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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Ansteuerung eines Halbleiterschalters mit Laststrombegrenzung
und Übertemperaturschutz, dessen
maximaler Laststrom begrenzt ist und der bei Überschreiten einer vorgegebenen
oberen Temperatur abschaltet und nach Unterschreiten einer vorgegebenen
unteren Temperatur wieder einschaltet, und eine Schaltungsanordnung
mit einem temperaturgeschützten
Halbleiterschalter.
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Halbleiterschalter zum Schalten von
Lasten, also zum Anlegen einer in Reihe zu der Laststrecke eines
Halbleiterschalters geschalteten Last an eine Versorgungsspannung,
finden in verschiedensten Bereichen, unter anderem in Automobilen
Verwendung. Derzeit im Handel erhältlich sind Halbleiterschaltmodule,
in denen neben dem eigentlichen Halbleiterschalter, beispielsweise
einem Leistungs-MOSFET oder einem Leistungs-IGBT, Schutzschaltungen
für den
Halbleiterschalter vor einer Überlastung,
insbesondere vor einer zu hohen Temperatur oder einem zu hohen Laststrom
integriert sind. Derartige Schaltmodule sind einem Fachmann unter
der Bezeichnung Smart Power Switch oder Smart Power IC bekannt.
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Um den Halbleiterschalter oder andere Schaltungsteile
in solchen integrierten Schaltungen vor einer Übertemperatur zu schützen, ist
es bekannt, einen Temperatursensor in das Schaltmodul zu integrieren
und ein von dem Temperatursensor geliefertes Signal auszuwerten. Übersteigt
die Temperatur dabei einen vorgegebenen Schwellenwert, so wird der
Leistungstransistor durch eine Schutzschaltung abgeschaltet, um
dadurch die Stromaufnahme des Leistungsmoduls zu senken und eine weitere
Erhitzung des Leistungsmoduls zu verhindern. Bezüglich des Wiedereinschalten
des Leistungstransistors nach einem solchen temperaturbedingten
Abschalten unterscheidet man solche Schaltmodule, bei denen das
Wiedereinschalten abhängig von
einem externen Befehl (Latch-Prinzip) oder selbstständig nach
einer Abkühlung
des Schaltmoduls unter eine vorgegebene Temperatur (Restart-Prinzip)
erfolgt. Der Vorteil des Restart-Prinzips liegt darin, dass das
Schaltmodul ohne externen Aufwand nach einem Abkühlen wieder einschaltet, das heißt in den
vorherigen Betriebszustand zurückkehrt. Resultiert
die Überhitzung
des Schaltmoduls aus einem Kurzschluss der Last, so besteht der
Nachteil beim Restart-Prinzip darin, dass der Leistungstransistor
immer wieder unter Kurzschlussbedingungen eingeschaltet wird, mit
der Folge, das aufgrund der bedingt durch den Kurzschluss in dem
Schaltmodul umgesetzten großen
Leistung die Temperatur in dem Schaltmodul wieder ansteigt, bis
die Übertemperaturschwelle
wieder erreicht wird und der Leistungstransistor temperaturbedingt
erneut abgeschaltet wird. Der Laststrom erreicht in einem Schaltmodul
mit Laststrombegrenzung unter diesen Betriebsbedingungen stets den
maximalen oberen Grenzwert.
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1 zeigt
schematisch den Aufbau eines solchen herkömmlichen Schaltmoduls mit einem Leistungstransistor
D, dessen Drain-Source-Strecke in Reihe zu einer Last geschaltet
ist, wobei die Reihenschaltung mit dem Leistungstransistor T und
der Last zwischen eine Klemme für
Versorgungspotential Vbb und eine Klemme für Bezugspotential GND geschaltet
ist. Das Schaltmodul umfasst einen im Bereich des Leistungstransistors
T angeordneten Temperatursensor 1, der ein Temperatursignal
TS einer Schutzschaltung zuführt,
die den Leistungstransistor bei Übertemperatur
sperrt. Des Weiteren umfasst das Schaltmodul einen Stromsensor 2,
der einen Laststrom Ids durch den Leistungstransistor T erfasst und
der Schutzschaltung ein Stromsignal IS zuführt. Dieser Stromsensor ist
in 1 schematisch in
Reihe zu der Last geschaltet, kann jedoch beliebig ausgestaltet
sein. So kann der Stromsensor beispielsweise nach dem Stromsense-Prinzip
funktionieren, bei dem der Laststrom durch einen zellenartig aufgebauten
Transistor dadurch erfasst wird, dass der Strom durch Zellen erfasst
wird, die parallel zu den Zellen liegen, die von dem Laststrom durchflossen sind.
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Die Funktionsweise eines solchen
Schaltmoduls bei Auftreten eines Kurzschlusses in der Last wird
nachfolgend anhand von 2 kurz
erläutert.
In 2 sind zeitliche
Verläufe
der Chiptemperatur bzw. eines von der Chiptemperatur abhängigen Temperatursignals
TS, der Laststrom Ids, die Spannung Uds über der Laststrecke D-S des
Leistungstransistors T und die in dem Leistungstransistor in Wärme umgesetzte
Leistung P dargestellt. Bei der Darstellung gemäß 2 wird davon ausgegangen, das zum Zeitpunkt
t10 ein Kurzschluss in der Last auftritt. Zu diesem Zeitpunkt steigt
die Spannung Uds über der
Laststrecke D-S sprungartig annähernd
auf den wert der Versorgungsspannung Vbb an. Entsprechend steil
steigt der Laststrom Ids durch den Leistungstransistor an bis er
einen oberen Grenzwert ereicht. Infolge des Spannungsanstiegs und
des Stromanstiegs steigt ebenfalls die in dem Leistungstransistor
in Wärme
umgesetzte Leistung P steil an, was zu einer Aufheizung des üblicherweise
als integrierte Schaltung ausgebildeten Leistungsmoduls führt. Zur Begrenzung
des Laststroms im Kurzschlussfall wird der Leistungstransistor T
zurückgeregelt,
sobald der Laststrom Ids eine vorgegebene Stromschwelle Ids1 übersteigt
mit dem Ziel, den maximalen Laststrom Ids auf einen Wert im Bereich
dieser Stromschwelle Ids1 zu begrenzen.
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Übersteigt
die Chiptemperatur infolge des Kurzschlusses eine obere Temperaturschwelle
TSo, so wird der Leistungstransistor T durch die Schutzschaltung
gesperrt, wodurch der Laststrom Ids und damit die in Wärme umgesetzte
Leistung P auf Null absinken wie dies zum Zeitpunkt t20 dargestellt
ist. Die Temperatur des Moduls nimmt infolge des Abschaltens des
Leistungstransistors ab, bis sie zum Zeitpunkt t30 eine untere Temperaturschwelle
TSu unterschreitet und der Leistungstransistor automatisch wieder
eingeschaltet wird. Sofern der Kurzschluss immer noch besteht, steigt
der Laststrom Ids erneut steil an, wobei der Laststrom Ids durch
Sperren des Leistungstransis tors D erst dann wieder auf Null absinkt,
wenn die Chiptemperatur TSo den oberen Temperaturschwellenwert übersteigt.
Das wiederholte Einschalten unter Kurzschlussbedingungen führt infolge
der hohen Ströme
und den damit zusammenhängenden
hohen Temperaturen und insbesondere den hohen Temperaturgradienten
zur degenerativen Effekten in dem Modul, die sowohl den Halbleiterchip
selbst als auch dessen Gehäuse
negativ beeinträchtigen
und somit die Lebensdauer der Bausteine oder zumindest die Stabilität von deren
Betriebsparametern negativ beeinträchtigen.
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Die während des Kurzschlusses in
dem Halbleitermodul im Mittel in Wärme umgesetzte Leistung kann
dadurch reduziert werden, dass die Überstrombegrenzung bereits
bei niedrigeren Strömen einsetzt
und so den maximalen Laststrom auf niedrigere Werte begrenzt. Hierbei
ist allerdings zu beachten, das derartige Schaltmodule häufig zum
Schalten von kapazitiven Lasten, von Lampen oder von Elektromotoren
eingesetzt werden, die einen relativ hohen Anfangsstrom besitzen,
der keinesfalls zu einem Abregeln des Halbleiterschalters wie bei
einem Störfall
führen
darf. Eine grundsätzliche
Begrenzung der maximal zulässigen
Temperatur auf niedrigere Werte ist beispielsweise bei Automobilanwendungen
dadurch eingeschränkt
dass für
dort eingesetzte Schaltmodule Temperaturen bis ca. 150 °C im normalen Betriebsbereich
liegen, die keinesfalls zu einem temperaturbedingten Abschalten
führen
dürfen.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist
es, ein Verfahren zur Ansteuerung eines Halbleiterschalters mit
Temperaturschutz und Laststrombegrenzung und eine Schaltungsanordnung
mit einem Halbleiterschalter zur Verfügung zu stellen, wobei die
im Falle eines Lastkurzschlusses in dem Halbleiterschalter in Wärme umgesetzte
Leistung gegenüber
herkömmlichen
Halbleiterschaltern reduziert ist.
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Dieses Ziel wird durch ein Verfahren
zur Ansteuerung eines Halbleiterschalters gemäß den Merkmalen des Anspruchs
1 und durch eine Schaltungsanordnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs
6 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ansteuerung
eines Halbleiterschalters mit Laststrombegrenzung und Übertemperaturschutz,
dessen maximaler Laststrom begrenzt ist und der bei Überschreiten
einer vorgegebenen oberen Temperatur abschaltet und nach Unterschreiten
einer vorgegebenen unteren Temperatur wieder einschaltet, sieht
vor, den Halbleiterschalter in einem Normalbetriebszustand und einem
Störbetriebszustand
zu betreiben, wobei der Halbleiterschalter nach einem Überschreiten
der vorgegebenen oberen Temperatur im Störbetriebszustand betrieben
wird und sich der Normalbetriebszustand und der Störbetriebszustand
durch den maximalen Laststrom, ab dem eine Strombegrenzung einsetzt,
unterscheiden. Der Laststrom wird im Normalbetriebszustand auf einen
ersten Maximalwert und im Störbetriebszustand
auf einen zweiten Maximalwert, der niedriger ist als der erste Maximalwert,
begrenzt.
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Der niedrigere dieser beiden Laststrom-Begrenzungswerte,
der während
des Störbetriebszustandes
relevant ist, ist dabei so gewählt,
dass die niederohmigsten Lasten, für welche der Halbleiterschalter
spezifiziert ist, noch versorgt werden können.
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Unabhängig vom Betriebszustand, wird
der Halbleiterschalter dann wieder eingeschaltet, wenn die Temperatur
unter einen unteren Schwellenwert abgesunken ist.
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Während
des Störbetriebszustandes
fließt durch
den Halbleiterschalter bei diesem Verfahren bei einem andauernden
Kurzschluss der Last ein niedrigerer Maximalstrom als während des
Normalbetriebszustandes. Die Schaltungsanordnung mit dem halbleiterschalter
wird dadurch langsamer und schonender auf- geheizt, was den temperaturbedingten
Stress in dem Halbleitermaterial und auch in dem umgebenden Gehäuse reduziert.
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Vorzugsweise wird der Halbleiterschalter
im Störbetriebszustand
bei Überschreiten
einer zweiten oberen Temperatur, die niedriger ist als die erste
obere Temperatur, abgeschaltet. Hieraus resultiert ein temperaturbedingtes
Abschalten bereits bei niedrigeren Maximaltemperaturen als während des
Normalbetriebszustandes. Dies führt
dazu, dass der Halbleiterschalter bzw. eine integrierte Schaltung
in welcher der Halbleiterschalter integriert ist, im Störfall, also bei
einem Kurzschluss der Last oder einer Überlastung, ebenfalls einem
verringerten temperaturbedingten Stress unterliegt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist vorzugsweise vorgesehen, auch die Spannung über der Laststrecke des Halbleiterschalters
auszuwerten, wobei vorgesehen ist, den Halbleiterschalter nach einem Übergang
in den Störbetriebszustand
dann wieder im Normalbetriebszustand wieder zu betreiben, wenn die
Spannung über
der Laststrecke des Halbleiterschalters unter einen vorgegebenen
Schwellenwert abgesunken ist. Das Absinken dieser Laststreckenspannung
zeigt an, das die Spannung über
der Last zugenommen hat, was auf eine Beendigung des als Störfall angesehenen
Kurzschlusses der Last hindeutet.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst
einen Halbleiterschalter mit einem Ansteueranschluss und einer Laststrecke,
eine an den Ansteueranschluss des Halbleiterschalters angeschlossene
Schutzschaltung, einen Laststromsensor, der ein Laststromsignal
bereitstellt, sowie einen im Bereich des Halbleiterschalters angeordneten Temperatursensor,
der ein Temperaturmesssignal bereitstellt, wobei das Temperatursignal
und das Laststromsignal der Schutzschaltung zugeführt sind. In
der Schutzschaltung stehen ein erstes und ein zweites Überstromsignal
zur Verfügung,
wobei die Schutzschaltung einen ersten oder einen zweiten Schaltzustand
annehmen kann und die Schutzschaltung den Halbleiterschalter zustandsabhängig nach Maßgabe eines
Vergleichs des Stromsignals mit dem ersten Überstromsignal oder nach Maßgabe eines Vergleichs
des Stromsignals mit dem zweiten Überstromsignal abregelt.
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Vorzugsweise stehen in der Schutzschaltung weiterhin
ein erstes Übertemperatursignal
und ein zweites Übertemperatursignal
zur Verfügung,
wobei die Schutzschaltung den Halbleiterschalter zustandsabhängig nach
Maßgabe
eines Vergleichs des Temperatursignals mit dem ersten Übertemperatursignal oder
nach Maßgabe
eines Vergleichs des Temperatursignals mit dem zweiten Übertemperatursignal sperrend
ansteuert.
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Vorzugsweise umfasst die Schaltungsanordnung
eine Spannungsmessanordnung zur Erfassung einer Laststreckenspannung
des Halbleiterschalters, die ein Spannungsmesssignal bereitstellt,
das der Schutzschaltung zugeführt
ist, wobei die Schutzschaltung abhängig von dem Spannungsmesssignal einen
der beiden Schaltzustände
annimmt.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand
von Ausführungsbeispielen
in Figuren näher erläutert. In
den Figuren zeigt
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1 eine
Schaltungsanordnung mit einem Halbleiterschalter und einer Steuerschaltung
nach dem Stand der Technik,
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2 ausgewählte Messwerte
eines Halbleiterschalters bei einem Ansteuerverfahren nach dem Stand
der Technik,
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3 ausgewählte Messwerte
eines Halbleiterschalters bei einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ansteuerverfahrens
für einen
Halbleiterschalter,
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4 ausgewählte Messwerte
eines Halbleiterschalters bei einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ansteuerverfahrens,
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5 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
mit einem Halbleiterschalter,
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6 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
mit einem Halbleiterschalter.
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In den Figuren bezeichnen, sofern
nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit
gleicher Bedeutung.
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3 zeigt
die zeitlichen Verläufe
ausgewählter
Messwerte eines Halbleiterschalters bzw. einer Schaltungsanordnung
mit einem Halbleiterschalter bei einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ansteuerverfahrens.
In 3 dargestellt sind die
zeitlichen Verläufe
der Chiptemperatur bzw. eines unmittelbar von der Chiptemperatur
abhängigen Temperatursignals
TS, des Laststromes Ids, der Laststreckenspannung Uds sowie die
in dem Halbleiterschalter in Wärme
umgesetzte Leistung P.
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In dem Signalverlauf gemäß 3 wird davon ausgegangen,
dass der Halbleiterschalter bis zu einem Zeitpunkt t1 störungsfrei
betrieben wird. Zum Zeitpunkt t1 tritt ein Kurzschluss in einer
in Reihe zu dem Halbleiterschalter geschalteten Last auf, wodurch
der Laststrom Ids durch den Halbleiterschalter steil ansteigt. Mit
dem Laststrom steigt auch die in dem Halbleiterschalter in Wärme umgesetzte
Leistung und damit die Chiptemperatur in dem Halbleiterkörper, in
dem der Halbleiterschalter integriert ist, an. Der Halbleiterschalter
wird mit einer Strombegrenzung betrieben, das heißt der maximale
Laststrom kann selbst Falle eines Kurzschlusses der Last einen oberen
Schwellenwert IS1 nicht überschreiten
bzw. der Laststrom wird nach Überschreiten
dieses oberen Schwellenwertes durch Abregeln des Halbleiterschalters
auf den Schwellen wert IS1 zurückgeregelt, wie
anhand des Stromverlaufes zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 ersichtlich
ist.
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Der Halbleiterschalter wird bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren
abgeschaltet, wenn die Chiptemperatur einen oberen Maximalwert übersteigt
bzw. wenn das von der Chiptemperatur abhängige Temperatursignal TS einen
oberen Maximalwert TS1 übersteigt,
wie dies zum Zeitpunkt t2 eintritt. Mit dem Abschalten des Halbleiterschalters
gehen der Laststrom Ids und die in dem Halbleiterschalter in Wärme umgesetzte
Leistung P auf Null zurück.
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Mit dem Abschalten des Halbleiterschalters wegen Überschreiten
des oberen Maximalwertes TS1 wird der Halbleiterschalter erfolgt
ein Übergang in
einen Störbetriebszustand,
in dem der Halbleiterschalter im Folgenden betrieben wird. Der Störbetriebszustand
unterscheidet sich von dem Normalbetriebszustand durch einen geringeren
Grenzwert für den
maximalen zulässigen
Laststrom, wie im Folgenden erläutert
wird.
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Unterschreitet der Temperaturmesswert
TS einen unteren Schwellenwert TS3 zum Zeitpunkt t3, so wird der
Halbleiterschalter T wieder eingeschaltet, wobei der maximal zulässige Laststrom
nun auf einen zweiten Maximalwert IS2 begrenzt wird, der geringer
als der erste Maximalwert IS1 ist. Dies bewirkt bei einem noch bestehenden
Kurzschluss der Last, dass wegen des niedrigeren Maximalstroms weniger Leistung
P in dem Halbleiterschalter in Wärme
umgesetzt wird und dass die Chiptemperatur langsamer ansteigt, wobei
der Halbleiterschalter auch während des
Störbetriebszustandes
dann wieder abgeschaltet wird, wenn das Temperatursignal TS den
oberen Maximalwert TS1 übersteigt,
wie dies beispielsweise zum Zeitpunkt t4 der Fall ist.
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Der Halbleiterschalter wird erst
dann wieder im Normalbetriebszustand betrieben, wenn kein Kurzschluss
in der Last mehr vorhanden ist. Um dies zu erkennen wird vorzugsweise
die Spannung Uds über
der Laststrecke des Halbleiterschalters detektiert. Während des
Kurzschlusses fällt
annäherungsweise
die gesamte Versorgungsspannung Vbb, die über der Reihenschaltung mit
dem Halbleiterschalter und der Last anliegt, über der Laststrecke des Halbleiterschalters
ab. Nach Wegfall des Kurzschlusses sinkt die Laststreckenspannung
Uds erheblich ab, da dann der Großteil der Spannung wieder über der
Last anliegt. Bei einer Ausführungsform
der Erfindung ist deshalb vorgesehen, die Laststreckenspannung Uds zu überwachen
und den Halbleiterschalter T dann wieder im Normalbetriebszustand
zu betreiben, also den Laststrom auf den höheren wert IS1 zu begrenzen,
nachdem während
des Störbetriebszustandes die
Laststreckenspannung Uds unter einen vorgegebenen Schwellenwert
abgesunken ist, wie dies für
einen Zeitpunkt t5 in der Darstellung gemäß 3 gezeigt ist.
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4 veranschaulicht
zeigt Zeitverläufe
der bereits anhand von 3 erläuterten
Messwerte bei einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
bei welcher während
des Störbetriebszustandes
nicht nur der maximal zulässige
Laststrom Ids auf einen niedrigeren Wert IS2 begrenzt wird, sondern
bei dem während
des Störbetriebszustandes
auch die maximal zulässige
Temperatur auf einen niedrigeren Temperaturwert, der durch ein Temperatursignal
TS2 repräsentiert
ist, begrenzt wird. wie bei dem Verfahren gemäß 3 geht der Halbleiterschalter bei dem
Verfahren gemäß 4 zum Zeitpunkt t2 in den
Störbetriebszustand über, zu
dem das von der Chiptemperatur abhängige Temperatursignal TS1
den ersten maximalen Temperaturwert TS1 übersteigt, wobei der Halbleiterschalter
zu diesem Zeitpunkt t2 abgeschaltet wird. Der Halbleiterschalter
wird wieder eingeschaltet, wenn die Chiptemperatur unter einen unteren
Grenzwert TS3 abgesunken ist, wie dies zum Zeitpunkt t3 dargestellt
ist. Bei einem noch bestehenden Kurzschluss in der Last steigt die
Chiptemperatur dann wieder an, wobei der Temperaturanstieg verlangsamt
ist, da während
des Störbetriebszustandes
der maximal zulässige
Last strom auf einen Wert IS2 begrenzt ist, der niedriger als der
während
des Normalbetriebszustandes maßgebliche
Wert IS1 ist.
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Darüber hinaus wird während des
Störbetriebszustandes
der Halbleiterschalter bereits dann wieder abgeschaltet, wenn das
Temperaturmesssignal TS bis auf einen zweiten Maximalwert TS2 angestiegen
ist, der kleiner ist als der erste Maximalwert TS1. Die Laststrombegrenzung
auf den niedrigeren Wert IS2 während
des Störbetriebszustandes
hat zur Folge, dass weniger Leistung im eingeschalteten Zustand
des Halbleiterschalters in Wärme
umgesetzt wird. Die Temperaturbegrenzung auf den niedrigeren Wert
TS2 hat zur Folge, das die Einschaltdauern während des Störbetriebszustandes
verkürzt
sind und der Chip mit dem Halbleiterschalter nicht so stark aufgeheizt
wird.
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Der Halbleiterschalter wird ab einem
Zeitpunkt t4 wieder im Normalbetriebszustand betrieben, bei welchem
der Laststrombegrenzung der höhere Grenzwert
IS1 zugrunde liegt und bei welcher der Temperaturbegrenzung ebenfalls
der höhere
Grenzwert TS1 zugrunde liegt, nachdem die Laststreckenspannung Uds
unter einen vorgegebenen Grenzwert abgesunken ist, was auf eine
Beendigung des Kurzschlusses hindeutet.
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5 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
mit einem Halbleiterschalter T, der in dem Beispiel als n-Kanal-MOSFET
ausgebildet ist, dessen Drain-Source-Strecke in Reihe zu einer Last
geschaltet ist, wobei über
der Reihenschaltung des Halbleiterschalters T und der Last eine
Versorgungsspannung Vbb anliegt. Der Halbleiterschalter T ist beispielsweise
in einem Halbleitermodul integriert, wobei in diesem Fall der Source-Anschluss
S des Halbleiterschalters T die Ausgangsklemme AK des Halbleitermoduls
für den
Anschluss der Last bildet.
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Der Halbleiterschalter T leitet und
sperrt nach Maßgabe
eines an seinem Gate-Anschluss G anliegenden Ansteuersignals IN
welches beispielsweise durch eine hinlänglich bekannte Trei berschaltung
zur Verfügung
gestellt wird. Diese Treiberschaltung umfasst beispielsweise eine
Ladungspumpe, um ein zur leitenden Ansteuerung des als High-Side-Schalter
dienenden Halbleiterschalters T geeignetes Ansteuerpotential zur
Verfügung
zu stellen.
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Die Schaltungsanordnung umfasst darüber hinaus
eine Schutzschaltung 20, die den Halbleiterschalter vor
einer Temperaturüberlastung
und einer Stromüberlastung
schützt.
Dieser Schutzschaltung 20 ist ein Temperatursignal TS zugeführt, das
von einem Temperatursensor 10 bereitgestellt wird, der
im Bereich des Halbleiterschalters T angeordnet ist, wie dies schematisch
in 5 dargestellt ist.
Technologisch ist dieser Temperatursensor vorzugsweise in demselben
Halbleiterkörper
integriert, in dem auch der Halbleiterschalter T integriert ist,
wobei der Temperatursensor 10 insbesondere im Zellenfeld
des üblicherweise
zellenartig aufgebauten Halbleiterschalters integriert ist.
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Zur Erfassung eines Laststromes Ids
durch den Halbleiterschalter T ist ein Stromsensor 40 vorgesehen,
der in dem Ausführungsbeispiel
gemäß 5 schematisch in Reihe zu
der Laststrecke D-S des Halbleiterschalters T geschaltet ist. Dieser Stromsensor 40 kann
auf beliebige Art und Weise realisiert sein. Insbesondere besteht
die Möglichkeit, den
Stromsensor gemäß dem sogenannten
Stromsense-Prinzip zu realisieren, d. h. einige der Zellen des zellenartig
aufgebauten Halbleiterschalters T für die Stromerfassung zu nutzen.
Der Stromsensor 40 stellt ein Stromsignal IS zur Verfügung, das
ebenfalls der Schutzschaltung 20 zugeführt ist.
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Die Schutzschaltung 20 ist
dazu ausgebildet, den Halbleiterschalter T zu sperren, wenn das
Temperatursignal TS einen oberen Maximalwert überschreitet. Darüber hinaus
ist die Schutzschaltung 20 dazu ausgebildet, den Halbleiterschalter
T so anzusteuern, dass der Laststrom Ids auf einen Maximalwert begrenzt
ist.
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Zur Laststromregelung ist bei der
Schutzschaltung gemäß 20 eine
Regelschleife mit einem Operationsverstärker OPV und einem Transistor 26 vorgesehen,
wobei der Transistor 26 zwischen den Gate-Anschluss G und
den Source-Anschluss S des Halbleiterschalters T geschaltet ist.
Dieser Transistor 26 wird durch den Operationsverstärker OPV
abhängig
von einem Vergleich des Strommesssignals IS mit einem ersten oder
zweiten Stromgrenzwert IS1, IS2 angesteuert, wobei der erste und
zweite Stromgrenzwert IS1, IS2, in der Schutzschaltung 20 zur Verfügung stehen
und beispielsweise in Speichereinrichtungen 25, 27 abgespeichert
sind. Abhängig
von einer Schalterstellung eines Schalters 29 wird in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
dem Minus-Eingang des Operationsverstärkers OPV der erste Stromgrenzwert
IS1 oder der zweite Stromgrenzwert IS2 zugeführt, um den Strommesswert IS
mit einem dieser beiden Stromgrenzwerte IS1, IS2 zu vergleichen
und den Transistor 26 anzusteuern.
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Übersteigt
der Strommesswert IS den gerade an den Operationsverstärker OPV
angelegten Grenzwert IS1, IS2, so wird durch den Operationsverstärker OPV
der Transistor 26 aufgesteuert, um dadurch den Leistungstransistor
T so abzuregeln, dass der Laststrom Ids begrenzt wird.
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Die Temperaturschutzschaltung umfasst
einen weiteren Transistor 26',
dessen Drain-Source-Strecke ebenfalls zwischen den Gate-Anschluss G
und den Source-Anschluss S des Leistungstransistors T geschaltet
ist und der durch eine Vergleicherschaltung 24 angesteuert
ist, der das Temperaturmesssignal TS so wie ein erster oberer Temperaturgrenzwert
TS1 sowie ein unterer Temperaturgrenzwert TS3 zugeführt sind.
Die Vergleicherschaltung 24 ist dazu ausgebildet, den Transistor 26 leitend
anzusteuern, um dadurch den Halbleiterschalter T zu sperren, wenn
das Temperatursignal TS den oberen Grenzwert TS1 übersteigt,
und den Transistor 26' zu
sperren, und dadurch eine leitenden Ansteuerung des Halbleiterschalters
T über
das Eingangssignal IN zu ermöglichen,
wenn das Temperatursignal TS unter den unteren Temperaturgrenzwert
TS3 abgesunken ist. Hierzu umfasst die Vergleicheranordnung 24 beispielsweise
einen ersten und einen zweiten Komparator K1, K2 wobei dem Minus-Eingang des
ersten Komparators K1 das obere Temperatursignal TS1 und dem Plus-Eingang
des zweiten Komparators K2 das untere Temperaturgrenzsignal TS3
zugeführt
sind. Den jeweils anderen Eingängen
der Komparatoren K1, K2 ist das Temperaturmesssignal TS zugeführt.
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Der Transistor 26' ist durch ein
RS-Flip-Flop FF1 angesteuert, wobei dem Setz-Eingang S dieses Flip-Flops
FF1 ein Ausgangssignal des ersten Komparators K1 und dem Rücksetz-Eingang R dieses Flip-Flops
FF2 das Ausgangssignal des zweiten Komparators K2 zugeführt ist.
Das Flip-Flop FF1 wird gesetzt, wenn das Temperatursignal TS das
obere Temperaturgrenzsignal TS1 übersteigt,
um den Transistor 26' leitend
anzusteuern, und das Flip-Flop FF1 wird zurückgesetzt, wenn das Temperatursignal
TS nachfolgend das untere Temperaturgrenzsignal TS3 unterschreitet,
um den Transistor 26' wieder
zu sperren.
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Abhängig davon, welcher Stromgrenzwert IS1,
IS2 zur Laststrombegrenzung herangezogen wird, wird die Schutzschaltung 20 in
einem ersten Betriebszustand – im
Folgenden als Normalbetriebszustand bezeichnet – oder in einem zweiten Betriebszustand – im Folgenden
als Störbetriebszustand
bezeichnet – betrieben.
Der Normalbetriebszustand zeichnet sich dadurch aus, dass das erste
Strombegrenzungssignal IS1, das größer ist als das zweite Strombegrenzungssignal
IS2, zur Laststrombegrenzung herangezogen wird.
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Der Schalter 29, über welchen
eines der beiden Strombegrenzungssignale IS1, IS2 dem Operationsverstärker OPV
zugeführt
wird, wird angesteuert durch ein zweites RS-Flip-Flop FF2, dessen
Schaltzustand den Betriebszustand der Schutzschaltung 20 vorgibt.
Ist dieses Flip-Flop FF2 zurückgesetzt,
so funk tioniert die Schutzschaltung 20 im Normalbetriebszustand
und der Schalter 29 befindet sich in einer Schaltstellung,
bei welcher das erste Strombegrenzungssignal IS1 dem Operationsverstärker OPV zugeführt wird.
Ist dieses Flip-Flop FF2 gesetzt, so befindet sich die Schutzschaltung
im Störbetriebszustand
und das zweite Strombegrenzungssignal IS2 wird über den Schalter 29 dem
Operationsverstärker OPV
für die
Laststrombegrenzung des Halbleiterschalters T zugeführt. Das
Flip-Flop FF2 wird abhängig
vom Ausgangssignal des Komparators K1 dann gesetzt, wenn das Temperatursignal
TS den Wert oberen Temperaturgrenzsignals TS1 übersteigt, wobei dieses Temperaturgrenzsignal
TS1 vorzugsweise so gewählt
ist, das die diesem Grenzsignal TS1 entsprechenden Temperaturen
nur bei einem Störzustand
erreicht werden, beispielsweise dann, wenn ein Kurzschluss in der
Last auftritt. Die Schutzschaltung 20 geht somit in den
Störbetriebszustand über, wenn
die Temperatur einen durch das obere Temperatursignal TS1 vorgegebenen
Grenzwert übersteigt, wobei
der Laststrom während
des Störbetriebszustandes
auf einen niedrigeren, durch das zweite Strombegrenzungssignal IS2
vorgegebenen Wert begrenzt wird.
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6 zeigt
eine Abwandlung der in 5 dargestellten
Schaltungsanordnung, wobei bei dieser Ausführungsformen in der Schutzschaltung 20 neben dem
ersten Temperaturgrenzsignal TS1 ein zweites Temperaturgrenzsignal
TS2 bereitsteht, wobei diese Temperaturgrenzsignale TS1, TS2 beispielsweise
in Speichereinrichtungen 21, 22 abgespeichert
sind. Das zweite Temperaturgrenzsignal TS2 ist dabei niedriger als
das erste Temperaturgrenzsignal TS1. Die beiden Temperaturgrenzsignale
TS1, TS2 werden nach Maßgabe
der Schalterstellung eines Schalters 28 dem Komparator
K1 zugeführt,
wobei dieser Schalter 28 wie auch der Schalter 29 durch
das zweite Flip-Flop FF2 angesteuert ist. Der Schaltzustand des
Flip-Flops FF2 und die Schalterstellung des Schalters 28 sind
so aufeinander abgestimmt, das während
des Normalbetriebszustandes, wenn das Flip-Flop FF2 also zurückgesetzt
ist, das erste Temperaturgrenzsignal TS1 dem Komparator K1 zugeführt ist,
um den Halb leiterschalter T erst dann zu sperren, wenn das Temperatursignal
TS das erste Temperaturgrenzsignal TS1 übersteigt. Ist das Flip-Flop
FF2 gesetzt, befindet sich die Schutzschaltung 20 also
im Störbetriebszustand,
so wird über den
Schalter 28 dem Komparator K1 das zweite Temperaturgrenzsignal
TS2 zugeführt,
um während
des Störbetriebszustandes
den Halbleiterschalter T bereits dann zu sperren, wenn das Temperatursignal
TS das zweite Temperaturgrenzsignal TS2 übersteigt. Um das zweite Flip-Flop
FF2 zurückzusetzen,
das heißt
die Schutzschaltung 20 vom Störbetriebszustand in den Normalbetriebszustand
zu überführen, wird
bei den Schaltungsanordnungen gemäß der 5 und 6 die
Laststreckenspannung Uds über
der Laststrecke D-S des Halbleiterschalters T überwacht. Diese Laststreckenspannung
Uds wird mittels einer Spannungsmessanordnung 20 erfasst,
die ein Spannungsmesssignal US bereitstellt. Dieses Spannungsmesssignal
US wird mittels eines Komparators K3 mit einem in der Schutzschaltung 20 zur
Verfügung
stehenden, beispielsweise in einem Speicher 20 abgespeicherten,
Spannungsreferenzsignal US1 verglichen, wobei das Flip-Flop FF2 zurückgesetzt
wird, wenn das Spannungsmesssignal US unter den Wert des Referenzsignals
US1 absinkt. Ein Absinken der Laststreckenspannung Uds unter diesen
Referenzwert US1 deutet darauf hin, das kein Kurzschluss der Last
vorliegt, während
bei Auftreten eines Kurzschlusses die Temperatur angestiegen ist
und die Schutzschaltung 20 in den Störbetriebszustand überführt wurde.
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- Vbb
- Versorgungsspannung
- T
- Halbleiterschalter
- G
- Gate-Anschluss
- D
- Drain-Anschluss
- S
- Source-Anschluss
- 10
- Temperatursensor
- 20
- Spannungssensor
- 40
- Stromsensor
- Uds
- Laststreckenspannung
- 26,26'
- Transistoren
- FF1,FF2
- RS-Flip-Flops
- OPV
- Operationsverstärker
- K1,K2,
K3
- Komparatoren
- TS
- Temperaturmesssignal
- US
- Spannungsmesssignal
- IS
- Strommesssignal
- IN
- Eingangssignal
- 21,22,
23
- Speicheranordnungen
- 25,27
- Speicheranordnungen
- 24
- Vergleicheranordnung
- 20
- Schutzschaltung
- 30
- Speicheranordnung