DE102022117363A1

DE102022117363A1 - Schutzschaltung zum Schutz eines Leistungsschalters gegen Kurzschluss und Überstrom

Info

Publication number: DE102022117363A1
Application number: DE102022117363.1A
Authority: DE
Inventors: Rainer Kolb; Nils Schettgen
Original assignee: Linde Material Handling GmbH; STILL GmbH
Current assignee: Linde Material Handling GmbH; STILL GmbH
Priority date: 2022-07-12
Filing date: 2022-07-12
Publication date: 2024-01-18
Also published as: CN117394267A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung (100) zum Schutz eines Leistungsschalters (120) gegen Kurzschluss und Überstrom. Die Schutzschaltung umfasst: einen Steuereingang (101) zum Empfang eines Gate-Steuersignals (110); ein Gate-Terminal (102) zum Bereitstellen eines Gate-Signals; ein Drain-Terminal (103); ein Source-Terminal (104); einen ersten Transistor (V1), der zwischen den Steuereingang und das Gate-Terminal geschaltet ist. Der erste Transistor (V1) ist ausgebildet, das Gate-Signal basierend auf dem Gate-Steuersignal (110) in einem vorgegebenen Spannungsbereich bereitzustellen. Die Schutzschaltung umfasst ein RC-Netzwerk (130), das zwischen das Drain-Terminal (103) und das Source-Terminal (104) geschaltet ist. Das RC-Netzwerk (130) ist ausgebildet, einen Strom (412) durch den Leistungsschalter (120) zu erfassen. Die Schutzschaltung umfasst einen zweiten Transistor (V3), der zwischen das Gate-Terminal (102) und das Source-Terminal (104) geschaltet ist. Der zweite Transistor (V3) ist ausgebildet, den Leistungsschalter (120) auszuschalten, wenn der Strom (412) durch den Leistungsschalter (120) einen vorgebbaren Stromgrenzwert (610) übersteigt.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Leistungsschalter und Halbleiterschalter, insbesondere die Verbesserung der Kurzschlussbeständigkeit von Leistungsschaltern und Halbleiterschaltern, die in Halbbrücken- und Vollbrückenschaltungen Anwendung finden. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Schutzschaltung zum Schutz eines Leistungsschalters, wie beispielsweise eines MOSFET Transistors, gegen Kurzschluss und Überstrom.
Konventionelle Treiber für Halbbrücken- und Vollbrücken-Schaltungen arbeiten mit dem Spannungsabfall über extra vorgesehene Shunt-Widerstände. Das ist insbesondere bei Hochleistungsschaltern unwirtschaftlich, denn dafür geeignete Widerstände sind teuer und die auftretende Verlustleistung muss abgeführt werden, was die Leistungsfähigkeit der Schaltungsanordnung einengt und deren Wirkungsgrad verschlechtert. Es liegen auch Applikationen vor, die ohne einen Shunt arbeiten und eine Überstromerkennung aus der Drain-Source Spannung des eingeschalteten MOSFETs ermitteln. Dies wird meist mit entsprechendem Schaltungsaufwand mittels Komparatoren oder einer Vielzahl von weiteren Bauteilen realisiert. Nachteilig bei derartigen Schaltungen ist der erhebliche Bauteilaufwand sowie die Notwendigkeit einer Spannungsversorgung der Schaltung und teure Bauteile bzw. integrierte Schaltungen, welche eine kosteneffiziente Lösung ausschließen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kosteneffiziente Lösung zur Verbesserung der Kurzschlussbeständigkeit eines Leistungsschalters zu schaffen, die mit geringem Bauteil- und Schaltungsaufwand realisierbar ist.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
Die erfinderische Lösung basiert auf dem im Folgenden dargestellten Konzept.
Die Erfindung stellt eine Schutzschaltung bereit, welche eine schnellere Kurzschlusserkennung ermöglicht und damit eine Schutzfunktion bietet, die gegen Kurzschluss und Überstrom schützt, jedoch ohne integrierte Schaltungen oder Komparatoren arbeitet.
Die erfindungsgemäße Schutzschaltung ist auch in Bootstrap-Lösungen einsetzbar. Sie kommt mit einem geringen Bauteilaufwand aus und ist kostensparend zu realisieren. Die erfindungsgemäße Schutzschaltung bietet eine schnelle Fehlerfallabschaltung und ist damit insbesondere im High-Side Treiberbereich effizient einsetzbar. Die erfindungsgemäße Schutzschaltung ermöglicht das Erfassen eines Überstromes bei geringen Einschaltwiderständen R_DS(on) der neuen Generation von MOSFETs mit den hohen Gatekapazitäten, welche diese aufweisen.
Dadurch, dass die Anschlüsse der Schutzschaltung nicht direkt am MOSFET angeschlossen werden müssen, sondern auch an den Leitungen zur Last, bzw. Versorgungsspannung/Masse, kann die Leitungsinduktivität miterfasst werden, was zu einer di/dt Erkennung führt und so den Strom im Kurzschlussfall noch schneller und mit noch kleineren Stromspitzen als bisher möglich abschalten kann.
Die hier beschriebene Schutzschaltung bietet somit die folgenden technischen Vorteile:

Mit einem Minimum an kostengünstigen Bauteilen ist eine effektive Überstromerkennung und Abschaltung realisierbar.

Die Schutzschaltung benötigt keine zusätzliche Spannungsversorgung. Das Ansteuersignal des Gates ist ausreichend.
Die Schutzschaltung kann direkt anstelle des Gate-Vorwiderstands in bestehende Treiberschaltungen integriert werden.
Der Strombereich kann in sehr weiten Grenzen einfach durch Ändern eines Widerstandswertes eingestellt werden.
Eine Stromerfassung ist auch bei sehr kleinen U_DS-Spannungen möglich, es können auch neue MOSFETs mit R_DS(on) Widerständen von wenigen mOhm geschützt werden.
Eine Temperaturkompensation ist dadurch, dass die Temperaturabhängigkeit Vf von V7 und die VBE(ON) von V3 (siehe 2) einen gleichen Verlauf haben, vorhanden, d.h., wenn die Vorwärtsspannung von der Diode bei höherer Temperatur sinkt, so sinkt in gleichem Maße auch die Basis-Emitter Schaltspannung von V3.
Dadurch, dass sich die Durchlassspannung der Diode und die Schaltspannung des Transistors kompensieren, kann die Schaltung deshalb auch schon Uds Spannungsabfälle von weniger als 100 bis 200mV am MOSFET sicher als Überstrom erkennen.
Der Kurzschlussstrom im Fehlerfall kann durch entsprechende Dimensionierung von C1 und C2 sowie mit R3 bis R5 sogar niedriger als der maximal zulässige Strom eingestellt werden.
Im Fehlerfall wird nur das Gate des MOSFETs entladen, die Ansteuerquelle wird nicht wesentlich belastet.
Zwischen R3 und R4 steht eine Spannung zur Verfügung, die im normalen Betrieb nahezu proportional dem Strom durch den Leistungs-MOSFET ist.
Die Spannung zwischen R3 und R4 kann direkt zum Ansteuern einer Leuchtdiode, eines Optokopplers oder eines Halbleiterbauteiles bzw. -schaltung verwendet werden, um ein Fehlersignal einer externen Überwachungseinheit mitzuteilen.
Das Ein- und Ausschaltverhalten des Leistungs-MOSFETs wird verbessert, was zu weniger Schaltverlusten führt.
Selbst im Dauerkurzschlussfall wird eine Zerstörung des MOSFETs trotz weiterer Ansteuerung verhindert.
Wenn kein Überstrom oder Kurzschluss mehr vorliegt, ist der vollständige Schutz selbstständig wiederhergestellt.
Dadurch, dass nur diskrete Bauteile verwendet werden, kann die Schaltung auch direkt ins Silizium des Leistungsschalters mit integriert werden. Es können Leistungsschalter bereitgestellt werden, die mit einer einfachen externen Beschaltung von einem Widerstand und einem Kondensator eine einstellbare Stromgrenze ermöglichen.
In vielen Anwendungen in der Elektronik kann durch Verwendung dieser Schltung eine Stromerfassung mit Stromwandlern oder Shunts überflüssig werden.
Auch ein geregelter Anlauf eines Motors an der Stromgrenze kann so realisiert werden.
Durch Auslegung von T1 als Darlingtontransistor ist es möglich, auch mehrere parallel geschaltete MOSFETs und MOSFETs mit hoher Gatekapazität zu schützen.
Durch Einfügen einer einfachen Zenerdiode wird zusätzlich das Gate des MOSFETs vor Überspannungen geschützt.
Die Schaltung kann auch direkt in den Siliziumchip des MOSFETs integriert werden. Die Stromgrenze kann durch einen nach außen herausgeführten Pin beschaltet und individuell angepasst werden.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die oben beschriebene Aufgabe gelöst durch eine Schutzschaltung zum Schutz eines Leistungsschalters, der einen Gate-Anschluss, einen Drain-Anschluss und einen Source-Anschluss aufweist, gegen Kurzschluss und Überstrom, wobei die Schutzschaltung folgendes umfasst: einen Steuereingang zum Empfang eines Gate-Steuersignals; ein Gate-Terminal zum Bereitstellen eines Gate-Signals an dem Gate-Anschluss des Leistungsschalters; ein Drain-Terminal zum Anschluss an den Drain-Anschluss des Leistungsschalters; ein Source-Terminal zum Anschluss an den Source-Anschluss des Leistungsschalters; einen ersten Transistor, der zwischen den Steuereingang und das Gate-Terminal geschaltet ist, wobei der erste Transistor ausgebildet ist, das Gate-Signal basierend auf dem Gate-Steuersignal in einem vorgegebenen Spannungsbereich bereitzustellen; ein RC-Netzwerk, das zwischen das Drain-Terminal und das Source-Terminal geschaltet ist, wobei das RC-Netzwerk ausgebildet ist, einen Strom durch den Leistungsschalter zu erfassen; und einen zweiten Transistor, der zwischen das Gate-Terminal und das Source-Terminal geschaltet ist, wobei der zweite Transistor ausgebildet ist, den Leistungsschalter auszuschalten, wenn der Strom durch den Leistungsschalter einen vorgebbaren Stromgrenzwert übersteigt.
Eine solche erfindungsgemäße Schutzschaltung realisiert einen maximalen Schutz mit einem Minimum an Schaltungsaufwand und ist kostengünstiger, schneller und einfacher als alle bisher eingesetzten Lösungen. Sie arbeitet nur mit diskreten Bauteilen.
Die erfindungsgemäße Schutzschaltung ist wegen ihrer extrem schnellen Erfassung von Kurzschlüssen auch bei extrem niederinduktiven Aufbauten zu verwenden. Es ist keine zusätzliche Spannungsversorgung erforderlich.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schutzschaltung sind der erste Transistor, der zweite Transistor und das RC-Netzwerk ausgebildet, ihre Spannungsversorgung aus dem Gate-Steuersignal zu beziehen.
Diese Versorgung der erfindungsgemäßen Schutzschaltung direkt aus dem Gate-Ansteuersignal bietet den technischen Vorteil, dass die Schutzschaltung sowohl in Low-Side Anwendungen als auch in High-Side Anwendungen eingesetzt werden kann.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schutzschaltung ist der Stromgrenzwert zum Ausschalten des Leistungsschalters über eine Dimensionierung des RC-Netzwerks vorgebbar.
Dies bietet den technischen Vorteil, dass die Schutzschaltung für eine Vielzahl von Anwendungen alleine über eine entsprechende Dimensionierung des RC-Netzwerks eingesetzt werden kann.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schutzschaltung umfasst das RC-Netzwerk eine Reihenschaltung aus einem ersten Widerstand und einer Parallelschaltung aus einem ersten Kondensator und einem zweiten Widerstand, wobei die Reihenschaltung parallel zu einem zweiten Kondensator geschaltet ist.
Wenn die Kondensatoren nicht vorhanden wären, würde beim Ansteuern des Gate-Signals (101, siehe 2) über R4 der Transistor V3 eingeschaltet. Somit könnte V1 nie einschalten. Mit C1 und C2, die im Zeitpunkt des Einschaltens 0V haben, ist dieses erst möglich.
Erst nach einer durch R und C definierten Zeit steigt die Spannung an der Basis von V3 so weit an, dass dieser leitend würde, die Gatespannung wieder auf 0V zieht und V1 abschaltet, sofern nicht der MOSFET schnell genug einschaltet. Nur wenn der MOSFET schnell und fehlerfrei einschaltet, führt dies über V7 dazu, dass die Spannung an der Basis von V3 unter der Schaltschwelle bleibt und die Überwachung aktiviert ist. Ansonsten liegt ein erkannter Fehler vor und das Gatesignal bleibt immer auf 0V.
Mit einem solchen RC-Netzwerk kann die Schutzschaltung effizient und schnell die Spannung über dem Leistungsschalter erfassen und daraus den Strom durch den Leistungsschalter bestimmen.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schutzschaltung ist ein erster Knotenpunkt des RC-Netzwerks, an dem der erste Widerstand mit der Parallelschaltung aus dem ersten Kondensator und dem zweiten Widerstand zusammengeschaltet sind, mit einem Steueranschluss des zweiten Transistors elektrisch verbunden, um den zweiten Transistor anzusteuern.
Dies bietet den Vorteil, dass der zweite Transistor schnell und effizient abhängig von der Strommessung durch den Leistungsschalter angesteuert werden kann, um bei Erreichen eines Stromgrenzwertes schnell eine Abschaltung des Leistungsschalters zu ermöglichen.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schutzschaltung umfasst die Schutzschaltung eine erste Diode, die in Serie mit dem RC-Netzwerk zwischen das Drain-Terminal und das Source-Terminal geschaltet ist, wobei an einem zweiten Knotenpunkt zwischen dem RC-Netzwerk und der ersten Diode eine Spannung abfällt, die einer Drain-Source Spannung des Leistungsschalters zuzüglich einer Schwellwertspannung der ersten Diode entspricht.
Die Schwellwertspannung der Diode entspricht der UBE Spannung des Transistors, damit entspricht sie auch der Schaltschwelle den NPN Transistors und muss temperaturmäßig nicht kompensiert werden.
Wenn sehr hohe PWM Ansteuerung (16kHz bis 300kHz) auf einen Kurzschluss wirken, führt dies bei Überschreiten einer hohen Stromgrenze dazu, dass der MOSFET nach Abschalten bei einem Kurzschluss nicht genug Zeit hat, thermisch wieder abzukühlen. Wenn der erste Kurzschluss erkannt ist, wird die Ansteuerspannung Gate in weiter anstehen und somit bleibt die Spannung an C1 (siehe 2) dann hoch. Somit wäre dann beim erneuten Einschalten auf den Kurzschluss C1 immer noch geladen und damit bei Ansteuerung von 50% PWM und mehr nicht genug entladen. Somit wird beim nächsten Einschaltversuch die Stromgrenze auch niedriger sein, bzw. ein Einschalten wäre erst wieder möglich, wenn beim nächsten Einschalten die Spannung über V7 wieder C1 genug entladen kann. Je nach Auslegung der RC Beschaltung kann so der Kurzschlussstrom bei einem bestehenden Einschalten auf einen Kurzschluss wesentlich niedriger sein als die eingestellte Stromgrenze.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schutzschaltung umfasst die Schutzschaltung einen dritten Widerstand, der zwischen den zweiten Knotenpunkt und den Steuereingang geschaltet ist, wobei die Schutzschaltung ausgebildet ist, den Strom durch den Leistungsschalter basierend auf der Spannung an dem zweiten Knotenpunkt zu erfassen.
Der dritte Widerstand bietet den Vorteil, dass durch ihn der zweite Knotenpunkt definiert wird, dessen Spannung sich zur Bestimmung des durch den Leistungsschalter fließenden Stroms eignet.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schutzschaltung ist der zweite Knotenpunkt als ein externer Anschluss zum Bereitstellen der Spannung an dem zweiten Knotenpunkt zur Ansteuerung externer Schaltungen und/oder zur Erkennung eines Fehlerfalles ausgebildet.
Dies bietet den Vorteil, dass die Spannung an dem zweiten Knotenpunkt an externe Schaltungen übermittelt werden kann, damit diese einen Fehlerfall erkennen können und gegebenenfalls entsprechende Maßnahmen zur Behebung des Fehlers ergreifen können.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schutzschaltung umfasst die Steuerschaltung eine zweite Diode, die zwischen das Gate-Terminal und den Steuereingang geschaltet ist, wobei die zweite Diode ausgebildet ist, den Leistungsschalter, unterstützt durch den zweiten Transistor, auszuschalten.
Dies bietet den Vorteil, dass eine schnelle Ausschaltung des Leistungsschalters im Fehlerfall realisiert werden kann.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schutzschaltung ist die zweite Diode parallel zu dem ersten Transistor in Durchlassrichtung zwischen das Gate-Terminal und den Steuereingang geschaltet.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schutzschaltung ist der erste Transistor als ein Darlington-Transistor mit einem Kollektoranschluss, einem Emitteranschluss und einem Basisanschluss ausgebildet.
Dies bietet den Vorteil, dass, wenn hohe Gatekapazitäten geschaltet werden müssen, ein solcher Darlington-Transistor eingesetzt werden kann, um mit hohen Strömen schnell einzuschalten.
Der Darlington-Transistor schaltet nicht aus, dafür ist nur V3 und V6 (siehe 2) im Fehlerfall vorgesehen. V1 und V2 sind nur für das Einschalten zuständig.
Falls die Ansteuerschaltung (Spannung Gate_IN auf Sourcepotential) geschaltet wird und kein Überstrom gemessen wird, wird nur über die Diode V4 das Abschalten ermöglicht.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schutzschaltung ist der Emitteranschluss des Darlington-Transistors mit dem Gate-Terminal verbunden, der Kollektoranschluss des Darlington-Transistors ist über einen vierten Widerstand mit dem Steuereingang verbunden; und der Basisanschluss des Darlington-Transistors ist über einen fünften Widerstand mit dem Kollektoranschluss des Darlington-Transistors verbunden.
Eine solche Verschaltung bewirkt, dass auch Leistungstransistoren, die hohe Steuerströme benötigen, welche durch diese Darlington-Ansteuerung entsprechend reduziert werden können, im Fehlerfall sicher und schnell ausgeschaltet werden können.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schutzschaltung ist der zweite Transistor als ein Bipolar-Transistor mit einem Kollektoranschluss, einem Emitteranschluss und einem Basisanschluss ausgebildet, wobei der Kollektoranschluss des zweiten Transistors mit dem Basisanschluss des Darlington-Transistors verbunden ist.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schutzschaltung umfasst die Schutzschaltung eine Zenerdiode, die zwischen das Source-Terminal und den Basisanschluss des Darlington-Transistors geschaltet ist, wobei die Zenerdiode ausgebildet ist, den Gate-Anschluss des Leistungsschalters gegen Überspannung zu schützen.
Mit der Zenerdiode kann das Gate des MOSFETs effizient gegen Überspannung geschützt werden.
Durch R2 (siehe 2) ist der Strom durch die Zenerdiode begrenzt, um die Verlustleistung der Zenerdiode zu minimieren. So kann die Steuerspannung weit über den für MOSFET schädlichen Spannungen sein, es können Spannungen bis zur maximalen UCE Spannung der Transistoren, also über 40V und mehr als Ansteuersignal anliegen.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schutzschaltung ist die Zenerdiode ausgebildet, die Spannung an dem Gate-Anschluss des Leistungsschalters auf eine Zenerspannung der Zenerdiode zuzüglich einer Basis-Emitterspannung des Darlington-Transistors zu begrenzen.
Dies bietet den Vorteil, dass selbst bei einer sehr hohen Eingangsspannung am Steuereingang die Spannung am Gate des MOSFETs auf die Zenerspannung der Zenerdiode zuzüglich der Basis-Emitterspannung des Darlington-Transistors begrenzt werden kann.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schutzschaltung umfasst die Schutzschaltung eine dritte Diode, die in Durchlassrichtung zwischen das Gate-Terminal und einen Knotenpunkt zwischen dem zweiten Transistor und dem ersten Transistor geschaltet ist. Die Diode D6 (dritte Diode D6, siehe 2) verhindert, dass das Gate über R2 geschaltet wird und sorgt dafür, dass V3 im Fehlerfall ausschalten kann. Durch den stromabhängigen Spannungsabfall über V6 wird auch das Abschaltverhalten optimiert.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schutzschaltung ist das Drain-Terminal zum Anschluss an einen ersten Leitungsabschnitt, der mit dem Drain-Anschluss des Leistungsschalters verbunden ist, ausgebildet; das Source-Terminal ist zum Anschluss an einen zweiten Leitungsabschnitt, der mit dem Source-Anschluss des Leistungsschalters verbunden ist, ausgebildet; das RC-Netzwerk ist ausgebildet, den Strom durch den Leistungsschalter inklusive des ersten Leitungsabschnittes und des zweiten Leitungsabschnittes zu erfassen; und der zweite Transistor ist ausgebildet, den Leistungsschalter auszuschalten, wenn der Strom durch den Leistungsschalter inklusive des ersten Leitungsabschnittes und des zweiten Leitungsabschnittes den vorgebbaren Stromgrenzwert übersteigt.
Dies bietet den Vorteil, dass die Leitungsindiktivität des ersten und/oder zweiten Leitungsabschnittes durch di/dt die Stromspitze begrenzt und zu einem schnelleren Abschalten im Kurzschlussfall führt.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigen:

1: ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung 100 zum Schutz eines Leistungsschalters 120 gegen Kurzschluss und Überstrom;
2: einen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung 200 gemäß einer ersten Ausführungsform;
3: einen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung 300 gemäß einer zweiten Ausführungsform;
4: ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung 100 zum Einsatz in Low-Side Schaltern;
5: ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung 100 zum Einsatz in High-Side Schaltern; und
6: eine Messung eines Stroms durch einen Leistungsschalter, der mit einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung 100 gegen Kurzschluss und Überstrom abgesichert ist.

Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen als Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Es versteht sich, dass auch andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einem beschränkenden Sinne zu verstehen. Ferner versteht es sich, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist.
Die Aspekte und Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen sich im Allgemeinen auf gleiche Elemente beziehen. In der folgenden Beschreibung werden zu Erläuterungszwecken zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein eingehendes Verständnis von einem oder mehreren Aspekten der Erfindung zu vermitteln. Für einen Fachmann kann es jedoch offensichtlich sein, dass ein oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen mit einem geringeren Grad der spezifischen Details ausgeführt werden können. In anderen Fällen werden bekannte Strukturen und Elemente in schematischer Form dargestellt, um das Beschreiben von einem oder mehreren Aspekten oder Ausführungsformen zu erleichtern. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
In der hier vorliegenden Offenbarung werden PWM-Signale zur Steuerung von Leistungsschaltern, insbesondere MOSFET Transistoren, insbesondere für Anwendungen in High-Side und Low-Side Schaltern beschrieben.
Ein Halbleiterschalter, der im oberen Stromkreis in Bezug auf eine äußere Last platziert ist, wird als High-Side-Treiber (Stromversorgung) bezeichnet. Wenn er in der unteren Schaltung platziert ist, wird er als Low-Side-Treiber (Masse) bezeichnet.
High-Side-Schalter werden verwendet, um elektrische Lasten ein- und auszuschalten, indem die positive (High-) Seite der Lastversorgung geschaltet wird. Low-Side-Schalter werden verwendet, um elektrische Lasten ein- und auszuschalten, indem die negative (Low-) Seite der Lastversorgung geschaltet wird.
Die Pulsweitenmodulation (PWM) ist eine digitale Modulationsart, bei der eine technische Größe (z. B. elektrische Spannung) zwischen zwei Werten wechselt. Dabei wird bei konstanter Frequenz ein Rechteckimpuls moduliert, dessen Weite, Breite bzw. Länge variiert. Das Verhältnis zwischen Impuls und Pause wird als Tastgrad bezeichnet.
Bei der Pulsdauermodulation hat das modulierte Signal eine feste Amplitude. Dafür ist die Impulsdauer abhängig von der Amplitude des Informationssignals. Je größer das Informationssignal, desto länger dauert der Impuls.
In der hier vorliegenden Offenbarung werden Leistungsschalter und Leistungstransistoren, sowie Darlington-Schaltungen und Darlington-Transistoren beschrieben.
Leistungsschalter, die auf Leistungstransistoren basieren, haben gegenüber Kleinsignaltransistoren eine wesentlich geringere Stromverstärkung und benötigen daher hohe Steuerströme, die durch eine Darlington-Anordnung entsprechend reduziert werden können. Deshalb ist eine der wichtigsten Anwendungen das Ein- oder Ausschalten eines Stromes mit wesentlich höherer Leistung durch einen Steuerstrom geringer Leistung.
Die Darlington-Schaltung ist eine elektronische Schaltung aus zwei Bipolartransistoren, wobei der erste, kleinere Transistor als Emitterfolger auf die Basis des zweiten, größeren arbeitet. Sie wird zur Erhöhung des Stromverstärkungsfaktors eines einzelnen Bipolartransistors angewendet. Befinden sich beide Transistoren in einem einzigen Gehäuse, spricht man auch vom Darlington-Transistor.
1 zeigt ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung 100 zum Schutz eines Leistungsschalters 120 gegen Kurzschluss und Überstrom.
Die Schutzschaltung 100 dient zum Schutz eines Leistungsschalters 120, zum Beispiel eines MOSFET Transistors, der einen Gate-Anschluss, einen Drain-Anschluss und einen Source-Anschluss aufweist, gegen Kurzschluss und Überstrom.
Die Schutzschaltung 100 umfasst einen Steuereingang 101 zum Empfang eines Gate-Steuersignals 110, das als PWM-Signal ausgebildet sein kann.
Die Schutzschaltung 100 umfasst ein Gate-Terminal 102 zum Bereitstellen eines Gate-Signals an einem Gate-Anschluss des Leistungsschalters 120. Das Gate-Signal kann auch allgemein gesprochen an einem Steuer-Anschluss des Leistungsschalters 120 bereitgestellt werden, wenn z.B. der Leistungsschalter kein MOSFET ist, sondern beispielsweise ein IGBT oder eine andere Art von Leistungsschalter.
Die Schutzschaltung 100 umfasst ein Drain-Terminal 103 zum Anschluss an den Drain-Anschluss des Leistungsschalters 120, wobei zwischen den Drain-Anschluss des Leistungsschalters 120 und dem Drain-Terminal 103 der Schutzschaltung 100 eine Leitungsinduktivität L1 geschaltet sein kann, welche beispielsweise über einen ersten Leitungsabschnitt 121 ausgebildet sein kann.
Die Schutzschaltung 100 umfasst ein Source-Terminal 104 zum Anschluss an den Source-Anschluss des Leistungsschalters 120, wobei zwischen den Source-Anschluss des Leistungsschalters 120 und dem Source-Terminal 104 der Schutzschaltung 100 eine Leitungsinduktivität L2 geschaltet sein kann, welche beispielsweise über einen zweiten Leitungsabschnitt 122 ausgebildet sein kann. Das Source-Terminal 104 ist in diesem Beispiel als Bezugspunkt ausgebildet, welches ein Bezugspotential aufweist, auf das sich die restlichen Potentiale der Schutzschaltung 100 beziehen.
Der Source-Anschluss des Leistungsschalters 120 kann auch allgemein ein erster Anschluss des Leistungspfads des Leistungsschalters sein und der Drain-Anschluss kann allgemein ein zweiter Anschluss des Leistungspfads des Leistungsschalters sein, wenn z.B. der Leistungsschalter kein MOSFET ist, sondern beispielsweise ein IGBT oder eine andere Art von Leistungsschalter. Zur Vereinfachung werden im Folgenden jeweils die Notationen: Gate, Drain und Source verwendet.
Die Schutzschaltung 100 ist ausgebildet, das Gate-Signal basierend auf dem Gate-Steuersignal (110) in einem vorgegebenen Spannungsbereich bereitzustellen.
Die Schutzschaltung 100 ist ferner ausgebildet, den Leistungsschalter 120 auszuschalten, wenn ein Strom durch den Leistungsschalter 120 einen vorgebbaren Stromgrenzwert übersteigt.
Eine Beschaltung der Schutzschaltung 100 ist näher in den 2 und 3 beschrieben.
2 zeigt einen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung 200 gemäß einer ersten Ausführungsform.
Die Schutzschaltung 200 ist eine erste Ausführungsform der Schutzschaltung 100 aus 1. Sie kann, wie in 1 gezeigt, an einen Leistungsschalter 120, z.B. MOSFET, angeschlossen werden und dient zum Schutz des Leistungsschalters 120, der einen Gate-Anschluss, einen Drain-Anschluss und einen Source-Anschluss aufweist, gegen Kurzschluss und Überstrom.
Die Schutzschaltung 200 umfasst: einen Steuereingang 101 zum Empfang eines Gate-Steuersignals 110; ein Gate-Terminal 102 zum Bereitstellen eines Gate-Signals an dem Gate-Anschluss des Leistungsschalters 120; ein Drain-Terminal 103 zum Anschluss an den Drain-Anschluss des Leistungsschalters 120; ein Source-Terminal 104 zum Anschluss an den Source-Anschluss des Leistungsschalters 120.
Die Schutzschaltung 200 umfasst ferner einen ersten Transistor V1, der zwischen den Steuereingang 101 und das Gate-Terminal 102 geschaltet ist, wobei der erste Transistor V1 ausgebildet ist, das Gate-Signal basierend auf dem Gate-Steuersignal 110 in einem vorgegebenen Spannungsbereich bereitzustellen. Der erste Transistor V1 ist in diesem Beispiel als ein Bipolar-Transistor ausgebildet. Es kann sich dabei aber auch um eine andere Art von Transistor handeln.
Die Schutzschaltung 200 umfasst ein RC-Netzwerk 130, das zwischen das Drain-Terminal 103 und das Source-Terminal 104 geschaltet ist. Das RC-Netzwerk 130 ist ausgebildet, einen Strom, beispielsweise einen Strom 412, wie in 4 oder 5 dargestellt, durch den Leistungsschalter 120 zu erfassen.
Die Schutzschaltung 200 umfasst einen zweiten Transistor V3, der zwischen das Gate-Terminal 102 und das Source-Terminal 104 geschaltet ist, wobei der zweite Transistor V3 ausgebildet ist, den Leistungsschalter 120 auszuschalten, wenn der Strom 412 durch den Leistungsschalter 120, welcher von dem RC-Netzwerk 130 erfasst wird, einen vorgebbaren Stromgrenzwert 610 übersteigt. In 6 ist eine Messung gezeigt, in der ein solcher Stromgrenzwert 610 vorgegeben ist. Jeder geeignete Wert kann hierzu als Stromgrenzwert 610 vorgegeben werden.
Der zweite Transistor V3 ist in diesem Beispiel als ein Bipolar-Transistor ausgebildet. Es kann sich dabei aber auch um eine andere Art von Transistor handeln.
Der erste Transistor V1, der zweite Transistor V3 und das RC-Netzwerk 130 sind ausgebildet, ihre Spannungsversorgung aus dem Gate-Steuersignal 110 zu beziehen. D.h., die Schutzschaltung 200 benötigt keine externe Spannungsversorgung zur Versorgung ihrer Komponenten mit Spannung, denn die Versorgungsspannung kann alleine aus dem Gate-Steuersignal 110, z.B. einem PWM-Signal, bezogen werden.
Der Stromgrenzwert 610 zum Ausschalten des Leistungsschalters 120 ist über eine Dimensionierung des RC-Netzwerks 130 vorgebbar. D.h. anhand der Größe der einzelnen Kapazitäten und Widerstände des RC-Netzwerks 130 ist der Stromgrenzwert 610 in geeigneter Weise vorgebbar.
In diesem Beispiel der 2 umfasst das RC-Netzwerk 130 eine Reihenschaltung aus einem ersten Widerstand R4 und einer Parallelschaltung aus einem ersten Kondensator C2 und einem zweiten Widerstand R5, wobei die Reihenschaltung parallel zu einem zweiten Kondensator C1 geschaltet ist. Dies ist nur als ein Beispiel zu verstehen, es versteht sich, dass auch jede andere Schaltungsstruktur für das RC-Netzwerk 130 verwendet werden kann.
In diesem beispielhaften RC-Netzwerk 130 ist ein erster Knotenpunkt 105, an dem der erste Widerstand R4 mit der Parallelschaltung aus dem ersten Kondensator C2 und dem zweiten Widerstand R5 zusammengeschaltet sind, mit einem Steueranschluss des zweiten Transistors V3 elektrisch verbunden, um den zweiten Transistor V3 anzusteuern.
Die Schutzschaltung 200 umfasst ferner eine erste Diode V7, die in Serie mit dem RC-Netzwerk 130 zwischen das Drain-Terminal 103 und das Source-Terminal 104 geschaltet ist, wobei an einem zweiten Knotenpunkt 106 zwischen dem RC-Netzwerk 130 und der ersten Diode V7 eine Spannung U (R3, R4) abfällt, die einer Drain-Source Spannung des Leistungsschalters 120 zuzüglich einer Schwellwertspannung der ersten Diode V7 entspricht.
Die erste Diode V7 ist in Durchlassrichtung zwischen den zweiten Knotenpunkt 106 und das Drain-Terminal 103 geschaltet.
Die Schutzschaltung 200 umfasst einen dritten Widerstand R3, der zwischen den zweiten Knotenpunkt 106 und den Steuereingang 101 geschaltet ist. Die Schutzschaltung 200 ist ausgebildet, den Strom 412 durch den Leistungsschalter 120 basierend auf der Spannung an dem zweiten Knotenpunkt 106 zu erfassen.
Der zweite Knotenpunkt 106 kann hierbei als ein externer Anschluss zum Bereitstellen der Spannung U (R3, R4) an dem zweiten Knotenpunkt 106 zur Ansteuerung externer Schaltungen und/oder zur Erkennung eines Fehlerfalles ausgebildet sein. Die Spannung U (R3, R4) an dem zweiten Knotenpunkt 106 entspricht der Spannung zwischen dem dritten Widerstand R3 und dem ersten Widerstand R4.
Die Schutzschaltung 200 umfasst eine zweite Diode V4, die zwischen das Gate-Terminal 102 und den Steuereingang 101 geschaltet ist. Genauer gesagt ist die Reihenschaltung der zweiten Diode V4 mit einem Widerstand R1 zwischen das Gate-Terminal 102 und den Steuereingang 101 geschaltet. Die zweite Diode V4 ist ausgebildet, den Leistungsschalter 120, unterstützt durch den zweiten Transistor V3, auszuschalten.
Die zweite Diode V4 ist parallel zu dem ersten Transistor V1 in Durchlassrichtung zwischen das Gate-Terminal 102 und den Steuereingang 101 geschaltet.
Die Schutzschaltung 200 umfasst eine dritte Diode V6, die in Durchlassrichtung zwischen das Gate-Terminal 102 und einen Knotenpunkt 107 zwischen dem zweiten Transistor V3 und dem ersten Transistor V1 geschaltet ist, um das Einschalten über R2 zu verhindern und ein Entladen des Gates über V3 zu ermöglichen.
Wie bereits oben zu 1 beschrieben, kann das Drain-Terminal 103 zum Anschluss an einen ersten Leitungsabschnitt 121, der mit dem Drain-Anschluss des Leistungsschalters 120 verbunden ist, ausgebildet sein. Das Source-Terminal 104 kann zum Anschluss an einen zweiten Leitungsabschnitt 122, der mit dem Source-Anschluss des Leistungsschalters 120 verbunden ist, ausgebildet sein. Das RC-Netzwerk 130 kann ausgebildet sein, den Strom 412 durch den Leistungsschalter 120 inklusive des ersten Leitungsabschnittes 121 und des zweiten Leitungsabschnittes 122 zu erfassen. Der zweite Transistor V3 kann ausgebildet sein, den Leistungsschalter 120 auszuschalten, wenn der Strom 412 durch den Leistungsschalter 120 inklusive des ersten Leitungsabschnittes 121 und des zweiten Leitungsabschnittes 122 den vorgebbaren Stromgrenzwert 610 übersteigt.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der Schutzschaltung 200 näher beschrieben.
Die Schutzschaltung 200 arbeitet ohne integrierte Schaltungen. Es werden lediglich 2 Transistoren benötigt, beziehungsweise für MOSFETs mit großer Gatekapazität wird ein Darlington bestehend aus V1 und V2 verwendet, wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel der 3 näher erläutert.
Die Schutzschaltung 200 wird komplett aus der Gateansteuerung 101 versorgt, nämlich nur mit dem PWM Signal 110, welches an X1, 101 anliegt. Er wird keine weitere Spannungsversorgung des Treibers benötigt.
Dieses kann mit kostengünstigen Bootstrap-Schaltern in High-Side Anwendungen realisiert werden oder mittels eines einfachen Transistors, der gegen VDD in Low-Side Anwendungen schaltet, wie zu den 4 und 5 näher dargestellt. V3 bewirkt eine weitere aktive Abschaltung, sobald der MOSFET 120 in den sperrenden Zustand gesteuert wird, damit kann der MOSFET 120 sanft und trotzdem schnell und mit weniger Schaltverlusten abgeschaltet werden.
Es können hierbei extrem günstige Bauteile eingesetzt werden, die Gesamtkosten, welche auch die technische Komplexität der Schaltung abbilden, betragen nur wenige Cent.
Es existieren keine Gatter-Laufzeiten mehr wie bei Verwendung von integrierten Schaltungen, der MOSFET 120 kann wesentlich schneller eingeschaltet und ausgeschaltet werden.
Die Schutzschaltung 200 arbeitet auch mit PWM Frequenzen von weit über 20kHz, sogar bei Frequenzen von 450 kHz und mehr ist eine Überstromerkennung und Kurzschlusserkennung, sowie ein sicheres Schaltverhalten des MOSFET 120 noch gewährleistet.
Beim Einschalten ist die Stromüberwachung bereits aktiv, die Stromspitze beim Einschalten des MOSFETs 120 im Kurzschlussfall ist wesentlich geringer, da im Einschaltzeitpunkt eine du/dt (d.h. Änderung der Spannung mit der Zeit) Erkennung möglich ist.
Die Schutzschaltung 200 ist auch für MOSFETs 120 mit einem R_DS(on) Widerstand von wenigen milliOhm und für Strombelastungen bis mehrere hundert Ampere einsetzbar.
Die Schutzschaltung 200 kann sowohl in Low-Side, als auch in High-Side und in mehrphasigen Brückenschaltungen verwendet werden.
Sie kann auch in vorhandene Schaltungen anstelle eines externen Gatevorwiderstandes eingesetzt werden und diese mit einem wirkungsvollen Kurz- und Überstromschutz nachrüsten.
Weiterhin ist es möglich, zum Beispiel Gleichstrommotoren bei einer Ansteuerung von beispielsweise 95% Einschaltdauer mit einer eingestellten Stromgrenze anzufahren, ohne die Verlustleistung des MOSFET 120 nennenswert zu erhöhen, weil die Schaltung den MOSFET mit einer geregelten Einschaltdauer ansteuert, die sicherstellt, dass der maximal eingestellte Strom durch den MOSFET nie überschritten wird.
Die Spannung zwischen R3 und R4, im Schaltplan als U (R3, R4) kenntlich gemacht, kann zur Erfassung des Stromes durch den MOSFET 120 verwendet werden und auch zur Erkennung eines Fehlerfalles eingesetzt werden.
Sie beträgt im eingeschalteten Zustand der Durchlassspannung der Diode. Sie entspricht auch der U_BE Schwellenspannung von V3. Dadurch, dass beide Halbleiter identische Temperaturverläufe haben, kompensiert sich der Temperatureinfluss.
Mit einer optionalen Zenerdiode V8, wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel der Schutzschaltung 300 gemäß 3 näher dargestellt, kann das Gate des MOSFETs zudem gegen Überspannung geschützt werden, selbst bei einer sehr hohen Eingangsspannung an GATE_IN, 101 wird die Spannung am Gate des MOSFETs auf die Zenerspannung der Diode V8 zuzüglich der Basis-Emitterspannung der Darlington-Schaltung V1_V2 begrenzt.
Durch R3, R4, R5, sowie C1 und C2 kann die Strombegrenzung, die Abschaltung und der Kurzschlussfall nahezu beliebig angepasst werden.
Im Fehlerfall bleibt der MOSFET 120 auch bei weiter angelegter Ansteuerung ausgeschaltet.
Bei Abschaltung im Fehlerfall wird nur das Gate entladen, die Ansteuerschaltung wird nicht belastet.
Der Anschluss DRAIN, 103 muss nicht direkt mit dem Drain-Anschluss des MOSFETs 120 verbunden werden, sondern kann auch nahe der Last in Low-Side Anwendungen verbunden werden, wie beispielsweise in 1 und 4 dargestellt. In diesem Falle bewirkt die Leitungsinduktivität durch di/dt eine noch kleinere Stromspitze und schnelleres Abschalten im Kurzschlussfall.
Gleiches gilt für den Source-Anschluss in High-Side Schaltungen, wie beispielsweise in 1 und 5 dargestellt.
Im Betrieb unterhalb der eingestellten Stromgrenze bewirkt V1 mit V8 (siehe 3), dass die Spannung am Gate unabhängig der Höhe der Eingangsspannung GATE_IN, 101 immer im zulässigen Bereich des MOSFETs 120 liegt.
Das Ausschalten des MOSFETs 120 erfolgt über V4, während V3 dies je nach Betriebszustand noch unterstützt.
Sofern beim Einschalten ein zu hoher Strom fließt, und somit der MOSFET 120 nicht schnell genug einschalten kann, wird dies durch das Netzwerk R3, R4, R5 mit C1 und C2 detektiert, d.h. dem RC-Netzwerk 130 zusammen mit dem Widerstand R3, und V3 schaltet den MOSFET 120 sofort aus. V3 bleibt solange leitend, bis die Eingangsspannung GATE_IN, 110 für eine gewisse Zeit wieder auf unter 1 Volt liegt.
Dann setzt sich die Treiberschaltung bzw. die Schutzschaltung 200, 300 immer wieder in den Ausgangszustand zurück.
Bei weiteren Einschaltversuchen des MOSFETs 120 im Kurzschlussfall lädt sich C1 weiter auf und sperrt über V3 den MOSFET 120.
Bedingt durch die Kapazität der Diode V7 wird bei schnellem Einschalten (du/dt von Uds ist groß) die Spannung am Knoten U (R3, R4) bzw. K6, 106 negativ, damit ist lediglich die Überstromerkennung wirksam. Falls bei einem Kurzschluss der MOSFET 120 nicht schnell genug einschaltet (du/dt kleiner als in normalen Betrieb) steigt die Spannung U (R3, R4) viel schneller an und bewirkt ein schnelleres Ausschalten, so dass der Kurzschlussstrom sogar unter der eingestellten Stromgrenze liegt.
Je nach Dimensionierung des Netzwerkes kann dies auch für mehrere Perioden der Fall sein.
Sobald während des Betriebes unter der Stromgrenze zu irgendeinem Zeitpunkt die eingestellte Stromgrenze überschritten wird, schaltet V4 den MOSFET 120 auch bei weiter anstehendem GATE_IN Signal, 110 sofort aus.
An dem Knotenpunkt U (R3, R4) kann das Fehlersignal direkt zum Ansteuern einer LED, eines Levelshifters, einer Stromspiegel-Schaltung oder anderen Baugruppen zwecks Fehlerdetektierung oder Strommessung zur Verfügung gestellt werden.
R3 und R2 können je nach Anwendung auch hochohmiger gemacht werden, so dass das Ansteuersignal GATE_IN, 110 nur gering belastet wird.
Die Schutzschaltung 200 benötigt keine aufwendige externe Spannungsversorgung mehr, die den MOSFET nur ein und ausschaltet. Die Schutzschaltung 200 benötigt keine Versorgungsspannung, sondern versorgt sich aus dem Gate-Ansteuersignal 110.
Weiter kann diese Schutzschaltung 200 unabhängig von dem Gate-Ansteuersignal 110 Überstrom und Übertemperatur erkennen und trotz anstehender Gatespannung den MOSFET 120 dann abschalten, obwohl die externe Ansteuerelektronik noch keinen Fehler erkannt hat und weiterhin den MOSFET ansteuert.
Zusätzlich kann sie aus dem üblicherweise nur mit „an und aus“ anliegenden Signal den MOSFET 120 geregelt ansteuern, quasi eine intelligente Softansteuerung daraus machen, die Überspannungen am MOSFET 120 durch ungeregeltes Ein- und Ausschalten vermeidet.
Andere Schutzschaltungen benötigen eine gewisse Totzeit, die nicht sofort auf Überstrom reagieren kann und damit nicht im Nanosekundenbereich abschalten kann.
Das bedeutet, dass die neue Schutzschaltung 200 im Fehlerfall den MOSFET 120 schon längst ausgeschaltet hat, bevor eine konventionelle Schutzschaltung einen Fehlerfall erst bemerken würde.
3 zeigt einen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung 300 gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Diese zweite Ausführungsform entspricht weitgehend der ersten Ausführungsform, wie in 2 beschrieben. Allerdings ist anstelle des Transistors V1 eine Darlington-Schaltung bestehend aus den Transistoren V1 und V2 realisiert und eine Zenerdiode V8 ist zusätzlich verschaltet.
Die Schutzschaltung 300 umfasst: einen Steuereingang 101 zum Empfang eines Gate-Steuersignals 110; ein Gate-Terminal 102 zum Bereitstellen eines Gate-Signals an dem Gate-Anschluss des Leistungsschalters 120; ein Drain-Terminal 103 zum Anschluss an den Drain-Anschluss des Leistungsschalters 120; ein Source-Terminal 104 zum Anschluss an den Source-Anschluss des Leistungsschalters 120.
Die Schutzschaltung 300 umfasst ferner einen Darlington-Transistor V1, V2 der zwischen den Steuereingang 101 und das Gate-Terminal 102 geschaltet ist, wobei der Darlington-Transistor V1, V2 ausgebildet ist, das Gate-Signal basierend auf dem Gate-Steuersignal 110 in einem vorgegebenen Spannungsbereich bereitzustellen.
Die Schutzschaltung 300 umfasst ein RC-Netzwerk 130, das zwischen das Drain-Terminal 103 und das Source-Terminal 104 geschaltet ist. Das RC-Netzwerk 130 ist ausgebildet, einen Strom, beispielsweise einen Strom 412, wie in 4 oder 5 dargestellt, durch den Leistungsschalter 120 zu erfassen.
Die Schutzschaltung 300 umfasst einen zweiten Transistor V3, der zwischen das Gate-Terminal 102 und das Source-Terminal 104 geschaltet ist, wobei der zweite Transistor V3 ausgebildet ist, den Leistungsschalter 120 auszuschalten, wenn der Strom 412 durch den Leistungsschalter 120, welcher von dem RC-Netzwerk 130 erfasst wird, einen vorgebbaren Stromgrenzwert 610 übersteigt.
Wie oben beschrieben, ist gegenüber der Schutzschaltung 200 aus 2, in der Schutzschaltung 300 der erste Transistor V1 als ein Darlington-Transistor V1, V2 mit einem Kollektoranschluss, einem Emitteranschluss und einem Basisanschluss ausgebildet.
In der zweiten Ausführungsform der Schutzschaltung 300 gemäß 3 ist der Emitteranschluss des Darlington-Transistors V1, V2 mit dem Gate-Terminal 102 verbunden. Der Kollektoranschluss des Darlington-Transistors V1, V2 ist über einen vierten Widerstand R1 mit dem Steuereingang 101 verbunden. Der Basisanschluss des Darlington-Transistors V1, V2 ist über einen fünften Widerstand R2 mit dem Kollektoranschluss des Darlington-Transistors V1, V2 verbunden.
Der zweite Transistor V3 kann als ein Bipolar-Transistor mit einem Kollektoranschluss, einem Emitteranschluss und einem Basisanschluss ausgebildet sein. Der Kollektoranschluss des zweiten Transistors V3 ist in der Ausführungsform gemäß 3 mit dem Basisanschluss des Darlington-Transistors V1, V2 verbunden.
Wie oben bereits beschrieben, umfasst die Schutzschaltung 300 eine Zenerdiode V8, die zwischen das Source-Terminal 104 und den Basisanschluss des Darlington-Transistors V1, V2 geschaltet ist. Die Zenerdiode V8 ist ausgebildet, den Gate-Anschluss des Leistungsschalters 120 gegen Überspannung zu schützen.
Die Zenerdiode V8 ist ferner ausgebildet, die Spannung an dem Gate-Anschluss des Leistungsschalters 120 auf eine Zenerspannung der Zenerdiode V8 zuzüglich einer Basis-Emitterspannung des Darlington-Transistors V1, V2 zu begrenzen.
Die Schutzschaltung 300 umfasst eine dritte Diode V6, die in Durchlassrichtung zwischen das Gate-Terminal 102 und einen Knotenpunkt 107 zwischen dem zweiten Transistor V3 und dem ersten Transistor V1 bzw. dem Darlington-Transistor V1, V2, geschaltet ist, um den Gate-Anschluss des Leistungsschalters 120 nicht über R2 aufzuladen und ein Ausschalten über V3 zu ermöglichen.
Wie oben zu 2 bereits beschrieben, kann das Drain-Terminal 103 zum Anschluss an einen ersten Leitungsabschnitt 121, der mit dem Drain-Anschluss des Leistungsschalters 120 verbunden ist, ausgebildet sein. Das Source-Terminal 104 kann zum Anschluss an einen zweiten Leitungsabschnitt 122, der mit dem Source-Anschluss des Leistungsschalters 120 verbunden ist, ausgebildet sein. Das RC-Netzwerk 130 kann ausgebildet sein, den Strom 412 durch den Leistungsschalter 120 inklusive des ersten Leitungsabschnittes 121 und des zweiten Leitungsabschnittes 122 zu erfassen. Der zweite Transistor V3 kann ausgebildet sein, den Leistungsschalter 120 auszuschalten, wenn der Strom 412 durch den Leistungsschalter 120 inklusive des ersten Leitungsabschnittes 121 und des zweiten Leitungsabschnittes 122 den vorgebbaren Stromgrenzwert 610 übersteigt.
4 zeigt ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung 100 zum Einsatz in Low-Side Schaltern.
Die Schutzschaltung 100 entspricht der oben zu 1 beschriebenen Schutzschaltung. Sie kann in der ersten Ausführungsform gemäß 2 oder in der zweiten Ausführungsform gemäß 3 vorliegen. Die Schutzschaltung 100 umfasst einen Steuereingang 101 zum Empfang eines Gate-Steuersignals 110, das hier als PWM-Signal ausgebildet sein kann und von einem Level-Shifter oder einem Pulsgenerator stammen kann.
Die Schutzschaltung 100 umfasst ein Gate-Terminal 102 zum Bereitstellen eines Gate-Signals an einem Gate-Anschluss des Leistungsschalters 120. Die Schutzschaltung 100 umfasst ein Drain-Terminal 103 zum Anschluss an den Drain-Anschluss des Leistungsschalters 120. Die Schutzschaltung 100 umfasst ein Source-Terminal 104 zum Anschluss an den Source-Anschluss des Leistungsschalters 120. Der Source-Anschluss kann als „floating Source“ ausgebildet sein, wie in 4 dargestellt.
Der durch den MOSFET 120 fließende Strom 412 kann gemessen werden, beispielsweise anhand des RC-Netzwerks 130, wie oben zu den 2 und 3 beschrieben.
In der hier dargestellten Low-Side Anwendung ist der MOSFET 120 in der Low-Seite bzw. unteren Seite der Schaltung 400 implementiert. Er ist an die untere Seite des Motors bzw. der induktiven Last 410 geschaltet. Die Schutzschaltung 100 kann den MOSFET 120 und damit die gesamte Schaltung 400 gegen Kurzschluss und Überstrom schützen.
5 zeigt ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung 100 zum Einsatz in High-Side Schaltern.
Wie bereits oben zu 4 beschrieben, entspricht die Schutzschaltung 100 der oben zu 1 beschriebenen Schutzschaltung. Sie kann in der ersten Ausführungsform gemäß 2 oder in der zweiten Ausführungsform gemäß 3 vorliegen. Die Schutzschaltung 100 umfasst einen Steuereingang 101 zum Empfang eines Gate-Steuersignals 110, das hier als PWM-Signal ausgebildet sein kann und von einem Level-Shifter oder einem Pulsgenerator stammen kann.
Der durch den MOSFET 120 fließende Strom 412 kann gemessen werden, beispielsweise anhand des RC-Netzwerks 130, wie oben zu den 2 und 3 beschrieben.
In der hier dargestellten High-Side Anwendung ist der MOSFET 120 in der High-Seite bzw. oberen Seite der Schaltung 500 implementiert. Er ist an die obere Seite des Motors bzw. der ohmschen/induktiven Last 410 geschaltet. Die Schutzschaltung 100 kann den MOSFET 120 und damit die gesamte Schaltung 500 gegen Kurzschluss und Überstrom schützen.
6 zeigt eine Messung 600 eines Stroms durch einen Leistungsschalter, der mit einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung 100 gegen Kurzschluss und Überstrom abgesichert ist.
Die Figur zeigt eine beispielhafte Messung, welche die oben beschriebene Funktionsfähigkeit der Schutzschaltung 100, 200, 300 demonstrieren soll. In der Messung ist eine Stromgrenze 610 von 37 Ampere eingestellt. Die Zeitbasis ist 1 ms/Div. Der MOSFET 120 hat in diesem Beispiel einen maximalen Strom von Imos_max=37,2 Ampere und einen Drain-Source Widerstand im leitfähigen Zustand von R_DS(on)=0,012 Ohm. Das RC-Netzwerk 130 wurde mit den Parametern C1=1500 pF und R4 = 800 Ohm realisiert.
In der 6 ist der gemessene Strom 412 unter der Gate-Spannung VGate, 601 und der Batteriespannung VBat PWM, d.h. der Spannung des PWM Signals, 110 dargestellt. Als PWM-Signal 110 wurde ein mit 50% getaktetes Signal verwendet.
Aus der Messung 600 ist das Abschalten des Gates (VGate, 601) bei Erreichen der Stromgrenze 610 deutlich erkennbar. Bei steigender Flanke des PWM-Signals 110 fängt der MOSFET 120 an zu leiten. Der Strom 412 durch den MOSFET 120 steigt an bis er die Stromgrenze 610 erreicht, bei der die Schutzschaltung 100, 200, 300 abschaltet, so dass die Gate-Spannung 601 auf Null geregelt wird.
Damit wird ein effektiver Schutz des MOSFET 120 gegen Kurzschluss und Überstrom erzielt.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Schutz eines Leistungsschalters 120, der einen Gate-Anschluss, einen Drain-Anschluss und einen Source-Anschluss aufweist, gegen Kurzschluss und Überstrom, unter Verwendung einer Schutzschaltung 100, 200, 300, wie oben zu 1, 2 und 3 beschrieben.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

Bereitstellen des Gate-Signals, durch den ersten Transistor V1 basierend auf dem Gate-Steuersignal 110 in einem vorgegebenen Spannungsbereich;
Erfassen eines Stroms 412 durch den Leistungsschalter 120, durch das RC-Netzwerk 130; und
Ausschalten des Leistungsschalters 120 durch den zweiten Transistor V3, wenn der Strom 412 durch den Leistungsschalter 120 einen vorgebbaren Stromgrenzwert 610 übersteigt.

Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm zur Ausführung dieses Verfahrens auf einem Computer.

Claims

Schutzschaltung (100, 200, 300) zum Schutz eines Leistungsschalters (120), der einen Gate-Anschluss, einen Drain-Anschluss und einen Source-Anschluss aufweist, gegen Kurzschluss und Überstrom, wobei die Schutzschaltung (100, 200, 300) folgendes umfasst: einen Steuereingang (101) zum Empfang eines Gate-Steuersignals (110); ein Gate-Terminal (102) zum Bereitstellen eines Gate-Signals an dem Gate-Anschluss des Leistungsschalters (120); ein Drain-Terminal (103) zum Anschluss an den Drain-Anschluss des Leistungsschalters (120); ein Source-Terminal (104) zum Anschluss an den Source-Anschluss des Leistungsschalters (120); einen ersten Transistor (V1), der zwischen den Steuereingang (101) und das Gate-Terminal (102) geschaltet ist, wobei der erste Transistor (V1) ausgebildet ist, das Gate-Signal basierend auf dem Gate-Steuersignal (110) in einem vorgegebenen Spannungsbereich bereitzustellen; ein RC-Netzwerk (130), das zwischen das Drain-Terminal (103) und das Source-Terminal (104) geschaltet ist, wobei das RC-Netzwerk (130) ausgebildet ist, einen Strom (412) durch den Leistungsschalter (120) zu erfassen; und einen zweiten Transistor (V3), der zwischen das Gate-Terminal (102) und das Source-Terminal (104) geschaltet ist, wobei der zweite Transistor (V3) ausgebildet ist, den Leistungsschalter (120) auszuschalten, wenn der Strom (412) durch den Leistungsschalter (120) einen vorgebbaren Stromgrenzwert (610) übersteigt.
Schutzschaltung (100, 200, 300) nach Anspruch 1, wobei der erste Transistor (V1), der zweite Transistor (V3) und das RC-Netzwerk (130) ausgebildet sind, ihre Spannungsversorgung aus dem Gate-Steuersignal (110) zu beziehen.
Schutzschaltung (100, 200, 300) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Stromgrenzwert (610) zum Ausschalten des Leistungsschalters (120) über eine Dimensionierung des RC-Netzwerks (130) vorgebbar ist.
Schutzschaltung (100, 200, 300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das RC-Netzwerk (130) eine Reihenschaltung aus einem ersten Widerstand (R4) und einer Parallelschaltung aus einem ersten Kondensator (C2) und einem zweiten Widerstand (R5) umfasst, wobei die Reihenschaltung parallel zu einem zweiten Kondensator (C1) geschaltet ist.
Schutzschaltung (100, 200, 300) nach Anspruch 4, wobei ein erster Knotenpunkt (105) des RC-Netzwerks (130), an dem der erste Widerstand (R4) mit der Parallelschaltung aus dem ersten Kondensator (C2) und dem zweiten Widerstand (R5) zusammengeschaltet sind, mit einem Steueranschluss des zweiten Transistors (V3) elektrisch verbunden ist, um den zweiten Transistor (V3) anzusteuern.
Schutzschaltung (100, 200, 300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend: eine erste Diode (V7), die in Serie mit dem RC-Netzwerk (130) zwischen das Drain-Terminal (103) und das Source-Terminal (104) geschaltet ist, wobei an einem zweiten Knotenpunkt (106) zwischen dem RC-Netzwerk (130) und der ersten Diode (V7) eine Spannung abfällt, die einer Drain-Source Spannung des Leistungsschalters (120) zuzüglich einer Schwellwertspannung der ersten Diode (V7) entspricht.
Schutzschaltung (100, 200, 300) nach Anspruch 6, umfassend: einen dritten Widerstand (R3), der zwischen den zweiten Knotenpunkt (106) und den Steuereingang (101) geschaltet ist, wobei die Schutzschaltung (100, 200, 300) ausgebildet ist, den Strom (412) durch den Leistungsschalter (120) basierend auf der Spannung an dem zweiten Knotenpunkt (106) zu erfassen.
Schutzschaltung (100, 200, 300) nach Anspruch 6 oder 7, wobei der zweite Knotenpunkt (106) als ein externer Anschluss zum Bereitstellen der Spannung an dem zweiten Knotenpunkt (106) zur Ansteuerung externer Schaltungen und/oder zur Erkennung eines Fehlerfalles ausgebildet ist.
Schutzschaltung (100, 200, 300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend: eine zweite Diode (V4), die zwischen das Gate-Terminal (102) und den Steuereingang (101) geschaltet ist, wobei die zweite Diode (V4) ausgebildet ist, den Leistungsschalter (120), unterstützt durch den zweiten Transistor (V3), auszuschalten.
Schutzschaltung (100, 200, 300) nach Anspruch 9, wobei die zweite Diode (V4) parallel zu dem ersten Transistor (V1) in Durchlassrichtung zwischen das Gate-Terminal (102) und den Steuereingang (101) geschaltet ist.
Schutzschaltung (300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Transistor (V1) als ein Darlington-Transistor (V1, V2) mit einem Kollektoranschluss, einem Emitteranschluss und einem Basisanschluss ausgebildet ist.
Schutzschaltung (300) nach Anspruch 11, wobei der Emitteranschluss des Darlington-Transistors (V1, V2) mit dem Gate-Terminal (102) verbunden ist, wobei der Kollektoranschluss des Darlington-Transistors (V1, V2) über einen vierten Widerstand (R1) mit dem Steuereingang (101) verbunden ist; und wobei der Basisanschluss des Darlington-Transistors (V1, V2) über einen fünften Widerstand (R2) mit dem Kollektoranschluss des Darlington-Transistors (V1, V2) verbunden ist.
Schutzschaltung (300) nach Anspruch 12, wobei der zweite Transistor (V3) als ein Bipolar-Transistor mit einem Kollektoranschluss, einem Emitteranschluss und einem Basisanschluss ausgebildet ist, wobei der Kollektoranschluss des zweiten Transistors (V3) mit dem Basisanschluss des Darlington-Transistors (V1, V2) verbunden ist.
Schutzschaltung (300) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, umfassend: eine Zenerdiode (V8), die zwischen das Source-Terminal (104) und den Basisanschluss des Darlington-Transistors (V1, V2) geschaltet ist, wobei die Zenerdiode (V8) ausgebildet ist, den Gate-Anschluss des Leistungsschalters (120) gegen Überspannung zu schützen.
Schutzschaltung (300) nach Anspruch 14, wobei die Zenerdiode (V8) ausgebildet ist, die Spannung an dem Gate-Anschluss des Leistungsschalters (120) auf eine Zenerspannung der Zenerdiode (V8) zuzüglich einer Basis-Emitterspannung des Darlington-Transistors (V1, V2) zu begrenzen.
Schutzschaltung (200, 300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend: eine dritte Diode (V6), die in Durchlassrichtung zwischen das Gate-Terminal (102) und einen Knotenpunkt (107) zwischen dem zweiten Transistor (V3) und dem ersten Transistor (V1) geschaltet ist.
Schutzschaltung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Drain-Terminal (103) zum Anschluss an einen ersten Leitungsabschnitt (121), der mit dem Drain-Anschluss des Leistungsschalters (120) verbunden ist, ausgebildet ist; wobei das Source-Terminal (104) zum Anschluss an einen zweiten Leitungsabschnitt (122), der mit dem Source-Anschluss des Leistungsschalters (120) verbunden ist, ausgebildet ist; wobei das RC-Netzwerk (130) ausgebildet ist, den Strom (412) durch den Leistungsschalter (120) inklusive des ersten Leitungsabschnittes (121) und des zweiten Leitungsabschnittes (122) zu erfassen; und wobei der zweite Transistor (V3) ausgebildet ist, den Leistungsschalter (120) auszuschalten, wenn der Strom (412) durch den Leistungsschalter (120) inklusive des ersten Leitungsabschnittes (121) und des zweiten Leitungsabschnittes (122) den vorgebbaren Stromgrenzwert (610) übersteigt.