DE19854914A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Erkennen eines Fehlers, insbesondere eines Kurzschlusses, im Lastkreis eines steuerbaren Leistungsschalters - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren beziehungsweise eine Schaltungsanordnung zum Erkennen eines Fehlers, insbesondere eines Kurzschlusses, im Lastkreis eines Leistungsschalters, insbesondere eines intelligenten MOSFETs, wobei eine Laststrombegrenzung vorgesehen ist und der Beginn der Regelung der Laststrombegrenzung als Maß für einen Kurzschluß verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Feh­ lers, insbesondere eines Kurzschlusses, im Lastkreis eines steuerbaren Leistungsschalters, insbesondere eines intelli­ genten Leistungs-MOSFETs, wobei der Leistungsschalter eine Laststrombegrenzung aufweist, die den Laststrom im Lastkreis des steuerbaren Leistungsschalters mißt und bei Überschrei­ tung eines vorgegebenen Stromwertes den Laststrom regelt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schaltungsanordnung zum Er­ kennen eines Fehlers, insbesondere eines Kurzschlusses, im Lastkreis eines steuerbaren Leistungsschalters, insbesondere eines intelligenten Leistungs-MOSFETs, die die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht.

Intelligente Leistungs-Halbleiterschalter, sogenannte Smart- Switches beinhalten neben dem eigentlichen Leistungsschalter intelligente Schaltungsanordnungen, die vorzugsweise in dem Leistungs-Halbleiterschalter monolithisch integriert sind. Derartige Leistungs-Halbleiterschalter können als sogenannte High-Side-Switches oder Low-Side-Switches ausgeführt sein. Diese intelligenten Schalter beinhalten Schutzfunktionen ge­ gen verschiedenartige Fehlerzustände, so zum Beispiel gegen eine auftretende Übertemperatur, die den Leistungsschalter beziehungsweise die Last beschädigen könnte, die Erkennung eines Leerlaufes oder eines auftretenden Überstromes. Die Schutzanordnungen sorgen zum Beispiel dafür, daß der Lei­ stungsschalter abgeschaltet oder aber der Strom durch seinen Lastkreis zumindest reduziert wird, so daß ein Schaden abge­ wendet werden kann. Weiterhin besitzen diese intelligenten Leistungs-Halbleiterschalter Diagnose-Schaltungsanordnungen, die den Fehler im Lastkreis anzeigen.

In Siemens, Datasheets 04.97, Seite 506ff. ist beispielhaft das Blockschaltbild eines derartigen "Smart-High-Side-Power- Switch" dargestellt. Der Smart-Power-Switch weist insgesamt fünf Eingänge auf, wobei der erste die Verbindung zu einem Bezugspotential herstellt und der zweite, mit IN bezeichnete Eingang zur Ansteuerung der Steuerelektrode des eigentlichen Leistungsschalters dient. Mit 3 ist ein positiver Versor­ gungspotentialanschluß bezeichnet, der im Falle eines High- Side-Switches mit dem Drainanschluß des Leistungsschalters verbunden ist. Der Sourceanschluß des Leistungsschalters bil­ det den Ausgang des Smart-High-Side-Power-Switch, welcher mit einer Last verbunden wird. Mit 4 ist ein sogenannter Sta­ tusausgang ST bezeichnet, der mit einer Diagnoseschaltung verbunden ist und in einem Fehlerfall ein Signal abgibt, wel­ ches von einer Auswertung weiterverarbeitet werden kann.

In dem Blockschaltbild werden drei verschiedene Fehlerzustän­ de des Leistungsschalters erfaßt. Zum einen überprüft ein thermisch eng mit dem Leistungsschalter verbundener Tempera­ tursensor, ob eine Übertemperatur vorliegt. Weiterhin wird überprüft, ob eine offene Verbindung zur Last vorliegt und weiterhin wird überprüft, ob ein Kurzschluß zwischen den Ver­ sorgungspotentialanschlüssen vorliegt. Die Überwachungsein­ richtungen werden einer Logikschaltung, der sogenannten Dia­ gnoseschaltungsanordnung, zugeführt, welche bei Auftreten zu­ mindest eines Fehlerzustandes am Statusausgang ein Signal ge­ neriert. Die Diagnoseschaltungsanordnung ist weiterhin mit dem Eingangsanschluß IN verbunden, der logische Signale High oder Low aufweisen kann. Mittels eines Digital/Analog- Wandlers, welcher in der Diagnoseschaltungsanordnung inte­ griert ist, wird eine Ladungspumpe angesteuert, welche direkt mit dem Steueranschluß des Leistungsschalters verbunden ist und diesen entsprechend leitend oder sperrend schaltet. Mit­ tels einer Wahrheitstabelle kann der Zustand des Smart-High- Side-Power-Switches ermittelt werden. Liegt am Eingangsan­ schluß IN z. B. ein Low-Signal an, so befindet sich der Lei­ stungsschalter im gesperrten Zustand. Bei einem High-Level ist der Leistungsschalter dann leitend geschaltet. Der Sta­ tusausgang kann ebenfalls einen High- oder einen Low-Level annehmen. Liegt am Statusausgang ein High-Signal, so liegt kein Fehlerzustand am Leistungsschalter vor. Tritt jedoch ei­ ne Übertemperatur, ein Kurzschluß oder ein Leerlauf auf, so wird über den Statusausgang ST ein logisches Low-Signal aus­ gegeben, welches von einer Auswertung weiter verarbeitet wer­ den kann.

Nachteil einer derartigen Schaltungsanordnung ist, daß am Statusausgang ST nicht unterschieden werden kann, welcher Fehlerzustand das Auslösen eines Low-Levels verursacht hat. Es ist nur eine Aussage dahingehend möglich, ob ein Fehler vorliegt oder ob kein Fehler vorliegt.

Vor allem der Kurzschluß oder eine Überlast stellen in der Anwendung der Leistungselektronik eine große Gefahr für die Leistungs-Halbleiterschalter und andere Elemente, wie zum Beispiel Kabel, Versorgungspotentialanschlüsse oder die Last, dar. Deshalb enthalten intelligente Leistungsschalter in der Regel eine Strombegrenzung, die einsetzt, sobald die Spannung über der Laststrecke einen gewissen Grenzwert überschreitet. Hierdurch kann die Verlustleistung in einem Kurzschlußfall begrenzt werden. In der Regel ist die in der Strombegrenzung entstehende Verlustleistung jedoch so hoch, daß der Lei­ stungsschalter sehr schnell warm oder heiß wird. Bei Über­ schreiten eines vorherbestimmten Grenzwertes der Temperatur des Leistungsschalters wird das Bauteil entweder abgeschaltet oder der Strom noch weiter reduziert, so daß ein Schutz vor Zerstörung gewährleistet ist.

In der US 5, 541,799 ist in Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Begrenzung des Laststromes durch den Leistungsschalter beschrieben. Der Laststrom durch den Leistungsschalter wird mittels eines parallel geschalteten zweiten Leistungs-Halb­ leiterschalters, durch den ein Bruchteil des Laststromes fließt, mittels eines Widerstandes gemessen. Die an dem Wi­ derstand anliegende Spannung wird dem Steueranschluß eines Leistungsschalters zugeführt, der mit seiner Laststrecke zwi­ schen den Gateanschluß und den Sourceanschluß des Leistungs­ schalters geschaltet ist. Übersteigt der Laststrom einen vor­ gegebenen Wert, so wird die Laststrecke zwischen dem Gate- und Sourceanschluß des Leistungsschalters leitend geschaltet und der Laststrom reduziert.

Bei Anwendungen mit sehr hohen Lastströmen kann eine Abschal­ tung durch Detektieren einer Übertemperatur zu spät sein. Der hohe Strom kann bereits andere Bauelemente im Lastkreis zer­ stört haben. Deshalb wird bei vielen intelligenten Leistungs­ schaltern eine Kurzschluß-Abschaltung durchgeführt. Hierbei wird der Spannungsabfall zwischen den beiden Lastanschlüssen eines Leistungsschalters im eingeschalteten Zustand gemessen. Wird eine Schwelle überschritten, so wird unabhängig von der Temperatur des Leistungsschalters, der Leistungsschalter ab­ geschaltet. Die Kurzschluß-Abschaltung zum Schutz des Lei­ stungsschalters beziehungsweise der Last ist jedoch beim Ein­ schalten des Leistungsschalters problematisch, da für einen kurzen Moment der Spannungsfall über der Laststrecke nahezu dem Betriebspotential entspricht und somit größer als die eingestellte Schwelle ist. Bei jedem Einschalten des Lei­ stungsschalters würde folglich ein Fehler gemeldet werden. Um dies zu verhindern, wird ein Verzögerungsglied eingebaut, so daß das Kurzschluß-Signal erst nach dieser Verzögerung nach dem Einschalt-Signal einen Fehler melden kann. Es ist jedoch problematisch, eine optimale Verzögerungszeit für das Verzö­ gerungsglied herauszufinden, da diese abhängig vom Design des Leistungsschalters ist. Die Verzögerungszeit ist abhängig von der mit dem Leistungsschalter verbundenen Last, den thermi­ schen Verhältnissen im Leistungs-Halbleiter und einem mögli­ chen Kurzschluß. Abgesehen davon ist ein zusätzlicher Schal­ tungsaufwand notwendig, der auf einem integrierten Halblei­ terchip Fläche benötigt und somit teuer ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein einfaches Verfahren zum zuverlässigen Erkennen eines Feh­ lers, insbesondere eines Kurzschlusses, im Lastkreis eines steuerbaren Leistungsschalters anzugeben, so daß eine Beschä­ digung einer Last beziehungsweise des Leistungsschalters ver­ hindert ist. Dieses Verfahren soll ferner möglichst einfach schaltungstechnisch zu realisieren sein.

Das Verfahren wird mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, die Schaltungsanordnung wird mit den Merkmalen des Patentan­ spruch 3 gelöst.

Erfindungsgemäß besteht das Verfahren zum Erkennen eines Feh­ lers, insbesondere eines Kurzschlusses, im Lastkreis eines steuerbaren Leistungsschalters, insbesondere eines intelli­ genten Leistungs-MOSFETs, wobei der Leistungsschalter eine Laststrombegrenzung aufweist, die den Laststrom im Lastkreis des steuerbaren Leistungsschalters mißt und bei Überschrei­ tung eines vorgegebenen Stromwertes den Laststrom regelt, darin, daß der Beginn der Regelung der Laststrombegrenzung als Maß für einen Kurzschluß herbeigezogen wird.

Vorteilhafterweise wird mit dem Beginn der Regelung ein Si­ gnal erzeugt, das einer ein Statussignal erzeugenden Auswer­ tung zugeführt wird.

Diesem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, daß zwischen einem auftretenden Kurzschluß und einem Überstrom eine Ver­ bindung besteht. Vor jedem Kurzschluß liegt für eine begrenz­ te Zeit über der Laststrecke des Leistungsschalters ein über­ höhter Strom an. Der Kurzschluß wird, wie einleitend be­ schrieben, über das Detektieren der Spannung der beiden Hauptanschlüsse erkannt. Gleichermaßen ist diese Spannung maßgeblich dafür, wann die Strombegrenzung einsetzt. Wird be­ reits der Beginn der Regelung der Laststrombegrenzung als Maß für einen Kurzschluß herangezogen, so wird hierdurch erzielt, daß im Leistungsschalter durch den für eine bestimmte Zeit fließenden Strom keine Verlustleistung erzeugt werden kann, die früher oder später entweder zu einer Kurzschluß-Abschal­ tung oder aber einer Abschaltung durch Übertemperatur führen würde. Durch dieses Vorgehen ist ein frühzeitiges Abschalten sichergestellt, das einen verbesserten Schutz gegenüber dem Stand der Technik gewährleistet. Das erfindungsgemäße Verfah­ ren weist zudem den Vorteil auf, daß keinerlei zusätzliche Beschaltung des Leistungsschalters notwendig ist. Die bereits vorhandenen Elemente der Laststrombegrenzung sind ausreichend und können einer Auswertung zugeführt werden.

Die schaltungstechnische Lösung zum Erkennen eines Fehlers, insbesondere eines Kurzschlusses, im Lastkreis eines steuer­ baren Leistungsschalters, insbesondere eines intelligenten Lei­ stungs-MOSFETs, mit einem steuerbaren Anschluß und einem er­ sten und einem zweiten Hauptanschluß, die die Laststrecke des Leistungsschalters bilden, und mit einer Laststrombegrenzung, die Mittel zum Erzeugen eines Abbildes des Laststromes sowie weitere Mittel, die den Laststrom begrenzen, beinhaltet, be­ steht darin, daß bei Überschreiten eines vorgegebenen Strom­ wertes ein von der Laststrombegrenzung erzeugtes Signal von einer mit dieser verbundenen Auswertung an einen Statusaus­ gang zugänglich gemacht ist.

Hierdurch wird erzielt, daß die bereits für die Laststrombe­ grenzung beziehungsweise die Laststromerfassung vorhandenen Bauelemente ausreichen, um an einem Statusausgang ein Signal zu erzeugen, welches das Vorliegen eines Fehlers angibt. Hierdurch ist ein sehr frühes Abschalten des Leistungsschal­ ters möglich, das diesen und die angeschlossenen Lastelemente vor einer Zerstörung schützt.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen be­ schrieben.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Schaltungsan­ ordnung Mittel zum Erzeugen eines Abbildes des Laststromes auf, die einen durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiterschal­ ter beinhalten, dessen Drain- und Gateanschluß mit denen des Leistungsschalters verbunden ist, und durch den ein Bruchteil des Laststromes fließt sowie mit einem mit dem Halbleiter­ schalter in Reihe geschalteten Widerstand zum Erzeugen einer dem Laststrom proportionalen Spannung, wobei der Widerstand einerseits mit Mitteln zur Begrenzung des Laststromes und an­ dererseits mit dem Sourceanschluß des Leistungsschalters ver­ bunden ist.

Diese Ausgestaltung der Stromerfassung ist unter dem soge­ nannten Sense-Prinzip bekannt und hat den Vorteil, daß durch den den Leistungsschalter parallel geschalteten Halbleiter­ schalter nur ein Bruchteil des Laststromes fließt. Somit wer­ den an dem Widerstand, durch den ein Bruchteil des Stromes fließt, nur wenig Verluste erzeugt. Durch die Größe des Wi­ derstandes kann der Stromwert, ab dem eine Laststrombegren­ zung erfolgen soll, genau eingestellt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Mittel zur Begrenzung des Laststromes als Leistungsschalter ausge­ bildet, dessen Laststrecke zwischen dem Gate- und Sourcean­ schluß des Leistungsschalters verschalten ist und dessen steuerbarer Anschluß mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand und dem den Leistungsschalter parallel geschalte­ nen Halbleiterschalter verschalten ist.

Die an dem Widerstand anliegende Spannung wird folglich zwi­ schen dem Gate- und Sourceanschluß des zur Begrenzung des Laststromes vorhandenen Halbleiterschalters angelegt, so daß beim Überschreiten eines durch die Größe des Widerstandes vorhergelegten Stromwertes die Laststrecke dieses Halbleiter­ schalters leitend schaltet und somit den Laststrom durch den Leistungsschalter begrenzt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die am Wi­ derstand anliegende Spannung einem Inverter zugeführt, der mit dem Statusausgang verbunden ist. Die am Widerstand anlie­ gende Spannung kann auch über mehrere Inverter dem Statusaus­ gang zugeführt werden. Ein Inverter besteht vorteilhafterwei­ se aus einem steuerbaren Halbleiterschalter und einem mit diesen in Serie verschalteten Widerstand, wobei der Sta­ tusausgang mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Halbleiter­ schalter und dem Widerstand verbunden ist. Über einen Inver­ ter kann auf einfache Weise ein digitales Fehlersignal er­ zeugt werden. Übersteigt die am Widerstand anliegende Span­ nung den vorher festgelegten Grenzwert, so daß die Laststrom­ begrenzung den Strom durch den steuerbaren Leistungsschalter begrenzt, so wird am Statusausgang, der mit dem Inverter ver­ bunden ist, ein eindeutiges Signal erzeugt, welches einen Fehler signalisiert. Befindet sich der Leistungsschalter nicht in der Laststrombegrenzung, so ist am Statusausgang, das heißt am Ausgang des Inverters eindeutig erkennbar, daß kein Fehler vorliegt.

Vorteilhafterweise weist der Leistungsschalter eine ein logi­ sches Signal erzeugende Temperaturüberwachung auf, das neben dem von dem Inverter erzeugten Signal einem logischem Ver­ knüpfungselement zugeführt wird. Dieses logische Verknüpfung­ selement ist mit dem Statusausgang verbunden und stellt dort das Statussignal zur Verfügung. Hierdurch wird am Statusaus­ gang ein stabiles Statussignal bei einem Kurzschluß bzw. ei­ ner Überlast erzeugt.

Vorteilhafterweise sind die Halbleiterschalter der Laststrom­ begrenzung sowie der Inverter gleich dimensioniert. Die Gate- und Sourceanschlüsse dieser Leistungsschalter sind in einer vorteilhaften Ausgestaltung miteinander verbunden. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß Fertigungstoleranzen die Funk­ tionsfähigkeit der Schaltungsanordnung nicht fehlerhaft be­ einflussen. Es ist vielmehr sichergestellt, daß beim Begren­ zen des Laststromes der Inverter ein entsprechendes Signal am Statusausgang zur Verfügung stellt, welches einen Fehler an­ zeigt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand mehrerer Figuren er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Verlauf des Laststromes über der Drain- Source-Spannung,

Fig. 2a bis 2c den Laststrom über der Zeit in verschiedenen Betriebszuständen mit den zugehörigen Sta­ tussignalen nach dem Stand der Technik und nach der Erfindung,

Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Schaltungsanordnung für einen Low-Side-Schalter und

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Schaltungsanordnung für einen High-Side-Schalter.

Fig. 1 zeigt den Verlauf des Laststromes durch einen steuer­ baren Leistungsschalter über seiner Drain-Source-Spannung. Mit steigender Drain-Source-Spannung steigt auch der Last­ strom stetig an. Mit 1 ist in der Figur eine Kennlinie einge­ zeichnet, bei der der Leistungsschalter keine Strombegrenzung aufweist. Die zweite, mit 2 bezeichnete Ausgangskennlinie stellt einen steuerbaren Leistungsschalter dar, dessen Strom ab einer vorher festgelegten Drain-Source-Spannung begrenzt wird. Die Strombegrenzung beginnt nach dem Erreichen des mit A bezeichneten Punktes. Der Laststrom bleibt dann trotz stei­ gender Drain-Source-Spannung des Leistungsschalters auf einem konstanten Wert. Ist die Drain-Source-Spannung des Leistungs­ schalter kleiner als V_DS,A, so ist keine Strombegrenzung ak­ tiv. In diesem Bereich ist der Zusammenhang zwischen dem Laststrom und der Drain-Source-Spannung nahezu linear.

Der Übergang des Laststromes in die Strombegrenzung stellt an sich noch keinen Fehlerzustand dar. Jedoch wird, abhängig von der Drain-Source-Spannung, eine nicht unerhebliche Verlust­ leistung erzeugt, die den Leistungsschalter stetig erwärmt, bis eine Grenztemperatur von z. B. 150°C erreicht ist und der Leistungsschalter abgeschaltet wird. Das Einsetzen der Strom­ begrenzung stellt jedoch in der Regel immer einen Übergang eines Fehlers dar. Dieser Übergang kann zeitlich unterschied­ lich lange dauern. Speziell bei Anwendungen, bei denen sehr hohe Lastströme fließen, ist es sinnvoll, aufgrund der be­ reits erwähnten Verlustleistung eine Abschaltung des Lei­ stungsschalters möglichst frühzeitig vorzunehmen. Auf jeden Fall ist es jedoch sinnvoll, über einen Statusausgang über den Zustand des Leistungsschalters informiert zu sein. Aus diesem Grunde wird bereits beim Erreichen des Punktes A über einen Statusausgang ein Fehler signalisiert, wobei das Sta­ tussignal bereits dazu verwendet werden kann, den Leistungs­ schalter abzuschalten.

Fig. 2 zeigt den Verlauf des Laststroms eines steuerbaren Leistungsschalters über der Zeit während verschiedener Be­ triebszustände. Zusätzlich sind in den Fig. 2b beziehungs­ weise 2c jeweils die Zustände des Statusausganges darge­ stellt, die mit dem jeweiligen Laststrom korrespondieren. Im mit 1 gekennzeichneten Bereich weist der Laststrom einen Be­ trag auf, in dem der Leistungsschalter im Normalzustand be­ trieben wird. So könnte zum Beispiel eine Lampe betrieben werden. Die zugehörigen Statussignale in den Fig. 2b (Stand der Technik) und 2c (Erfindung) weisen einen logischen High-Level auf, der signalisiert, daß kein Fehlerzustand vor­ liegt.

Zum Zeitpunkt t1 tritt ein unerwarteter Fehler auf, so daß der Laststrom begrenzt wird. Dies ist im mit 2 gekennzeichne­ ten Bereich der Fall. Die Strombegrenzung dauert bis zum Zeitpunkt t2. Da ein Überstrom keinen Fehlerfall im eigentli­ chen Sinn darstellt, ist der Statusausgang nach dem Stand der Technik nach wie vor auf einem logischen High-Level. Gemäß der Erfindung wird mit dem Beginn der Regelung der Strombe­ grenzung bereits ein Fehler erkannt und somit wechselt der Statusausgang von einem logischen High- auf ein logisches Low-Signal.

Zum Zeitpunkt t2 hat sich der steuerbare Leistungsschalter soweit erwärmt, daß die Temperaturabschaltung aktiv wird und den Leistungsschalter abschaltet. Dies ist im mit 3 bezeich­ neten Bereich der Fall. Durch die Last fließt somit kein Strom mehr, der Strom ist bis zum Erreichen des Zeitpunkts t3 gleich Null. Das Ansprechen der Temperaturüberwachung gemäß einem intelligenten Leistungsschalter nach dem Stand der Technik erzeugt am Statusausgang ein Fehlersignal, d. h. der Statusausgang wechselt vom logischen High-Signal auf ein lo­ gisches Low-Signal zum Zeitpunkt t2. Ein Leistungsschalter, der gemäß dem Verfahren der Erfindung arbeitet, würde den Zu­ stand einer Übertemperatur gar nicht erreichen, da der Lei­ stungsschalter bereits zum Zeitpunkt t1 abgeschaltet werden könnte.

Zum Zeitpunkt t3 hat sich der Leistungsschalter wieder soweit abgekühlt, daß dieser wieder leitend geschaltet werden kann. Da der Fehler jedoch nach wie vor vorliegt, wird der Last­ strom durch die Strombegrenzung wiederum auf einen Sätti­ gungswert geregelt. Mit dem Leitendschalten des steuerbaren Leistungsschalters wechselt auch das Statussignal von Fig. 2b vom logischen Low- auf einen logischen High-Wert (zum Zeit­ punkt t3), so daß am Statusausgang signalisiert wird, es lie­ ge kein Fehler vor. Zum Zeitpunkt t4 hat sich der steuerbare Leistungsschalter wiederum so stark erwärmt, daß die Übertem­ peraturüberwachung aktiv wird und den Leistungsschalter ab­ schaltet. Erst dann wechselt auch am Statusausgang das Signal wiederum auf einen logischen Low-Wert und zeigt einen Fehler an. Wird der Fehler nicht behoben, so toggelt der Statusaus­ gang zwischen einem Fehlerzustand und keinem Fehlerzustand hin und her. Dies ist in vielen Fällen unerwünscht.

Gemäß der Erfindung hingegen wird beim Ansprechen der Strom­ begrenzung am Statusausgang ein Signal erzeugt, das einen Fehler anzeigt. Hieraufhin kann der Fehler gesucht und beho­ ben werden. Mit einer ODER-Verknüpfung von Strombegrenzungs­ signal und dem Übertemperatursignal wird ein Toggeln des Sta­ tusausgangs verhindert. Gegenüber dem Stand der Technik ist somit eine schnellere und verbesserte Abschaltung in einem Fehlerfall möglich. Ebenso ist ein stabiles Statussignal über die falsche Last, z. B. Überlast oder Kurzschluß, möglich.

Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Schaltungsanordnung. Die Schaltungsanordnung be­ schreibt dabei einen Ausschnitt aus einem nach dem Stand der Technik bekannten intelligenten Leistungs-Halbleiterschal­ ters, wobei es sich in der in Fig. 3 gezeigten Anordnung um einen Low-Side-Switch handelt. Mit M1 ist ein steuerbarer Leistungsschalter bezeichnet, dessen Gateelektrode mit einem Eingangsanschluß IN verbunden ist. Der Widerstand 9 stellt einen Gate-Widerstand dar, der zwischen dem Eingangsanschluß IN und der Gateelektrode von M2 geschaltet ist. Drainseitig ist eine Last 3 vorgesehen, die mit ihrem anderen Anschluß mit einem ersten Versorgungspotentialanschluß 1 verbunden ist, an dem im Normalfall positives Versorgungspotential V_bb anliegt. Sourceseitig ist der steuerbare Leistungsschalter M1 mit einem zweiten Versorgungspotentialanschluß verschaltet, der üblicherweise das Bezugspotential (Masse) darstellt. Der Ausgang OUT liegt am Verbindungspunkt zwischen dem Drainan­ schluß von M1 und der Last 3 an. Weiterhin ist eine Last­ strombegrenzung 4 vorgesehen, die während des Betriebes den Laststrom IL durch den steuerbaren Leistungsschalter M1 er­ fasst. Die Laststrombegrenzung 4 ist weiterhin mit einem In­ verter 6 verbunden, der einen Statusausgang ST als Ausgang aufweist.

Die Laststrombegrenzung 4 in der gezeigten Form ist eine ein­ fache Variante. Dem steuerbaren Leistungsschalter M1 ist ein weiterer Halbleiterschalter M2 parallel geschaltet, wobei die Drain- und Gateanschlüsse miteinander verbunden sind. Mit dem Sourceanschluß von M2 ist ein Widerstand 5 verbunden, der mit seinem zweiten Anschluß mit dem zweiten Versorgungspoten­ tialanschluß 2 in Verbindung steht. Der Halbleiterschalter M2 weist eine wesentlich geringere Anzahl an Zellen als der Lei­ stungsschalter M1 auf, so daß der Laststrom, der durch M2 fließt, entsprechend dem Verhältnis der Zellen kleiner ist. Weist der Leistungsschalter M1 beispielsweise 10.000 Zellen auf, während der Halbleiterschalter M2 10 Zellen aufweist, so fließt 1/1000 des Laststromes IL über den Widerstand 5. Mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Sourceanschluß von M2 und dem Widerstand 5 ist der Gateanschluß eines weiteren Halblei­ terschalters M3 verbunden. Die Laststrecke von M3 ist zwi­ schen den Gateanschluß und den Sourceanschluß des Leistungs­ schalters M1 geschaltet. Sourceseitig ist M3 mit dem zweiten Versorgungspotentialanschluß 2 verbunden.

Der Widerstand 5 ist so dimensioniert, daß beim Erreichen ei­ nes bestimmten Laststromes die Laststrecke von M3 leitend ge­ schaltet wird und somit der Laststrom durch den steuerbaren Leistungsschalter M1 verringert wird. Durch die Dimensionie­ rung des Widerstandes 5 und die Einsatzspannung des Halblei­ terschalters M3 wird somit festgelegt, wann der steuerbare Leistungsschalter M1 in die Strombegrenzung geht. Die an dem Widerstand 5 anliegende Spannung wird dem Inverter 6 zuge­ führt. Der Inverter 6 weist einen Halbleiterschalter M4 und einen in Serie verschalteten Widerstand 7 auf. Der andere An­ schluß des Widerstandes 7 ist mit einer Spannung verbunden, die entweder eine Logikspannung oder aber die Betriebsspan­ nung darstellen kann. Der Verbindungspunkt zwischen dem Sen­ se-Halbleiterschalter M2 und dem Widerstand 5 ist mit dem Steueranschluß des Halbleiterschalters M4 verbunden. Source­ seitig ist der Halbleiterschalter M4 mit dem zweiten Versor­ gungspotentialanschluß 2 verbunden. Zwischen dem Verbindungs­ punkt des Widerstandes 7 und dem Drainanschluß des Halblei­ terschalters M4 wird ein Statussignal ST1 abgegriffen, wel­ ches in dem Ausführungsbeispiel einem logischen Verknüpfung­ selement, einem ODER-Glied, zugeführt ist. Das ODER-Glied er­ hält ein weiteres Statussignal ST2 von einer dem Leistungs­ schalter M1 zugeordneten Temperaturüberwachung. Das vom ODER- Glied erzeugte Ausgangssignal wird dem Statusausgang ST zuge­ führt.

Die Verknüpfung der Statussignale ST1 und ST2 ist jedoch nicht zwingend notwendig, erhöht jedoch die Zuverlässigkeit der Schaltungsanordnung.

Der Statusausgang kann auch direkt mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 7 und dem Halbleiterschalter M4 ver­ bunden sein.

Wird durch einen Überstrom die Laststrombegrenzung 4 durch das Leitendschalten des Halbleiterschalters M3 aktiviert, so wird gleichermaßen die Laststrecke des Halbleiterschalters M4 leitend geschaltet und der Statusausgang auf ein Potential nahe des Bezugspotentials gezogen. Der Statusausgang signali­ siert somit einen Fehlerzustand. Vorteilhafterweise sind die Halbleiterschalter M3 und M4 gleich ausgeführt.

In Fig. 3 ist die Laststrombegrenzung 4 in einer sehr einfa­ chen Variante dargestellt. Die Anwendung des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens ist jedoch nicht auf diese schaltungstechni­ sche Anordnung beschränkt, sondern kann mit jeder beliebig komplizierten Laststrombegrenzung verwendet werden. Ebenso muß die Auswertung 6 nicht als Inverter ausgeführt sein. Das von der Laststrombegrenzung 4 erzeugte Signal ST' kann ebenso einer Logikschaltung zugeführt werden. Das am Statusausgang ST anliegende Signal kann entweder weiter verarbeitet werden oder aber mittels einer geeigneten Beschaltung dem Eingang IN zugeführt werden, um den steuerbaren Leistungsschalter M1 vollständig abzuschalten.

In Fig. 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt. Der intelligen­ te Leistungsschalter ist in diesem Fall als High-Side-Switch ausgeführt, das heißt die Last ist mit dem Sourceanschluß des steuerbaren Leistungsschalters M1 verbunden. Der andere An­ schluß der Last ist mit dem zweiten Versorgungspotentialan­ schluß 2 in Verbindung. Die Laststrombegrenzung 4 unterschei­ det sich nicht von der in Fig. 3 gezeigten Anordnung, sie wird deshalb hier nicht mehr genauer beschrieben.

Die Auswertung 6 weist in der vorliegenden Figur zwei hinter­ einander geschaltete Inverter auf, jeder Inverter besteht da­ bei aus einem Leistungsschalter M4, M5 und einem jeweils in Serie geschalteten Widerstand 7, 11. Jedem Widerstand ist noch eine Zener-Diode 12 beziehungsweise 13 parallel geschal­ tet. Die Auswertung 6 besitzt zwei hintereinander geschaltete Inverter, um ein sauberes digitales Signal am Statusausgang ST zu erhalten. Auch hier wird das am Statusausgang ST er­ zeugte Signal durch eine ODER-Verknüpfung zwischen den logi­ schen Signalen ST1 (Überstrombegrenzung) und ST2 (Übertemperatur, ermittelt durch die Temperaturüberwachung 13) gebildet.

In den Fig. 3 und 4 sind die Leistungsschalter als MOSFETs ausgeführt. Es ist ebenso denkbar, daß die Schaltungsanord­ nung mit Bipolartransistoren beziehungsweise IGBTs ausgestat­ tet ist.

Claims (11)

1. Verfahren zum Erkennen eines Fehlers, insbesondere eines Kurzschlusses, im Lastkreis eines steuerbaren Leistungsschal­ ters (M1), insbesondere eines intelligenten Leistungs- MOSFETs, wobei der Leistungsschalter (M1) eine Laststrombe­ grenzung (4) aufweist, die den Laststrom im Lastkreis des steuerbaren Leistungsschalters (M1) mißt und bei Überschrei­ tung eines vorgegebenen Stromwertes den Laststrom regelt, dadurch gekennzeichnet, daß der Beginn der Regelung der Laststrombegrenzung (4) als Maß für einen Kurzschluß herbeigezogen wird.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Beginn der Regelung ein Signal (ST') erzeugt wird, das einer ein Statussignal (ST) erzeugenden Auswertung (6) zugeführt wird.

3. Schaltungsanordnung zum Erkennen eines Fehlers, insbeson­ dere eines Kurzschlusses, im Lastkreis eines steuerbaren Lei­ stungsschalters (1), insbesondere eines intelligenten Lei­ stungs-MOSFETs (M1),

• - mit einem steuerbaren Anschluß und einem ersten und einem zweiten Hauptanschluß, die die Laststrecke des Leistungs­ schalters bilden,
• - mit einer Laststrombegrenzung (4), die Mittel (M2, 5) zum Erzeugen eines Abbildes (I_S) des Laststromes (I_L) sowie wei­ tere Mittel (M3), die den Laststrom (I_L) begrenzen, beinhal­ ten, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten eines vorgegebenen Stromwertes ein von der Laststrombegrenzung (4) erzeugtes Signal (ST') einer mit dieser verbundenen Auswertung (6) an einem Statusausgang (ST) zugänglich gemacht ist.

4. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen eines Abbildes (I_S) des Laststro­ mes einen durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiterschalter (M2) beinhalten, dessen Drain- und Gateanschluß mit denen des Leistungsschalters (M1) verbunden ist, und durch den ein Bruchteil des Laststromes fließt sowie mit einem mit dem Halbleiterschalter (M2) in Reihe geschalteten Widerstand (5) zum Erzeugen einer dem Laststrom proportionalen Spannung, wo­ bei der Widerstand (5) einerseits mit Mitteln (M3) zur Be­ grenzung des Laststromes und andererseits mit dem Sourcean­ schluß des Leistungsschalters (M1) verbunden ist.

5. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Begrenzung des Laststromes als Halbleiter­ schalter (M3) ausgebildet ist, dessen Laststrecke zwischen dem Gate- und Sourceanschluß des Leistungsschalters (M1) und dessen steuerbaren Anschluß mit dem Verbindungspunkt (10) zwischen dem Widerstand (5) und dem Halbleiterschalter (M2) verschaltet ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Patentansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die am Widerstand (5) anliegende Spannung einem Inverter (M4, 7) zugeführt wird, der mit dem Statusausgang (ST) ver­ bunden ist.

7. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Inverter (M4, 7) und dem Statusausgang ein weiterer Inverter (M5, 11) geschaltet ist.

8. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Inverter (M4, 7; M5, 11) aus einem steuerbaren Lei­ stungsschalter (M4, M5) und einem mit diesen in Serie ver­ schalteten Widerstand (7; 11) besteht, wobei der Statusaus­ gang (ST) mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Leistungs­ schalter (M4; M5) und dem Widerstand (7; 11) verbunden ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Patentansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das von dem Inverter (M4, 7; M5, 11) erzeugte Signal (ST1) und ein von einer Temperaturüberwachung (12) erzeugtes Signal (ST2) einem logischen Verknüpfungselement (13) zuge­ führt werden, welches dem Statusausgang (ST) das Statussignal zur Verfügung stellt.

10. Schaltungsanordnung nach einem der Patentansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsschalter (M3, M4) gleich dimensioniert sind.

11. Schaltungsanordnung nach einem der Patentansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate- und Sourceanschlüsse der Leistungsschalter (M3, M4) miteinander verbunden sind.