EP1173045B1 - Elektrische Heizvorrichtung mit Schutzschaltung - Google Patents

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EP1173045B1
EP1173045B1 EP01113987A EP01113987A EP1173045B1 EP 1173045 B1 EP1173045 B1 EP 1173045B1 EP 01113987 A EP01113987 A EP 01113987A EP 01113987 A EP01113987 A EP 01113987A EP 1173045 B1 EP1173045 B1 EP 1173045B1
Authority
EP
European Patent Office
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switching
heating
heating elements
heating device
mosfet
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP01113987A
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English (en)
French (fr)
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EP1173045A3 (de
EP1173045A2 (de
Inventor
Alfons Dr. Graf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
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Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Publication of EP1173045A2 publication Critical patent/EP1173045A2/de
Publication of EP1173045A3 publication Critical patent/EP1173045A3/de
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Publication of EP1173045B1 publication Critical patent/EP1173045B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B1/00—Details of electric heating devices
    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
    • H05B1/0202—Switches
    • H05B1/0205—Switches using a fusible material

Definitions

  • the present invention relates to an electric heater according to the features of the preamble of the claim 1.
  • GB 2076056 A describes a heating device with a Number of MOSFETs connected in parallel, their load paths respectively between a supply potential and a reference potential are switched. The overall arrangement is through a fuse hedged.
  • the MOSFETs are controlled by a drive circuit controlled, this drive circuit a Temperature control circuit which turns off the MOSFET, when the temperature is above a predetermined value Temperature has risen.
  • the aim of the present invention is to provide a heating device for To provide, which in the case of the defect, or the Overheating, one of the switching and heating elements used safely shuts off.
  • the heater according to the invention at least two switching and heating elements, each with a control terminal and a load path, wherein the load paths the switching and heating elements are connected in parallel.
  • the inventive Heating device also has a protection circuit on, at the control terminal at least one the switching elements is connected, and wherein the protection circuit is formed to the connected switching element in accordance with the temperature of at least one of the others Turn on switching elements.
  • Is in the heater according to the invention one of Switching and heating elements defective, it is controlled by the protection circuit of at least one of the other switching and Heating elements conductive, preferably all switching and Heating elements controlled by the protection circuit conductive.
  • the control of the connected to the protection circuit Switching and heating elements takes place in such a way that these Switching and heating elements have such a high current consumption, that connected in series with the switching and heating elements Fuse unit triggers and the power supply the entire heater stops.
  • switching and heating elements found in the inventive Heating device preferably semiconductor devices, such as MOSFET, application.
  • these semiconductor devices via their respective control connection (gate connection) be controlled so that they have a variable, medium- to high-impedance, have on-resistance, so that over their load path (drain-source path) even with correspondingly large voltages, a variable current flows and so a controllable heating of the device occurs which is desired and for heating air or Liquids, such as the cooling water of a car used becomes.
  • the area in which the on-resistance by a suitable drive during heating can be varied can, is of the desired heating capacity and sizing of the semiconductor device dependent.
  • the protection circuit must be connected to at least at the defect one of the switching and heating elements driven to become. Or only some of them can be connected in parallel Switching and heating elements to the protection circuit for control be connected. It should be noted that it is off Safety reasons may be appropriate, in case of failure so to control as many switching and heating elements as possible the largest possible flow of current through the fuse unit, and thus to trigger a safe release of the fuse.
  • the protective circuit of the heater is at least one Temperature controlled switch provided between a Node for a supply potential and a common Node is interconnected.
  • the control terminals of the through Protection circuit controllable switching elements are doing coupled to the common node.
  • the temperature-controlled Switch is designed such that it when exceeded a predetermined temperature at one of the switching and heating elements, with which the temperature controlled switch in thermal connection stands, the common node of the Protection circuit to which the control terminals of Schuund Switching elements are coupled to the value of a supply potential which ensures that the connected switching and heating elements sufficient cause high current consumption at which the fuse triggers.
  • a temperature-controlled Switch with each of the heating and switching elements thermally couple to make sure that at a Defective of each one of the heating and switching elements the other switching and heating elements are conductive and the Trigger fuse.
  • the temperature-controlled switches are preferably thyristors, one of which is connected to one of the load paths of the switching and heating element is connected and whose other connection is connected to the common node is.
  • the preferably used temperature-controlled Thyristor ignites when a design-related temperature is reached, the voltage drop across the conductive thyristor is low, so the control terminals of the non-defective Switching and heating elements are safely controlled.
  • the temperature controlled switch is preferably in the associated one Switching and heating integrated, with a monolithic integration of the switching and heating element and the temperature-controlled switch in a semiconductor body are formed.
  • the temperature controlled switch and the associated switching and heating element can also be called so-called Chip-on-chip arrangement may be formed in which a chip with the switching and heating element and a chip with the temperature-controlled Switches arranged one above the other and thermal are conductively connected. With both solutions one reaches one optimal and defined heat coupling.
  • the heater in accordance with the present invention using below of power MOSFET described as switching and heating elements.
  • the gate terminal of a MOSFET fulfills the function a control terminal, the drain-source path of the MOSFET provides the load path of the MOSFET formed by the MOSFET Switching and heating element.
  • Figures 1 to 3 are n-channel MOSFET used as switching and heating elements.
  • the invention is of course also related to p-channel MOSFET usable, in which case supply voltages polarity reversal and the polarity of poling-dependent components, such as For example, diodes, must be reversed.
  • Fig. 1 is a first embodiment of an inventive Heating device using power MOSFET T1, T2, Tn shown.
  • the drain-source paths D-S of MOSFETs T1, T2, Tn are connected in parallel, this parallel connection in series with a fuse unit Si, for example a fuse or a magnetic fuse, is switched.
  • the series connection of fuse unit Si and the parallel-connected MOSFET T1, T2, Tn via connection terminals AK1, AK2 to a supply voltage V connected.
  • the MOSFETs T1, T2, Tn are usually spatially distributed in the medium to be heated, arranged around a better distribution of the votes by the heater Heat, for example in an air supply or a liquid container, to effect. It is also conceivable that the individual MOSFET independently for heating different Media operated.
  • the essential Request to the drive circuit AS is that they the MOSFET T1, T2, Tn for the heating operation such that they have a medium to high on-resistance, such that when a voltage is applied across their drain-source paths D-S a medium to low current flows and a large part of the electrical power provided to the by the drive circuit AS controlled MOSFET T1, T2, Tn is converted into heat.
  • the heating device has a protective device SC, wherein output terminals A1, A2, A3 of the protection device each to the gate terminal G of one of the MOSFET T1, T2, Tn is connected.
  • the protection circuit SC points Further, one of the number of MOSFETs T1, T2, Tn corresponding Number of temperature-controlled switch S1, S2, Sn on, the thermally coupled to one of each of the MOSFETs T1, T2, Tn is.
  • the temperature-controlled switches S1, S2, Sn are in the embodiment according to Figure 2 as a temperature-controlled Thyristors are formed, each between a node N11 for supply potential and a common node N2 of the protection circuit SC are connected.
  • the node N11 for supply potential is in the embodiment according to Fig.
  • An of the protection circuit Sc is a series connection of a resistor R1, R2, Rn and a diode D1, D2, Dn connected, which the Task, the gate terminals G of the MOSFET T1, T2, Tn to protect against excessive drive levels.
  • Heating device according to FIG. 1 will now be assumed that the MOSFET T1 is driven by the drive circuit AS is to heat a medium in which it is housed, it is further assumed that in the MOSFET T1 a Defect occurs, resulting in a strong heating of this semiconductor device leads. Is this a conditional by the type Temperature threshold of the temperature-controlled thyristor Reaches S1, then ignites this thyristor S1 and sets the common Node N2 approximately to the value of the at the Node N11 applied supply potential.
  • the MOSFET T2, Tn are doing via the series connection of the diode D2 and the Resistor R2, or the diode Dn and the resistor Rn, driven, taking resistors R2, Rn into consideration of the voltage applied to the common node N2 potential such are selected at the gate terminals T2, Tn sufficiently high potential is applied to over the load paths D-S this MOSFET T2, Tn cause a large current flow, or the load paths of the MOSFET T2, Tn through.
  • the resistor R1 of the MOSFET T2 in case of failure of one of the other two MOSFET T2, Tn.
  • the fuse unit Si is designed to control the current flow between the terminals AK1, AK1 of the supply voltage source to limit. If this current rises above one by the type of fuse unit Si conditional value, so the fuse unit triggers Si and interrupts the Power supply to the MOSFET T1, T2, Tn.
  • the inventive Heating device releases the fuse unit Si in said Use case when the MOSFET T2, Tn driven conduct well through the temperature-controlled thyristor S2 and so a large current flow through the fuse unit Si cause. This is regardless of whether the two are not defective MOSFET T2, Tn before the defect of the MOSFET T1 by the Control circuit AS were also driven to heat, or if they were switched off.
  • the inventive Heating device makes use of that power MOSFET T1, T2, Tn operated with different power consumption can be.
  • the power MOSFET T1, T2, Tn so controlled via the drive circuit AS, that they have a low power consumption, with the maximum by the fuse unit Si permissible current and the received by the MOSFETs T1, T2, Tn during the heating operation Currents are coordinated so that the Fuse unit Si does not trip even if all parallel switched MOSFET T1, T2, Tn by the drive circuit AS are controlled for heating operation.
  • the power MOSFET T1, T2, Tn can also be controlled in this way that they have a large power input to the fuse unit Si trigger.
  • the power MOSFETs T1, T2, Tn are preferably dimensioned so that already one through the Protection circuit SC driven conductive MOSFET T1; T2; Tn is enough to trigger the fuse unit Si.
  • temperature-controlled switches S1, S2, Sn are in addition to temperature-controlled Thyristors of course any further temperature-controlled switch can be used, which at Switching over a predefinable temperature switch or one have low line resistance to not defective To control MOSFET.
  • the drive circuit AS must be so be trained that in case of failure, an increase in the Potentials at the gate terminals of the power MOSFET through the protection circuit SC allows to enable conduct the power MOSFET well and trigger the fuse Si.
  • Fig. 2 shows a further embodiment of the erfindungsgemä ⁇ en Heater in which the protection circuit SC only an output terminal A, to which all MOSFET T1, T2, Tn are connected in common. Between the common Node N2 and the output terminal A is in corresponding As in Fig. 1, a series circuit of a Diode D4 and a resistor R4 connected to the gate terminals G of the power MOSFET T1, T2, Tn against too high drive potentials to protect.
  • the operation of the in Fig. 2 illustrated heater corresponds to that shown in Fig. 1 and heating device described above.
  • Fig. 3 shows a further embodiment of an inventive Heating device, which differs from those in the figures 1 and 2 heaters illustrated differs by that not for each of the parallel-connected power MOSFET T1, T4, T5, Tn thermally coupled temperature controlled Switch S1, S4, Sn is provided. Only the Power MOSFETs T1, T4, Tn have such a temperature-controlled Switch S1, S4, Sn on while for the MOSFET T5 no such security element is provided. Further, in Fig. 3, not every one of the power MOSFETs can be controlled by the protection circuit. Such is the power MOSFET Although T4 to the drive circuit AS for heating but not connected to the protection circuit. in the With regard to the above-described operation of the Heating device according to the invention means this for the embodiment according to Fig.
  • FIG. 3 is intended to illustrate that depending on the applications not for everyone Switching and heating units Temperature protection units provided and not all switching and heating units have to be controlled by the protection circuit, to trigger the fuse unit Si.
  • the temperature-controlled Thyristors S1, S4, Sn differently than in the embodiments according to Figures 1 and 2 not to the Drain terminals D of the power MOSFET T1, T4, T5, Tn but to a further node N12 at which a drive potential Va is present, connected.

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  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Control Of Resistance Heating (AREA)

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung gemäss den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Für Heizzwecke, beispielsweise zum Heizen der Luftzufuhr für den Innenraum oder des Kühlwassers eines Kraftfahrzeugs, ist es bekannt, Halbleiterbauelemente, beispielsweise Leistungs-MOSFET einzusetzen, die dabei gleichzeitig als Schalter und als Heizelement dienen. In der deutschen Patentschrift DE 197 33 045 C1 ist eine derartige Heizvorrichtung beschrieben, bei der mehrere Reihenschaltungen aus jeweils zwei Leistungs-MOSFET parallel an eine Versorgungsspannung angeschlossen sind. In Reihe zu den zwei Leistungs-MOSFET eines jeden Zweiges ist dabei ein Sicherung geschaltet. Um einen Stromfluss und damit eine Erwärmung in einem der Zweige der bekannten Heizvorrichtung zu bewirken, müssen beide in dem jeweiligen Zweig in Reihe geschaltete Leistungs-MOSFET leiten. Kommt es dabei zu einem Defekt oder zu einem Kurzschluss eines der beiden Leistungshalbleiter in einem Zweig, so wird der jeweils andere Leistungshalbleiter abgeschaltet, um einen weiteren Stromfluss zu verhindern.
Bei allen Heizvorrichtungen besteht grundsätzlich die Gefahr, dass eines oder mehrere der verwendeten Heizelemente defekt werden und es so zu einer unkontrollierten Erwärmung kommt, die im ungünstigsten Fall die Umgebung in Brand setzen kann. Bei der bekannten Heizvorrichtung gemäss der DE 197 33 045 C1 kann eine durch einen defekten Leistungshalbleiter hervorgerufene unkontrollierte Erhitzung dadurch verhindert werden, dass der andere Leistungshalbleiter in dem jeweiligen Zweig abgeschaltet wird. Dies setzt voraus, dass stets einer der beiden Leistungshalbleiter noch funktionsfähig ist und dass durch den Defekt eines der beiden Leistungshalbleiter in einem Zweig nicht auch der andere Leistungshalbleiter in diesem Zweig zerstört wird.
Die GB 2076056 A beschreibt eine Heizvorrichtung mit einer Anzahl parallel geschalteter MOSFET, deren Laststrecken jeweils zwischen ein Versorgungspotential und ein Bezugspotential geschaltet sind. Die Gesamtanordnung ist durch eine Sicherung abgesichert. Die MOSFET sind durch eine Ansteuerschaltung angesteuert, wobei diese Ansteuerschaltung eine Temperatursteuerschaltung aufweist, die die MOSFET abschaltet, wenn die Temperatur auf einen Wert oberhalb einer vorgegebenen Temperatur angestiegen ist.
Ziel der vorliegenden Erfindung es, eine Heizvorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche im Falle des Defekts, bzw. der Überhitzung, eines der verwendeten Schalt- und Heizelemente sicher abschaltet.
Diese Aufgabe wird durch eine Heizvorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Danach weist die erfindungsgemäße Heizvorrichtung wenigstens zwei Schalt- und Heizelemente auf, die jeweils eine Ansteuerklemme und eine Laststrecke aufweisen, wobei die Laststrecken der Schalt- und Heizelemente parallel geschaltet sind. In Reihe zu der Parallelschaltung der Laststrecken der Schaltund Heizelemente ist eine Sicherung geschaltet, wobei die Reihenschaltung der Sicherung und der Schalt- und Heizelemente an eine Versorgungsspannung angeschlossen ist. Die erfindungsgemäße Heizvorrichtung weist weiterhin eine Schutzschaltung auf, die an den Steueranschluss wenigstens eines der Schaltelemente angeschlossen ist, und wobei die Schutzschaltung dazu ausgebildet ist, das angeschlossene Schaltelement nach Maßgabe der Temperatur an wenigstens einem der anderen Schaltelemente einzuschalten.
Wird bei der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung eines der Schalt- und Heizelemente defekt, so wird angesteuert durch die Schutzschaltung wenigstens eines der anderen Schalt- und Heizelemente leitend, vorzugsweise werden alle Schalt- und Heizelemente angesteuert durch die Schutzschaltung leitend. Die Ansteuerung der an die Schutzschaltung angeschlossenen Schalt- und Heizelemente erfolgt dabei derart, dass diese Schalt- und Heizelemente eine so hohe Stromaufnahme aufweisen, dass die in Reihe zu den Schalt- und Heizelementen geschaltete Sicherungseinheit auslöst und die Stromversorgung der gesamten Heizvorrichtung unterbricht.
Als Schalt- und Heizelemente finden bei der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung vorzugsweise Halbleiterbauelemente, wie beispielsweise MOSFET, Anwendung. Zum Heizen können diese Halbleiterbauelemente über ihren jeweiligen Steueranschluss (Gate-Anschluss) derart angesteuert werden, dass sie einen variablen, mittel- bis hochohmigen, Einschaltwiderstand besitzen, so dass über deren Laststrecke (Drain-Source-Strecke) auch bei entsprechend großen Spannungen ein variabler Strom fließt und so eine steuerbare Erwärmung des Bauelements auftritt, die erwünscht ist und zur Erwärmung von Luft oder Flüssigkeiten, beispielsweise dem Kühlwasser eines Autos, genutzt wird. Der Bereich, in dem der Einschaltwiderstand durch eine geeignete Ansteuerung während des Heizens variiert werden kann, ist von der gewünschten Heizleistung und der Dimensionierung des Halbleiterbauelements abhängig. Zudem können derartige Halbleiterbauelemente auch derart angesteuert werden, dass sie nur einen geringen Einschaltwiderstand besitzen und so einen großen Strom über ihre Laststrecke ermöglichen. Dies macht sich die vorliegende Erfindung zunutze, indem bei dem Defekt eines der Schalt- und Heizelemente in den anderen Schalt- und Heizelementen, angesteuert durch die Schutzschaltung, ein großer Stromfluss hervorgerufen wird, welcher die Sicherung auslöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Je nach Anwendungszwecke können bei der vorliegenden Erfindung alle parallel geschalteten Schalt- und Heizelemente an die Schutzschaltung angeschlossen sein, um bei dem Defekt wenigstens eines der Schalt- und Heizelemente angesteuert zu werden. Oder es können nur einige der parallel geschalteten Schalt- und Heizelemente an die Schutzschaltung zur Ansteuerung angeschlossen sein. Dabei ist zu beachten, dass es aus Sicherheitsgründen zweckmäßig sein kann, im Fehlerfall so viele Schalt- und Heizelemente wie möglich anzusteuern, um einen möglichst großen Stromfluss durch die Sicherungseinheit, und damit ein sicheres Auslösen der Sicherung zu bewirken.
In der Schutzschaltung der Heizvorrichtung ist wenigstens ein temperaturgesteuerter Schalter vorgesehen, der zwischen einem Knoten für ein Versorgungspotential und einem gemeinsamen Knoten verschaltet ist. Die Steueranschlüsse der durch die Schutzschaltung ansteuerbaren Schaltelemente sind dabei an den gemeinsamen Knoten gekoppelt. Der temperaturgesteuerte Schalter ist derart ausgebildet, dass er bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur an einem der Schalt- und Heizelemente, mit welchem der temperaturgesteuerte Schalter in thermischer Verbindung steht, den gemeinsamen Knoten der Schutzschaltung, an welchen die Steueranschlüsse der Heizund Schaltelemente gekoppelt sind, auf den Wert eines Versorgungspotentials legt, bei welchem sichergestellt ist, dass die angeschlossenen Schalt- und Heizelemente eine ausreichend hohe Stromaufnahme bewirken, bei welcher die Sicherung auslöst.
Aus Sicherheitsgründen ist es bevorzugt, jeweils einen temperaturgesteuerten Schalter mit jedem der Heiz- und Schaltelemente thermisch zu koppeln, um sicherzustellen, dass bei einem Defekt eines jedes einzelnen der Heiz- und Schaltelemente die andere Schalt- und Heizelemente leitend werden und die Sicherung auslösen.
Die temperaturgesteuerten Schalter sind vorzugsweise Thyristoren, deren einer Anschluss an einen der Laststreckenanschlüsse des Schalt- und Heizelements angeschlossen ist und deren anderer Anschluss an den gemeinsamen Knoten angeschlossen ist. Der vorzugsweise verwendete temperaturgesteuerte Thyristor zündet bei Erreichen einer bauartbedingten Temperatur, wobei der Spannungsabfall über dem leitenden Thyristor gering ist, so dass die Steueranschlüsse der nicht defekten Schalt- und Heizelemente sicher angesteuert werden.
Der temperaturgesteuerte Schalter ist vorzugsweise in dem zugehörigen Schalt- und Heizelement integriert, wobei bei einer monolithischen Integration das Schalt- und Heizelement und der temperaturgesteuerte Schalter in einem Halbleiterkörper ausgebildet sind. Der temperaturgesteuerte Schalter und das zugehörige Schalt- und Heizelement können auch als sogenannte Chip-On-Chip-Anordnung ausgebildet sein, bei der ein Chip mit dem Schalt- und Heizelement und ein Chip mit dem temperaturgesteuerten Schalter übereinander angeordnet und thermisch leitend verbunden sind. Bei beiden Lösungen erreicht man eine optimale und definierte Wärmekopplung.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1:
Schaltbild einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung;
Figur 2:
Schaltbild einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung.
Figur 3:
Schaltbild einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung.
In den Figuren bezeichnen, sofern die nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile mit gleicher Bedeutung.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird die Heizvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung nachfolgend unter Verwendung von Leistungs-MOSFET als Schalt- und Heizelemente beschrieben. Der Gate-Anschluss eines MOSFET erfüllt dabei die Funktion eines Steueranschlusses, die Drain-Source-Strecke des MOSFET stellt die Laststrecke des durch den MOSFET gebildeten Schalt- und Heizelements dar. In den Figuren 1 bis 3 sind n-Kanal-MOSFET als Schalt- und Heizelemente verwendet. Die Erfindung ist selbstverständlich auch im Zusammenhang mit p-Kanal-MOSFET verwendbar, wobei dann Versorgungsspannungen verpolt und die Polung von polungsabhängigen Bauelemente, wie beispielsweise Dioden, vertauscht werden müssen.
In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung unter Verwendung von Leistungs-MOSFET T1, T2, Tn dargestellt. Die Drain-Source-Strecken D-S der MOSFET T1, T2, Tn sind parallel geschaltet, wobei diese Parallelschaltung in Reihe zu einer Sicherungseinheit Si, beispielsweise einer Schmelzsicherung oder einer Magnetsicherung, geschaltet ist. Die Reihenschaltung aus Sicherungseinheit Si und den parallel geschalteten MOSFET T1, T2, Tn ist über Anschlussklemmen AK1, AK2 an eine Versorgungsspannung V angeschlossen. Die MOSFET T1, T2, Tn sind üblicherweise räumlich verteilt in dem zu heizenden Medium angeordnet, um eine bessere Verteilung der durch die Heizvorrichtung abgegebenen Wärme, beispielsweise in einer Luftzuführung oder einem Flüssigkeitsbehälter, zu bewirken. Es ist auch denkbar, dass die einzelnen MOSFET unabhängig voneinander zur Beheizung verschiedener Medien betrieben werden.
Zur Ansteuerung für den Heizbetrieb sind Gate-Anschlüsse G der MOSFET T1, T2, Tn an eine Ansteuerschaltung S angeschlossen. Die Funktionsweise und die Verbindung der einzelnen MOSFET T1, T2, Tn an die Ansteuerschaltung AS ist für die vorliegende Erfindung unerheblich. Die Ansteuerschaltung AS und deren Verbindung zu den MOSFET T1, T2, Tn ist in den Figuren 1 und 2 daher gestrichelt dargestellt. Die wesentliche Anforderung an die Ansteuerschaltung AS ist, dass sie die MOSFET T1, T2, Tn für den Heizbetrieb derart ansteuert, dass sie einen mittleren bis großen Einschaltwiderstand aufweisen, so dass bei Anlegen einer Spannung über deren Drain-Source-Strecken D-S ein mittlerer bis geringer Strom fließt und ein großer Teil der bereitgestellten elektrischen Leistung an den durch die Ansteuerschaltung AS angesteuerten MOSFET T1, T2, Tn in Wärme umgesetzt wird. Eine derartige Ansteuerung durch Anlegen einer Gate-Spannung erfolgen, bei denen die MOSFET nicht durchschalten. Ob durch die Ansteuerschaltung AS dabei alle MOSFET T1, T2, Tn gleichzeitig oder unabhängig voneinander angesteuert werden, ist vom jeweiligen Anwendungsfall abhängig. So kann es zweckmäßig sein, wenn nur ein Medium zu beheizen ist, alle MOSFET T1, T2, Tn gleichzeitig und gleichverteilt anzusteuern, während es bei der Beheizung voneinander unabhängiger Medien, beispielsweise der Luftzufuhr und des Kühlwassers in eine Kraftfahrzeug, zweckmäßig ist, die einzelnen MOSFET T1, T2, Tn unabhängig voneinander anzusteuern.
Die erfindungsgemäße Heizvorrichtung weist eine Schutzvorrichtung SC auf, wobei Ausgangsklemmen A1, A2, A3 der Schutzvorrichtung jeweils an den Gate-Anschluss G eines der MOSFET T1, T2, Tn angeschlossen ist. Die Schutzschaltung SC weist ferner eine der Anzahl der MOSFET T1, T2, Tn entsprechende Anzahl temperaturgesteuerter Schalter S1, S2, Sn auf, die thermisch mit jeweils einem der MOSFET T1, T2, Tn gekoppelt ist. Die temperaturgesteuerten Schalter S1, S2, Sn sind in dem Ausführungsbeispiel gemäss Figur 2 als temperaturgesteuerte Thyristoren ausgebildet, die jeweils zwischen einem Knoten N11 für Versorgungspotential und einem gemeinsamen Knoten N2 der Schutzschaltung SC verschaltet sind. Der Knoten N11 für Versorgungspotential ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 der Knoten, welcher der Sicherungseinheit Si und den Drain-Anschlüssen D aller MOSFET T1, T2, Tn gemeinsam ist und an welchem ein Versorgungspotential anliegt, welches der Versorgungsspannung V abzüglich der über der Sicherungseinheit Si abfallenden Spannung Vsi entspricht. Zwischen dem gemeinsamen Knoten N2 und jedem der Ausgänge A1, A2, An der Schutzschaltung Sc ist eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R1, R2, Rn und einer Diode D1, D2, Dn geschaltet, welche die Aufgabe erfüllen, die Gate-Anschlüsse G der MOSFET T1, T2, Tn vor zu hohen Ansteuerpegeln zu schützen.
Zu Zwecken der Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung gemäß Fig. 1 wird nun angenommen, dass der MOSFET T1 durch die Ansteuerschaltung AS angesteuert ist, um ein Medium, in welchem er untergebracht ist, zu heizen, wobei weiter angenommen wird, dass in dem MOSFET T1 ein Defekt auftritt, der zu einer starken Erhitzung dieses Halbleiterbauelements führt. Wird dabei eine durch die Bauart bedingte Temperaturschwelle des temperaturgesteuerten Thyristor S1 erreicht, so zündet dieser Thyristor S1 und legt den gemeinsamen Knoten N2 annäherungsweise auf den Wert des an dem Knoten N11 anliegenden Versorgungspotentials. Die MOSFET T2, Tn werden dabei über die Reihenschaltung der Diode D2 und dem Widerstand R2, bzw. der Diode Dn und dem Widerstand Rn, angesteuert, wobei die Widerstände R2, Rn unter Berücksichtigung des an dem gemeinsamen Knoten N2 anliegenden Potentials derart gewählt sind, dass an den Gate-Anschlüssen T2, Tn ein ausreichend hohes Potential anliegt, um über den Laststrecken D-S dieser MOSFET T2, Tn einen großen Stromfluss hervorzurufen, bzw. die Laststrecken der MOSFET T2, Tn durchzuschalten. Gleiches gilt selbstverständlich auch für den Widerstand R1 des MOSFET T2 im Falle des Defekts eines der beiden anderen MOSFET T2, Tn.
Die Sicherungseinheit Si ist dazu ausgebildet, den Stromfluss zwischen den Anschlussklemmen AK1, AK1 der Versorgungsspannungsquelle zu begrenzen. Steigt dieser Strom über einen durch die Bauart der Sicherungseinheit Si bedingten Wert an, so löst die Sicherungseinheit Si aus und unterbricht die Stromzufuhr zu dem MOSFET T1, T2, Tn. Bei der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung löst die Sicherungseinheit Si in dem genannten Anwendungsfall aus, wenn die MOSFET T2, Tn angesteuert durch den temperaturgesteuerten Thyristor S2 gut leiten und so einen großen Stromfluss durch die Sicherungseinheit Si hervorrufen. Dies ist unabhängig davon, ob die beiden nicht defekten MOSFET T2, Tn vor dem Defekt des MOSFET T1 durch die Ansteuerschaltung AS ebenfalls angesteuert waren, um zu Heizen, oder ob sie abgeschaltet waren. Bei der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung macht man sich zunutze, dass die Leistungs-MOSFET T1, T2, Tn mit verschiedenen Stromaufnahmen betrieben werden können. Zum Heizen werden die Leistungs-MOSFET T1, T2, Tn über die Ansteuerschaltung AS derart angesteuert, dass sie eine geringe Stromaufnahme besitzen, wobei der maximal durch die Sicherungseinheit Si zulässige Strom und die durch die MOSFET T1, T2, Tn während des Heizbetriebs aufgenommenen Ströme derart aufeinander abgestimmt sind, dass die Sicherungseinheit Si auch dann nicht auslöst, wenn alle parallel geschalteten MOSFET T1, T2, Tn durch die Ansteuerschaltung AS für den Heizbetrieb angesteuert sind.
Für die Schutzschaltung macht man sich zunutze, dass die Leistungs-MOSFET T1, T2, Tn auch so angesteuert werden können, dass sie ein große Stromaufnahme besitzen, um die Sicherungseinheit Si auszulösen. Die Leistungs-MOSFET T1, T2, Tn sind vorzugsweise so dimensioniert, dass bereits ein durch die Schutzschaltung SC angesteuerter leitender MOSFET T1; T2; Tn genügt, um die Sicherungseinheit Si auszulösen.
Als temperaturgesteuerte Schalter S1, S2, Sn sind neben temperaturgesteuerten Thyristoren selbstverständlich beliebige weitere temperaturgesteuerte Schalter einsetzbar, welche bei Überschreiten einer vorgebbaren Temperatur schalten bzw. einen geringen Leitungswiderstand aufweisen, um nicht defekte MOSFET anzusteuern. Ferner muss die Ansteuerschaltung AS so ausgebildet sein, dass sie im Fehlerfall eine Anhebung der Potentiale an den Gate-Anschlüssen der Leistungs-MOSFET durch die Schutzschaltung SC erlaubt, um es zu ermöglichen, dass die Leistungs-MOSFET gut leiten und die Sicherung Si auslösen.
Wie bereits in Fig. 1 durch die Punkte angedeutet ist, ist die Anzahl der einsetzbaren MOSFET T1, T2, Tn selbstverständlich nicht auf die drei in Fig. 1 dargestellten Halbleiterbauelemente beschränkt. Es können nahezu beliebig viele weitere Leistungs-MOSFET mit thermisch gekoppelten temperaturgesteuerten Schaltern vorgesehen werden.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäβen Heizvorrichtung, bei welcher die Schutzschaltung SC lediglich eine Ausgangsklemme A aufweist, an welche alle MOSFET T1, T2, Tn gemeinsam angeschlossen sind. Zwischen dem gemeinsamen Knoten N2 und der Ausgangsklemme A ist dabei in entsprechender Weise wie in Fig. 1 eine Reihenschaltung einer Diode D4 und eines Widerstands R4 geschaltet, um die Gate-Anschlüsse G der Leistungs-MOSFET T1, T2, Tn vor zu hohen Ansteuerpotentialen zu schützen. Die Funktionsweise der in Fig. 2 dargestellten Heizvorrichtung entspricht der in Fig. 1 dargestellten und oben beschriebenen Heizvorrichtung.
Fig. 3 Zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung, welche sich von denen in den Figuren 1 und 2 dargestellten Heizvorrichtungen dadurch unterscheidet, dass nicht für jeden der parallel geschalteten Leistungs-MOSFET T1, T4, T5, Tn ein thermisch gekoppelter temperaturgesteuerter Schalter S1, S4, Sn vorgesehen ist. Lediglich die Leistungs-MOSFET T1, T4, Tn weisen einen derartigen temperaturgesteuerten Schalter S1, S4, Sn auf, während für den MOSFET T5 kein derartiges Sicherheitselement vorgesehen ist. Des weiteren ist in Fig. 3 nicht jeder der Leistungs-MOSFET durch die Schutzschaltung ansteuerbar. So ist der Leistungs-MOSFET T4 zwar an die Ansteuerschaltung AS für den Heizbetrieb jedoch nicht an die Schutzschaltung angeschlossen. Im Hinblick auf die bereits oben beschriebene Funktionsweise der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung bedeutet dies für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3, dass im Falle eines Defekts des Leistungs-MOSFET T4 zwar der Leistungs-MOSFET T5 (und auch die MOSFET T1 und Tn) angesteuert werden, um das Sicherungselement Si auszulösen, dass aber im Falle eines Defekts des MOSFET T5 keiner der verbleibenden MOSFET T1, T4, Tn angesteuert wird, da mit dem MOSFET T5 kein temperaturgesteuerter Schalter thermisch gekoppelt ist.
Das Ausführungsbeispiels gemäss Fig. 3 soll veranschaulichen, dass abhängig von den Anwendungszwecken nicht für alle Schalt- und Heizeinheiten Temperaturschutzeinheiten vorgesehen werden müssen und dass auch nicht alle Schalt- und Heizeinheiten durch die Schutzschaltung angesteuert werden müssen, um die Sicherungseinheit Si auszulösen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 sind die temperaturgesteuerten Thyristoren S1, S4, Sn anders als bei dem Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 1 und 2 nicht an die Drain-Anschlüsse D der Leistungs-MOSFET T1, T4, T5, Tn sondern an einen weiteren Knoten N12 an dem ein Ansteuerpotential Va anliegt, angeschlossen.
Bezugszeichenliste
A
Ausgangsklemme
A1, A2, An
Ausgangsklemmen
AK1, AK2
Anschlussklemmen
AS
Ansteuerschaltung
D
Drain-Anschluss
D1, D2, Dn
Dioden
D4, D5
Dioden
G
Gate-Anschluss
N11, N12
Knoten für Ansteuerpotential
N2
Gemeinsamer Knoten
R1, R2, Rn
Widerstände
R4, R5,
Widerstände
S
Source-Anschluss
S1, S2, S4
Temperaturgesteuerte Schalter
Sn
Temperaturgesteuerte Schalter
Si
Sicherungseinheit
T1, T2, Tn
Leistungs-MOSFET
T4, T5
Leistungs-MOSFET
V
Versorgungsspannung
Vsi
Spannung über der Sicherungseinheit

Claims (9)

  1. Elektrische Heizvorrichtung, die folgende Merkmale aufweist:
    wenigstens zwei Schalt- und Heizelemente (T1, T2, Tn; T1, T4, T5, Tn), die jeweils eine Ansteuerklemme (G) und eine Laststrecke (D-S) aufweisen, wobei die Laststrecken (D-S) der wenigstens zwei Schalt- und Heizelemente (T1, T2, Tn; T1, T4, T5, Tn) parallel geschaltet sind,
    eine Sicherungseinheit (Si), die in Reihe zu den Laststrecken (D-S) der Schalt- und Heizelemente (T1, T2, Tn; T1, T4, T5, Tn) geschaltet ist, wobei die Reihenschaltung an eine Versorgungsspannung (V) angeschlossen ist,
    gekennzeichnet durch folgendes weiteres Merkmal:
    eine an den Steueranschluss (G) wenigstens eines der Schaltund Heizelemente (T1, T2, Tn; T1, T5, Tn) angeschlossene Schutzschaltung (SC) zum Einschalten des wenigstens einen angeschlossenen Schalt- und Heizelements (T1, T2, Tn; T1, T5, Tn) nach Maßgabe der Temperatur an wenigstens einem der Schalt- und Heizelemente (T1, T2, Tn; T1, T4, Tn) derart, dass das wenigstens eine angeschlossene Schalt- und Heizelement (T1, T2, Tn; T1, T5, Tn) eine so hohe Stromaufnahme aufweist, dass die Sicherungseinheit (Si) auslöst.
  2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Schutzschaltung (SC) an die Steueranschlüsse (G) aller Schalt- und Heizelemente (T1, T2, Tn) angeschlossen ist.
  3. Heizvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Temperaturen an allen Schalt- und Heizelementen (T1, T2, Tn) bei der Ansteuerung der an die Schutzschaltung (SC) angeschlossenen Schalt- und Heizelemente (T1, T2, Tn) berücksichtigt werden.
  4. Heizvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche , bei der die Schutzschaltung wenigstens einen temperaturgesteuerten Schalter (S1, S2, Sn; S1, S4, Sn) aufweist, der zwischen einem Knoten (N1; N11) für ein Versorgungspotential und einem gemeinsamen Knoten (N2), an den die Steueranschlüsse (G) der durch die Schutzschaltung ansteuerbaren Schaltelemente (T1, T2, Tn; T1, T4, T5, Tn) gekoppelt sind, verschaltet ist und der an eines der Schalt- und Heizelemente (T1, T2, Tn; T1, T4, Tn) thermisch gekoppelt ist.
  5. Heizvorrichtung nach Anspruch 4, bei der an jedes der Schalt- und Heizelemente (T1, T2, Tn) ein temperaturgesteuerter Schalter thermisch gekoppelt ist.
  6. Heizvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei der die Steueranschlüsse (G) der durch die Schutzschaltung (SC) ansteuerbaren Schalt- und Heizelemente (T1, T2, Tn; T1, T5, Tn) über Dioden (D1, D2, Dn; D1, D5, Dn) an den gemeinsamen Knoten (N2) gekoppelt sind.
  7. Heizvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Schalt- und Heizelemente (T1, T2, Tn; T1, T4, T5, Tn) Halbleiterschaltelemente, insbesondere Transistoren sind.
  8. Heizvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die temperaturgesteuerten Schalter (S1, S2, Sn; S1, S4, Sn) jeweils an einen Anschluss (D) der Laststrecke (D-S) eines Schalt- und Heizelements (T1, T2, Tn; T1, T4, Tn) angeschlossen sind.
  9. Heizvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der temperaturgesteuerte Schalter (S1, S2, Sn; S1, S4, Sn) ein Thyristor ist.
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