTs anzeigt, bezeichnet werden.
Um zu ermitteln, ob die Bodydiode des Leistungsschalters in der Leistungsschalterschaltung 1004 Schutz benötigt, ist die Bodydiodenschutzlogik 1014 dazu ausgebildet, das Signal an dem Detektionspin 1026 mit einem negativen Spannungsschwellenwert zu vergleichen, wenn der Leistungsschalter AUS geschaltet ist. Wenn die Bodydiodenschutzlogik 1014 bestimmt, dass das Signal an dem Detektionspin 1026 niedriger als der negative Schwellenwert ist, wird der Leistungsschalter AUS geschaltet, und die Bodydiodenschutzlogik 1014 kann dazu ausgebildet sein, den Leistungsschalter gemäß einem Diodenschutzschema einzuschalten.
Der negative Spannungsschwellenwert kann einen programmierbaren Schwellenwert in der Treiberschaltung, der geändert werden kann, um die Treiberschaltung für unterschiedliche Lasten zu konfigurieren, aufweisen. Die Treiberschaltung 1002 kann mit Standard-Bodydiodenschutzschwellenwerten programmiert sein, jedoch können diese durch den Nutzer konfiguriert oder umkonfiguriert werden. Bei einigen Beispielen ist der negative Spannungsschwellenwert ein erster Schwellenwert. In diesem Fall kann die Bodydiodenschutzlogik 1014, um den Leistungsschalter gemäß dem Bodydiodenschutzschema zu steuern, weiterhin dazu ausgebildet sein, das Signal an dem Detektionspin 1026 mit einem zweiten Schwellenwert zu vergleichen, und als Reaktion darauf, dass das Signal höher als der zweite Schwellenwert ist, kann die Treiberschaltung 1002 dazu ausgebildet sein, den Leistungsschalter als Teil des Bodydiodenschutzschemas wieder auszuschalten. Auch hier kann das Bodydiodenschutzschema einen Prozess des EIN- und AUS-Schaltens des Leistungsschalters beinhalten, und dieser Prozess kann sich auf eine Weise, die die Bodydiode vor anderweitig beschädigenden Bedingungen schützen kann, wiederholen. Sowohl der erste als auch der zweite Schwellenwert können programmierbare Schwellenwerte in der Treiberschaltung, die geändert werden können, um die Treiberschaltung für unterschiedliche Lasten zu konfigurieren, aufweisen. Der zweite Schwellenwert kann einen zweiten negativen Schwellenwert oder möglicherweise eine Massespannung aufweisen.
Der Bodydiodenschutzprozess kann nach einer Nichtbeachtungs-Periode beginnen, damit Spannungs- oder Stromspitzen während eines Schaltzyklus' ignoriert werden können. Die Nichtbeachtungs-Periode kann eine feste Zeitperiode aufweisen oder kann eine Menge an Zeit, bevor der Strom durch den Leistungsschalter auf irgendeinen Stromschwellenwert reduziert ist, aufweisen. Dementsprechend kann die Bodydiodenschutzlogik 1014 der Treiberschaltung 1002, wenn die Treiberschaltung 1002 den Leistungsschalter in der Leistungsschalterschaltung 1004 auf AUS schaltet, bei einigen Beispielen dazu dienen, nach einer Nichtbeachtungs-Periode zu ermitteln, ob die Bodydiode des Leistungsschalters Schutz benötigt.
Bei vielen Schaltungsanwendungen werden Leistungsschalter (auch Leistungstransistoren oder Leistungsmodule genannt) üblicherweise verwendet, um Ströme im Bereich von mehreren hundert Ampere zu schalten. Im Falle eines Ausfalls des Hauptinverters muss das System in einen sicheren Zustand schalten. Zum Beispiel ist dieser Ausfallschutz bei elektrischen Verkehrsmitteln für Passagiere des Verkehrsmittels erforderlich.
Bei einer Induktionsmaschine (z. B. einem Asynchronmotor oder ASM), bei einem fremderregten Motor („external excited motor“; EESM) oder einer Permanentmagnet-Synchronmaschine (PMSM) ohne aktive Kurzschlussfähigkeiten kann der sichere Zustand des Systems darin bestehen, die Leistungsschalter zu öffnen, so dass die Energie, die in den Wicklungen oder im Käfig der Maschine gespeichert sein kann, kein Drehmoment auf die Räder ausübt. Der Nachteil dieses sicheren Zustands besteht darin, dass der Strom nicht gesteuert werden kann, und in einigen Fällen kann der Strom Stromspitzen über Tausende von Ampere, die durch die umgekehrte Bodydiode („reverse body diode“) des Leistungshalbleiters fließen, erreichen. Derartige Situationen können den Leistungsschalter möglicherweise beschädigen oder zerstören.
Mögliche Lösungen für dieses Problem können beinhalten:

• Einschränkungen, dass SiC/GaN-MOSFETs nicht mit einer ASM oder einem EESM oder einer PMSM ohne aktive Kurzschlussfähigkeiten verwendet werden können
• Einschränkungen, dass der Leistungs-MOSFET überdimensioniert sein muss, um eine ausreichende Die-Größe und thermische Kapazität zu besitzen, um den hohen auftretenden Strömen durch seine Bodydiode standzuhalten
• Einschränkungen, dass der Leistungs-MOSFET möglicherweise eine zusätzliche Diode parallel zu seiner Bodydiode benötigt, um die auftretenden Ströme durch seine Bodydiode zu teilen
• Einschränkungen, die eine Spannungsüberwachung des Stroms über die Bodydiode mit externen Komponenten erfordern, die im Falle eines Leistungssperrwandlers möglicherweise an einen Mikrocontroller, der ein galvanisch getrennter „primärseitiger“ Controller sein kann, der von einem „sekundärseitigen Leistungsschalter“ galvanisch getrennt ist, zurückübertragen werden müssen.

Alle diese möglichen Lösungen besitzen jedoch sehr hohe, mit den Lösungen verbundene Kosten und/oder Komplexitäten.
Das Bodydiodenschutzschema dieser Offenbarung, das an einem vorhandenen Detektionspin ausgeführt werden kann, wenn der Leistungsschalter AUS geschaltet ist, kann eine bessere Lösung als die oben genannten bieten. In einigen Situationen können es die Techniken dieser Offenbarung ermöglichen, dass SiC-Leistungsmodule mit ASMs, EESMs oder PMSMs ohne aktive Kurzschlussfähigkeiten verwendet werden.
Die Techniken dieser Offenbarung können eines oder mehr oben beschriebene Probleme durch Überwachen der Vorwärtsspannung der (umgekehrten („reverse“)) Bodydiode eines Leistungshalbleiters mit seinem Gatetreiber lösen. Wenn ein hoher Strom durch die Bodydiode fließt, kann der Leistungsschalter EIN geschaltet werden, um den Strom zu übernehmen. Aufgrund seines niedrigen Rds_ON kann weniger Energie in dem Leistungsmodul absorbiert werden. Durch Nutzen eines bereits vorhandenen Pins, der, wie beispielsweise ein vorhandener DESAT-Pin, untermassefähig („under-ground capable“) ist, werden keine zusätzlichen Kosten erzeugt, und die Implementierung kann in hohem Maße kompatibel zu bestehenden Gatetreibern sein.
11 ist ein Blockschaltbild einer Beispiel-Treiberschaltung 1101, die einen Leistungstransistor 1110, der mit einer induktiven Last 1150 verbunden ist, steuert. Bei diesem Beispiel kann der Leistungstransistor 1110 einen beliebigen Leistungstransistor, der, wie beispielsweise ein MOSFET, eine Bodydiode 1115 enthält, aufweisen. Die Bodydiode 1115 weist einen parasitären PN-Übergang, der beim Herstellen des Leistungstransistors 1110 gebildet wird, auf. Die Treiberschaltung 1101 kann einen Gatetreiber, der über einen Eingangspin 1122, der mit einem Mikroprozessor verbunden sein kann, EIN/AUS-Befehlssignale empfängt, aufweisen. Basierend auf diesen EIN/AUS-Befehlssignalen sendet die Treiberschaltung 1101 über einen Ausgangspin 1124 EIN/AUS-Signale an das Gate des Leistungstransistors 1110. Ein oder mehr Verstärker 1102 können die Gate-Ansteuersignale basierend auf den an dem Eingangspin 1122 empfangenen EIN/AUS-Befehlssignalen erzeugen. Die Gate-Ansteuersignale können zum Beispiel PWM-Signale, PFM-Signale, Pulsdauermodulationssignale, Pulsdichtemodulationssignale oder eine andere Art von Modulationssteuersignal, das verwendet wird, um den Leistungstransistor 1110 zu steuern, aufweisen. Im Normalbetrieb werden die Signale von der Treiberschaltung 1101 über den Ausgangspin 1124 an das Gate (oder einen anderen Steueranschluss) des Leistungstransistors 1110 angelegt, um das Ein-/Ausschalten des Leistungstransistors 1110 zu steuern und dadurch die durchschnittliche Menge der durch den Leistungsschalter an die induktive Last 1150 gelieferten Leistung zu steuern. Ein Massepin 1126 ist ebenfalls in 11 dargestellt.
Gemäß dieser Offenbarung enthält die Treiberschaltung 1101 eine Logik 1125, die mit einem DESAT-Pin 1128 verbunden ist. Obwohl separat dargestellt, kann die Logik 1125 Komparatoren 1108, 1104 und 1106 sowie einen Widerstand 1108 zwischen einer Referenz-Vcc-Spannung und dem DESAT-Pin 1128 enthalten. 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 zwischen dem Leistungstransistor 1110 und der induktiven Last 1150 befindlichen Knoten positioniert. Diese Anordnung ermöglicht es der Treiberschaltung 1101, den DESAT-Pin 1128 und die externe Diode 1130 zu verwenden, um eine negative Spannung über dem Leistungstransistor 1110 zu überwachen, wenn der Leistungstransistor 1110 ausgeschaltet ist.
Die externe Diode 1120 kann eine Spannungsentkopplungseinrichtung für die Treiberschaltung 1101 aufweisen. Insbesondere entkoppelt die externe Diode 1120 den Hochspannungsbereich, der dem Laststrompfad des Leistungstransistors 1110 zugeordnet ist, von dem Niederspannungsbereich der Treiberschaltung 1101. Die Treiberschaltung 1101 kann zum Beispiel mit weniger als 50 oder 60 Volt arbeiten, während der Laststrompfad des Leistungstransistors 1110 in der Lage sein kann, Spannungen über 1000 Volt standzuhalten.
Wenn der Leistungstransistor 1110 EIN geschaltet ist, kann die Treiberschaltung 1101 dazu ausgebildet sein, den Leistungstransistor 1110 als Reaktion auf das Feststellen, dass der Leistungstransistor 1110 in einem Entsättigungsmodus arbeitet, zu deaktivieren. Zum Beispiel kann der Komparator 1108 dazu ausgebildet sein, eine Signalstärke des Signals an dem DESAT-Pin 1128 mit einem Entsättigungsschwellenwert zu vergleichen, wenn der Leistungsschalter EIN ist. Auch hier kann das an dem DESAT-Pin 1128 ermittelte Signal ein Maß für den Spannungsabfall über dem Leistungstransistor 1110 aufweisen. Wenn das an dem DESAT-Pin 1128 ermittelte Signal den DESAT-Schwellenwert (wie durch den Komparator 1108 bestimmt) überschreitet, kann die Logik 1125 die Treiberschaltung 1101 veranlassen, über den Ausgangspin 1128 Ausgangssignale, die den Leistungstransistor 1110 deaktivieren, zu senden. Der DESAT-Schwellenwert kann zum Beispiel näherungsweise 9 Volt betragen, obwohl verschiedene Transistoren höhere oder niedrigere DESAT-Schwellenwerte definieren können.
Gemäß dieser Offenbarung kann die Treiberschaltung 1101 zusätzlich zum Prüfen der Entsättigung des Leistungstransistors 1110, wenn der Leistungstransistor 1110 EIN geschaltet ist, dazu ausgebildet sein, eine oder mehr zusätzliche Prüfungen basierend auf dem Signal oder den Signalen, die an dem DESAT-Pin 1128 empfangen werden, auszuführen, wenn der Leistungstransistor 1110 AUS geschaltet ist. Insbesondere enthält die Treiberschaltung 1101 zusätzliche Komparatoren 1104 und 1106, sowie eine zusätzliche Logik in der Logik 1125, die dazu ausgebildet ist, zu ermitteln, ob die Bodydiode 1115 des Leistungstransistors 1110 Schutz benötigt. Obwohl separat dargestellt, können die zusätzlichen Komparatoren 1104 und 1106 als Teil der Logik 1125 in der Treiberschaltung 1101 angesehen werden.
Die Treiberschaltung 1101 kann dazu ausgebildet sein, zu ermitteln, ob die Bodydiode 1115 des Leistungstransistors 1110 Schutz benötigt, wenn der Leistungstransistor 1110 AUS geschaltet ist, und als Reaktion auf das Feststellen, dass die Bodydiode 1115 Schutz benötigt, kann die Treiberschaltung 1101 dazu ausgebildet sein, den Leistungsschalter 1110 gemäß einem Bodydiodenschutzschema zu steuern. Zum Beispiel kann der Komparator 1104 dazu ausgebildet sein, zu ermitteln, ob die Bodydiode 1115 Schutz benötigt, indem er das Signal an dem DESAT-Pin 1128 mit einem negativen Spannungsschwellenwert vergleicht. Wenn in diesem Fall die Spannung an dem DESAT-Pin 1128 niedriger als der negative Spannungsschwellenwert ist (d. h. eine höhere negative Spannungsstärke als den negativen Spannungsschwellenwert besitzt), kann die Treiberschaltung 1101 dazu ausgebildet sein, den Leistungsschalter gemäß dem Bodydiodenschutzschema zu steuern. Für den Bodydiodenschutz kann die Logik 1125 dazu ausgebildet sein, den Leistungsschalter als Reaktion darauf, dass der Komparator 1104 feststellt, dass das Signal an dem DESAT-Pin 1128 niedriger als der negative Schwellenwert ist, EIN zu schalten. Der negative Schwellenwert des Komparators 1104 kann einen programmierbaren Schwellenwert, der geändert werden kann, um die Treiberschaltung 1101 für unterschiedliche Lasten zu konfigurieren, aufweisen.
Bei einigen Beispielen kann der negative Spannungsschwellenwert (z. B. der Schwellenwert 2) des Komparators 1104 einen dem Bodydiodenschutz zugeordneten ersten Schwellenwert aufweisen. Auf das EIN-Schalten des Leistungsschalters 1110 für das Diodenschutzschema hin kann der Komparator 1106 weiterhin dazu ausgebildet sein, das Signal an dem DESAT-Pin mit einem zweiten Schwellenwert (z. B. dem Schwellenwert 3) zu vergleichen, und als Reaktion darauf, dass das Signal an dem DESAT-Pin hinsichtlicher der Spannung höher als der zweite Schwellenwert ist, kann die Treiberschaltung 1101 den Leistungsschalter wieder AUS-Schalten. Sowohl der erste Schwellenwert (z. B. der Schwellenwert 2 von 11) als auch der zweite Schwellenwert (z. B. der Schwellenwert 3 von 11) können in der Treiberschaltung programmierbare Schwellenwerte aufweisen, die geändert werden können, um den Bodydiodenschutz der Treiberschaltung 1101 für unterschiedliche Lasten oder für verschiedene Transistoren zu konfigurieren. Der zweite Schwellenwert (z. B. der Schwellenwert 3 von 11) kann entweder einen zweiten negativen Schwellenwert oder eine Masse aufweisen. Auch kann die Treiberschaltung 1101 in einigen Fällen dazu ausgebildet sein, auf das AUS-Schalten des Leistungsschalters hin zu ermitteln, ob die Bodydiode des Leistungsschalters nach einer Nichtbeachtungs-Periode Schutz benötigt, wodurch kurzen Spannungs- oder Stromspitzen, die ignoriert werden können, Rechnung getragen werden kann.
Im Betrieb können die Komparatoren 1104 und 1106 ein Spannungsband für das Bodydiodenschutzschema definieren. Das Bodydiodenschutzschema kann das EIN-Schalten des Schalters beinhalten (z. B. als Reaktion auf eine negative Spannung unterhalb des negativen Spannungsschwellenwerts 2 des Komparators 1104), und dann das erneute AUS-Schalten des Schalters (z. B. als Reaktion auf eine Spannung oberhalb des Schwellenwerts 3 des Komparators 1106). Dieser Bodydiodenschutzprozess des EIN- und AUS-Schaltens kann sich in einer Weise wiederholen, die die Bodydiode vor ansonsten schädlichen Bedingungen, die ansonsten durch einen Kurzschluss in der induktiven Last 1150 verursacht werden, schützen kann.
Bei einigen Beispielen verwendet diese Offenbarung einen DESAT-Pin (z. B. 1128) und eine externe Diode (z. B. 1130), um die Spannung über einem Leistungstransistor (z. B. 1110) zu überwachen. Gemäß dieser Offenbarung kann eine Treiberschaltung zusätzlich zur DESAT-Überwachung dazu ausgebildet sein, zwei weitere Spannungspegel, die unter Masse liegen (oder möglicherweise auf Masse für den zweiten Spannungspegel), zu überwachen, um die Vorwärtsspannung der Bodydiode in dem Leistungshalbleiter zu ermitteln. Beide dieser Bodydiodenschutzschwellenwerte können programmierbar sein. Für diese Schwellenwertpegel kann eine weitere (optional programmierbare) Nichtbeachtungszeit zu irgendwelchen bestehenden Nichtbeachtungszeiten hinzugefügt werden. Anders als eine typische DESAT-Überwachung kann das Überwachen der Bodydiodenspannung einen oder mehr Pegel, die ausgewertet werden, wenn der Leistungstransistor AUS geschaltet ist, enthalten. Sobald ein erster Schwellenwertpegel (z. B. der Schwellenwert 2 von 11) unter Masse überschritten wird, kann der Leistungstransistor 1110 EIN geschaltet werden, solange die Spannung an dem DESAT-Pin 1128 über der zweiten Schwellenwertgrenze (z. B. dem Schwellenwert 3 von 11), die ein anderer negativer Spannungspegel oder Masse sein kann, liegt.
Während des Bodydiodenschutzes wird der Leistungstransistor 1110 durch die Treiberschaltung 1101 AUS geschaltet, sobald die Spannung unter die zweite Schwellenwertgrenze (z. B. den Schwellenwert 3 von 11) fällt. Obwohl für das Bodydiodenschutzschema zwei Komparatoren 1104 und 1106 gezeigt sind, kann bei anderen Beispielen ein ähnliches Schema mit einem Komparator und mit einer programmierbaren Hysterese erreicht werden.
Auch die Temperaturabhängigkeit des Vorwärtsspannungsabfalls über der Bodydiode 1115 kann berücksichtigt werden. In diesem Fall kann die Treiberschaltung 1101 eine oder mehr zusätzliche Verbindungen (nicht gezeigt) besitzen, um die Bestimmung der der Bodydiode 1115 zugeordneten Temperatur zu ermöglichen.
Bei einigen Beispielen können die Treiberschaltungen dieser Offenbarung einen oder mehr zusätzliche Komparatoren an dem DESAT-Pin mit einer Schwellenspannung unter 0 V (programmierbare oder feste Pegel) hinzufügen. Die Bodydiodenschutztechniken können eine zusätzliche Nichtbeachtungszeit vorsehen (z. B. nach einem AUS-Schalten und vor der Ermittlung), um ein Fehlauslösen zu unterlassen, und die zusätzliche Nichtbeachtungszeit kann programmierbar oder fest sein. Die Fehlerreaktion für den Bodydiodenschutz besteht zunächst darin, den Netzschalter EIN zu schalten, was das Gegenteil der DESAT-Erkennung ist, die durchgeführt wird, wenn der Schalter EIN ist und eine Fehlerreaktion beinhaltet, um den Schalter AUS zu schalten, wenn der DESAT-Schwellenwert überschritten wird. Das Bodydiodenschutzschema kann den Leistungsschalter im EIN-Zustand halten, solange die Spannung an dem DESAT-Pin unter einem zweiten Bodydioden-Schwellenwert (z. B. dem Schwellenwert 3 von 11), der einen Wert unter Null Volt oder einen Wert von Null Volt entsprechend Masse aufweisen kann, bleibt.
Bei dem Beispiel können die beschriebenen Bodydiodenschutztechniken Leistungsverluste beim Erreichen eines sicheren Zustands minimieren. Mit dem Bodydiodenschutz können Leistungsschalter bei einigen Anwendungen kleiner werden und daher kann das System billiger werden als Systeme, die mit Treiberschaltungen, die keinen Diodenschutz durchführen, arbeiten. Die Robustheit des Systems kann verbessert werden, und ein System oder eine Schaltung, das/die die Techniken dieser Offenbarung verwendet, kann die Fähigkeit erleichtern, SiC- oder GaN-Technologien mit induktiven Lasten wie beispielsweise induktiven Maschinen, Elektromotoren oder beliebigen anderen Lasten, die zumindest teilweise induktiv sind, zu verwenden.
Die Techniken dieser Offenbarung können auch helfen, einen Markt für SiC-MOSFETs für ASM, EESM oder PMSM ohne aktive Kurzschlussfähigkeiten für Hauptanwendungen von Invertern zu erreichen. Darüber hinaus können es die Techniken bei einigen Beispielen ermöglichen, dass die Betriebsspezifikationen von Leistungs-MOSFETS und den Bodydioden im Vergleich zu Systemen oder Schaltungen, die die Techniken dieser Offenbarung nicht verwenden, erheblich verringert werden.
12 ist ein Schaltbild, das eine Induktionsmaschine 1202 (z. B. einen Dreiphasen-Elektromotor), die durch einen Satz von Leistungsschaltern 1204 gesteuert wird, zeigt. 12 zeigt einen möglichen Stromflusspfad, wenn die Induktionsmaschine 1202 einen elektrischen Kurzschluss enthält. In diesem Fall kann Strom durch die Bodydioden oder Leistungsschalter T3 und T5 fließen, was Probleme oder Schäden an den Leistungsschaltern T3 und T5 verursachen kann. Die Techniken dieser Offenbarung können helfen, Leistungsschalter für diese oder andere Situationen, in denen unkontrollierter Strom durch die Bodydioden fließen kann, zu schützen.
13 ist ein Graph, der den Strom über der Zeit, der durch die Freilaufbewegung eines Elektromotors verursacht werden kann, veranschaulicht. Die in der Kurve 1302 gezeigten Stromspitzen werden im Laufe der Zeit gedämpft, aber diese Stromspitzen können eine Beschädigung verursachen. Bei einigen Beispielen kann das Bodydiodenschutzschema dieser Offenbarung, das an einem bereits vorhandenen DESAT-Pin implementiert ist, die Bodydiode von Leistungsschaltern vor Stromspitzen wie den in 13 gezeigten schützen.
14 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern eines Leistungsschalters, das durch eine Treiberschaltung gemäß dieser Offenbarung ausgeführt werden kann, veranschaulicht. 14 wird aus der Perspektive der in 10 gezeigten Treiberschaltung 1002 beschrieben, obwohl das Verfahren auf eine breite Vielfalt anderer Treiberschaltungen Anwendung finden kann. Wie in 14 gezeigt, liefert die Treiberschaltung 1102 Ansteuersignale von dem Ausgangspin 1124 an einen Leistungsschalter in der Leistungsschalterschaltung 1004, um das EIN/AUS-Schalten des Leistungsschalters zu steuern (1401). Die Treiberschaltung 1102 empfängt über einen Detektionspin 1026 ein dem Leistungsschalter zugeordnetes Signal (1402). Zum Beispiel kann der Detektionspin 1102 einen bereits vorhandenen DESAT-Detektionspin aufweisen. Wenn sich der Leistungsschalter in einem EIN-Zustand befindet (Ja-Zweig von 1403), ermittelt die Treiberschaltung 1002 basierend auf dem Signal an dem 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 dieser Offenbarung ist die Treiberschaltung 1002 dazu ausgebildet, zusätzliche Prüfungen durchzuführen, wenn der Leistungsschalter in einem AUS-Zustand arbeitet (Nein-Zweig von 1403). Insbesondere wenn der Leistungsschalter in der Leistungsschalterschaltung 104 AUS geschaltet ist (Nein-Zweig von 1403), ermittelt die Treiberschaltung 1002 basierend auf dem Signal an dem Detektionspin 1026, ob die Bodydiode des Leistungsschalters Schutz benötigt. Basierend auf dem Signaldetektionspin 1026, wenn die Bodydiode des Leistungsschalters Schutz benötigt (Ja-Zweig von 1406), steuert die Treiberschaltung 1002 den Leistungsschalter in der Leistungsschalterschaltung 1004 gemäß einem Bodydiodenschutzschema (1408).
Wie oben erläutert, kann der Detektionspin einen bereits vorhandenen DESAT-Detektionspin aufweisen, wobei in diesem Fall das Ermitteln, ob sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet (1404), das Vergleichen einer Signalstärke des Signals an dem DESAT-Detektionspin mit einem Entsättigungsschwellenwert enthalten kann, wenn der Leistungsschalter EIN ist.
Das Ermitteln, ob die Bodydiode des Leistungsschalters Schutz benötigt (1406), kann das Vergleichen des Signals an einem DESAT-Detektionspin mit einem negativen Spannungsschwellenwert beinhalten, und das Steuern des Leistungsschalters gemäß dem Bodydiodenschutzschema (1407) kann das EIN-Schalten des Leistungsschalters als Reaktion auf das Signal, das niedriger als der negative Schwellenwert ist, beinhalten. Bei einigen Beispielen kann der negative Schwellenwert ein programmierbarer Schwellenwert in der Treiberschaltung 1402 sein, der in die Treiberschaltung 1402 programmiert sein oder geändert werden kann, um die Treiberschaltung 1402 für unterschiedliche Lasten oder unterschiedliche Transistoren zu konfigurieren. Bei einigen Beispielen ist der negative Spannungsschwellenwert ein erster Schwellenwert, und das Steuern des Leistungsschalters gemäß dem Bodydiodenschutzschema (1408) weist weiterhin das Vergleichen des Signals an dem DESAT-Detektionspin mit einem zweiten Schwellenwert und und das erneute AUS-Schalten des Leistungsschalters als Reaktion darauf, dass das Signal höher als der zweite Schwellenwert ist, auf. 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 unterschiedliche Lasten oder für unterschiedliche Transistoren zu konfigurieren. Der zweite Schwellenwert kann entweder ein zweiter negativer Schwellenwert oder eine Massespannung sein. Auf das AUS-Schalten des Netzschalters hin kann zur Bodydiodenschutzüberwachung nach einer Nichtbeachtungs-Periode auch eine Nichtbeachtungs-Periode hinzugefügt oder eingestellt werden.
Die Schaltungen und Techniken dieser Offenbarung können Schutz gegen eine Leistungsschalterfehlfunktion bieten, was bei einer breiten Vielfalt von Schaltungsanwendungen wünschenswert sein kann, insbesondere in Umgebungen, in denen Sicherheit eine Rolle spielt. Es gibt viele verschiedene hierin beschriebene Schaltungen und Techniken, und diese verschiedenen Techniken können sich auf spezifische Lösungen zum Schützen des Leistungsschalters, wenn der Leistungsschalter EIN geschaltet ist, oder zum Schützen des Leistungsschalters, wenn der Leistungsschalter AUS geschaltet ist, beziehen.
Die Techniken dieser Offenbarung können einen bereits vorhandenen, einer Treiberschaltung zugeordneten Detektionspin nutzen. Der Detektionspin kann zum Beispiel einen sogenannten DESAT-Pin oder möglicherweise einen OCP-Pin aufweisen. Zum Beispiel beschreiben die 1 - 10 verschiedene Schaltungen und Techniken, bei denen ein bereits vorhandener Detektionspin verwendet werden kann, um einen SOA-Grenzwert des Leistungsschalters zu überwachen, wenn der Schalter in einem EIN-Zustand arbeitet. Darüber hinaus beschreiben die 11 - 14 verschiedene Schaltungen und Techniken, bei denen ein bereits vorhandener Detektionspin verwendet werden kann, um zu überwachen, ob eine Bodydiode Schutz benötigt, wenn der Leistungsschalter AUS geschaltet ist. Bei einigen Beispielen können die in den 11 - 14 beschriebenen Techniken und Schaltungen mit den in den 1 - 10 beschriebenen Techniken und Schaltungen kombiniert werden. Mit anderen Worten, eine Treiberschaltung kann mit erweiterten Ermittlungsfähigkeiten an einem vorhandenen DESAT-Pin, die über einen einzelnen Detektionspin eine DESAT-Erkennung durchführen, ein SOA-Überwachen durchführen und einen Bodydiodeschutz durchführen kann, ausgebildet sein. In diesem Fall kann die Treiberschaltung eine Logik ähnlich der von 1 und 10 enthalten, und die Treiberschaltung kann die Verfahren von 9 und 14 durchführen.
15 ist ein Blockschaltbild eines Beispielsystems 1500, das eine Leistungsschalterschaltung 1504, eine Treiberschaltung 1502 und einen Controller 1506 enthält. Der Controller 1506 kann einen Mikroprozessor, der dazu ausgebildet ist, die Treiberschaltung 1502 zu steuern, aufweisen. Der Controller 1506 sendet über den Eingangspin 1522 Befehlssignale an die Treiberschaltung 1502. Basierend auf diesen Befehlssignalen sendet die Treiberschaltung 1502 EIN/AUS-Signale (z. B. GateSteuersignale) an die Leistungsschalterschaltung 1504, um den Leistungsschalter EIN oder AUS zu schalten.
Die Treiberschaltung 1502 kann die Leistungsschalterschaltung 1504 über Modulationssignale an dem Ausgangspin 1524, die das EIN/AUS-Schalten eines Transistors in der Leistungsschalterschaltung 1504 steuern können, steuern. Die Modulationssignale können zum Beispiel PWM-Signale, PFM-Signale, Pulsdauermodulationssignale, Pulsdichtemodulationssignale oder andere Arten von Modulationssteuersignalen, die verwendet werden, um einen Leistungstransistor zu steuern, aufweisen. Im Normalbetrieb können die Signale der Treiberschaltung 1502 über den Ausgangspin 1524 an das Gate (oder einen anderen Steueranschluss) eines Leistungsschalters in der Leistungsschalterschaltung 1504 angelegt werden, um ein Ein-/Ausschalten des Leistungsschalters zu steuern und dadurch die durchschnittliche Menge an Leistung, die über den Leistungsschalter an eine Last abgegeben wird (in 15 nicht dargestellt), zu steuern. Die Treiberschaltung 1502 kann eine beliebige Art von Treiber für eine beliebige Art von Leistungsschalter aufweisen, z. B. einen High-Side-Schalter-Treiber, einen Low-Side-Schalter-Treiber, einen Treiber in einem Leistungssperrwandler oder einen Treiber, der in einer beliebigen Schaltungsanordnung, die das EIN/AUS-Schalten von einem oder mehr Leistungsschaltern steuert, verwendet wird.
Die Leistungsschalterschaltung 1504 kann einen Leistungstransistor aufweisen. Bei dem Beispiel von 15 kann der Leistungstransistor in der Leistungsschalterschaltung 1504 einen beliebigen Transistor, der, wie beispielsweise ein MOSFET, eine Bodydiode enthält, aufweisen. Der MOSFET kann in Silizium gebildet sein, wobei der MOSFET in diesem Fall als Silizium-MOSFET bezeichnet werden kann. Alternativ kann der MOSFET auch aus einem anderen Halbleitermaterial wie beispielsweise SiC oder GaN gebildet werden, wobei der MOSFET in diesem Fall als SiC-MOSFET oder GaN-MOSFET bezeichnet werden kann. Ein beliebiger anderer Transistor, der eine Bodydiode enthält, kann von den Treibertechniken dieser Offenbarung profitieren, insbesondere, wenn er zum Steuern von Leistung an eine induktive Last verwendet wird. Die Bodydiode kann zum Beispiel einen parasitären PN-Übergang, der beim Herstellen des MOSFETs gebildet wird, aufweisen.
Gemäß dieser Offenbarung enthält die Treiberschaltung 1502 eine Schutzlogik 1510, die mit einem Detektionspin 1526 verbunden ist. Der Detektionspin 1526 kann einen sogenannten DESAT-Pin aufweisen. Die DESAT-Logik 1512 bezieht sich auf eine Logik, die dazu ausgebildet ist, zu bestimmen, ob ein Leistungsschalter in der Leistungsschalterschaltung 1504 in einem Entsättigungsmodus arbeitet, wenn der Leistungsschalter EIN geschaltet ist. Die DESAT-Logik 1512 kann dazu ausgebildet sein, den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass der Leistungsschalter in der Leistungsschalterschaltung 1504 im Entsättigungsmodus arbeitet, zu deaktivieren. Zum Beispiel kann die DESAT-Logik 1512, um zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, dazu ausgebildet sein, eine Signalstärke des Signals an dem Detektionspin 1526 mit einem Entsättigungsschwellenwert zu vergleichen, wenn der Leistungsschalter EIN ist. Das an dem Detektionspin 1526 ermittelte Signal kann zum Beispiel ein Maß für den Spannungsabfall über dem Leistungsschalter in der Leistungsschalterschaltung 1504 aufweisen.
Zusätzlich zum Prüfen von DESAT können durch die Schutzlogik 1510 zusätzliche Prüfungen basierend auf dem Signal oder den Signalen, die an dem Detektionspin 1526 empfangen werden, durchgeführt werden. Bei dem Beispiel von 15 enthält die Schutzlogik 1510 die Bodydiodenschutzlogik 1518. Die Bodydiodenschutzlogik 1518 kann dazu ausgebildet sein, zu ermitteln, ob die Bodydiode des Leistungsschalters Schutz benötigt, wenn der Leistungsschalter AUS geschaltet ist, und als Reaktion auf das Feststellen, dass die Bodydiode Schutz benötigt, den Leistungsschalter gemäß einem Bodydiodenschutzschema zu steuern. Zusätzliche Einzelheiten von Bodydiodenschutzschemata werden weiter oben bei der Diskussion der 11 - 14 näher erläutert, und diese oder andere Bodydiodenschutzschemata können von der Bodydiodenschutzlogik 1518 als Reaktion auf das Feststellen, dass die Bodydiode Schutz benötigt, wenn der Leistungsschalter AUS geschaltet ist, ausgeführt werden.
Auch bei dem Beispiel von 15 kann die Schutzlogik 1510 zusätzlich zum Prüfen von DESAT und dem Prüfen, ob die Bodydiode Schutz benötigt, auch eine SOA-Schutzlogik 1514, die der in 1 beschriebenen SOA-Schutzlogik 14 ähnlich sein kann, enthalten. Daher kann eine Treiberschaltung 1502 bei dem Beispiel von 15 dazu ausgebildet sein, zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus befindet, wenn der Leistungsschalter EIN geschaltet ist; den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, zu deaktivieren; zu ermitteln, ob die Bodydiode des Leistungsschalters Schutz benötigt, wenn der Leistungsschalter AUS geschaltet ist; den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass die Bodydiode Schutz benötigt, gemäß einem Bodydiodenschutzschema zu steuern; basierend auf einer Änderungsrate des Signals zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter auf einen SOA-Grenzwert des Leistungsschalters zubewegt, wenn der Leistungsschalter EIN geschaltet ist; und den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert zubewegt, zu deaktivieren. Bei einigen Beispielen kann die Treiberschaltung 1510 dazu ausgebildet sein, die Verfahren von sowohl 9 als auch 14 durchzuführen.
Die folgenden Sätze können einen oder mehr Aspekte der Offenbarung veranschaulichen.
Satz 1 - Eine Treiberschaltung, die dazu ausgebildet ist, einen Leistungsschalter zu steuern, wobei die Treiberschaltung aufweist: einen Ausgangspin, wobei die Treiberschaltung dazu ausgebildet ist, Ansteuersignale von dem Ausgangspin an den Leistungsschalter zu liefern, um das EIN/AUS-Schalten des Leistungsschalters zu steuern; einen Detektionspin, der dazu ausgebildet ist, ein dem Leistungsschalter zugeordnetes Signal zu empfangen, wobei der Detektionspin einen DESAT-Detektionspin oder einen OCP-Pin aufweist; und eine mit dem Detektionspin verbundene Schutzlogik, wobei die Schutzlogik dazu ausgebildet ist: basierend auf dem Signal zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus oder einem Überstromzustand befindet, den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter in dem Entsättigungsmodus oder dem Überstromzustand befindet, zu deaktivieren; basierend auf einer Änderungsrate des Signals zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter auf einen SOA-Grenzwert des Leistungsschalters zubewegt; und den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert zubewegt, zu deaktivieren.
Satz 2 - Die Treiberschaltung nach Satz 1, wobei der Detektionspin den DESAT-Detektionspin aufweist und die Schutzlogik dazu ausgebildet ist, zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, und den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, zu deaktivieren, wobei die Schutzlogik, um zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, dazu ausgebildet ist, eine Signalstärke des Signals mit einem Entsättigungsschwellenwert zu vergleichen, wenn der Leistungsschalter EIN ist.
Satz 3 - Die Treiberschaltung nach Satz 1 oder 2, wobei die Schutzlogik, um zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert zubewegt, dazu ausgebildet ist, die Änderungsrate des Signals basierend auf zwei oder mehr Messungen einer Akkumulation des Signals zu bestimmen.
Satz 4 - Die Treiberschaltung nach Satz 3, wobei das Signal einen Spannungsabfall über dem Leistungsschalter anzeigt und die zwei oder mehr Messungen der Akkumulation des Signals eine Flanke der Akkumulation über eine Zeitperiode definieren, die auf die Änderungsrate des Signals schließen lässt.
Satz 5 - Die Treiberschaltung nach einem der Sätze 1 - 4, wobei der Leistungsschalter aufweist: einen IGBT; einen Silizium-MOSFET; einen SiC-MOSFET; oder einen GaN-MOSFET.
Satz 6 - Die Treiberschaltung nach einem der Sätze 1 bis 5, wobei die Schutzlogik dazu ausgebildet ist, basierend auf der Änderungsrate des Signals und basierend auf einer dem Leistungsschalter zugeordneten Temperatur zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert des Leistungsschalters zubewegt.
Satz 7 - Die Treiberschaltung nach einem der Sätze 1 - 6, wobei die Änderungsrate über eine Zeitperiode bestimmt wird, wobei die Zeitperiode auf das EIN-Schalten des Leistungsschalters hin nach einer Nichtbeachtungs-Periode oder nachdem der Strom durch den Leistungsschalter einen Stromschwellenwert erreicht, beginnt.
Satz 8 - Die Treiberschaltung nach einem der Sätze 1 bis 7, wobei die Änderungsrate einer Flankensteilheit entspricht.
Satz 9 - Die Treiberschaltung nach Satz 8, wobei die Schutzlogik dazu ausgebildet ist, die Flankensteilheit basierend auf einer Menge an Zeit zwischen einer Akkumulation des Signals, die einen ersten Schwellenwert erreicht, und der Akkumulation des Signals, die einen zweiten Schwellenwert erreicht, zu bestimmen.
Satz 10 - Die Treiberschaltung nach Satz 9, wobei die Menge an Zeit auf das EIN-Schalten des Leistungsschalters hin nach einer Nichtbeachtungs-Periode oder nachdem der Strom durch den Leistungsschalter einen Stromschwellenwert erreicht, auftritt.
Satz 11 - Ein Verfahren zum Steuern eines Leistungsschalters, wobei das Verfahren aufweist: das Liefern von Ansteuersignalen von einem Ausgangspin an den Leistungsschalter, um das EIN/AUS-Schalten des Leistungsschalters zu steuern; das Empfangen eines dem Leistungsschalter zugeordneten Signals über einen Detektionspin, wobei der Detektionspin einen DESAT-Detektionspin oder einen OCP-Pin aufweist; das Ermitteln, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus oder einem Überstromzustand befindet, basierend auf dem Signal; das Deaktivieren des Leistungsschalters als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus oder Überstromzustand befindet, das Ermitteln, ob sich der Leistungsschalter auf einen SOA-Grenzwert des Leistungsschalters zubewegt; und das Deaktivieren des Leistungsschalters als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert zubewegt.
Satz 12 - Das Verfahren nach Satz 11, wobei der Detektionspin einen DESAT-Detektionspin aufweist und das Verfahren das Ermitteln, ob sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, und das Deaktivieren des Leistungsschalters als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, aufweist, wobei das Ermitteln, ob sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, das Vergleichen einer Signalstärke des Signals mit einem Entsättigungsschwellenwert, wenn der Leistungsschalter EIN ist, beinhaltet.
Satz 13 - Das Verfahren nach Satz 11 oder 12, wobei das Ermitteln, ob sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert zubewegt, das Bestimmen der Änderungsrate des Signals basierend auf zwei oder mehr Messungen einer Akkumulation des Signals aufweist, wobei das Signal einen Spannungsabfall über dem Leistungsschalter anzeigt und die zwei oder mehr Messungen der Akkumulation des Signals eine Flanke der Akkumulation über eine Zeitperiode, die auf die Änderungsrate des Signals schließen lässt, definieren.
Satz 14 - Das Verfahren nach einem der Sätze 11 - 13, das weiterhin das Ermitteln, ob sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert des Leistungsschalters zubewegt, basierend auf der Änderungsrate des Signals und basierend auf einer dem Leistungsschalter zugeordneten Temperatur aufweist.
Satz 15 - Das Verfahren nach einem der Sätze 11 bis 14, wobei die Änderungsrate über eine Zeitperiode bestimmt wird, wobei die Zeitperiode auf das EIN-Schalten des Leistungsschalters hin nach einer Nichtbeachtungs-Periode oder nachdem der Strom durch den Leistungsschalter einen Stromschwellenwert erreicht, beginnt.
Satz 16 - Das Verfahren nach einem der Sätze 11 bis 15, wobei die Änderungsrate einer Flankensteilheit entspricht, wobei das Verfahren aufweist: Bestimmen der Flankensteilheit basierend auf einer Menge an Zeit zwischen einer Akkumulation des Signals, die einen ersten Schwellenwert erreicht, und der Akkumulation des Signals, die einen zweiten Schwellenwert erreicht.
Satz 17 - Das Verfahren nach Satz 16, wobei die Menge an Zeit auf das EIN-Schalten des Leistungsschalters hin nach einer Nichtbeachtungs-Periode oder nachdem der Strom durch den Leistungsschalter einen Stromschwellenwert erreicht, auftritt.
Satz 18 - Ein System, das aufweist: einen Leistungsschalter, der einen Transistor enthält; und eine Treiberschaltung, die dazu ausgebildet ist, den Leistungsschalter zu steuern, wobei die Treiberschaltung aufweist: einen Ausgangspin, wobei die Treiberschaltung dazu ausgebildet ist, Ansteuersignale von dem Ausgangspin an den Leistungsschalter zu liefern, um das EIN/AUS-Schalten des Leistungsschalters zu steuern; einen Detektionspin, der dazu ausgebildet ist, ein dem Leistungsschalter zugeordnetes Signal zu empfangen, wobei der Detektionspin einen DESAT-Detektionspin oder einen OCP-Pin aufweist; und eine mit dem Detektionspin verbundene Schutzlogik, wobei die Schutzlogik dazu ausgebildet ist: basierend auf dem Signal zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus oder einem Überstromzustand befindet, den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus oder Überstromzustand befindet, zu deaktivieren; basierend auf einer Änderungsrate des Signals zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter auf einen SOA-Grenzwert des Leistungsschalters zubewegt; und den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert zubewegt, zu deaktivieren.
Satz 19 - Das System nach Satz 18, wobei das System weiterhin aufweist: einen Mikrocontroller, der dazu ausgebildet ist, Steuersignale an die Treiberschaltung zu liefern, wobei die Steuersignale die Ansteuersignale definieren.
Satz 20 - Das System nach Satz 18 oder 19, das weiterhin aufweist: einen Widerstand; und eine Diode, wobei der Widerstand und die Diode zwischen dem Detektionspin und einem zwischen dem Leistungsschalter und einer induktiven Last befindlichen Knoten positioniert sind.
Satz 21 - Eine Treiberschaltung, die dazu ausgebildet ist, einen Leistungsschalter, der eine Bodydiode enthält, zu steuern, wobei die Treiberschaltung aufweist: einen Ausgangspin, wobei die Treiberschaltung dazu ausgebildet ist, Ansteuersignale von dem Ausgangspin an den Leistungsschalter zu liefern, um das EIN/AUS-Schalten des Leistungsschalters zu steuern; einen Detektionspin, der dazu ausgebildet ist, ein dem Leistungsschalter zugeordnetes Signal zu empfangen, wobei der Detektionspin einen DESAT-Detektionspin aufweist; und eine mit dem Detektionspin verbundene Schutzlogik, wobei die Schutzlogik dazu ausgebildet ist: zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus befindet, wenn der Leistungsschalter EIN geschaltet ist; den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, zu deaktivieren; zu ermitteln, ob die Bodydiode des Leistungsschalters Schutz benötigt, wenn der Leistungsschalter AUS geschaltet ist; und als Reaktion auf das Feststellen, dass die Bodydiode Schutz benötigt, den Leistungsschalter gemäß einem Bodydiodenschutzschema zu steuern.
Satz 22 - Die Treiberschaltung nach Satz 21, wobei die Schutzlogik, um zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, dazu ausgebildet ist, eine Signalstärke des Signals mit einem Entsättigungsschwellenwert zu vergleichen.
Satz 23 - Die Treiberschaltung nach Satz 21 oder 22, wobei die Schutzlogik, um zu ermitteln, ob die Bodydiode des Leistungsschalters Schutz benötigt, dazu ausgebildet ist, das Signal mit einem negativen Spannungsschwellenwert zu vergleichen, wobei die Schutzlogik, um den Leistungsschalter gemäß dem Bodydiodenschutzschema zu steuern, dazu ausgebildet ist, den Leistungsschalter als Reaktion darauf, dass das Signal niedriger als der negative Schwellenwert ist, EIN zu schalten.
Satz 24 - Die Treiberschaltung nach Satz 23, wobei der negative Schwellenwert ein programmierbarer Schwellenwert in der Treiberschaltung, der geändert werden kann, um die Treiberschaltung für unterschiedliche Lasten zu konfigurieren, ist.
Satz 25 - Die Treiberschaltung nach Satz 23 oder 24, wobei der negative Spannungsschwellenwert ein erster Schwellenwert ist, wobei die Schutzlogik, um den Leistungsschalter gemäß dem Bodydiodenschutzschema zu steuern, weiterhin dazu ausgebildet ist, das Signal mit einem zweiten Schwellenwert zu vergleichen und den Leistungsschalter als Reaktion darauf, dass das Signal höher als der zweite Schwellenwert ist, wieder AUS zu schalten.
Satz 26 - Die Treiberschaltung nach Satz 25, wobei der erste und der zweite Schwellenwert programmierbare Schwellenwerte in der Treiberschaltung sind, die geändert werden können, um die Treiberschaltung für unterschiedliche Lasten zu konfigurieren.
Satz 27 - Die Treiberschaltung nach Satz 25 und 26, wobei der zweite Schwellenwert entweder ein zweiter negativer Schwellenwert oder eine Masse ist.
Satz 28 - Die Treiberschaltung nach einem der Sätze 21 - 27, wobei der Leistungsschalter aufweist: einen Silizium-MOSFET; einen GaN-MOSFET; oder einen SiC-MOSFET.
Satz 29 - Die Treiberschaltung nach einem der Sätze 21 - 28, wobei die Treiberschaltung auf das AUS-Schalten des Leistungsschalters hin dazu ausgebildet ist, nach einer Nichtbeachtungs-Periode zu ermitteln, ob die Bodydiode des Leistungsschalters Schutz benötigt.
Satz 30 - Die Treiberschaltung nach einem der Sätze 21 - 29, wobei die Treiberschaltung weiterhin dazu ausgebildet ist: basierend auf einer Änderungsrate des Signals zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter auf einen SOA-Grenzwert des Leistungsschalters zubewegt, wenn der Leistungsschalter EIN geschaltet ist; und den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert zubewegt, zu deaktivieren.
Satz 31 - Ein Verfahren zum Steuern eines Leistungsschalters, der eine Bodydiode enthält, wobei das Verfahren aufweist: das Liefern von Ansteuersignalen von einem Ausgangspin einer Treiberschaltung an den Leistungsschalter, um das EIN/AUS-Schalten des Leistungsschalters zu steuern; das Empfangen eines dem Leistungsschalter zugeordneten Signals über einen Detektionspin der Treiberschaltung, wobei der Detektionspin einen DESAT-Detektionspin aufweist; das Ermitteln, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus befindet, wenn der Leistungsschalter EIN geschaltet ist; das Deaktivieren des Leistungsschalters als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, das Ermitteln, ob die Bodydiode des Leistungsschalters Schutz benötigt, wenn der Leistungsschalter AUS geschaltet ist; und den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass die Bodydiode Schutz benötigt, gemäß einem Bodydiodenschutzschema zu steuern.
Satz 32 - Das Verfahren nach Satz 31, wobei das Ermitteln, ob sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, das Vergleichen einer Signalstärke des Signals mit einem Entsättigungsschwellenwert beinhaltet.
Satz 33 - Das Verfahren nach Satz 31 oder 32, wobei das Ermitteln, ob die Bodydiode des Leistungsschalters Schutz benötigt, das Vergleichen des Signals mit einem negativen Spannungsschwellenwert beinhaltet, wobei das Steuern des Leistungsschalters gemäß dem Bodydiodenschutzschema aufweist: das EIN-Schalten des Leistungsschalters als Reaktion darauf, dass das Signal niedriger als der negative Schwellenwert ist.
Satz 34 - Das Verfahren nach Satz 33, wobei der negative Schwellenwert ein programmierbarer Schwellenwert in der Treiberschaltung, der geändert werden kann, um die Treiberschaltung für unterschiedliche Lasten zu konfigurieren, ist.
Satz 35 - Das Verfahren nach Satz 33 oder 34, wobei der negative Spannungsschwellenwert ein erster Schwellenwert ist, wobei das Steuern des Leistungsschalters gemäß dem Bodydiodenschutzschema weiterhin aufweist: das Vergleichen des Signals mit einem zweiten Schwellenwert und das Schalten des Leistungsschalters zurück auf AUS als Reaktion darauf, dass das Signal höher als der zweite Schwellenwert ist.
Satz 36 - Das Verfahren nach Satz 35, wobei der erste und der zweite Schwellenwert programmierbare Schwellenwerte in der Treiberschaltung, die geändert werden können, um die Treiberschaltung für unterschiedliche Lasten zu konfigurieren, sind.
Satz 37 - Das Verfahren nach Satz 35 oder 36, wobei der zweite Schwellenwert entweder ein zweiter negativer Schwellenwert oder eine Masse ist.
Satz 38 - Das Verfahren nach einem der Sätze 31 bis 37, das weiterhin aufweist: das Ermitteln, ob die Bodydiode des Leistungsschalters Schutz benötigt, auf das AUS-Schalten des Leistungsschalters hin nach einer Nichtbeachtungs-Periode.
Satz 39 - Das Verfahren nach einem der Sätze 31 - 38, das weiterhin aufweist: das Ermitteln, ob sich der Leistungsschalter auf einen SOA-Grenzwert des Leistungsschalters zubewegt, basierend auf einer Änderungsrate des Signals, wenn der Leistungsschalter EIN geschaltet ist; und das Deaktivieren des Leistungsschalters als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert zubewegt.
Satz 40 - Ein System, das aufweist: einen Leistungsschalter, der einen Transistor enthält; und eine Treiberschaltung, die dazu ausgebildet ist, den Leistungsschalter zu steuern, wobei die Treiberschaltung aufweist: einen Ausgangspin, wobei die Treiberschaltung dazu ausgebildet ist, Ansteuersignale von dem Ausgangspin an den Leistungsschalter zu liefern, um das EIN/AUS-Schalten des Leistungsschalters zu steuern; einen Detektionspin, der dazu ausgebildet ist, ein dem Leistungsschalter zugeordnetes Signal zu empfangen, wobei der Detektionspin einen DESAT-Detektionspin aufweist; und eine mit dem Detektionspin verbundene Schutzlogik, wobei die Schutzlogik dazu ausgebildet ist: zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus befindet oder wenn der Leistungsschalter EIN geschaltet ist; den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, zu deaktivieren; zu ermitteln, ob die Bodydiode des Leistungsschalters Schutz benötigt, wenn der Leistungsschalter AUS geschaltet ist; und den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass die Bodydiode Schutz benötigt, gemäß einem Bodydiodenschutzschema EIN und AUS zu schalten.
Satz 41 - Das System nach Satz 40, wobei das System weiterhin aufweist: einen Mikrocontroller, der dazu ausgebildet ist, Steuersignale an die Treiberschaltung zu liefern, wobei die Steuersignale die Ansteuersignale definieren.
Satz 42 - Das System nach Satz 40 oder 41, das weiterhin aufweist: einen Widerstand; und eine Diode, wobei der Widerstand und die Diode zwischen dem Detektionspin und einem zwischen dem Leistungsschalter und einer induktiven Last befindlichen Knoten positioniert sind.
Satz 43 - Das System nach einem der Sätze 40 - 42, wobei die Schutzlogik, um zu ermitteln, ob die Bodydiode des Leistungsschalters Schutz benötigt, dazu ausgebildet ist, das Signal mit einem ersten Spannungsschwellenwert zu vergleichen, wobei der erste Spannungsschwellenwert ein negativer Schwellenwert ist, und wobei die Schutzlogik, um den Leistungsschalter gemäß dem Bodydiodenschutzschema zu steuern, dazu ausgebildet ist, den Leistungsschalter als Reaktion darauf, dass das Signal niedriger als der erste Spannungsschwellenwert ist, EIN zu schalten, und wobei die Schutzlogik, um den Leistungsschalter gemäß dem Bodydiodenschutzschema zu steuern, weiterhin dazu ausgebildet ist, das Signal mit einem zweiten Spannungsschwellenwert zu vergleichen und den Leistungsschalter als Reaktion darauf, dass das Signal höher als der zweite Spannungsschwellenwert ist, zurück auf AUS zu schalten, wobei der zweite Spannungsschwellenwert ein zweiter negativer Schwellenwert oder Null ist.
Satz 44 - Das System nach einem der Sätze 40 - 43, wobei die Treiberschaltung weiterhin dazu ausgebildet ist: basierend auf einer Änderungsrate des Signals zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter auf einen SOA-Grenzwert des Leistungsschalters zubewegt, wenn der Leistungsschalter EIN geschaltet ist; und den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert zubewegt, zu deaktivieren.
In dieser Offenbarung wurden verschiedene Aspekte beschrieben. Diese und andere Aspekte fallen in den Geltungsbereich der folgenden Ansprüche.

Claims

Treiberschaltung, die dazu ausgebildet ist, einen Leistungsschalter zu steuern, wobei die Treiberschaltung aufweist: einen Ausgangspin, wobei die Treiberschaltung dazu ausgebildet ist, Ansteuersignale von dem Ausgangspin an den Leistungsschalter zu liefern, um das EIN/AUS-Schalten des Leistungsschalters zu steuern; einen Detektionspin, der dazu ausgebildet ist, ein dem Leistungsschalter zugeordnetes Signal zu empfangen, wobei der Detektionspin einen Entsättigungs-(DESAT)-Detektionspin oder einen Überstromschutz-(OCP)-Pin aufweist; und eine mit dem Detektionspin verbundene Schutzlogik, wobei die Schutzlogik dazu ausgebildet ist: basierend auf dem Signal zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus oder in einem Überstromzustand befindet, den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus oder Überstromzustand befindet, zu deaktivieren; basierend auf einer Änderungsrate des Signals zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter auf einen Grenzwert des sicheren Betriebsbereichs (SOA) des Leistungsschalters zubewegt; und den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert zubewegt, zu deaktivieren.
Treiberschaltung nach Anspruch 1, wobei der Detektionspin den DESAT-Detektionspin aufweist und die Schutzlogik dazu ausgebildet ist, zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, und den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, zu deaktivieren, wobei die Schutzlogik, um zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, dazu ausgebildet ist, eine Signalstärke des Signals mit einem Entsättigungsschwellenwert zu vergleichen, wenn der Leistungsschalter EIN ist.
Treiberschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schutzlogik, um zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert zubewegt, dazu ausgebildet ist, die Änderungsrate des Signals basierend auf zwei oder mehr Messungen einer Akkumulation des Signals zu bestimmen.
Treiberschaltung nach Anspruch 3, wobei das Signal einen Spannungsabfall über dem Leistungsschalter anzeigt und die zwei oder mehr Messungen der Akkumulation des Signals eine Flanke der Akkumulation über eine Zeitperiode definieren, die auf die Änderungsrate des Signals schließen lässt.
Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Leistungsschalter aufweist: einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT); einen Silizium-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET); einen Siliziumkarbid (SiC)-MOSFET; oder einen Galliumnitrid (GaN)-MOSFET.
Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Schutzlogik dazu ausgebildet ist, basierend auf der Änderungsrate des Signals und basierend auf einer dem Leistungsschalter zugeordneten Temperatur zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert des Leistungsschalters zubewegt.
Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Änderungsrate über eine Zeitperiode bestimmt wird, wobei die Zeitperiode auf das Einschalten des Leistungsschalters hin nach einer Nichtbeachtungs-Periode oder nachdem der Strom durch den Leistungsschalter einen Stromschwellenwert erreicht, beginnt.
Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Änderungsrate einer Flankensteilheit entspricht.
Treiberschaltung nach Anspruch 8, wobei die Schutzlogik dazu ausgebildet ist, die Flankensteilheit basierend auf einer Menge an Zeit zwischen einer Akkumulation des Signals, die einen ersten Schwellenwert erreicht, und der Akkumulation des Signals, die einen zweiten Schwellenwert erreicht, zu bestimmen.
Treiberschaltung nach Anspruch 9, wobei die Menge an Zeit auf das EIN-Schalten des Leistungsschalters hin nach einer Nichtbeachtungs-Periode oder nachdem der Strom durch den Leistungsschalter einen Stromschwellenwert erreicht, auftritt.
Verfahren zum Steuern eines Leistungsschalters, wobei das Verfahren aufweist: Liefern von Ansteuersignalen von einem Ausgangspin an den Leistungsschalter, um das EIN/AUS-Schalten des Leistungsschalters zu steuern; Empfangen eines dem Leistungsschalter zugeordneten Signals über einen Detektionspin, wobei der Detektionspin einen Entsättigungs (DESAT)-Detektionspin oder einen Überstromschutz (OCP)-Pin aufweist; Ermitteln, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus oder in einem Überstromzustand befindet, basierend auf dem Signal; Deaktivieren des Leistungsschalters als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus oder Überstromzustand befindet, Ermitteln, ob sich der Leistungsschalter auf einen Grenzwert des sicheren Betriebsbereichs (SOA) des Leistungsschalters zubewegt; und Deaktivieren des Leistungsschalters als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert zubewegt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Detektionspin einen DESAT-Detektionspin aufweist und das Verfahren das Ermitteln, ob sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, und das Deaktivieren des Leistungsschalters als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, aufweist, wobei das Ermitteln, ob sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus befindet, das Vergleichen einer Signalstärke des Signals mit einem Entsättigungsschwellenwert, wenn der Leistungsschalter EIN ist, beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Ermitteln, ob sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert zubewegt, das Bestimmen der Änderungsrate des Signals basierend auf zwei oder mehr Messungen einer Akkumulation des Signals aufweist, wobei das Signal einen Spannungsabfall über dem Leistungsschalter anzeigt und die zwei oder mehr Messungen der Akkumulation des Signals eine Flanke der Akkumulation über eine Zeitperiode, die auf die Änderungsrate des Signals schließen lässt, definieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, das weiterhin das Ermitteln, ob sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert des Leistungsschalters zubewegt, basierend auf der Änderungsrate des Signals und basierend auf einer dem Leistungsschalter zugeordneten Temperatur aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Änderungsrate über eine Zeitperiode bestimmt wird, wobei die Zeitperiode auf das EIN-Schalten des Leistungsschalters hin nach einer Nichtbeachtungs-Periode oder nachdem der Strom durch den Leistungsschalter einen Stromschwellenwert erreicht, beginnt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Änderungsrate einer Flankensteilheit entspricht, wobei das Verfahren aufweist: Bestimmen der Flankensteilheit basierend auf einer Menge an Zeit zwischen einer Akkumulation des Signals, die einen ersten Schwellenwert erreicht, und der Akkumulation des Signals, die einen zweiten Schwellenwert erreicht.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Menge an Zeit auf das EIN-Schalten des Leistungsschalters hin nach einer Nichtbeachtungs-Periode oder nachdem der Strom durch den Leistungsschalter einen Stromschwellenwert erreicht, auftritt.
System, das aufweist: einen Leistungsschalter, der einen Transistor enthält; und eine Treiberschaltung, die dazu ausgebildet ist, den Leistungsschalter zu steuern, wobei die Treiberschaltung aufweist: einen Ausgangspin, wobei die Treiberschaltung dazu ausgebildet ist, Ansteuersignale von dem Ausgangspin an den Leistungsschalter zu liefern, um das EIN/AUS-Schalten des Leistungsschalters zu steuern; einen Detektionspin, der dazu ausgebildet ist, ein dem Leistungsschalter zugeordnetes Signal zu empfangen, wobei der Detektionspin einen Entsättigungs (DESAT)-Detektionspin oder einen Überstromschutz (OCP)-Pin aufweist; und eine mit dem Detektionspin verbundene Schutzlogik, wobei die Schutzlogik dazu ausgebildet ist: basierend auf dem Signal zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter in einem Entsättigungsmodus oder einem Überstromzustand befindet; den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter im Entsättigungsmodus oder Überstromzustand befindet, zu deaktivieren; basierend auf einer Änderungsrate des Signals zu ermitteln, ob sich der Leistungsschalter auf einen Grenzwert des sicheren Betriebsbereichs (SOA) des Leistungsschalters zubewegt; und den Leistungsschalter als Reaktion auf das Feststellen, dass sich der Leistungsschalter auf den SOA-Grenzwert zubewegt, zu deaktivieren.
System nach Anspruch 18, wobei das System weiterhin aufweist: einen Mikrocontroller, der dazu ausgebildet ist, Steuersignale an die Treiberschaltung zu liefern, wobei die Steuersignale die Ansteuersignale definieren.
System nach Anspruch 18 oder 19, das weiterhin aufweist: einen Widerstand; und eine Diode, wobei der Widerstand und die Diode zwischen dem Detektionspin und einem zwischen dem Leistungsschalter und einer induktiven Last befindlichen Knoten positioniert sind.