DE19704861A1

DE19704861A1 - Temp. measurement arrangement, e.g. for contactless switch

Info

Publication number: DE19704861A1
Application number: DE1997104861
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Hille
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1997-02-10
Filing date: 1997-02-10
Publication date: 1998-08-27

Abstract

The arrangement has a temp. sensor in the form of a transistor (Q1) or diode. At least one of the electrical connections of the temp. sensor is connected electrically and thermally to at least one electrical connection of the component (M1), which can be a MOSFET. The collector of the transistor can be connected electrically and thermally to the drain of the MOSFET. The collector of the transistor can be connected electrically and thermally to the drain of the MOSFET and the base of the transistor can be connected to the source of the MOSFET.

Description

Die Erfindung betrifft eine steuerbare Schalteinrichtung mit wenigstens einem kontaktlosen Schalter, eine Anordnung zum Überlastschutz einer derartigen Schalteinrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben von Schalteinrichtungen, insbesondere für Hochleistungshalbleiter.The invention relates to a controllable switching device with at least one contactless Switch, an arrangement for overload protection of such a switching device and a Method for operating switching devices, in particular for high-performance semiconductors.

Es ist bekannt, elektrische Verbraucher mit hoher Leistung durch Elemente wie mechanische Relais zu schalten. Diese sind jedoch nur bedingt zuverlässig und besonders gegenüber mechanischen Belastungen empfindlich. In zunehmendem Maße werden integrierte Halbleiterschalter zum Schalten von elektrischen Verbrauchern mit hoher Leistung eingesetzt, da diese Halbleiterschalter eine höhere Zuverlässigkeit und eine geringe Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Erschütterungen aufweisen. Der Nachteil liegt jedoch darin, daß diese Bauelemente ihrer p/n-Sperrschichten wegen gegenüber elektrischer und/oder thermischer Überlastung erheblich empfindlicher sind als mechanische Relais.It is known to have high power electrical consumers through elements such as mechanical Switch relay. However, these are only partially reliable and particularly opposite mechanical loads sensitive. Increasingly, are integrated Semiconductor switch used to switch electrical consumers with high power, because these semiconductor switches have higher reliability and low sensitivity exhibit mechanical shocks. The disadvantage, however, is that these components due to their p / n barrier layers compared to electrical and / or thermal overload are considerably more sensitive than mechanical relays.

Dauerhafter Betrieb bei hohen Temperaturen nahe der maximal zulässigen Sperrschichttemperatur beschleunigt die Degradation des Halbleiter-Bauelements, zudem ist die Empfindlichkeit gegenüber anderen Überlastbedingungen erhöht. Überstrom gefährdet das Halbleiter-Bauelement auf zwei Arten. Einerseits kann es durch Überschreiten der zulässigen Stromdichten zur Schädigung der Metallisierung und/oder des Bondsystems kommen. Andererseits besteht die Gefahr, daß der Überstrom zu einer extrem stark ansteigenden Verlustleistung und damit das Überschreiten der maximalen Sperrschichttemperatur zum Bauelementausfall führt.Permanent operation at high temperatures close to the maximum permissible Junction temperature accelerates the degradation of the semiconductor device, moreover, is increases sensitivity to other overload conditions. Overcurrent at risk the semiconductor device in two ways. On the one hand, it can be done by crossing the permissible current densities to damage the metallization and / or the bonding system come. On the other hand, there is a risk that the overcurrent becomes extremely strong increasing power loss and thus exceeding the maximum Junction temperature leads to component failure.

Überlastschutzeinrichtungen für Leistungshalbleiter sind in verschiedenen Varianten bekannt. Der Schutz konzentriert sich im wesentlichen auf die Überwachung der Sperrschichttemperatur (on-Chip-Temperaturmessung), wie in DE 41 22 653 C2 offenbart oder die Überwachung des Laststroms des Leistungshalbleiters, wie aus DE 43 20 021 A1 bekannt ist.Overload protection devices for power semiconductors are known in various variants. Protection essentially focuses on monitoring the Junction temperature (on-chip temperature measurement), as disclosed in DE 41 22 653 C2 or monitoring the load current of the power semiconductor, as from DE 43 20 021 A1 is known.

Bei monolithisch integrierten Leistungshalbleiterschaltern, sogen. Smart-Power- Schaltkreisen, findet häufig eine Temperaturüberwachung mit einem Sensor Verwendung, der in thermischem Kontakt zu der den Hauptstrom schaltenden Halbleitersperrschicht steht. In der Patentschrift DE 41 22 653 C2 ist offenbart, einige der Schaltzellen der Schalteinrichtung besonders schwach zu dimensionieren und dort deren Sperrschichttemperatur direkt zu messen, so daß an diesen künstlich erzeugten Schwachstellen die höchste Bauelementtemperatur gemessen wird. Bei Überschreiten einer maximalen lokalen Bauelementtemperatur wird der Schalter abgeschaltet, ohne daß die anderen Schaltzellen des Schalters thermisch überlastet werden. Diese Anordnung stellt jedoch erhebliche Anforderungen an die Technologie dar und erfordert z. B. zusätzliche Kontaktanschlüsse für den Temperatursensor. Die Alternative, die Bauelementtemperatur sperrschichtfern, z. B. am Gehäuse, zu bestimmen, führt wegen der großen räumlichen Distanz zu etwaigen thermisch belasteten Sperrschichten zu nicht tolerierbaren Zeitverzögerungen bei einem plötzlichen Temperaturanstieg und damit letzlich zur Zerstörung der Sperrschicht.With monolithically integrated power semiconductor switches, so-called. Smart power Circuits, temperature monitoring is often used with a sensor that is in thermal contact with the semiconductor blocking layer switching the main current. In The patent DE 41 22 653 C2 discloses some of the switch cells of the switching device to be dimensioned particularly weak and their junction temperature directly increases there measure so that the highest at these artificially created weak points Component temperature is measured. When a maximum local is exceeded Component temperature, the switch is turned off without the other switch cells of the Switch are thermally overloaded. However, this arrangement represents significant Technology requirements and z. B. additional contact connections for the temperature sensor. The alternative, the component temperature away from the junction, e.g. B. on Housing, to determine, leads to any thermal due to the large spatial distance loaded barrier layers at intolerable time delays in the event of a sudden Temperature rise and ultimately the destruction of the barrier layer.

Aus der DE 43 20 021 A1 ist bekannt, mit der Methode der Restspannungsüberwachung am Schalter die Verlustleistung an der Sperrschicht zu begrenzen. Diese Methode setzt jedoch voraus, daß das Bauelement im Fehlerfall in die Sättigung geht und hinreichend hohe Spannungen auftreten. Dies ist für Bauelemente höherer Leistungsklasse mit wenigen mΩ Einschaltwiderstand, wie sie z. B. für Kfz-Leistungselektronik verlangt wird, nicht erfüllt. Die verfügbaren Ansteuerschaltkreise mit einer Restspannungsüberwachung für diese Leistungsklasse nutzen daher den Schalter nur in einem engen Leistungsrahmen aus. Ein weiteres Problem stellt die Tatsache dar, daß die späteren Umgebungsbedingungen für den Schalters unbekannt sind.From DE 43 20 021 A1 it is known to use the method of residual voltage monitoring on Switches to limit the power loss at the junction. However, this method continues ahead that the component goes into saturation in the event of a fault and is sufficiently high Tensions occur. This is for higher performance components with a few mΩ Starting resistance, as they are e.g. B. is required for automotive power electronics, not met. The available control circuits with a residual voltage monitoring for this Performance classes therefore only use the switch in a narrow performance range. A Another problem is the fact that the later environmental conditions for the Switch are unknown.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Feststellung kritischer Lastzustände bei kontaktlosen Schaltern, insbesondere Leistungshalbleiterschaltern, zu vereinfachen und den Überlastschutz für diese Schalter zu verbessern.The invention has for its object to determine critical load conditions contactless switches, in particular power semiconductor switches, to simplify and To improve overload protection for these switches.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterführende und vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen und der Beschreibung zu entnehmen. Durch die Erfindung ist es möglich, die maximal zulässige Restspannung, die ein Maß für kritische Lastzustände ist, mit weniger Aufwand zu ermitteln und zu überwachen.The object is achieved by the features of the independent claims. Further and advantageous refinements are the dependent claims and the See description. The invention allows the maximum permissible Residual stress, which is a measure of critical load conditions, can be determined with less effort and monitor.

Die Erfindung geht davon aus, bei einem Schalter, welcher Last- und Steuerkreis aufweist, durch die Kombination von Restspannungsüberwachung und Temperaturüberwachung die aktive, zu steuernde Zone J bzw. die aktiven, zu steuernden Zonen J des Schalters vor Überlastung zu schützen. Durch eine erfindungsgemäße Anordnung zur Temperaturmessung und ein vorteilhaftes Kompensationsverfahren wird der Überlastschutz weiter verbessert. The invention is based on the following, in the case of a switch which has a load and control circuit, through the combination of residual voltage monitoring and temperature monitoring active zone J to be controlled or the active zone J to be controlled by the switch Protect overload. By an inventive arrangement for temperature measurement and an advantageous compensation method, the overload protection is further improved.

Der Steuerkreis wird erfindungsgemäß so dimensioniert, daß zur Begrenzung des maximalen, im Schalter fließenden Laststroms die thermischen Widerstände berücksichtigt werden, welche den Wärmeabfluß zwischen der und/oder den aktiven Zonen J im Innern des Schalterkörpers, die durch Verlustleistung besonders in Mitleidenschaft gezogen sind und einem Temperatursensor an der Außenwelt des Schalterkörpers behindern. Damit wird erreicht, daß die maximal zulässige Temperatur an der aktiven, zu steuernden Zone J des Schalters nicht überschritten werden kann.According to the invention, the control circuit is dimensioned such that in order to limit the maximum the thermal resistances are taken into account in the load current flowing in the switch, which the heat flow between and / or the active zones J inside the Switch body, which are particularly affected by power loss and a temperature sensor on the outside of the switch body. So that will achieves that the maximum permissible temperature at the active zone J to be controlled Switch cannot be exceeded.

Die Erfindung kann bevorzugt für Schalter eingesetzt werden, welche mit Verlustleistung behaftet sind, besonders bevorzugt für MOSFET-Schalter.The invention can preferably be used for switches with power loss are afflicted, particularly preferred for MOSFET switches.

Vorteilhaft ist, daß durch die erfindungsgemäße Dimensionierung derartige Schalter in einem weiteren Leistungsbereich ausgenutzt werden können als üblich. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist die Dimensionierung nicht mehr eine "Worst-Case"-Abschätzung. Der maximale Laststrom im Schalter wird zuverlässig begrenzt. Daher ist es möglich, den Schalter im Dauerbetrieb nahe der Maximaltemperatur zu betreiben, ohne daß kurze, nicht oder nur verzögert erkennbare Temperaturspitzen eine aktive, zu steuernde Zone J im Schalterkörper zerstören können. Es entfällt die Notwendigkeit einer schnellen Temperaturmessung zur Temperaturüberwachung, insbesondere von Temperaturspitzen an der aktiven Zone J, so daß zweckmäßigerweise preiswerte, einfache und auch langsamere Temperaturmeßverfahren eingesetzt werden können.It is advantageous that such switches in one other performance range can be used than usual. In contrast to the state of the Technology is no longer a "worst case" assessment. The maximum Load current in the switch is reliably limited. It is therefore possible to turn the switch on To operate continuously near the maximum temperature without short, not or only delays recognizable temperature peaks an active, controlled zone J in the switch body can destroy. There is no need for a quick temperature measurement Temperature monitoring, in particular of temperature peaks in the active zone J, so that expediently inexpensive, simple and also slower temperature measurement methods can be used.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß es durch die erfindungsgemäße Dimensionierung des Schalter-Steuerkreises möglich wird, die Temperatur des Schalters nicht sperrschichtnah, sondern zweckmäßigerweise gehäusenah zu messen, was die Meßanordnung vereinfacht. Vorteilhafterweise wird dabei zur Temperaturmessung ein Bipolar-Transistor oder eine Diode eingesetzt.Another advantage is that the inventive dimensioning of Switch control circuit is possible, the temperature of the switch is not close to the junction, but rather to measure close to the housing, which simplifies the measuring arrangement. A bipolar transistor or a is advantageously used for temperature measurement Diode used.

Als besonders günstige Anordnung erweist es sich, einen der elektrischen Kontakte des Temperatursensors sowohl elektrisch als auch thermisch zumindest mittelbar am Schalter und/oder am Schaltergehäuse anzuordnen. Besonders geeignet sind Transistoren oder Dioden, zweckmäßigerweise mit im wesentlichen flächigen Kontakten, die eine besonders gute thermische Ankopplung an den Schalter ermöglichen. Eine ganz besonders bevorzugte Anordnung ist die direkte Verbindung des Kollektoranschlusses eines vorzugsweise verwendeten Bipolar-Transistors mit dem Drain eines vorzugsweise verwendeten MOSFET- Schalters. Zusammen mit der erfindungsgemaßen Dimensionierung des Schalter- Steuerkreises stellt diese einfache und billige Temperaturmeßanordnung eine weitere Vereinfachung und Verbesserung der Überlastüberwachung dar. As a particularly favorable arrangement, it turns out to be one of the electrical contacts of the Temperature sensor both electrically and thermally at least indirectly on the switch and / or to be arranged on the switch housing. Transistors or are particularly suitable Diodes, expediently with essentially flat contacts, which are particularly useful enable good thermal coupling to the switch. A particularly preferred one Arrangement is the direct connection of the collector connection one preferably used bipolar transistor with the drain of a preferably used MOSFET Switch. Together with the dimensioning of the switch Control circuit provides this simple and inexpensive temperature measuring arrangement another Simplify and improve overload monitoring.

Der Temperaturmeßpunkt kann z. B. durch eine Leiterbahn, eine Sperrschicht, ein Gehäuse oder dergl. eines oder mehrerer zu überwachender Schalter gebildet sein. Diese vorteilhafte Art der Temperaturmessung ist für verschiedene Bauelemente geeignet und nicht auf die Anwendung bei Halbleiterschaltern beschränkt.The temperature measuring point can e.g. B. by a conductor track, a barrier layer, a housing or the like. One or more switches to be monitored are formed. This beneficial Type of temperature measurement is suitable for different components and not on the Limited use in semiconductor switches.

Eine besonders vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung besteht darin, die Temperaturabhängigkeit der Schaltschwelle des Schalter-Steuerkreises zu kompensieren. Die Temperatur kann dabei sperrschichtnah oder sperrschichtfern gemessen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher vorteilhaft nicht nur bei der erfindungsgemäßen Anordnung, sondern auch bei Schaltern, insbesondere Halbleiterschaltern, eingesetzt werden, bei denen zumindest mittelbar die Sperrschichttemperatur selbst überwacht wird.A particularly advantageous further development of the invention is that To compensate for the temperature dependence of the switching threshold of the switch control circuit. The Temperature can be measured near or away from the barrier layer. The The method according to the invention can therefore advantageously not only in the case of the invention Arrangement, but also in switches, in particular semiconductor switches, are used, at which the junction temperature itself is monitored at least indirectly.

Im folgenden sind die Merkmale, soweit sie für die Erfindung wesentlich sind, eingehend erläutert und anhand von Fig. näher beschrieben. Es zeigenIn the following the features, insofar as they are essential for the invention, are explained in detail and described in more detail with reference to FIG . Show it

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung zum Überlastschutz mit Restspannungs- und Temperaturüberwachung, Fig. 1 shows an arrangement according to the invention for overload protection with residual stress and temperature control,

Fig. 2 einen Schalter mit aktiver Zone und Laststrom, Fig. 2 is a switch with an active zone and load current,

Fig. 3 den Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung mit lokalen Temperaturen und Wärmewiderständen, Fig. 3 shows the cross section of an inventive arrangement with the local temperatures and heat resistances,

Fig. 4 den Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung mit Temperatursensor und zugehörigen Wärmewiderständen, Fig. 4 is a cross section of an inventive arrangement with associated temperature sensor and thermal resistances,

Fig. 5 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, Fig. 5 shows a circuit arrangement according to the invention,

Fig. 6 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, Fig. 6 shows a circuit arrangement according to the invention,

Fig. 7 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, Fig. 7 shows a circuit arrangement according to the invention,

Fig. 8 eine Aufsicht und den Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung, Fig. 8 is a plan and cross-section through an inventive arrangement,

Fig. 9 die Abhängigkeit der Basis-Emitterspannung eines Transistors von der Temperatur, Fig. 9 shows the dependence of the base-emitter voltage of a transistor on the temperature,

Fig. 10 die Abhängigkeit des Einschaltwiderstands eines Transistors von der Temperatur, Fig. 10 shows the dependence of on-resistance of a transistor on the temperature,

Fig. 11 eine erfindungsgemaße Schaltungsanordnung zur Kompensation der Schaltschwelle des Steuerkreises eines Schalters, Fig. 11 is an inventive circuit arrangement for the compensation of the switching threshold of the control circuit of a switch,

Fig. 12 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Kompensation der Schaltschwelle des Steuerkreises eines Schalters, Fig. 12 shows a circuit arrangement of the invention for compensation of the switching threshold of the control circuit of a switch,

Fig. 13 eine Beschaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Kompensation der Schaltschwelle des Steuerkreises eines Schalters. Fig. 13 is a circuit of a circuit arrangement according to the invention for compensation of the switching threshold of the control circuit of a switch.

Eine erfindungsgemäße Anordnung zum Überlastschutz ist modellhaft am Beispiel einer Anordnung mit einem MOSFET-Schalter in Fig. 1 dargestellt. Die Erfindung ist nicht auf diese einfache Anordnung beschränkt, sie eignet sich vielmehr für Schalter, welche im Betrieb eine Restspannung und somit eine Verlustleistung aufweisen. Bevorzugt weist der Schalter einen Lastkreis und einen Steuerkreis mit lastkreisseitigen und steuerseitigen elektrischen Eingängen und/oder Ausgängen auf. Ein Schalter M1 wird bei Überschreiten einer Schwellspannung U_R im Steuerkreis und/oder bei Überschreiten einer Grenztemperatur T_max des Schalters M1 zumindest mittelbar vorzugsweise über eine Logik L und einen Gatetreiber G abgeschaltet. Bevorzugt ist der Schalter M1 aus einem Leistungs-MOSFET gebildet. Die Temperatur T wird mit einem Sensor T erfaßt. Ein Komparator im Steuerkreis vergleicht die Restspannung am Schalter, insbesondere den lastkreisseitigen aktuellen Spannungsabfall U_DS am MOSFET M1, mit einer Komparatorschwelle U_R.An arrangement for overload protection according to the invention is shown in a model using the example of an arrangement with a MOSFET switch in FIG. 1. The invention is not limited to this simple arrangement, but is rather suitable for switches which have a residual voltage during operation and thus have a power loss. The switch preferably has a load circuit and a control circuit with electrical inputs and / or outputs on the load circuit side and control side. A switch M1 is switched off at least indirectly, preferably via logic L and a gate driver G, when a threshold voltage U _R in the control circuit and / or when a limit temperature T _max of switch M1 is exceeded. The switch M1 is preferably formed from a power MOSFET. The temperature T is detected by a sensor T. A comparator in the control circuit compares the residual voltage at the switch, in particular the current voltage drop U _DS at the MOSFET M1 on the load circuit side, with a comparator threshold U _R.

In Fig. 2 ist schematisch ein Schalter M1 mit einer im Schalterkörper angeordneten aktiven Zone J abgebildet. Die Temperatur der aktiven Zone J ist T_J. Ein Laststrom I_D fließt durch die aktive Zone J. Etwaige lastkreisseitige oder steuerseitige Anschlüsse sind nicht dargestellt.A switch M1 with an active zone J arranged in the switch body is shown schematically in FIG. 2. The temperature of the active zone J is T _J. A load current I _D flows through the active zone J. Any connections on the load circuit or control side are not shown.

Unterhalb der Sättigungsspannung des Schalters M1 ist der Spannungsabfall U_DS am Schalter M1 proportional zum Drainstrom I_D und dem Einschaltwiderstand R_DS,on, welcher eine bauelementtypische Größe des Schalters M1 ist. Im allgemeinen ist der Einschaltwiderstand R_DS,on der Messung nicht zugänglich, sondern nur die Restspannung U_DS am Schalter. Es gilt U_DS=I_D.R_DS,on.Below the saturation voltage of switch M1, the voltage drop U _DS at switch M1 is proportional to the drain current I _D and the on-resistance R _{DS, on} , which is a component-typical quantity of switch M1. In general, the on-resistance R _{DS, on is} not accessible to the measurement, but only the residual voltage U _DS at the switch. U _DS = I _D .R _{DS, on} applies.

Die Abhängigkeit der Restspannung U_DS kann zur Messung des Laststromes, insbesondere des Drainstromes I_D, am Einschaltwiderstand R_DS,on und damit zu einer relativ genauen Überstromabschaltung genutzt werden. Vorteilhaft ist, den Laststrom I_D zu begrenzen. Die Abschaltung erfolgt schon bei vergleichsweise geringen Spannungen, so daß die Verlustleistung P_V=U_DS.I_D am Schalter M1 gering bleibt. Auch der Schutz eines etwaigen angeschlossenen Verbrauchers auf der Lastseite kann auf diese Art und Weise gewährleistet werden.The dependence of the residual voltage U _DS can be used to measure the load current, in particular the drain current I _D , at the on-resistance R _{DS, on} and thus for a relatively precise overcurrent shutdown. It is advantageous to limit the load current I _D. The switch-off takes place even at comparatively low voltages, so that the power loss P _V = U _DS .I _D at switch M1 remains low. The protection of any connected consumers on the load side can also be guaranteed in this way.

Die Komparatorschwelle U_R für die Restspannungsüberwachung kann durch die erfindungsgemäße Dimensionierung des Steuerkreises des Schalters M1 dergestalt verändert werden, daß der Schalter M1 wesentlich höhere Ströme zulassen kann als beim Einsatz üblicher, im Handel erhältlicher Steuerkreise für Schalter, welche mit einer konventionellen Restspannungsüberwachung betrieben werden.The comparator threshold U _R for the residual voltage monitoring can be changed by the inventive dimensioning of the control circuit of the switch M1 such that the switch M1 can allow significantly higher currents than when using conventional, commercially available control circuits for switches which are operated with a conventional residual voltage monitoring.

Der maximale Laststrom, vorzugsweise der Drainstrom I_D bei einem MOSFET-Schalter M1, wird bevorzugt durch die maximal abführbare Verlustleistung P_V,max bestimmt. Die prinzipiell zu berücksichtigenden Größen sind in Fig. 3 skizziert. Eine Schalteranordnung 1 mit einem Schalter M1 in einem Gehäuse 2 und einer Kühlfahne 3 ist auf einem Kühlkörper 4 angeordnet. Der Kühlkörper 4 kann durch einen metallischen Kühlkörper oder eine Platine oder dergl. gebildet sein. Die Temperatur der steuerbaren, aktiven, zu schützenden Zone J des Schalters M1, insbesondere der Sperrschicht des MOSFET-Schalters, ist T_J, die Temperatur der Rückseite des Gehäuses 2 ist T_C, die Umgebungstemperatur des Kühlkörpers ist T_A. R_th,JC bezeichnet der Wärmewiderstand zwischen der aktiven Zone J des Schalters M1, insbesondere der Sperrschicht des MOSFET, zur Rückseite des Gehäuses 2, welche durch die Kühlfahne 3 gebildet wird. Die Kühlfahne 3 kann durch einen Bauelementanschluß des Schalters M1, insbesondere den Drainanschluß des MOSFET-Schalters, gebildet sein. R_th,CA bezeichnet den Wärmewiderstand, welcher den Transport der Wärme von der Rückseite des Gehäuses 2 und/oder der Kühlfahne 3 durch einen etwaigen Kühlkörper 4 hindurch zur Umgebung der Schaltereinrichtung bestimmt. Der thermische Gesamtwiderstand R_th,JA von der aktiven Zone J des Schalters M1 zur Umgebung ergibt sich als Summe der beiden einzelnen Wärmewiderstände. Für die maximal zulässige Verlustleistung P_V,max ergibt sich
The maximum load current, preferably the drain current I _D in a MOSFET switch M1, is preferably determined by the maximum dissipatable power loss P _{V, max} . The variables to be taken into account in principle are outlined in FIG. 3. A switch arrangement 1 with a switch M1 in a housing 2 and a cooling vane 3 is arranged on a heat sink 4 . The heat sink 4 can be formed by a metal heat sink or a circuit board or the like. The temperature of the controllable, active zone J to be protected of the switch M1, in particular the barrier layer of the MOSFET switch, is T _J , the temperature of the rear of the housing 2 is T _C , the ambient temperature of the heat sink is T _A. R _{th, JC} denotes the thermal resistance between the active zone J of the switch M1, in particular the barrier layer of the MOSFET, to the rear of the housing 2 , which is formed by the cooling vane 3 . The cooling vane 3 can be formed by a component connection of the switch M1, in particular the drain connection of the MOSFET switch. R _{th, CA} denotes the thermal resistance, which determines the transport of the heat from the rear of the housing 2 and / or the cooling vane 3 through a possible heat sink 4 to the surroundings of the switch device. The total thermal resistance R _{th, JA} from the active zone J of the switch M1 to the environment is the sum of the two individual thermal resistances. For the maximum permissible power loss P _{V, max}

P_V,max=(T_J,max-T_A,max)/R_th,JA,max=I² _D,max.R_DS,on,max P _{V, max} = (T _{J, max} -T _{A, max} ) / R _{th, YES, max} = I ² _{D, max} .R _{DS, on, max}

Diese Gleichung ist eine "Worst-Case"-Abschätzung für den schlimmsten eintretenden Fall mit der maximal zulässigen Temperatur der aktiven Zone J, T_J,max, der unter ungünstigsten Umgebungs- und/oder Betriebsbedingungen des Schalters M1 zu erwartenden maximalen Umgebungstemperatur T_A,max und dem sicher erreichbaren maximalen Wärmewiderstand R_th,JA,max zwischen aktiver Zone J und Umgebung der kompletten Schaltereinrichtung.This equation is a "worst case" estimate for the worst case scenario with the maximum permissible temperature of the active zone J, T _{J, max} , the maximum ambient temperature T _A to be expected under the most unfavorable ambient and / or operating conditions of the switch M1 _{, max} and the safely attainable maximum thermal resistance R _{th, JA, max} between active zone J and the surroundings of the complete switch device.

Der Wert des Einschaltwiderstands R_DS,on des Schalters M1 ist Streuungen unterworfen und hängt insbesondere von der Temperatur des Schalters M1 ab. Für die Begrenzung der Verlustleistung P_V muß vom statischen Fall ausgegangen werden, wenn sich der Schalter M1 bereits auf die maximale Temperatur aufgeheizt hat. Nach dem Stand der Technik wird hier mit dem maximalen Einschaltwiderstand R_DS,on,max gerechnet, wobei sich für die Restspannung U_DS,max, bei welcher der Schalter M1 schließlich durch den Steuerkreis abgeschaltet wird, dann in der "Worst-Case"-Abschätzung zur Dimensionierung des Steuerkreises ergibt
The value of the on-resistance R _{DS, on of} the switch M1 is subject to scattering and depends in particular on the temperature of the switch M1. To limit the power loss P _V , the static case must be assumed when the switch M1 has already heated up to the maximum temperature. According to the prior art, the maximum switch-on resistance R _{DS, on, max is used} , the residual voltage U _{DS, max} , at which the switch M1 is finally switched off by the control circuit, then in the "worst case" - Estimation for the dimensioning of the control circuit results

Der Abschaltstrom ist temperaturabhängig und ergibt sich als
I_D,max=U_DS,max/R_DS,on(T_J)The switch-off current is temperature-dependent and results as
I _{D, max} = U _{DS, max} / R _{DS, on} (T _J )

Die nur schwer zu fällenden Aussagen über maximal erreichbare Betriebstemperaturen des Schalters M1 im Betrieb und das Problem, einen bestimmten Wärmewiderstand sicherstellen zu müssen, führen bei den bekannten Anordnungen entweder zur Überdimensionierung der Kühlung des Schalters M1, was zu erhöhtem Platzbedarf der gesamten Anordnung führt, und/oder aber zu einer geringen Ausnutzung des Schalters M1. Weiterhin kann der Abschaltstrom I_D,max über den gesamten Temperaturbereich um den Faktor 2 bis 3 variieren. Durch die Erwärmung des Schalters ist zwar eine Abschaltung vor Erreichen der maximal zulässigen Verlustleistung P_V,max garantiert, einer etwaigen Anwendung als elektronische Sicherung steht jedoch die große Stromvariation entgegen.The statements about the maximum achievable operating temperatures of the switch M1 that are difficult to make during operation and the problem of having to ensure a certain thermal resistance either lead to overdimensioning of the cooling of the switch M1 in the known arrangements, which leads to an increased space requirement of the entire arrangement, and / or to a low utilization of the switch M1. Furthermore, the switch-off current I _{D, max can} vary by a factor of 2 to 3 over the entire temperature range. The heating of the switch guarantees a switch-off before the maximum permissible power loss P _{V, max} is reached, but the large current variation prevents any use as an electronic fuse.

Fig. 4 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung aus Fig. 3 mit einem Temperatursensor 5, welcher die Temperatur T_M an einem Temperaturmeßpunkt der Schaltungsanordnung 1 mißt. Vorzugsweise wird der Temperaturmeßpunkt gehäusenah gewählt. Ebenfalls geeignet kann als Temperaturmeßpunkt eine elektrische Leitfähigkeitsfläche des Schalters, vorzugsweise eine Leiterbahn oder ein Drainanschluß, gewählt werden. Zweckmäßig ist ein Temperaturmeßpunkt, der eine hinreichend gute thermische Ankopplung an die aktive Zone J des Schalters aufweist, insbesondere elektrische Zuführungen zum Schalterkörper. FIG. 4 shows the arrangement according to the invention from FIG. 3 with a temperature sensor 5 , which measures the temperature T _M at a temperature measuring point of the circuit arrangement 1 . The temperature measuring point is preferably selected close to the housing. An electrical conductivity surface of the switch, preferably a conductor track or a drain connection, can also be selected as a suitable temperature measuring point. A temperature measuring point that has a sufficiently good thermal coupling to the active zone J of the switch is expedient, in particular electrical leads to the switch body.

Vereinfacht lassen sich bei diesem Aufbau vier Wärmewiderstände unterscheiden. Die Temperatur T_M am Temperaturmeßpunkt unterscheidet sich von der Gehäusetemperatur T_C aufgrund der Aufteilung des Wärmeflusses durch R_th,CM, dem Wärmewiderstand zwischen Gehäuse 2 und Temperaturmeßpunkt und R_th,MA, dem Wärmewiderstand zwischen Meßpunkt und Umgebung. Da der Wärmewiderstand R_th,CM zwischen Gehäuse und Temperaturmeßpunkt klein ist, insbesondere bei Anordnung des Temperaturmeßpunktes auf einer elektrischen Leitfähigkeitsfläche des Schalters, unterscheidet sich die Meßtemperatur T_M nur geringfügig von der Gehäusetemperatur T_C.In this structure, four thermal resistances can be easily distinguished. The temperature T _M at the temperature measuring point differs from the housing temperature T _C due to the distribution of the heat flow through R _{th, CM} , the thermal resistance between housing 2 and the temperature measuring point and R _{th, MA} , the thermal resistance between the measuring point and the surroundings. Since the thermal resistance R _{th, CM} between the housing and the temperature measuring point is small, especially when the temperature measuring point is arranged on an electrical conductivity surface of the switch, the measuring temperature T _M differs only slightly from the housing temperature T _C.

Zur weiteren Betrachtung wird ein äquivalenter Wärmewiderstand R_th,JM eingeführt, welcher den Temperaturunterschied zwischen aktiver Zone J des Schalters, insbesondere der Sperrschicht, und Temperaturmeßpunkt auf den Gesamtwärmefluß bezieht und die Betrachtung der schwer zugänglichen einzelnen Wärmewiderstände R_th,CM und R_th,MA ersetzt.For further consideration, an equivalent thermal resistance R _{th, JM is} introduced, which relates the temperature difference between the active zone J of the switch, in particular the barrier layer, and the temperature measuring point to the total heat flow and the consideration of the difficult to access individual thermal resistances R _{th, CM} and R _{th, MA} replaced.

Es gilt
It applies

R_th,JM=(T_J-T_M)/P_V R _{th, JM} = (T _J -T _M ) / P _V

R_th,JM ist zwar von der Wärmeabfuhr an die Umgebung abhängig, die Abhängigkeit ist jedoch geringer als bei den real auftretenden Wärmewiderständen im und am Schalter-Bauelement. Je besser die Wärmeabfuhr ist, desto höher fällt der äquivalente Wärmewiderstand aus. R _{th, JM} is dependent on the heat dissipation to the environment, but the dependence is less than with the real thermal resistances occurring in and on the switch component. The better the heat dissipation, the higher the equivalent thermal resistance.

Genauere Aussagen lassen Simulationsrechnungen, Schätzungen oder Messungen zu. Insbesondere ist der äquivalente Wärmewiderstand R_th,JM jedoch nicht von der Umgebungstemperatur T_A des Schalters abhängig.More precise statements allow simulation calculations, estimates or measurements. In particular, the equivalent thermal resistance R _{th, JM} is not dependent on the ambient temperature T _{A of} the switch.

Wird als maximal zulässige Umgebungstemperatur die maximal zulässige Temperatur T_M,max am Temperaturmeßpunkt eingeführt und der maximale äquivalente Wärmewiderstandes R_th,JM,max verwendet, ergibt sich erfindungsgemäß eine neue Dimensionierungsvorschrift für den Steuerkreis des Schalters mit
If the maximum permissible ambient temperature T _{M, max} at the temperature measuring point is introduced and the maximum equivalent thermal resistance R _{th, JM, max is} used, a new dimensioning rule for the control circuit of the switch results according to the invention

Die bei der Dimensionierung schwer im voraus zu bestimmende maximale Umgebungstemperatur T_A,max ist durch eine leicht meßbare Temperatur T_M,max und der schwer zugängliche Wärmewiderstand R_th,JA,max ist durch den abschätzbaren äquivalenten Wärmewiderstand R_th,M,max ersetzt. Der Schalter wird abgeschaltet, sobald im Steuerkreis eine Spannung U_DS detektiert wird, die größer als eine vorgegebene Schwellspannung U_R=U_DS,max ist und/oder sobald die maximal zulässige Bauelementtemperatur T_M,max überschritten wird. In einer Anordnung wie in Fig. 1 wird eine Komparatorschwelle U_R auf U_DS,max eingestellt.The maximum ambient temperature T _{A, max, which} is difficult to determine in advance _, is replaced by an easily measurable temperature T _{M, max} and the difficult to access thermal resistance R _{th, JA, max} is replaced by the equivalent thermal resistance R _{th, M, max} that can be estimated. The switch is switched off as soon as a voltage U _{DS is} detected in the control circuit which is greater than a predetermined threshold voltage U _R = U _{DS, max} and / or as soon as the maximum permissible component temperature T _{M, max is} exceeded. In an arrangement as in FIG. 1, a comparator threshold U _{R is set} to U _{DS, max} .

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Dimensionierung des Schalter-Steuerkreises liegen zum einen darin, daß die Maximaltemperatur im Betrieb des Schalters keine reine Abschätzung mehr darstellt, sondern gemessen werden kann. Dabei kommt es nicht darauf an, ob die Temperaturmessung in unmittelbarem Kontakt zu einer aktiven Zone J, insbesondere einer Sperrschicht, im Schalterkörper durchgeführt wird. Vielmehr besteht jetzt die vorteilhafte Möglichkeit, die Temperatur am Äußeren des Schalters zu bestimmen, vorzugsweise am Gehäuse 2 oder an der Kühlfahne 3 des Schalters M1, ohne daß die Gefahr einer Überhitzung der aktiven Zone J durch kurzzeitige Verlustleistungsspitzen oder lokale Temperaturunterschiede besteht. Besonders zweckmäßig ist die Anordnung eines Temperatursensors an einem elektrisch und thermisch gut an die aktive Zone J des Schalters gekoppelten Kontakt-Anschluß. Zwar müssen die Unsicherheiten hinsichtlich der Wärmeabfuhr bei der Dimensionierung für den Dauerbetrieb noch berücksichtigt werden, haben jedoch keinen Einfluß auf die Funktion des Selbstschutzes des Schalters.The advantages of the dimensioning of the switch control circuit according to the invention are, on the one hand, that the maximum temperature during operation of the switch is no longer a pure estimate, but can be measured. It does not matter whether the temperature measurement is carried out in direct contact with an active zone J, in particular a barrier layer, in the switch body. Rather, there is now the advantageous possibility of determining the temperature on the outside of the switch, preferably on the housing 2 or on the cooling vane 3 of the switch M1, without the risk of overheating the active zone J due to brief power loss peaks or local temperature differences. The arrangement of a temperature sensor on a contact connection that is electrically and thermally well coupled to the active zone J of the switch is particularly expedient. Although the uncertainties regarding heat dissipation must still be taken into account when dimensioning for continuous operation, they have no influence on the function of the self-protection of the switch.

Die Vorteile der Erfindung zeigen sich ganz besonders bei Aufbautechniken mit geringer Wärmeabfuhr in die Umgebung, wie sie häufig beim Einbau von Leistungshalbleitern in Steuergeräte auftritt. The advantages of the invention are particularly evident in construction techniques with less Heat dissipation into the environment, as is often the case when installing power semiconductors Control units occurs.

Der äquivalente Wärmewiderstand R_th,JM ist nicht so stark wie der Wärmewiderstand zwischen aktiver Zone J und Umgebung R_th,JA von den Umgebungsbedingungen des Aufbaus des Schalters abhängig. Außerdem sind die fertigungstechnischen Toleranzen bei der Herstellung eines Schalters relativ gering und R_th,JM daher auch für eine Mehrzahl von Schaltern mit ausreichender Genauigkeit abschätzbar.The equivalent thermal resistance R _{th, JM} is not as strong as the thermal resistance between the active zone J and the environment R _{th, JA} depends on the environmental conditions of the structure of the switch. In addition, the manufacturing tolerances in the manufacture of a switch are relatively small and R _{th, JM} can therefore be estimated with sufficient accuracy for a plurality of switches.

Die erfindungsgemäße Dimensionierung erlaubt vorteilhafterweise, daß zumindest kurzzeitig hohe Ströme im Schalter zugelassen werden können. Dies ermöglicht eine deutlich bessere Ausnutzung des Schalters.The dimensioning according to the invention advantageously allows that, at least for a short time high currents can be allowed in the switch. This enables a much better one Utilization of the switch.

Die Gefahr einer Überhitzung des Schalters besteht nicht, da die Verlustleistung im Gegensatz zur rein thermischen Abschaltung nach dem Stand der Technik begrenzt bleibt. Erfindungsgemäß werden als Dimensionierungskriterium für den Steuerkreis die statischen Wärmewiderstände herangezogen. Aus diesem Grund kann der Schalter hohe Einschaltstromspitzen tolerieren. Die an der aktiven Zone J anfallende Verlustleistung kann durch die die aktive Zone J umgebenden Wärmekapazitäten aufgenommen werden, bis T_M,max am Meßpunkt erreicht ist. Vorteilhaft ist es, kurzzeitig die Überstromabschaltung des Schalters auszublenden, vorzugsweise während des Einschaltvorgangs. Der erhöhte Laststrom kann den Schalter nur solange erwärmen, bis die maximal erlaubte Temperatur T_M,max erreicht ist und/oder solange die maximal erlaubte Verlustleistung P_V,max nicht überschritten ist.There is no risk of the switch overheating, since the power loss remains limited in contrast to the purely thermal shutdown according to the prior art. According to the invention, the static thermal resistances are used as the dimensioning criterion for the control circuit. For this reason, the switch can tolerate high inrush current peaks. The power loss at the active zone J can be absorbed by the heat capacities surrounding the active zone J until T _{M, max is reached} at the measuring point. It is advantageous to briefly hide the overcurrent switch-off, preferably during the switch-on process. The increased load current can only heat the switch until the maximum permitted temperature T _{M, max is} reached and / or until the maximum permitted power loss P _{V, max is} not exceeded.

Fig. 5 zeigt eine weitere vorteilhafte Gestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung. Hier wird das Temperatursignal T zu einer Variation der Schaltschwelle U_R der Restspannungsüberwachung im Steuerkreis herangezogen. Auf diese Weise kann die durch die Temperaturabhängigkeit des Einschaltwiderstandes R_DS,on des Schalters M1 hervorgerufene Variation des Abschaltstromes I_D kompensiert werden. Fig. 5 shows a further advantageous embodiment shows the inventive arrangement. Here the temperature signal T is used to vary the switching threshold U _{R of} the residual voltage monitoring in the control circuit. In this way, the variation in the shutdown current I _D caused by the temperature dependence of the on-resistance R _{DS, on of} the switch M1 can be compensated.

Als Temperatursensoren sind prinzipiell alle üblicherweise zu diesem Zweck verwendeten Sensoren einsetzbar. Besonders zweckmäßig ist der Einsatz von Transistoren oder Dioden. Eine derartige Schaltungsanordnung ist in Fig. 5 dargestellt. Erfindungsgemäß wird beim Anbringen des Temperatursensors, insbesondere eines Kleinsignal-Bipolartransistors, an einen Temperaturmeßpunkt einer der elektrischen Anschlüsse, welcher montagetechnisch einen sehr guten Wärmeübergang zum Halbleiterkörper des Temperatursensors besitzt, gleichzeitig auch zur thermischen Kopplung des Temperatursensors an den Meßpunkt verwendet. Besonders bevorzugt ist die Anordnung, einen derartigen Kontakt des Sensors mit einem elektrischen Kontakt des Schalters M1 zu verbinden, welcher ebenfalls einen guten Wärmeübergang zum Körper, insbesondere Halbleiterkörper, des Schalters aufweist. In principle, all sensors normally used for this purpose can be used as temperature sensors. The use of transistors or diodes is particularly expedient. Such a circuit arrangement is shown in FIG. 5. According to the invention, when the temperature sensor, in particular a small-signal bipolar transistor, is attached to a temperature measuring point, one of the electrical connections, which has a very good heat transfer to the semiconductor body of the temperature sensor, is also used for thermal coupling of the temperature sensor to the measuring point. The arrangement is particularly preferred to connect such a contact of the sensor to an electrical contact of the switch M1, which also has good heat transfer to the body, in particular the semiconductor body, of the switch.

In Fig. 6 ist sowohl ein Leistungs-MOSFET, der als Schalter M1 eingesetzt ist, als auch ein üblicher Kleinsignal-Bipolartransistor Q1 als Temperatursensor dargestellt. Beide Transistoren M1, Q1 weisen einen elektrischen Anschluß mit guter thermischer Kopplung zum jeweiligen Halbleiterkörper auf. Beim Leistungs-MOSFET M1 ist vorzugsweise der Drainanschluß, beim Bipolartransistor Q1 vorzugsweise der Kollektoranschluß dafür ausgewählt. Besonders zweckmäßig ist, den Drainanschluß des MOSFET M1 mit dem Kollektor des Bipolartransistors Q1 zu verbinden. FIG. 6 shows both a power MOSFET, which is used as a switch M1, and a conventional small-signal bipolar transistor Q1 as a temperature sensor. Both transistors M1, Q1 have an electrical connection with good thermal coupling to the respective semiconductor body. The drain connection is preferably selected for the power MOSFET M1, and the collector connection is preferably selected for the bipolar transistor Q1. It is particularly expedient to connect the drain connection of the MOSFET M1 to the collector of the bipolar transistor Q1.

Die Basis des Transistors Q1 wird auf einem Referenzpotential U₀ gehalten. Über eine an sich bekannte Basiseinrichtung B, vorzugsweise ein Widerstand oder eine Stromquelle, wird ein vorbestimmter Kollektorstrom eingestellt. Die Basis-Emitterspannung U_BE des Transistors Q1 dient als Maß für die Temperatur T_M. Vorteilhaft ist, daß die Basis-Emitterspannung U_BE nicht nur zur Überwachung der maximal zulässigen Schalter-Temperatur eingesetzt werden kann, sondern zweckmäßigerweise auch zur Beeinflussung der Abschaltschwelle U_R des Steuerkreises der Restspannungsüberwachung. Eine andernfalls auftretende Temperaturabhängigkeit des maximal zulässigen Laststromes I_D,max wird dadurch vermieden, so daß bei jeder zulässigen Schaltertemperatur T_M,max derselbe maximale Laststrom I_D,max im Schalter M1 zulässig ist.The base of transistor Q1 is kept at a reference potential U ₀ . A predetermined collector current is set via a base device B known per se, preferably a resistor or a current source. The base-emitter voltage U _{BE of} the transistor Q1 serves as a measure of the temperature T _M. It is advantageous that the base emitter voltage U _BE can not only be used to monitor the maximum permissible switch temperature, but also expediently to influence the switch-off threshold U _{R of} the control circuit of the residual voltage monitoring. An otherwise occurring temperature dependency of the maximum permissible load current I _{D, max} is avoided, so that the same maximum load current I _{D, max} is permissible in switch M1 at each permissible switch temperature T _{M, max} .

In Fig. 7 ist eine weitere vorteilhafte Schaltungsanordnung mit guter Wärmeankopplung zwischen Temperatursensor Q1 und Schalter M1 dargestellt. Dort ist nicht nur der Kollektor des Transistors Q1 mit dem Drainanschluß des Halbleiterschalter-MOSFETs M1, sondern auch die Basis von Q1 mit dem Source-Anschluß von M1 verbunden. Diese Art der Anordnung des Temperatursensor-Transistors Q1 an den Schalter M1 ist ganz besonders vorteilhaft, wenn der Transistor Q1 nicht als diskretes Bauteil, sondern als parasitäre Struktur auf oder in dem Halbleiterkörper des Schalters M1 verfügbar ist.In Fig. 7 a further advantageous circuit arrangement with good thermal coupling between the temperature sensor and switches Q1 M1 is shown. There, not only the collector of transistor Q1 is connected to the drain of semiconductor switch MOSFET M1, but also the base of Q1 is connected to the source of M1. This type of arrangement of the temperature sensor transistor Q1 on the switch M1 is particularly advantageous if the transistor Q1 is not available as a discrete component but as a parasitic structure on or in the semiconductor body of the switch M1.

Fig. 8 zeigt eine Aufsicht und einen seitlichen Schnitt durch eine vorteilhafte Anordnung von Bauelementen einer Schutzanordnung, die sich besonders für den Einsatz in elektronischen Steuergeräten eignet. Der Schalter M1 und der Temperatursensor 5, insbesondere ein Bipolartransistor Q1, sind als Bauelemente für Oberflächenmontage ausgeführt. Der Schalter M1 im Gehäuse 2 ist mit der Kühlfahne 3, welche insbesondere den Drainanschluß des Schalters M1 darstellt, zumindest mittelbar auf einem Kühlkörper 4 angeordnet, welcher bevorzugt durch eine Platine gebildet wird. Zwischen Kühlkörper 4 und Kühlfahne 3 sind elektrische Kontaktflächen 6, z. B. eine oder mehrere Kupferleiterbahnen, angeordnet. Die Kontaktfläche 6, die mit dem Drainanschluß 3 des MOSFET-Schalters verbunden ist, dient als Wärmespreizer. Der Kollektoranschluß 5.1 des Bipolartransistors Q1 ist nahe der Kühlfahne 3 des Schalters M1 auf der Kontaktfläche 6 angeordnet, vorzugsweise angelötet. Fig. 8 shows a plan view and a lateral section through an advantageous arrangement of components of a protection arrangement, which is particularly suitable for use in electronic control units. The switch M1 and the temperature sensor 5 , in particular a bipolar transistor Q1, are designed as components for surface mounting. The switch M1 in the housing 2 is arranged with the cooling lug 3 , which in particular represents the drain connection of the switch M1, at least indirectly on a heat sink 4 , which is preferably formed by a circuit board. Between the heat sink 4 and cooling tab 3 are electrical contact surfaces 6, z. B. one or more copper traces arranged. The contact surface 6 , which is connected to the drain terminal 3 of the MOSFET switch, serves as a heat spreader. The collector terminal 5.1 of the bipolar transistor Q1 is arranged near the cooling vane 3 of the switch M1 on the contact surface 6 , preferably soldered on.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, bevorzugt unter Verwendung des Temperatursensors Q1, die Schwellspannung U_R des Steuerkreises unter Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit des Restwiderstandes R_DS,on des Schalters M1 so zu verändern, daß der Schalter bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen bei einem vorgegebenen, konstanten Laststrom I_D,max abgeschaltet wird.It is very particularly advantageous, preferably using the temperature sensor Q1, to change the threshold voltage U _{R of} the control circuit, taking into account the temperature dependence of the residual resistance R _{DS, on of} the switch M1, so that the switch at different operating temperatures at a predetermined, constant load current I _{D , max is} switched off.

In einem Dimensionierungsbeispiel sind die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. Die Erfindung ist nicht auf die im Beispiel angegebenen Werte beschränkt.The advantages of the arrangement according to the invention are in a dimensioning example shown. The invention is not restricted to the values given in the example.

Bei einem maximalen Einschaltwiderstand des Schalters M1, insbesondere ein Leistungstransistor, von R_DS,on,max=25 mΩ und einer maximal zulässigen Temperatur der aktiven Zone J, insbesondere einer Sperrschicht, von T_J,max=175°C, mit R_th,JC=1,5 K/W und R_th,CA=25 K/W und der maximal zu erwartenden Umgebungstemperatur von 80°C ergibt sich für eine Schutzanordnung ohne Temperaturüberwachung ein maximal zulässigen Laststrom von I_D,max=12 A. Der Schalter wird bei Erreichen dieses Wertes zumindest mittelbar abgeschaltet. Besonders zu beachten ist, daß der maximal zulässige Laststrom I_D,max nicht überschritten werden darf.With a maximum switch-on resistance of switch M1, in particular a power transistor, of R _{DS, on, max} = 25 mΩ and a maximum permissible temperature of active zone J, in particular a barrier layer, of T _{J, max} = 175 ° C., with R _{th, JC} = 1.5 K / W and R _{th, CA} = 25 K / W and the maximum expected ambient temperature of 80 ° C results in a maximum permissible load current of I _{D, max} = 12 A for a protective arrangement without temperature monitoring is switched off at least indirectly when this value is reached. It is particularly important to note that the maximum permissible load current I _{D, max must} not be exceeded.

Wird die erfindungsgemäße Anordnung mit Temperatur- und Restspannungskontrolle unter denselben Randbedingungen überwacht, ist dieser Wert I_D,max ebenfalls der maximal erlaubte Dauer-Laststrom des Schalters M1. Mit einer vorgegebenen oberen Schaltertemperatur von T_M,max=125°C und einem äquivalenten Wärmewiderstand R_th,JM=2 K/W ergibt sich jedoch ein weit höherer Wert für einen zulässigen Spitzenstrom von I_D,max=32 A. Dieser Laststrom darf kurzzeitig, insbesondere bis zu mehreren Sekunden, im Schalter M1 fließen, ohne daß der Schalter geschädigt wird. Dabei erwärmt sich der Schalter M1, und die Übertemperaturüberwachung schaltet bei Erreichen der maximal erlaubten Schaltertemperatur ab. Über den prinzipiellen Gewinn an Sicherheit hinaus, insbesondere im statischen Fall, bedeutet dies im beschriebenen Beispiel eine um den Faktor 2,5 bessere Ausnutzung des Schalters M1.If the arrangement according to the invention is monitored with temperature and residual voltage control under the same boundary conditions, this value I _{D, max is} also the maximum permissible continuous load current of switch M1. With a predetermined upper switch temperature of T _{M, max} = 125 ° C and an equivalent thermal resistance R _{th, JM} = 2 K / W, however, there is a much higher value for a permissible peak current of I _{D, max} = 32 A. This load current may flow briefly, in particular up to several seconds, in switch M1 without the switch being damaged. The switch M1 heats up and the overtemperature monitoring switches off when the maximum permitted switch temperature is reached. In addition to the basic gain in safety, especially in the static case, in the example described this means a better use of switch M1 by a factor of 2.5.

Ein weiteres, besonders zweckmäßiges Verfahren zum Überlastschutz von Schaltern kann vorzugsweise bei MOSFET-Schaltern verwendet werden. Die präzise Messung des Laststroms I_D,max erfordert die Einbeziehung der Temperaturabhängigkeit des Einschaltwiderstandes R_DS,on(T_J) des Schalters, wobei gilt I_D,max=U_DS,max/R_DS,on(T_J). Über den gesamten Temperaturbereich, in dem das System eingesetzt wird, kann sich dieser Wert um einen Faktor 2-3 ändern. Durch die Erwärmung des Halbleiters ist zwar die Abschaltung bei einer unzulässigen Verlustleistung gewährleistet, jedoch scheitert der Einsatz als elektronische Sicherung an der großen Variation des Laststromes I_D,max.Another, particularly expedient method for overload protection of switches can preferably be used in MOSFET switches. The precise measurement of the load current I _{D, max} requires the inclusion of the temperature dependency of the on-resistance R _{DS, on} (T _J ) of the switch, whereby I _{D, max} = U _{DS, max} / R _{DS, on} (T _J ) applies. This value can change by a factor of 2-3 over the entire temperature range in which the system is used. Due to the heating of the semiconductor, the shutdown is guaranteed in the event of an impermissible power loss, but its use as an electronic fuse fails due to the large variation in the load current I _{D, max} .

Erfindungsgemäß wird die Schaltschwelle U_R durch ein aus der Durchlaßspannung U_BE eines thermisch eng mit dem Halbleiterschalter M1 gekoppelten Temperatursensors Q1, vorzugsweise ein Bipolartransistor oder eine Diode, gewonnenes Signal verändert. Dabei wird auf den Schwellwert U_R durch Überlagerung des Temperaturmeßsignals eingewirkt, so daß der Schalter durch Verändern der Schwellspannung U_R unabhängig von der Betriebstemperatur bei einem konstanten Wert des maximalen Laststromes I_D,max abgeschaltet wird. Bleibt die Schwellspannung U_R unverändert, wird der Schalter bei mit ansteigender Temperatur steigendem Einschaltwiderstand R_DS,on(T_J) zu früh bei einem zu niedrigen Laststrom I_D abgeschaltet.According to the invention, the switching threshold U _{R is changed} by a signal obtained from the forward voltage U _{BE of} a temperature sensor Q1 thermally closely coupled to the semiconductor switch M1, preferably a bipolar transistor or a diode. The threshold value U _R is acted upon by superimposing the temperature measurement signal, so that the switch is switched off by changing the threshold voltage U _R independently of the operating temperature at a constant value of the maximum load current I _{D, max} . If the threshold voltage U _R remains unchanged, the switch is switched off too early when the switch-on resistance R _{DS, on} (T _J ) increases as the temperature rises and the load current I _{D is} too low.

Die Basis-Emitter-Spannung U_BE eines Bipolartransistors ist in erster, hinreichend guter Näherung linear von der Temperatur abhängig, wobei gilt U_BE(T)=U_BE(T₀)-λ.(T-T₀). T₀ ist eine Referenztemperatur. Fig. 9 verdeutlicht die Qualität dieser Näherung anhand des Vergleichs zwischen typischen Meßwerten der Basis-Emitterspannung U_BE(T) eines Bipolartransistors als Funktion der Temperatur und einer Ausgleichsgeraden. U_BE(T) sinkt mit steigender Temperatur.In a first, sufficiently good approximation, the base-emitter voltage U _{BE of} a bipolar transistor is linearly dependent on the temperature, where U _BE (T) = U _BE (T ₀ ) -λ. (TT ₀ ). T ₀ is a reference temperature. Fig. 9 of the base-emitter voltage U _BE (T) shows the quality of this approximation based on the comparison between typical measured values of a bipolar transistor as a function of temperature and a best-fit line. U _BE (T) decreases with increasing temperature.

Auch der Temperaturgang des Einschaltwiderstandes eines MOSFETs läßt sich mit ausreichender Genauigkeit durch eine lineare Näherung beschreiben, wobei die Beziehung gilt R_DS,on(T)=R_DS,on(T₀).(1+α.(T-T₀)). Fig. 10 zeigt die lineare Temperaturabhängigkeit anhand eines Vergleichs von Meßpunkten und Ausgleichsgerade. Der Einschaltwiderstand R_DS,on(T) steigt mit steigender Temperatur. Ähnliche Annahmen können auch für andere Bauelemente in hinreichender Genauigkeit getroffen werden.The temperature response of the on-resistance of a MOSFET can also be described with sufficient accuracy by a linear approximation, whereby the relationship applies R _{DS, on} (T) = R _{DS, on} (T ₀ ). (1 + α. (TT ₀ )). Fig. 10 shows the linear temperature dependence based on a comparison of measurement points and fit line. The on-resistance R _{DS, on} (T) increases with increasing temperature. Similar assumptions can also be made with sufficient accuracy for other components.

Da der Einschaltwiderstand R_DS,on(T) und damit auch der lastkreisseitige Spannungsabfall U_DS am Schalter M1 bei einem konstanten Laststrom I_D mit der Temperatur ansteigt, wird erfindungsgemäß eine zur Temperaturmeßspannung proportionale Spannung im richtigen Verhältnis zur Drain-Source-Spannung hinzuaddiert, um eine konstante Abschaltschwelle U_R zu erhalten.Since the on-resistance R _{DS, on} (T) and thus also the load circuit-side voltage drop U _DS at switch M1 increases with temperature at a constant load current I _D , a voltage proportional to the temperature measuring voltage is added according to the invention in the correct ratio to the drain-source voltage, in order to maintain a constant switch-off threshold U _R.

In Fig. 11 ist die prinzipielle erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Der Schalter M1 wird über eine an sich bekannte Logik L und einen Gatetreiber G, der auch eine Ladungspumpe enthalten kann, angesteuert. Der Bipolartransistor Q1 dient als Temperatursensor. Der Temperatursensor kann dabei sperrschichtnah oder sperrschichtfern zumindest mittelbar am Schalten am Gehäuse, an einem etwaigen Kühlkörper oder einem anderen geeigneten Meßpunkt der Schalteranordnung angeordnet sein. Der Arbeitspunkt des Transistors Q1 wird über eine an sich bekannte Basischaltung B, vorzugsweise eine Konstantstromquelle, und die Basisvorspannungsquelle 11 mit U₀ eingestellt. Statt der Spannungsquelle 11 kann auch eine veränderliche Spannung angelegt werden.In Fig. 11, the basic circuit arrangement according to the invention is shown for performing the method according to the invention. The switch M1 is controlled via a logic L known per se and a gate driver G, which can also contain a charge pump. The bipolar transistor Q1 serves as a temperature sensor. The temperature sensor can be arranged close to the barrier layer or away from the barrier layer, at least indirectly, on the switching on the housing, on a possible heat sink or another suitable measuring point of the switch arrangement. The operating point of the transistor Q1 is set via a base circuit B known per se, preferably a constant current source, and the base bias source 11 with U ₀ . Instead of the voltage source 11 , a variable voltage can also be applied.

Eine Variante ist, die Basis B des Transistors Q1 statt mit der Basisspannung U₀ mit der Source-Elektrode S von M1 zu verbinden. Diese Variante ist nicht in der Figur dargestellt. Die Restspannung am Schalter M1 wird über einen an sich bekannten Spannungsmesser 7, die Basis-Emitter-Spannung U_BE über einen an sich bekannten Spannungsmesser 8 abgegriffen und jeweils mit einem konstanten Faktor k₇, k₈ bewertet. Bei 7 und 8 handelt es sich im einfachsten Fall um direkte Verbindungen oder Pegelschieber. In einem Addierer 12 werden die Ausgangssignale von 7 und 8 aufsummiert. Der Addierer 12 wird im einfachsten Fall durch einen Widerstand gebildet, an dem zwei Ströme überlagert werden. Ein an sich bekannter Komparator 9 vergleicht das Ausgangssignal mit einer Referenzspannung 10 mit dem Wert U_R. Bei Überschreiten von U_R wird der Leistungsschalter M1 über die Logik L abgeschaltet.A variant is to connect the base B of the transistor Q1 to the source electrode S of M1 instead of the base voltage U ₀ . This variant is not shown in the figure. The residual voltage at switch M1 is tapped via a voltage meter 7 known per se, the base-emitter voltage U _BE via a voltage meter 8 known per se and each evaluated with a constant factor k ₇ , k ₈ . In the simplest case, 7 and 8 are direct connections or level shifters. The output signals from 7 and 8 are summed in an adder 12 . In the simplest case, the adder 12 is formed by a resistor on which two currents are superimposed. A comparator 9 known per se compares the output signal with a reference voltage 10 with the value U _R. When U _R is exceeded, circuit breaker M1 is switched off via logic L.

In einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist das Ausgangssignal von 7 und 8 eine Spannung. Die Ausgangsspannung von 8 ist die mit einem Faktor k₈ bewertete Basis- Emitterspannung von Q1 mit
In an exemplary embodiment according to the invention, the output signal from FIGS. 7 and 8 is a voltage. The output voltage of 8 is the base-emitter voltage of Q1 with a factor of k ₈

U₈=k₈[U_BE(T₀)-λ.(T-T₀)].U ₈ = k ₈ [U _BE (T ₀ ) -λ. (TT ₀ )].

Die Restspannung U_DS von M1 wird mit einem Faktor k₇ gewichtet, und es gilt
The residual voltage U _DS of M1 is weighted with a factor k ₇ , and it applies

U₇=k₇[I_D R_DS,on(T₀)(λ+α(T-T₀))].U ₇ = k ₇ [I _D R _{DS, on} (T ₀ ) (λ + α (TT ₀ ))].

Mit der für die Referenztemperatur gewünschten maximalen Restspannung U_DS,max=I_D.R_DS,on(T₀) ergibt sich als Spannungswert U₁₂ am Ausgang von 12 folgender Ausdruck
With the maximum residual voltage U _{DS, max} = I _D .R _{DS, on} (T ₀ ) desired for the reference temperature _{, the} following expression results as voltage value U ₁₂ at the output of 12

U₁₂=k₇.U_DS,max+k₈.U_BE(T₀)+k₇.U_DS,max.α.(T-T₀).k₈.λ.(T-T₀).U ₁₂ = k ₇ .U _{DS, max} + k ₈ .U _BE (T ₀ ) + k ₇ .U _{DS, max} .α. (TT ₀ ) .k ₈ .λ. (TT ₀ ).

Dieser Ausdruck wird dann temperaturunabhängig, wenn gilt
This expression becomes temperature independent if it applies

(k₇/k₈)=λ/(U_DS,max.α)(k ₇ / k ₈ ) = λ / (U _{DS, max} .α)

Im einfachsten Fall kann k₇ oder k₈ frei gewählt werden, z. B. k₇=1. Bevorzugt wird ein Parameter, besonders bevorzugt k₇, so gewählt, daß die Dimensionierung der Beschaltung der Schutzanordnung mit für die Auslegung sinnvollen Werten erfolgen kann. Der andere Parameter ergibt sich entsprechend.In the simplest case, k ₇ or k ₈ can be chosen freely, e.g. B. k ₇ = 1. A parameter, particularly preferably k ₇ , is preferably selected so that the dimensioning of the circuitry of the protective arrangement can be carried out with values that are meaningful for the design. The other parameter results accordingly.

Die Referenzspannungsquelle 10 wird auf
The reference voltage source 10 is on

U_R=k₈.(λ/α+U_BE(T₀))
U _R = k _8. (Λ / α + U _BE (T ₀ ))

eingestellt.set.

Dasselbe Ergebnis läßt sich erzielen, wenn das Temperatursignal mit der Referenzspannung U_R für die Abschaltschwelle addiert wird. In Fig. 12 ist dieses erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel dargestellt. Der Ausgang von 8 wird von der Spannung der Spannungsquelle 10 subtrahiert. Das Ergebnis ist das gleiche wie oben beschrieben.The same result can be achieved if the temperature signal is added to the reference voltage U _R for the switch-off threshold. This exemplary embodiment according to the invention is shown in FIG . 8 is subtracted from the voltage of voltage source 10 . The result is the same as described above.

In Fig. 13 ist ein Beispiel zur Beschaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt. Logik und Gatetreiber U2 werden mit einem üblichen Baustein (z. B. LM9061 der Firma National Semiconductor) realisiert, welcher bereits eine übliche Restspannungsüberwachung enthält. Mit R4 wird die Spannung am Eingang THRE eingestellt. Unterschreitet die Spannung an SENSE diesen Wert, wird der Leistungsschalter M1 abgeschaltet. Zur Temperaturmessung dient erfindungsgemäß der Transistor Q3, der mit R2 und U1A als Stromquelle betrieben wird. Die Rolle von Block 8 aus Fig. 11 übernehmen U1B, Q2 und R5. Block 7 ist nicht explizit ausgeführt, er wird vereinfachend als Verbindung dargestellt. U1C, Q1 und R1 setzen die Spannung an R5 in einen Strom um, der am Widerstand R3 einen proportionalen Spannungsabfall hervorruft. An SENSE liegt die Summe von Restspannung und Temperatursignal an. Auf diese Weise wird der Addierer 12 realisiert. Die Konstanten λ und α ergeben sich aus der Dimensionierung der Widerstände des Beschaltungsbeispiels.An example of the wiring of a circuit arrangement according to the invention is shown in FIG . Logic and gate driver U2 are implemented using a conventional module (e.g. LM9061 from National Semiconductor), which already contains a conventional residual voltage monitor. The voltage at input THRE is set with R4. If the voltage at SENSE falls below this value, the circuit breaker M1 is switched off. According to the invention, the transistor Q3, which is operated with R2 and U1A as the current source, is used for temperature measurement. The role of block 8 in FIG. 11 is assumed by U1B, Q2 and R5. Block 7 is not explicitly executed, it is shown as a connection for simplicity. U1C, Q1 and R1 convert the voltage at R5 into a current that causes a proportional voltage drop across resistor R3. The sum of residual voltage and temperature signal is present at SENSE. The adder 12 is realized in this way. The constants λ and α result from the dimensioning of the resistors of the wiring example.

Claims

1. Controllable switching device with at least one contactless switch which has at least one active zone to be protected against electrical and / or thermal overload, the switching device comprising a load circuit and a control circuit and the control circuit having means for monitoring the residual voltage of the switch,
characterized by
that a maximum permissible residual voltage U _{DS, max of} the switch (M1) is determined according to the following relationship:
where U _{DS, max is} the maximum permissible residual voltage of the switch, T _{J, max} -T _{M, max is} the difference between the maximum permissible temperature of the active zone or zones (J) of the switch (T _{J, max} ) and that at least indirectly on one the maximum permissible component temperature (T _{M, max} ), R _{th, JM, max} the maximum estimated or measured thermal resistance between the active zone or active zones (J) of the switch (M1) and the temperature measuring point and R _{DS, on, max is} the electrical switch-on resistance of the switch (M1) at the maximum permissible component temperature (T _{M, max} ), and that if the maximum permissible residual voltage is exceeded, a message and / or protective measures can be triggered to switch off the load current.

2. Switching device according to claim 1, characterized in that the switching device has both means for measuring the residual electrical voltage (U _DS ) and means for measuring the temperature (T _M ) of the switch at a temperature measuring point.

3. Switching device according to claim 1 or 2, characterized in that the switching device by the means for measuring the residual electrical voltage (U _DS ) and the temperature (T _M ) of the switch controllable and when a maximum residual electrical voltage (U _{DS, max} ) and / or a maximum temperature (T _{M, max} ) at the temperature measuring point can be switched off at least indirectly.

4. Switching device according to one or more of the preceding claims, characterized in that means for measuring the temperature of the switch (M1) are arranged at least indirectly in the vicinity of the housing ( 2 , 3 ).

5. Switching device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the means for measuring the temperature (T _M ) have at least one transistor (Q1) as a temperature-sensitive part.

6. Switching device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the means for measuring the temperature (T _M ) have at least one diode (Q1) as a temperature-sensitive part.

7. Switching device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the means for measuring the temperature (T _M ) as a temperature-sensitive part have at least one transistor and / or a diode (Q1) which with one of its electrical connections both electrically and is also thermally coupled at least indirectly to the switch (M1).

8. Switching device according to claim 7, characterized, that the switch (M1) is formed by a MOSFET

9. Switching device according to claim 8, characterized, that the collector connection of the transistor (Q1) or a connection of the diode with the Drain connection of the MOSFET (M1) is thermally and electrically connected.

10. Switching device according to claim 8, characterized, that the collector terminal of the transistor (Q1) or a first terminal of the diode with the drain of the MOSFET (M1) and the base of the transistor (Q1) or a second connection of the diode with the source connection of the MOSFET (M1) thermally and is electrically connected.

11. Switching device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the switching device (M1) is a component with a threshold voltage (U _R ), when exceeded, the switch (M1) can be switched off at least indirectly and a transistor component (Q1) with a Has base-emitter voltage (U _BE ), wherein the threshold voltage U _R proportional to the base-emitter voltage (U _BE ) can be changed.

12. Method for operating a controllable switching device with at least one switch having an active zone J to be protected against electrical and / or thermal overload, the switching device comprising a load circuit and a control circuit and means for monitoring the residual voltage of the switch being arranged in the control circuit. characterized in that the switch is switched off at least indirectly when a predetermined voltage (U _{DS, max} ) is exceeded and / or when a predetermined maximum switch temperature (T _{M, max} ) is exceeded.

13. The method according to claim 12, characterized in that the switching threshold of the control circuit is dimensioned such that when a maximum voltage (U _{DS, max} ) is exceeded _, the switch is switched off at least indirectly and for the maximum voltage (U _{DS, max} ) the regulation applies
where (T _{J, max} -T _{M, max} ) the temperature difference between the active zone (J) of the switch (M1) and a temperature measuring point, R _{th, JM, max} the estimated or measured maximum thermal resistance between the active zone (J) and the temperature measuring point and R _{DS, on, max is} the switch-on resistance at a maximum permissible switch temperature T _{M, max} .

14. The method according to claim 13, characterized in that the switch temperature (T _M ) distant from the barrier layer, in particular close to the housing, is measured.

15. The method according to one or more of the preceding claims 12-14, characterized in that the component temperature (T _M ) is measured with a transistor (Q1) which is electrically and thermally at least indirectly connected to at least one electrical with at least one electrical connection Contact surface of the switching device (M1, 6 ) is coupled.

16. Arrangement for measuring a component temperature at which the temperature sensor is formed by a transistor or a diode, characterized, that at least one of the electrical connections of the temperature sensor (Q1) both electrically as well as thermally with at least one electrical connection of the Component is connected.

17. The arrangement according to claim 16, characterized, that the component is formed by a MOSFET.

18. Arrangement according to claim 16 and 17, characterized, that the collector of the transistor with the drain of the MOSFET both thermally and is also electrically connected.

19. Arrangement according to claim 16 and 17, characterized, that the collector of the transistor with the drain of the MOSFET and the base of the Transistor with the source of the MOSFET both thermally and electrically connected is.

20. Arrangement according to claim 16 and 17, characterized, that connecting the diode to the drain of the MOSFET both thermally and is electrically connected.

21. A method of operating a controllable switching device with at least one switch having an active zone to be protected against electrical and / or thermal overload, the switching device comprising a load circuit and a control circuit and means for monitoring the residual voltage of the switch being arranged in the control circuit, which is switched off when a switching threshold is reached, characterized in that the temperature of the switch is measured with at least one transistor or with at least one diode (Q1) and the switching threshold (U _R ) is changed in proportion to the temperature-dependent change in the forward voltage of the transistor or the diode.

22. The method according to claim 21, characterized in that the switching threshold is changed according to the relationship U _R = k ₈ ((λ / α) + U _BE (T ₀ )), where α is the slope of the at least partially linearized characteristic of the on-resistance of the Switch depending on the temperature, λ is the slope of the at least partially linearized characteristic of the forward voltage U _{BE of} the transistor or the diode (Q1) depending on the temperature and k _{8 is} a constant.

23. The method according to claim 22, characterized in that the switch (M1) is switched off at different temperatures at the same value of the predetermined maximum permissible load current (I _{D, max} ).

24. The method according to claim 22 or 23, characterized, that a MOSFET is used as a switch (M1).

25. The method according to one or more of the preceding claims 21-24, characterized, that the temperature at a junction of the MOSFET is measured at least indirectly becomes.