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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Schaltungsanordnung zum Kurzschlussabschalten eines MOSFET-Schalters,
der an seinem Gate von einer integrierten Schaltung angesteuert
ist und an Source und Drain mit einer Last bzw. einer Strom- bzw. Spannungsquelle
verbunden ist.
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Eine bestehende, so genannte High-Side-Schalteranordnung
(Hochvoltseiten-Schalteranordnung) ist in einer Weise aufgebaut,
wie dies in 5 dargestellt
ist. Bei dieser High-Side-Schalteranordnung
ist im Wesentlichen ein MOSFET-Schalter T1 an seinem Gate von einer
integrierten Schaltung (IC) 1 angesteuert. Die integrierte Schaltung 1 empfängt ein
Eingangssignal Ein, beispielsweise in der Form eines Impulses, um
abhängig
von diesem Eingangssignal Ein den MOSFET-Schalter T1 anzusteuern.
Außerdem
liefert die integrierte Schaltung 1 ein Statussignal St,
das den Status der integrierten Schaltung 1 berichtet.
Dieses Statussignal kann beispielsweise melden, dass der MOSFET-Schalter
T1 eingeschaltet ist. Die integrierte Schaltung 1 ist an
einem Anschluss 2 mit Bezugspotenzial (Masse) verbunden.
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Das Eingangssignal Ein und das Statussignal
St sind jeweils auf Masse bezogen. Das heißt, die Nulllinie dieser Signale
entspricht dem Massepotential.
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Parallel zur Source-Drain-Strecke
des MOSFET-Schalters T1 liegt über
dem Ausgang der integrierten Schaltung 1 eine Reihenschaltung
aus einer Diode D3, einer Zener-Diode Z3 und einer Zener-Diode Z4,
wobei der Mittenabgriff zwischen den beiden Zener-Dioden Z3, Z4
mit Gate des MOSFET-Schalters T1 verbunden ist. Die Zener-Diode
Z3 bestimmt die negative Ab schaltspitze über dem MOSFET-Schalter T1,
während
die Zener-Diode
Z4 Schutz vor einer zu hohen Gatespannung am MOSFET-Schalter T1 bietet.
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Ein Temperatursensor 3 dient
zur Temperaturerfassung der Schaltungsanordnung und speziell des
MOSFET-Schalters T1 und ist daher zweckmäßigerweise in oder auf diesem
MOSFET-Schalter T1 angeordnet. Dabei ist es selbstverständlich möglich, gegebenenfalls
auch mehrere Temperatursensoren an geeigneten Stellen vorzusehen,
um so eine Übertemperatur
der Schaltungsanordnung und insbesondere des MOSFET-Schalters T1
rasch erfassen zu können.
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Ein Ausgangsanschluss Out der Schaltungsanordnung
ist über
eine relativ lange Leitung mit einer Induktivität LL an eine Seite einer Last
RL angeschlossen, deren andere Seite an Masse liegt. Zwischen Masse
und einem weiteren Anschluss der Schaltungsanordnung liegt eine
Versorgungsspannungsquelle Ub, wobei hier die Leitung relativ kurz
ist und eine Induktivität
L+ hat, so dass der Schaltungsanordnung von der Versorgungsspannungsquelle
Ub eine Spannung +U zugeführt
ist.
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Die integrierte Schaltung 1 liefert
an Gate des MOSFET-Schalters T1 bei Bedarf eine höhere Spannung
als die Spannung +U, sorgt für
eine geeignete Ansteuerung dieses MOSFET-Schalters T1 und gibt das
Statussignal St ab. Auch weitere Aufgaben werden von der integrierten
Schaltung 1 übernommen.
So kann beispielsweise auch eine Überstrom-Rückregelung in den Gatekreis
des MOSFET-Schalters T1 eingebaut werden, um das Auftreten eines Überstromes
durch den MOSFET-Schalter T1 zu verhindern.
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Bei einem Kurzschluss über dem
MOSFET-Schalter T1 ("KS1") wird die Gatespannung
am MOSFET-Schalter T1 auf einen niedrigen Wert begrenzt, was damit
auch für
den Strom gilt. Auch ein Notabschalten des MOSFET-Schalters T1 wird
von der integ rierten Schaltung 1 übernommen, sobald der Temperatursensor 3 oder
bei mehreren Temperatursensoren einer von diesen eine Übertemperatur feststellt.
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Da die Leitung mit der Induktivität L+ relativ kurz
ist, weist sie eine geringe Streuinduktivität auf, während die Leitung mit der Induktivität LL lang
ist und daher eine große
Streuinduktivität
hat.
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Bei einem Kurzschluss des MOSFET-Schalters
T1 erwärmt
sich dieser erheblich, so dass der Temperatursensor 3 ein
entsprechendes Temperatursignal abgibt. Nach Auswertung dieses Temperatursignales
durch die integrierte Schaltung 1 wird von dieser sodann über ein
zum Gate des MOSFET-Schalters T1 geliefertes Steuersignal dieser Schalter
T1 abgeschaltet. Dieses Abschalten erfolgt dabei nach einer gewissen,
nicht vernachlässigbaren kurzen
Zeit.
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Während
dieses Abschaltvorganges entstehen Spannungsspitzen über den
Induktivitäten
LL und L+. Der Verlauf dieser Spannungsspitzen ist für die Spannung
+U bzw. für
die Spannung Uout am Ausgangsanschluss Out schematisch in 6 dargestellt. Sobald ein
Kurzschluss auftritt, fällt
die Spannung Uout sehr stark ab, während die Spannung +U rasch
anwächst.
Nach einer gewissen Zeit nähert
sich die Spannung Uout dann dem Bezugspotenzial (ϕ) bzw.
Massepotenzial.
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Gefährliche Situationen treten
für den
MOSFET-Schalter T1 dann auf, wenn ein großer Strom durch ihn bei einer
hohen Spannung fließt,
das heißt, während der
Entstehung von Rückspannungsspitzen.
Daher sollte bei einem Kurzschluss die Abschaltspitzenspannung niedrig
sein, wobei aber im Normalbetrieb die Spannung den vollen Wert der
Zener-Spannung UZ3 der Zener-Diode Z3 annehmen sollte.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Schaltungsanordnung zum Kurzschlussabschalten eines
MOSFET-Schalters zu schaffen, welche bei Auftreten eines Kurzschlusses
den MOSFET-Schalter sofort abschaltet, ohne in einem Normalbetrieb
dessen Abschaltspannungsspitze zu beeinträchtigen.
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Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
Gate des MOSFET-Schalters über
einen Schalter mit einer Einrichtung verbunden ist, die die Gatespannung
des MOSFET-Schalters bei Auftreten eines Kurzschlusses kurzzeitig
auf 0 V legt, um ein vollständiges
Abschalten des MOSFET-Schalters zu bewirken.
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Die Einrichtung kann das Auftreten
eines Kurzschlusses durch Erfassen eines Spannungssprungs am Ausgang
des MOSFET-Schalters oder eines schnellen Anstiegs des Laststromes
feststellen. Das Vorliegen eines Kurzschlusses kann aber auch auf
andere Weise ermittelt werden. Von Bedeutung ist, dass dies nicht
durch Erfassen einer Temperaturerhöhung, also durch Temperatursensing,
vorgenommen wird, da diese mit einer zu großen Zeitverzögerung verknüpft ist.
Mit anderen Worten, die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nimmt eine
temperaturunabhängige
Abschaltung des MOSFET-Schalters vor.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
wird durch die Einrichtung die Spannung an Gate des MOSFET-Schalters
für kurze
Zeit auf 0 V gelegt. Dadurch wird ein vollkommenes Abschalten des
MOSFET-Schalters gewährleistet.
Durch die Einrichtung wird der Schalter, der mit Gate des MOSFET-Schalters
verbunden ist, dann und nur dann geschlossen, wenn das Auftreten
eines Kurzschlusses temperaturunabhängig festgestellt wird, um
so ein vollkommenes Abschalten des MOSFET-Schalters sicherzustellen.
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Wird danach der Strom durch den MOSFET-Schalter
bei Fortbestehen des Kurzschlusses wieder größer, so kann in gleicher Weise
vorgegangen werden, wie dies oben bei der Schilderung des Standes
der Technik im Zusammenhang mit Kurzschluss "KS1" erläutert wurde.
Das heißt,
der Kurzschluss wird mit Hilfe der Gateschaltung, also der integrierten
Schaltung 1, behandelt und dabei thermisch aufgefangen.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
liegt in vorteilhafter Weise zwischen Gate und Source des MOSFET-Schalters
ein erster Transistor. Die Einrichtung kann dann eine erste, über den Eingang
der integrierten Schaltung angesteuerte Schaltungseinheit zwischen
Gate des MOSFET-Schalters und der Strom- bzw. Spannungsquelle und
eine zweite, über
einen Ausgang der integrierten Schaltung angesteuerte Schaltungseinheit
zwischen Gate des Transistors und der Strom- bzw. Spannungsquelle
haben. Dabei legt die Einrichtung ein Stromsense-Signal an Gate
eines zweiten Transistors. In der zweiten Schaltungseinheit kann
dabei der zweite Transistor mit einem Spannungsteiler verbunden
sein, dessen Abgriff mit Gate eines dritten Transistors zwischen
der Strom- bzw. Spannungsquelle und Gate des ersten Transistors
verbunden ist. In der ersten Schaltungseinheit kann der Eingang
der integrierten Schaltung mit Gate eines vierten Transistors verbunden
sein, der in Reihe zu einem weiteren Spannungsteiler liegt, dessen
Abgriff mit Gate eines fünften
Transistors verbunden ist, der zwischen der Strom- bzw. Spannungsquelle
und Gate des MOSFET-Schalters
liegt.
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Weiterhin kann bei einer rein ohmschen
Last der Schaltungsanordnung ein Bipolartransistor zwischen der
Strom- bzw. Spannungsquelle und dem Schalter liegen. Dabei kann
die Basis des Transistors von der integrierten Schaltung angesteuert
sein.
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Schließlich kann in einer anderen
Ausführungsform
bei einer rein ohmschen Last der Schalter als Lateral-Feldeffekttransistor
(FET) ausgebildet sein und von der in die integrierte Schaltung
integrierten Einrichtung angesteuert werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand
der Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen.
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1 ein
Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
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2 ein
Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
bei welchem der Aufbau der Einrichtung in einem konkreten Ausführungsbeispiel veranschaulicht
ist,
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3 ein
Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Anordnung, welches
für ein
rein ohmsche Last geeignet ist,
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4 ein
Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Anordnung, welches
ebenfalls für
eine rein ohmsche Last geeignet ist,
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5 ein
Schaltbild einer bestehenden Schaltungsanordnung und
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6 den
Spannungsverlauf beim Kurzschlussabschalten des MOSFET-Schalters
in der Schaltungsanordnung von 5.
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Die 5 und 6 sind bereits eingangs erläutert worden.
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In den Figuren werden einander entsprechende
Bauteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Wie im Ausführungsbeispiel von 1 dargestellt ist, wird
die bestehende Schaltungsanordnung von 5 durch eine Einrichtung 12 in
der Form eines "elektronischen
Mittels" ergänzt, die
einen Schalter S1 ansteuert, der zwischen Gate G des MOSFET-Schalters
T1 und dem Anschluss 2 bzw. Bezugspotenzial (0V bzw. Masse)
liegt. Dabei kann zwischen dem Anschluss 2 und dem Schalter
S1 noch ein Schutzwiderstand R1 vorgesehen werden. Sobald die Einrichtung 12 das
Vorliegen eines Kurzschlusses am MOSFET-Schalter T1 erfasst, schließt sie den
Schalter S1, so dass unmittelbar 0 V vom Anschluss 2 an
Gate G des MOSFET-Schalters T1 gelegt werden. Damit wird die Gatespannung
an Gate G des MOSFET-Schalters T1 kurzzeitig auf 0 V gebracht, um
so ein vollkommenes Abschalten des MOSFET-Schalters T1 zu erreichen.
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Das Feststellen des Kurzschlusses
kann beispielsweise durch Erfassung eines schnellen Anstieges des
Laststromes durch die Last RL oder eines Spannungssprunges am Ausgang
des MOSFET-Schalters
T1, also der Spannungsdifferenz zwischen +U und der Spannung am
Ausgangsanschluss Out, oder auf irgendeine andere Weise erfolgen.
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Dauert der Kurzschluss sodann bei
0 V an Gate G des MOSFET-Schalters
T1 fort, so steigt der Strom durch diesen Schalter wieder an. Es
tritt jedoch dann der Temperatursensor 3 in Wirkung, da dieser
zeitverzögert
durch Erwärmung
den Kurzschluss "KS1" erfasst, um diesen
damit thermisch aufzufangen, wie dies oben erläutert wurde. Das heißt, die
Gatespannung an Gate G des MOSFET-Schalters T1 wird durch die integrierte
Schaltung 1 (und den Widerstand R1) auf einen niedrigen Wert
begrenzt. Damit fließt
nur ein geringer Strom durch den MOSFET-Schalter T1.
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2 zeigt,
wie beim Ausführungsbeispiel von 1 die Einrichtung 12 konkret
aus zwei Schaltungseinheiten, nämlich
einer ersten Schaltungseinheit 12' zwischen Gate G des MOSFET-Schalters
T1 und der Strom- bzw. Spannungsquelle Ub und einer zweiten Schaltungseinheit 12" zwischen Gate
eines Transistors 4, der Gate G des MOSFET-Schalters T1 mit
dessen Source S verbindet, und der Strom- bzw. Spannungsquelle Ub
aufgebaut werden kann. Gate des Transistors 4 ist über einen
Widerstand R2 außerdem
geerdet.
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Im einzelnen ist in der Schaltungseinheit 12' der Eingang
Ein der integrierten Schaltung 1 mit Gate eines n-Kanal-MOS-Transistors
7 verbunden, der in Reihe zu einem Spannungsteiler aus Widerständen R3
und R4 liegt, deren Mittenabgriff mit Gate eines p-Kanal-MOS-Transistors 8 verbunden
ist. Dieser Transistor 8 ist über einen Widerstand R5 und
eine Diode D2 an Gate G des MOSFET-Schalters T1 angeschlossen.
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In der zweiten Schaltungseinheit 12" ist Gate des
Transistors 4 mit einem p-Kanal-MOS-Transistor 6 verbunden,
dessen Gate am Mittenabgriff eines Spannungsteilers aus Widerständen R6,
R7 liegt. Dieser Spannungsteiler R6, R7 ist zwischen der Ausgangsspannung
+U und einem n-Kanal-MOS-Transistor 5 vorgesehen, dessen
Gate ein Stromsense-Spannungssignal u von der integrierten Schaltung 1 zugeführt ist.
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Bei Erfassen eines Kurzschlusses
liefert die integrierte Schaltung 1 das Spannungssignal
u, was den Transistor 5 einschaltet (leitend macht) und
den Transistor 4 ausschaltet (sperrt).
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Bei eingeschaltetem Transistor 9 und
ausgeschaltetem Transistor 8 liegt dann über die
Diode D2 0 V an Gate G des MOSFET-Schalters 1.
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Das heißt, unmittelbar nach Feststellen
eines Kurzschlusses liefert die integrierte Schaltung 1 das
Stromsense-Spannungssignal u, wodurch bewirkt wird, dass über die
Schaltungseinheiten 12' und 12" sofort 0 V
an Gate G des MOSFET-Schalters T1 angelegt werden, was diesen kurzzeitig
abschaltet.
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Die 3 und 4 zeigen weitere Ausführungsbeispiele
der Erfindung, welche insbesondere für rein ohmsche Lasten RL geeignet
sind. Zur Vereinfachung der Darstellung ist dabei in diesen Ausführungsbeispielen
der Temperatursensor 3 weggelassen.
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Wie aus dem Ausführungsbeispiel von 3 zu ersehen ist, liegt
hier der Widerstand R1 zwischen der integrierten Schaltung 1 bzw.
Masse einerseits und der Basis eines Bipolartransistors T2 andererseits.
Dieser Bipolartransistor T2 ist zwischen der Ausgangsspannung +U
und dem Schalter S1 vorgesehen, welcher durch die Einrichtung 2 angesteuert wird.
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Beim Ausführungsbeispiel der 3 wird die Einrichtung 2 in
gleicher oder ähnlicher
Weise angesteuert wie bei den Ausführungsbeispielen der 1 und z.
Bei Feststellen eines Kurzschlusses wird der Schalter S1 geschlossen.
Außerdem
wird von der integrierten Schaltung 1 über den Widerstand R1 der Transistor
T2 leitend gemacht, so dass Source, Drain und Gate des MOSFET-Schalters
T1 auf gleichem Potential sind.
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Im Übrigen ist im Ausführungsbeispiel
von 3 noch eine Leitung
zwischen Source des MOSFET-Schalters T1 und der integrierten Schaltung 1 vorgesehen. Über diese
Leitung kann der integrierten Schaltung 1 ein schneller
Anstieg des Laststromes durch die Last RL oder ein Spannungssprung
am Ausgang des Schalters T1 gemeldet werden, um so einen Kurzschluss
festzustellen.
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Das Ausführungsbeispiel von 4 unterscheidet sich vom
Ausführungsbeispiel
von 3 zunächst dadurch,
dass hier die Einrichtung 2 in die integrierte Schaltung 1 integriert
ist. Wird der Schalter S1 von der in der integrierten Schaltung 1 vorgesehenen
Einrichtung 2 in den leitenden Zustand gebracht, was nach
Feststellen eines Kurzschlusses der Fall ist, dann liegt Gate des
MOSFET-Schalters T1 unmittelbar auf 0 V. Damit wird der MOSFET-Schalter
T1 kurzzeitig abgeschaltet, wie dies oben anhand der 1 und 2 erläutert
wurde.
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In den Ausführungsbeispielen der 3 und 4 ist der Temperatursensor, wie bereits
erläutert
wurde, weggelassen. Der an das kurzzeitige Abschalten des MOSFET-Schalters
T1 anschließende
Betrieb erfolgt bei den Ausführungsbeispielen
der 3 und 4 in gleicher Weise wie bei
den Ausführungsbeispielen
der 1 und 2.
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- 1
- Integrierte
Schaltung
- 2
- Anschluss
- 3
- Temperatursensor
- 4–9
- Transistoren
- 12
- Einrichtung
- 12',12"
- Schaltungseinheiten
- D2,D3
- Dioden
- T1
- MOSFET-Schalter
- T2
- Bipolartransistor
- St
- Statussignal
- Ein
- Eingangssignal
- Out
- Ausgang
- LL,L+
- Induktivitäten
- RL
- Last
- Ub
- Strom-
bzw. Spannungsquelle
- R1–R7
- Widerstände
- Z3,Z4
- Zener-Dioden