EP1929606A1 - Hochstrom-leistungsendstufe - Google Patents

Hochstrom-leistungsendstufe

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Publication number
EP1929606A1
EP1929606A1 EP06793712A EP06793712A EP1929606A1 EP 1929606 A1 EP1929606 A1 EP 1929606A1 EP 06793712 A EP06793712 A EP 06793712A EP 06793712 A EP06793712 A EP 06793712A EP 1929606 A1 EP1929606 A1 EP 1929606A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
current
power
power transistors
diode
transistors
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06793712A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Claudius Veit
Werner Weiss
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.)
Aumovio Germany GmbH
Original Assignee
VDO Automotive AG
Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by VDO Automotive AG, Continental Automotive Technologies GmbH filed Critical VDO Automotive AG
Publication of EP1929606A1 publication Critical patent/EP1929606A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H11/00—Emergency protective circuit arrangements for preventing the switching-on in case an undesired electric working condition might result
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H11/00—Emergency protective circuit arrangements for preventing the switching-on in case an undesired electric working condition might result
    • H02H11/002—Emergency protective circuit arrangements for preventing the switching-on in case an undesired electric working condition might result in case of inverted polarity or connection; with switching for obtaining correct connection
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/53—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/08—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors
    • H02H7/0833—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors for electric motors with control arrangements
    • H02H7/0838—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors for electric motors with control arrangements with H-bridge circuit

Definitions

  • the invention relates to a high-current power output stage comprising power transistors, in particular MOSFET power transistors.
  • High-current output stages are used, for example, in control circuits of motor vehicles for driving electric motors, for example for an electric power steering device or an electric brake booster device.
  • the high-power output stages work in normal operation, for example, with currents in the order of 100 amperes.
  • the required electrical energy is provided by a generator device or a battery. Battery change an off ⁇ the battery may accidentally reversed polarity with the high current power output stage are coupled. The da ⁇ by induced current flow in the high-current stage linenend- this can damage or destroy.
  • Amplifier includes a measuring resistor.
  • the flow of current in the output stage is determined by the microcomputer from aistsab ⁇ falling across the measuring resistor.
  • the current flow in the output stage can be interrupted by appropriate control of the output stage by the microcomputer.
  • a fuse is arranged to prevent a short-circuit and at the same time alloying the amplifier to a fire.
  • a relay is provided, which interrupts the current flow during polarity reversal.
  • a suppressor diode is arranged in parallel to a battery and to electrical consumers. In a supply line between the battery and the suppressor diode or the electrical loads a fuse is arranged. When polarity reversing the suppressor diode is conductive and the fuse triggers by the current flow caused thereby.
  • the object of the invention is to provide a high-current hoend ⁇ stage, which is protected against reverse polarity and is easy and inexpensive.
  • the invention is characterized by a high-current power output stage, which comprises at least four power transistors, two electrical leads, and at least one Schmelzsi ⁇ insurance.
  • the at least four power transistors each have a diode which is locked during normal operation of each ⁇ bib power transistor.
  • the two electrical leads see couple the at least four power transistors as a supply potential and a reference potential ⁇ that each two of the at least four power transistors are arranged in series to each other, and that is electrically connected between the supply potential and the reference potential.
  • the at least one fusible link is connected in min ⁇ least one of the two electrical leads electrically connected in series to the at least four power transistors.
  • the at least one fuse is triggered by a current flowing in swapping of the supply potential and the reference potential by the direction then in the forward ⁇ respectively arranged diode of the at least four power transistors.
  • the invention is based on the recognition that power transistors ⁇ , in particular MOSFET power transistors, each having the diode. This is in normal operation of the high ⁇ current power output stage, ie in ungpoltem operation, locked. In the event of polarity reversal by switching theagedspo ⁇ tenzials and the reference potential, however, the diode is lei ⁇ tend. As a result, when reversed, a current flows through the diodes of the power transistors and through the fuse. This current is so high that the fuse is triggered by this.
  • the two electrical leads are sized to carry the current for a duration of wear that is longer than a firing period of the fuse.
  • the high-current power output stage is, for example, as an H-bridge with four power transistors formed correspondingly has six or Leis ⁇ tung transistors for providing three-phase phase current.
  • the high-current power output stage can also have more than six power transistors.
  • the at least four power transistors are each arranged as a semiconductor chip directly on a common carrier.
  • At least one of the two electrical leads comprises at least one bonding wire.
  • Transistors in the form of semiconductor chips are particularly schüns ⁇ term and allow a particularly good heat dissipation.
  • the current-carrying capacity of the electrical supply line in the region of the at least one bonding wire can be dimensioned very easily via the suitable choice of the thickness of the respective bonding wire or via the number of bonding wires.
  • the high-current power output stage is compact and inexpensive to manufacture by the common carrier.
  • At least one additional diode is arranged parallel to the min ⁇ least four power transistors electrically connected between the supply potential and the reference potential that this is locked power output stage high current in the normal operation of and swapping the supply potential and the reference potential is conductive.
  • Figure 2 is an equivalent circuit diagram of the circuit arrangement in a polarity reversal of a battery
  • FIG. 3 shows an embodiment of the high-current power output stage. Elements of the same construction or function are provided across the figures with the same reference numerals.
  • a circuit arrangement comprises a battery Bat, a high-current power output stage PA and an electric motor M (Fi ⁇ gur 1).
  • the high-current power output stage PA is coupled via a te ers ⁇ supply line Zl to a supply potential Up and over a second feed line Z2 to a reference potential Un the battery BAT.
  • the battery Bat provides a battery voltage Ubat for operation of high current power end stage ⁇ ready.
  • the high-current power output stage PA is elekt ⁇ driven coupled to the electric motor M.
  • the electric motor M is operated by three-phase current and the high-current power ⁇ power amplifier PA is formed, from the battery voltage Ubat the three phases of the three-phase current for operating the Elektromo ⁇ tors M to create.
  • the high-current power output stage PA comprises for each of the three phases of the three-phase current in each case a series connection of two power transistors T, each having a diode D.
  • the power transistors T are preferably designed as MOSFET power transistors.
  • the respective series connection of the power transistors T is coupled to the first supply line Z1 and the second supply line Z2 and is thus arranged electrically between the supply potential Up and the reference potential Un.
  • the diodes D are respectively arranged in the blocking direction, that is, the cathode of diode D is coupled to the opposite ⁇ to the reference potential Un positive supply potential Up and the anode of the diode D with the reference Spoten ⁇ zial un coupled.
  • the power transistors T are driven by a control device, not shown.
  • the high-current power output stage PA can also be designed as a part of the control device.
  • a fuse S is provided in the first electrical lead Zl .
  • the fusible link S is dimensioned so that it will not fire in the normal operation of the high current power output stage PA.
  • the diodes D are the power transistors T and the possibly provided additional diode DZ in which Normalbe ⁇ drive is locked, the current flow is through the Blown fuses S and the first and second electrical supply line Zl, Z2, depending on the driving of the power transistors T.
  • the diode D are the power transistors T and the possibly provided additional diode DZ arranged in through ⁇ forward direction and thus conductive.
  • FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram of the circuit arrangement according to FIG. 1 during polarity reversal of the battery Bat.
  • a current I through the fuse S and through the first and the second electrical supply line Zl, Z2 is then significantly higher than the current in the normal operation, for example by a factor between see about three and ten.
  • the current I is essentially predetermined by the internal resistance of the battery Bat and is dependent on a state of charge of the battery Bat.
  • the fuse S is dimensioned so that it triggers at the current I and the high-current power amplifier PA so electrically separated from the battery Bat. As a result, the high-current power amplifier PA is protected from damage by reversing the polarity of the battery Bat.
  • the requirements are reduced at the current carrying capacity of each individual ⁇ a power transistor T and the diode D.
  • the current I is divided between the three series circuits of the two which are arranged in parallel to one another
  • the additional diode DZ is designed so that above this also the double diode voltage UD drops.
  • the zusharm ⁇ Liche diode DZ is to processing, for example, as a series scarf ⁇ two individual diodes with the diode voltage UD trained det.
  • Figure 3 shows an embodiment of the high-current power ⁇ power amplifier PA.
  • the six power transistors T in the form of each one semiconductor chip 2 applied, ie, the power transistors T preferably have no housing.
  • the first and the second supply line Zl, Z2 include bonding wires W, on which the respective semiconductor chip 2 is coupled to conductor tracks attached to the support 1 ⁇ are arranged.
  • the conductor tracks of the carrier 1 are coupled via bond wires W to further strip conductors, which are arranged, for example, on a printed circuit board.
  • the interconnects, the further interconnects and the bonding wires W are so dimensioned ⁇ ned that they can carry the current I in the exchange of the supply potential Up and the reference potential Un for a Trag- period which is longer than a trip period of the fuse S. ,
  • the tripping time duration can be several seconds, since the current flowing in the normal operation of the high-current power output stage PA, thus in the unpoled operation, is already very high, for example of the order of 100 amperes, and the current I flowing during the reversing is therefore only by a factor of eg about three to ten is greater than this.
  • the fuse S must be dimensioned so that it certainly does not trigger during normal operation of the high-current power amplifier PA.
  • the current carrying capacity of the first and the second to ⁇ line Zl, Z2 in the region of the bonding wires W very easy by the choice of suitable bond Wires W, for example, in terms of their thickness, or by the choice of a suitable number of mutually parallel bond wires W to dimension.
  • suitable bond Wires W for example, in terms of their thickness, or by the choice of a suitable number of mutually parallel bond wires W to dimension.
  • five mutually parallel ⁇ arranged bond wires W are provided to carry the current I can, if for normal operation, so the unpoled operation, already three mutually parallel bonding wires W are sufficient.
  • more or fewer bond wires W may be provided depending on the requirements of the current carrying capacity.

Landscapes

  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Amplifiers (AREA)
  • Fuses (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

Eine Hochstrom-Leistungsendstufe (PA) umfasst mindestens vier Leistungstransistoren (T), zwei elektrische Zuleitungen und mindestens eine Schmelzsicherung (S). Die mindestens vier Leistungstransistoren (T) weisen jeweils eine Diode (D) auf, die bei Normalbetrieb des jeweiligen Leistungstransistors (T) gesperrt ist. Die zwei elektrischen Zuleitungen koppeln die mindestens vier Leistungstransistoren (T) so mit einem Versorgungspotenzial (Up) und einem Bezugspotenzial (Un), dass jeweils zwei der mindestens vier Leistungstransistoren (T) zueinander in Reihe angeordnet sind, und zwar elektrisch zwischen dem Versorgungspotenzial (Up) und dem Bezugspotenzial (Un). Die mindestens eine Schmelzsicherung (S) ist in mindestens einer der zwei elektrischen Zuleitungen elektrisch in Reihe zu den mindestens vier Leistungstransistoren (T) angeordnet. Die mindestens eine Schmelzsicherung (S) ist auslösbar durch einen Strom, der bei Vertauschen des Versorgungspotenzials (Up) und des Bezugspotenzials (Un) durch die dann jeweils in Durchlassrichtung angeordnete Diode (D) der mindestens vier Leistungstransistoren (T) fließt.

Description

Beschreibung
Hochstrom-Leistungsendstufe
Die Erfindung betrifft eine Hochstrom-Leistungsendstufe, die Leistungstransistoren umfasst, insbesondere MOSFET-Leistungs- transistoren .
Hochstrom-Leistungsendstufen werden beispielsweise in Steuer- geraten von Kraftfahrzeugen zum Ansteuern von Elektromotoren genutzt, z.B. für eine elektrische Servolenkvorrichtung oder eine elektrische Bremskraftverstärkervorrichtung. Die Hochstrom-Leistungsendstufen arbeiten in einem Normalbetrieb z.B. mit Strömen in der Größenordnung von 100 Ampere. Die erfor- derliche elektrische Energie wird durch eine Generatorvor¬ richtung oder eine Batterie bereitgestellt. Bei einem Aus¬ wechseln der Batterie kann die Batterie versehentlich verpolt mit der Hochstrom-Leistungsendstufe gekoppelt werden. Der da¬ durch verursachte Stromfluss in der Hochstrom-Leistungsend- stufe kann diese beschädigen oder zerstören.
In der DE 102 08 981 Al ist ein Kraftfahrzeug mit zwei Bord¬ netzen offenbart. Für jedes der zwei Bordnetze ist ein Strom¬ verteiler mit Powermanagement vorgesehen. Einer der Stromver- teuer umfasst eine Endstufe und einen Mikrocomputer. Die
Endstufe umfasst einen Messwiderstand. Der Stromfluss in der Endstufe wird durch den Mikrocomputer aus einem Spannungsab¬ fall über dem Messwiderstand ermittelt. Der Stromfluss in der Endstufe kann unterbrochen werden durch entsprechendes An- steuern der Endstufe durch den Mikrocomputer. In einer Zuleitung der Endstufe ist eine Schmelzsicherung angeordnet, um bei einem Kurzschluss und gleichzeitigem Durchlegieren der Endstufe einem Brand vorzubeugen. Als ein Verpolschutz ist ein Relais vorgesehen, das den Stromfluss bei dem Verpolen unterbricht. In der DE 195 Ol 985 Al ist ein Verpolschutz für eine gleichspannungsversorgte elektronische Schaltung vor Beschädigung durch Verpolen offenbart. Eine Suppressordiode ist parallel zu einer Batterie und zu elektrischen Verbrauchern angeord- net . In einer Zuleitung zwischen der Batterie und der Suppressordiode bzw. den elektrischen Verbrauchern ist eine Schmelzsicherung angeordnet. Bei dem Verpolen wird die Suppressordiode leitend und die Schmelzsicherung löst durch den dadurch verursachten Stromfluss aus.
Die Aufgabe der Erfindung ist, eine Hochstrom-Leistungsend¬ stufe zu schaffen, die gegen Verpolen geschützt ist und die einfach und preisgünstig ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine Hochstrom-Leis- tungsendstufe, die mindestens vier Leistungstransistoren, zwei elektrische Zuleitungen, und mindestens eine Schmelzsi¬ cherung umfasst. Die mindestens vier Leistungstransistoren weisen jeweils eine Diode auf, die bei Normalbetrieb des je¬ weiligen Leistungstransistors gesperrt ist. Die zwei elektri- sehen Zuleitungen koppeln die mindestens vier Leistungstransistoren so mit einem Versorgungspotenzial und einem Bezugs¬ potenzial, dass jeweils zwei der mindestens vier Leistungs¬ transistoren zueinander in Reihe angeordnet sind, und zwar elektrisch zwischen dem Versorgungspotenzial und dem Bezugs- Potenzial. Die mindestens eine Schmelzsicherung ist in min¬ destens einer der zwei elektrischen Zuleitungen elektrisch in Reihe zu den mindestens vier Leistungstransistoren angeordnet. Die mindestens eine Schmelzsicherung ist auslösbar durch einen Strom, der bei Vertauschen des Versorgungspotenzials und des Bezugspotenzials durch die dann jeweils in Durchlass¬ richtung angeordnete Diode der mindestens vier Leistungstransistoren fließt. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Leistungstran¬ sistoren, insbesondere MOSFET-Leistungstransistoren, jeweils die Diode aufweisen. Diese ist bei Normalbetrieb der Hoch¬ strom-Leistungsendstufe, also bei unverpoltem Betrieb, ge- sperrt. Bei dem Verpolen durch Vertauschen des Versorgungspo¬ tenzials und des Bezugspotenzials ist die Diode jedoch lei¬ tend. Dadurch fließt bei dem Verpolen ein Strom durch die Dioden der Leistungstransistoren und durch die Schmelzsicherung. Dieser Strom ist so hoch, dass die Schmelzsicherung durch diesen ausgelöst wird. Die zwei elektrischen Zuleitungen sind dimensioniert, den Strom für eine Tragzeitdauer zu tragen, die länger ist als eine Auslösezeitdauer der Schmelzsicherung.
Dadurch, dass mindestens vier Leistungstransistoren vorgesehen sind, durch deren Dioden bei dem Verpolen der Strom fließt, ist die entstehende Verlustleistung auf die mindes¬ tens vier Leistungstransistoren verteilt. Dadurch sinken die Anforderungen an die Stromtragfähigkeit der Leistungstransis- toren. Dies hat den Vorteil, dass preisgünstige Leistungs¬ transistoren genutzt werden können. Ferner ist die Absicherung der Hochstrom-Leistungsendstufe gegen Verpolen durch die Schmelzsicherung einfach und preisgünstig. Es müssen keine weiteren Bauelemente für den Verpolschutz vorgesehen werden. Insbesondere kann auf ein Relais zum Unterbrechen des Stromflusses bei dem Verpolen verzichtet werden. Die Hochstrom- Leistungsendstufe ist z.B. als H-Brücke mit vier Leistungs¬ transistoren ausgebildet oder weist entsprechend sechs Leis¬ tungstransistoren auf zum Bereitstellen von dreiphasigem Drehstrom. Die Hochstrom-Leistungsendstufe kann jedoch auch mehr als sechs Leistungstransistoren aufweisen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die mindestens vier Leistungstransistoren jeweils als Halbleiter- chip unmittelbar auf einem gemeinsamen Träger angeordnet. Mindestens eine der zwei elektrischen Zuleitungen umfasst mindestens einen Bond-Draht. Der Vorteil ist, dass Leistungs- transistoren in Form der Halbleiterchips besonders preisgüns¬ tig sind und eine besonders gute Wärmeabführung ermöglichen. Die Stromtragfähigkeit der elektrischen Zuleitung in dem Bereich des mindestens einen Bond-Drahts kann sehr einfach über die geeignete Wahl der Dicke des jeweiligen Bond-Drahts oder über die Anzahl der Bond-Drähte dimensioniert werden. Ferner ist die Hochstrom-Leistungsendstufe durch den gemeinsamen Träger kompakt und preisgünstig in der Herstellung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens eine zusätzliche Diode so parallel zu den min¬ destens vier Leistungstransistoren elektrisch zwischen dem Versorgungspotenzial und dem Bezugspotenzial angeordnet, dass diese bei dem Normalbetrieb der Hochstrom-Leistungsendstufe gesperrt ist und bei dem Vertauschen des Versorgungspotenzials und des Bezugspotenzials leitend ist. Dies hat den Vor¬ teil, dass die entstehende Verlustleistung durch den Strom bei dem Verpolen auch auf die mindestens eine zusätzliche Di¬ ode verteilt ist, so dass die Anforderungen an die Stromtrag- fähigkeit der Dioden der mindestens vier Leistungstransisto¬ ren und der mindestens einen zusätzlichen Diode weiter verringert ist. Die Leistungstransistoren und die mindestens ei¬ ne zusätzliche Diode können so besonders preisgünstig sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindungen sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Schaltungsanordnung mit einer Hochstrom- Leistungsendstufe,
Figur 2 ein Ersatzschaltbild der Schaltungsanordnung bei einem Verpolen einer Batterie und
Figur 3 eine Ausführungsform der Hochstrom- Leistungsendstufe. Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Eine Schaltungsanordnung umfasst eine Batterie Bat, eine Hochstrom-Leistungsendstufe PA und einen Elektromotor M (Fi¬ gur 1). Die Hochstrom-Leistungsendstufe PA ist über eine ers¬ te Zuleitung Zl mit einem Versorgungspotenzial Up und über eine zweite Zuleitung Z2 mit einem Bezugspotenzial Un der Batterie Bat gekoppelt. Die Batterie Bat stellt eine Batte- riespannung Ubat für den Betrieb der Hochstrom-Leistungsend¬ stufe bereit. Die Hochstrom-Leistungsendstufe PA ist elekt¬ risch gekoppelt mit dem Elektromotor M. Der Elektromotor M wird mittels Drehstrom betrieben und die Hochstrom-Leistungs¬ endstufe PA ist ausgebildet, aus der Batteriespannung Ubat die drei Phasen des Drehstroms für den Betrieb des Elektromo¬ tors M zu erzeugen.
Die Hochstrom-Leistungsendstufe PA umfasst für jede der drei Phasen des Drehstroms jeweils eine Reihenschaltung zweier Leistungstransistoren T, die jeweils eine Diode D aufweisen. Die Leistungstransistoren T sind bevorzugt als MOSFET-Leis- tungstransistoren ausgebildet. Die jeweilige Reihenschaltung der Leistungstransistoren T ist mit der ersten Zuleitung Zl und der zweiten Zuleitung Z2 gekoppelt und somit elektrisch zwischen dem Versorgungspotenzial Up und dem Bezugspotenzial Un angeordnet. Bei einem Normalbetrieb der Hochstrom-Leis¬ tungsendstufe PA sind die Dioden D jeweils in Sperrrichtung angeordnet, d.h., die Kathode der Diode D ist mit dem gegen¬ über dem Bezugspotenzial Un positiven Versorgungspotenzial Up gekoppelt und die Anode der Diode D ist mit dem Bezugspoten¬ zial Un gekoppelt.
Die Leistungstransistoren T werden angesteuert durch eine nicht dargestellte Steuereinrichtung. Die Hochstrom-Leis- tungsendstufe PA kann auch als ein Teil der Steuereinrichtung ausgebildet sein. In der ersten elektrischen Zuleitung Zl ist eine Schmelzsicherung S vorgesehen. Die Schmelzsicherung S ist so dimensioniert, dass diese bei dem Normalbetrieb der Hochstrom-Leis¬ tungsendstufe PA nicht ausgelöst wird.
Parallel zu den drei Reihenschaltungen der Leistungstransis¬ toren T kann mindestens eine zusätzliche Diode DZ vorgesehen sein, die bei dem Normalbetrieb entsprechend den Dioden D mit ihrer Kathode mit dem Versorgungspotenzial Up und mit ihrer Anode mit dem Bezugspotenzial Un elektrisch gekoppelt ist.
Da die Dioden D der Leistungstransistoren T und die gegebenenfalls vorgesehene zusätzliche Diode DZ bei dem Normalbe¬ trieb gesperrt sind, ist der Stromfluss durch die Schmelzsi- cherung S und die erste und die zweite elektrische Zuleitung Zl, Z2 abhängig von der Ansteuerung der Leistungstransistoren T.
Werden jedoch das Versorgungspotenzial Up und das Bezugspo- tenzial Un miteinander vertauscht durch Verpolen der Batterie Bat, dann sind die Dioden D der Leistungstransistoren T und die gegebenenfalls vorgesehene zusätzliche Diode DZ in Durch¬ lassrichtung angeordnet und somit leitend.
Figur 2 zeigt ein Ersatzschaltbild der Schaltungsanordnung gemäß Figur 1 bei dem Verpolen der Batterie Bat. Ein Strom I durch die Schmelzsicherung S und durch die erste und die zweite elektrische Zuleitung Zl, Z2 ist dann deutlich höher als der Strom in dem Normalbetrieb, z.B. um einen Faktor zwi- sehen etwa drei und zehn. Der Strom I ist im Wesentlichen durch den Innenwiderstand der Batterie Bat vorgegeben und ist abhängig von einem Ladezustand der Batterie Bat. Die Schmelzsicherung S ist so dimensioniert, dass diese bei dem Strom I auslöst und die Hochstrom-Leistungsendstufe PA so elektrisch von der Batterie Bat trennt. Dadurch ist die Hochstrom- Leistungsendstufe PA vor Beschädigung durch das Verpolen der Batterie Bat geschützt. Voraussetzung für den Schutz der Hochstrom-Leistungsendstufe PA bei dem Verpolen der Batterie Bat ist, dass die Verlust¬ leistung in den Dioden D und der gegebenenfalls vorgesehenen zusätzlichen Diode DZ bis zum Auslösen der Schmelzsicherung S so gering bleibt, dass die Dioden D und die gegebenenfalls vorgesehene zusätzliche Diode DZ nicht beschädigt werden.
Versuche haben gezeigt, dass der Schutz eines elektrischen Verbrauchers vor Verpolen durch Parallelschalten nur einer Diode entsprechend der zusätzlichen Diode DZ nicht möglich oder sehr teuer ist, wenn bei dem Verpolen der Strom durch diese Diode mehrere hundert Ampere beträgt und dieser Strom für beispielsweise etwa zehn Sekunden ohne Zerstörung der Diode getragen werden muss, um das Auslösen der Schmelzsiche- rung S gewährleisten zu können. Die Anforderungen an die Stromtragfähigkeit dieser Diode und entsprechend auch ihr Preis sind dadurch sehr hoch.
Durch Verteilen der Verlustleistung auf mindestens vier Leis- tungstransistoren T bzw. deren Dioden D und durch geeignetes Dimensionieren der ersten und der zweiten Zuleitung Zl, Z2 werden die Anforderungen an die Stromtragfähigkeit jedes ein¬ zelnen Leistungstransistors T bzw. deren Diode D reduziert. Der Strom I teilt sich auf die drei elektrisch parallel zu- einander angeordneten Reihenschaltungen der jeweils zwei
Leistungstransistoren T und auf die gegebenenfalls vorgesehe¬ ne zusätzliche Diode DZ. Ferner sinkt der Stromfluss durch jede der drei Reihenschaltungen der Leistungstransistoren T aufgrund der Verdoppelung des Spannungsabfalls über den Rei- henschaltungen der Leistungstransistoren T gegenüber dem
Spannungsabfall über jeder einzelnen Diode D, der einer Diodenspannung UD entspricht. Dadurch wird die Batterie Bat we¬ niger belastet, d.h. der Strom I ist geringer, wenn die Batteriespannung Ubat auf die doppelte Diodenspannung UD be- grenzt ist, als wenn die Batteriespannung Ubat auf die einfa¬ che Diodenspannung UD begrenzt ist. Entsprechend dem geringe¬ ren Strom I ist auch die Verlustleistung reduziert, die jede einzelne Diode D aushalten muss. Dadurch sind die Anforderungen an die Dioden D und entsprechend an die Leistungstransis¬ toren T geringer, so dass preisgünstige Leistungstransistoren T gewählt werden können.
Die zusätzliche Diode DZ ist so ausgebildet, dass über dieser ebenfalls die doppelte Diodenspannung UD abfällt. Die zusätz¬ liche Diode DZ ist dazu beispielsweise als eine Reihenschal¬ tung zweier Einzeldioden mit der Diodenspannung UD ausgebil- det.
Figur 3 zeigt eine Ausführungsform der Hochstrom-Leistungs¬ endstufe PA. Auf einem Träger 1 sind die sechs Leistungstransistoren T in Form von jeweils einem Halbleiterchip 2 aufge- bracht, d.h., die Leistungstransistoren T weisen bevorzugt kein Gehäuse auf. Die erste und die zweite Zuleitung Zl, Z2 umfassen Bond-Drähte W, über die der jeweilige Halbleiterchip 2 mit Leiterbahnen gekoppelt ist, die auf dem Träger 1 ange¬ ordnet sind. Ferner sind die Leiterbahnen des Trägers 1 über Bond-Drähte W mit weiteren Leiterbahnen gekoppelt, die z.B. auf einer Leiterplatte angeordnet sind. Die Leiterbahnen, die weiteren Leiterbahnen und die Bond-Drähte W sind so dimensio¬ niert, dass sie den Strom I bei dem Vertauschen des Versorgungspotenzials Up und des Bezugspotenzials Un für eine Trag- Zeitdauer tragen können, die länger ist als eine Auslösezeitdauer der Schmelzsicherung S.
Die Auslösezeitdauer kann mehrere Sekunden betragen, da der bei dem Normalbetrieb der Hochstrom-Leistungsendstufe PA, al- so bei dem unverpolten Betrieb, fließende Strom bereits sehr hoch ist, z.B. in der Größenordnung von 100 Ampere, und der bei dem Verpolen fließende Strom I deshalb nur um einen Faktor von z.B. etwa drei bis zehn größer ist als dieser. Die Schmelzsicherung S muss jedoch so dimensioniert sein, dass sie bei dem Normalbetrieb der Hochstrom-Leistungsendstufe PA sicher nicht auslöst. Da die Leistungstransistoren T als Halbleiterchip 2 ohne Gehäuse auf dem Träger 1 angeordnet sind, besteht die Möglich¬ keit, die Stromtragfähigkeit der ersten und der zweiten Zu¬ leitung Zl, Z2 in dem Bereich der Bond-Drähte W sehr einfach durch die Wahl geeigneter Bond-Drähte W, z.B. bezüglich ihrer Dicke, oder durch die Wahl einer geeigneten Anzahl von zueinander parallel angeordneter Bond-Drähte W zu dimensionieren. Beispielsweise werden jeweils fünf zueinander parallel ange¬ ordnete Bond-Drähte W vorgesehen, um den Strom I tragen zu können, wenn für den Normalbetrieb, also den unverpolten Betrieb, bereits drei zueinander parallel angeordnete Bond- Drähte W ausreichend sind. Es können jedoch abhängig von den Anforderungen an die Stromtragfähigkeit auch mehr oder weniger Bond-Drähte W vorgesehen sein.

Claims

Patentansprüche :
1. Hochstrom-Leistungsendstufe, die umfasst
- mindestens vier Leistungstransistoren (T) , die jeweils eine Diode (D) aufweisen, die bei Normalbetrieb des jewei¬ ligen Leistungstransistors (T) gesperrt ist,
- zwei elektrische Zuleitungen, die die mindestens vier Leistungstransistoren (T) so mit einem Versorgungspotenzial (Up) und einem Bezugspotenzial (Un) koppeln, dass je- weils zwei der mindestens vier Leistungstransistoren (T) in Reihe angeordnet sind, und zwar elektrisch zwischen dem Versorgungspotenzial (Up) und dem Bezugspotenzial (Un) , und
- mindestens eine Schmelzsicherung (S) , die in mindestens einer der zwei elektrischen Zuleitungen elektrisch in Reihe zu den mindestens vier Leistungstransistoren (T) angeordnet ist und die auslösbar ist durch einen Strom (I), der bei Vertauschen des Versorgungspotenzials (Up) und des Bezugspotenzials (Un) durch die dann jeweils in Durchlass- richtung angeordnete Diode (D) der mindestens vier Leis¬ tungstransistoren (T) fließt.
2. Hochstrom-Leistungsendstufe nach Anspruch 1, bei der
- die mindestens vier Leistungstransistoren (T) jeweils als Halbleiterchip (2) unmittelbar auf einem gemeinsamen
Träger (1) angeordnet sind und
- mindestens eine der zwei elektrischen Zuleitungen mindestens einen Bond-Draht (W) umfasst.
3. Hochstrom-Leistungsendstufe nach einem der vorstehenden
Ansprüche, bei der mindestens eine zusätzliche Diode (DZ) so parallel zu den mindestens vier Leistungstransistoren (T) elektrisch zwischen dem Versorgungspotenzial (Up) und dem Bezugspotenzial (Un) angeordnet ist, dass diese bei Normalbetrieb der Hochstrom-Leistungsendstufe (PA) ge¬ sperrt ist und bei dem Vertauschen des Versorgungspotenzials (Up) und des Bezugspotenzials (Un) leitend ist.
EP06793712A 2005-09-29 2006-09-21 Hochstrom-leistungsendstufe Withdrawn EP1929606A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

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DE102005046682A DE102005046682A1 (de) 2005-09-29 2005-09-29 Hochstrom-Leistungsendstufe
PCT/EP2006/066590 WO2007036482A1 (de) 2005-09-29 2006-09-21 Hochstrom-leistungsendstufe

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EP06793712A Withdrawn EP1929606A1 (de) 2005-09-29 2006-09-21 Hochstrom-leistungsendstufe

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