WO2002011286A1 - Vorrichtung zur schnellen kurzschlussabsicherung bei einem leistungshalbleiter - Google Patents

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WO2002011286A1
WO2002011286A1 PCT/DE2001/002704 DE0102704W WO0211286A1 WO 2002011286 A1 WO2002011286 A1 WO 2002011286A1 DE 0102704 W DE0102704 W DE 0102704W WO 0211286 A1 WO0211286 A1 WO 0211286A1
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power semiconductor
load
circuit
current
voltage
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PCT/DE2001/002704
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French (fr)
Inventor
Torsten Mohr
Jörg Jehlicka
Ralf Moser
Thomas Hills
Ralf Hadeler
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Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/18—Modifications for indicating state of switch
    • 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
    • H02H7/20—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 electronic equipment
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H03K17/0822—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit in field-effect transistor switches

Definitions

  • the invention is based on a device for fast short-circuit protection in a power semiconductor according to the preamble of the independent claim.
  • a sense highside switch is described in the article "Sense highside switch performs fuse functions" by A. Blessing, A. Graf, P. Sommer in the magazine “Components 5-6 / 97", pages 32 to 35 (BTS 640S2), in which important protective functions are integrated.
  • An overtemperature cut-off and a current limitation are provided, which are constantly active. At a so-called sense output of the power semiconductor one can
  • Load current proportional signal can be tapped. This sense voltage is evaluated by an A / D converter of a microcontroller and processed for example for security purposes.
  • a short-circuit shutdown of the power semiconductor that can be applied in terms of value is desirable.
  • the applicable short-circuit shutdown is particularly important in connection with a dual-voltage on-board electrical system (12 V / 42 V) in order to make a short circuit between the two voltage levels manageable.
  • Short-circuit protection means are present between the two voltage levels of the multi-voltage electrical system, which largely reduce a short circuit and / or reduce the effects of a short circuit between the two voltages and / or protect or switch off endangered consumers in the event of a short circuit.
  • the evaluation of a possible overcurrent is carried out under program control in a microcontroller.
  • the device according to the invention for fast short-circuit protection in a power semiconductor comprises at least one power semiconductor via which a load current can be applied to at least one electrical load.
  • Current detection means are provided which provide a measure of the load current acting on the electrical load.
  • a semiconductor protection circuit controls the power semiconductor in a protective operation in the event of impending impairment of the power semiconductor.
  • Semiconductor protection circuit at least one further electronic component is provided which compares the load current or a measure of the load current with a limit value, monitoring means triggering the power semiconductor into a protective operation relating to the electrical load when the limit value is exceeded or fallen below.
  • the additional load current monitoring is implemented according to the invention by a hardware circuit. Compared to a software-based evaluation, there are advantages with regard to the speed of possible overload detection. This means that countermeasures can be initiated quickly that reliably protect the electrical load.
  • the value of the short-circuit shutdown of the power semiconductor can preferably be set by the user. The user is thus given the option of using a suitable
  • a locking circuit which activates the Power semiconductor is prevented if the limit is fallen below in the meantime. Since the switch-on and switch-off processes particularly endanger the power semiconductor and the electrical load, the locking circuit increases the protection against destruction of the
  • Power semiconductor and / or the electrical load The state of the lock can be queried for further processing.
  • the power semiconductor can only resume normal operation with a specific unlocking signal. This targeted influencing increases the possibility for a user to influence the protective function of the power semiconductor.
  • FIG. 1 and 2 show typical configurations of the power semiconductor
  • FIG. 3 shows an additional protective function implemented in the power semiconductor
  • FIG. 4 shows a protective function implemented outside the power semiconductor
  • FIG. 5 shows a typical dual-voltage electrical system in which the power semiconductors are preferably used.
  • An integrated power semiconductor 10 has at least one load output 12, via which an electrical load 24 can be supplied with a load current IL that is connected to ground 26 flows off.
  • a switching means 20 is provided, when it is closed, a control input 16 of the power semiconductor 10 is connected to a logic reference potential 22.
  • the power semiconductor 10 has a current mirror output 14, in which a current proportional to the load current IL flows through a measuring resistor 18 to the logic reference potential 22. The voltage drop VIS caused at the measuring resistor 18 is evaluated.
  • the individual components of the power semiconductor 10 are shown in more detail.
  • Various protection and evaluation functions are provided, such as a voltage source 30, an overvoltage protection 32, a current limitation 34, a gate protection 36, the actual circuit breaker 38, a voltage sensor 40, a charge pump 42, a protective circuit for inductive loads 44, and a current detection 46, an electrostatic discharge protection 48, a logic circuit 50 and a temperature sensor 52.
  • the external components correspond to those in FIG. 1.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 3 serves for an internal protective circuit which acts directly on the current limitation 34 of the power semiconductor 10.
  • the current mirror output 14 is connected via the measuring resistor 18 to the control input 16 in the event that the switching means 20 is closed and the power semiconductor 10 has thus been activated.
  • the voltage VIS dropping across the measuring resistor 18 is compared by a comparator 62 with a reference voltage 60.
  • the output signal of the comparator 62 is fed to the current limiter 34.
  • the voltage VIS dropping across the measuring resistor 18 is smoothed by a filter 70, which consists, for example, of an RC element.
  • the smoothed output voltage becomes a transistor stage 72 or alternatively an inverting one
  • Logic reference potential 22 is set in order to apply the load current IL to the electrical load 24 (not shown in FIG. 4).
  • G designate the generator, for example a claw-pole alternator that is driven by the vehicle engine.
  • the generator G supplies an output voltage UO of, for example, 42 V, which leads directly to the Charge the battery Bl with 36 V nominal voltage.
  • the line resistance between the generator G and the battery Bl is symbolized by the resistors R1 and R2.
  • the consumers that are to be supplied with the voltage UO are connected via a signal / power distributor VI.
  • three consumers R6, R7 and R8 are shown as examples of the electrical load 24, which can be connected to the generator G, for example, via power semiconductors Hl, H2 and H3. Due to their design, these power semiconductors Hl, H2 and H3 have the inverse diodes Dl, D2 and D3 and the internal resistors R3, R4 and R5.
  • a second battery B2 is charged by the generator G via a direct voltage converter W1.
  • the voltage Ul is supplied from the voltage converter Wl to the battery B2 via the
  • the resistance denoted by R9 also includes the internal resistance of the battery B2.
  • the battery B2 is used to supply consumers who require a lower voltage, for example 12 V or 14 V.
  • the connection is made via the signal power distributor V2.
  • These consumers are designated R13, R14 and R15, they can be connected via the power semiconductors H4, H5 and H6, which each have the inverse diodes D4, D5 and D6.
  • the line resistances between the consumers, R13, R14 and R15 are labeled RIO, Rll and R12.
  • this decision also includes a Zener diode ZI and a further diode D7, which together form an overvoltage protection.
  • the Zener diode ZI and the further diode D7 are only examples as possible
  • Called voltage limiting means It is also possible to use other limiter circuits.
  • the consumers are selected for one or the other voltage level depending on the
  • the starter can be connected to either the 12V battery or the 36 V battery.
  • the switch with the short-circuited 14 V load becomes conductive over the inverse diode of the power semiconductor in question and thus applies all 14 V consumers to 42 V, which means that the consumers that are not designed for it are at risk.
  • Such a short circuit is shown in FIG.
  • a resistor RK which is on the voltage side between the resistors R8 and R13, represents a short circuit ⁇ , the effects of which are reduced according to the invention. How a short circuit symbolized by the resistor R16 can be limited in its effects is explained in more detail below.
  • the measuring resistor 18 converts the output current IS of the current mirror output 14 into a voltage signal VIS, which is proportional to the load current IL, generally directly proportional.
  • the measuring resistor 18 is dimensioned in such a way that the current range of interest for the application, which is located between the value zero and the peak current, reaches a voltage range which is customary for an A / D converter, for example 0 to 5 V. is mapped.
  • the power semiconductor 10 is to be controlled in a protective operation.
  • Protective operation is understood to mean, for example, operation with a current limitation or the complete shutdown of the power semiconductor 10.
  • the comparator 62 compares the voltage VIS dropping across the measuring resistor 18 with the reference voltage 60. For the reasons already mentioned above, this is located at 5.5 V, for example, in order to reliably detect that the working range of the load current IL has been exceeded. If the voltage VIS falling across the measuring resistor 18 exceeds the reference voltage 60, the output signal of the comparator 62 activates the current limitation 34 already integrated in the power semiconductor 10. The current limiting circuit either effects the immediate one Switching off the power semiconductor 10, 38 or regulating the voltage drop across the measuring resistor 18 to a maximum of 5.5 V. This would limit the load current IL to a value proportional to the reference voltage 60.
  • the user can adapt the reference voltage 60 as desired to the respective application or to the electrical load 24 to be controlled.
  • This additional circuit is relatively small in comparison to the already existing circuit of the power semiconductor 10 and thus increases the additional costs only slightly.
  • the functionality of the power semiconductor 10 is greatly upgraded without having to intervene in the semiconductor switch itself. This means that the user's previous interconnection can remain the same.
  • the load 24 is acted upon by the load current IL.
  • the signal proportional to the load current IL is available at the current mirror output 14.
  • the voltage VIS falling across the measuring resistor 18 is smoothed by the (optional) RC element 70. That so smoothed output signal is fed to either the transistor stage 72 or the comparator stage 74 in order to carry out a monitoring for a predetermined limit value being exceeded.
  • the limit value is selected as the VCC signal, that is to say approximately 5 V.
  • either the transistor stage 72 or the comparator stage 74 output an output signal of logic zero.
  • This logic zero output signal is fed to the first AND gate 76, the output signal of which therefore also assumes the logic zero value. Since the output signal of the first AND gate 76 is also used as an input signal of the second AND gate 78, the output signal of the second AND gate 78 also changes its logic state to logic zero.
  • the switching means 86 is also no longer activated, so that the control input 16 is no longer set to logic reference potential 22. As a result, the power semiconductor 10 is switched off. The current flow IL through the load 24 is omitted.
  • a locking circuit is provided.
  • the output signal of the first AND gate 76 arrives at the second input of the first AND gate 76 via the self-holding resistor 80.
  • the logic zero signal is also present when the monitoring function is activated at the second input of the AND gate 76, so that the output signals of the two AND gates 76, 78 always remain at logic zero.
  • the status of the locking circuit can be queried via signal 84. It can be used for further evaluation purposes.
  • a locking signal with the logic zero status indicates that the protective function has been activated.
  • the user In order to be able to put the power semiconductors 10 back into operation, the user must send a signal 84 with the state logic one to the second input of the first and Lay gate 76.
  • the first AND gate 76 Since normally the load current IL will no longer have exceeded the limit value VCC, the first AND gate 76 has two logic one signals applied to it, so that its output signal also assumes the value logic one. In this way, the control signal 82 is switched through to the output of the second AND gate 78 in order to permit a desired activation of the switching means 86 with an associated application of the control input 16. The semiconductor 10 can thus be controlled again such that the load current IL can flow through the electrical load 24.
  • the power semiconductors 10 can be used as power semiconductors Hl-H6 in the manner already described. Especially in the event of a short circuit between the different voltage levels U1 and UO of the multi-voltage subnet, the electronic components help to detect an impermissible load current IL at an early stage and to initiate countermeasures.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur schnellen Kurzschlussabsicherung bei einem Leistungshalbleiter vorgeschlagen. Sie umfaßt zumindest einen Leistungshalbleiter (10, 38), über den zumindest eine elektrische Last (24) mit einem Laststrom (IL) beaufschlagbar ist. Die Stromerfassungsmittel (14, 18, 46) stellen ein Maß (VIS) für den die elektrische Last (24) beaufschlagende Laststrom (IL) bereit. Eine Halbleiterschutzschaltung (30, 32, 34, 36) steuert bei einer drohenden Beeinträchtigung des Leistungshalbleiters (10) den Leistungshalbleiter (10) in einem Schutzbetrieb an. Neben der Halbleiterschutzschaltung (30, 32, 34, 36) ist zumindest ein weiteres elektronisches Bauelement (62, 72, 74) vorgesehen, das den Laststrom (IL) oder ein Maß für den Laststrom mit einem Grenzwert (60, VCC) vergleicht, wobei Überwachungsmittel vorgesehen sind, die den Leistungshalbleiter (10) in einen Schutzbetrieb betreffend die elektrische Last (24) ansteuern bei Über- oder Unterschreiten des Grenzwertes (60, VCC).

Description

Vorrichtung zur schnellen Kurzschlussabsicherung bei einem Leistungshalbleiter
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur schnellen Kurzschlussabsicherung bei einem Leistungshalbleiter nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs . Aus dem Artikel "Sense-Highside-Schalter übernimmt Sicherungsfunktionen", von A. Blessing, A. Graf, P. Sommer in der Zeitschrift "Components 5-6/97", Seiten 32 bis 35, ist ein Sense- Highside-Schalter beschrieben (BTS 640S2) , in dem wichtige Schutzfunktionen integriert sind. So sind eine Übertemperaturabschaltung und eine Strombegrenzung vorgesehen, die ständig aktiv sind. An einem sogenannten Sense-Ausgang des Leistungshalbleiters kann ein einem
Laststrom proportionales Signal abgegriffen werden. Diese Sensespannung wird über einen A/D-Wandler eines MikroControllers ausgewertet und beispielsweise zu Sicherungszwecken weiterverarbeitet .
In diesem Leistungshalbleiter ist jedoch keine Möglichkeit vorgesehen, die interne Strombegrenzung bzw. den Abschaltstrom im Wert von außen zu verändern. Je nach Einsatz des Leistungshalbleiters sind die maximal auftretenden Spitzenströme der angeschlossenen Verbraucher sehr unterschiedlich. Zumeist ist die Strombegrenzung vom Hersteller der Leistungselektronik sehr hoch eingestellt, um den Schutz des Leistungshalbleiters selbst zu gewährleisten. Da nicht für jede Applikation ein genau angepasster Leistungshalbleiter bezüglich Dauerstrom und/oder maximalen Spitzenstrom verfügbar ist, müssen häufig überdimensionierte Leistungshalbleiter verwendet werden. Dies wiederum hat zur Folge, dass beispielsweise im Falle eines Kurzschlusses bis zu einer Erkennung und der Einleitung von Gegenmaßnahmen unnötig hohe Ströme über den Stecker, die Platine bzw. die Leiterbahn, den Leistungshalbleiter, das Kabel und die Kurzschlusssenke fHessen. Um nun die möglicherweise von einem Kurzschluss betroffenen Bauteile nicht auf den Kurzschlussstrom des Leistungshalbleiters dimensionieren zu müssen, ist eine schnelle im Wert applizierbare Kurzschlussabschaltung des Leistungshalbleiters wünschenswert. Gerade die applizierbare Kurzschlussabschaltung ist im Zusammenhang mit einem Zweispannungs-Bordnetz (12 V/42 V) besonders wichtig, um einen Kurzschluss zwischen den beiden Spannungsebenen beherrschbar zu machen.
Ein solches Mehrspannungsbordnetz ist beispielsweise in der nachveröffentlichten DE-A 199 448 33 beschrieben. Zwischen den beiden Spannungsebenen des Mehrspannungsbordnetzes sind Kurzschlussschutzmittel vorhanden, die einen Kurzschluss weitgehend verringern und/oder Auswirkungen eines Kurzschlusses zwischen den beiden Spannungen vermindern und/oder gefährdete Verbraucher im Kurzschlussfall schützen oder abschalten. Die Auswertung eines möglichen Überstroms wird programmgesteuert in einem Mikrocontroller vorgenommen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, die die Sicherheit gegenüber Kurzschlüssen erhöht. Dies soll auf kostengünstige Art und Weise erfolgen. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs .
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur schnellen Kurzschlussabsicherung bei einem Leistungshalbleiter umfasst zumindest einen Leistungshalbleiter, über den zumindest eine elektrische Last mit einem Laststrom beaufschlagbar ist. Es sind Stromerfassungsmittel vorgesehen, die ein Maß für den die elektrische Last beaufschlagenden Laststrom bereitstellt. Eine Halbleiterschutzschaltung steuert bei einer drohenden Beeinträchtigung des Leistungshalbleiters den Leistungshalbleiter in einem Schutzbetrieb an. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass neben der
Halbleiterschutzschaltung zumindest ein weiteres elektronisches Bauelement vorgesehen ist, das den Laststrom oder ein Maß des Laststroms mit einem Grenzwert vergleicht, wobei Überwachungsmittel bei Über- oder Unterschreiten des Grenzwertes den Leistungshalbleiter in einen Schutzbetrieb betreffend die elektrische Last ansteuern. Die zusätzliche Laststromüberwachung ist erfindungsgemäß durch eine Hardwareschaltung realisiert. Gegenüber einer softwarebasierten Auswertung ergeben sich Vorteile hinsichtlich der Schnelligkeit einer möglichen Überlasterkennung. Dadurch können rasch Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, die die elektrische Last zuverlässig schützen. Der Wert der Kurzschlussabschaltung des Leistungshalbleiters ist vorzugsweise vom Anwender einstellbar. Dem Anwender wird damit die Möglichkeit gegeben, durch eine geeignete
Dimensionierung des Grenzwertes den Leistungshalbleiter zur Ansteuerung beliebiger Lasten einzusetzen.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist eine Verriegelungsschaltung vorgesehen, die eine Aktivierung des Leistungshalbleiters bei zwischenzeitlichem Unterschreiten des Grenzwertes unterbindet. Da gerade die Ein- und Ausschaltvorgänge den Leistungshalbleiter und die elektrische Last besonders gefährden, erhöht die Verriegelungsschaltung den Schutz gegen Zerstörung des
Leistungshalbleiters und/oder der elektrischen Last. Der Zustand der Verriegelung kann zur Weiterverarbeitung abgefragt werden. Erst durch ein gezieltes Entriegelungssignal kann der Leistungshalbleiter wieder seinen Normalbetrieb aufnehmen. Diese gezielte Beeinflussung erhöht die Einflussnahmemöglichkeit eines Benutzers auf die Schutzfunktion des Leistungshalbleiters.
Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen die Figuren 1 und 2 typische Ausgestaltungen des Leistungshalbleiters, die Figur 3 eine im Leistungshalbleiter realisierte zusätzliche Schutzfunktion, die Figur 4 eine außerhalb des Leistungshalbleiters realisierte Schutzfunktion sowie die Figur 5 ein typisches Zweispannungsbordnetz, bei dem die Leistungshalbleiter vorzugsweise Verwendung finden.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Ein integrierter Leistungshalbleiter 10 weist zumindest einen Lastausgang 12 auf, über den eine elektrische Last 24 mit einem Laststrom IL versorgt werden kann, der gegen Masse 26 abfließt. Zur Aktivierung des Leistungshalbleiters 10 ist ein Schaltmittel 20 vorgesehen, bei dessen Schliessen ein Steuereingang 16 des Leistungshalbleiters 10 auf ein Logikbezugspotential 22 gelegt wird. Der Leistungshalbleiter 10 weist einen Stromspiegelausgang 14 auf, bei dem ein dem Laststrom IL proportionaler Strom über einen Messwiderstand 18 zum Logikbezugspotential 22 hin abfließt. Der am Messwiderstand 18 hervorgerufene Spannungsabfall VIS wird ausgewertet.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 sind die einzelnen Komponenten des Leistungshalbleiters 10 näher gezeigt. So sind verschiedene Schutz- und Auswertefunktionen vorgesehen, wie eine Spannungsquelle 30, ein Überspannungsschutz 32, eine Strombegrenzung 34, ein Gate-Schutz 36, der eigentliche Leistungsschalter 38, ein Spannungssensor 40, eine Ladungspumpe 42, eine Schutzschaltung für induktive Lasten 44, eine Stromerfassung 46, ein elektrostatischer Entladeschutz 48, eine Logikschaltung 50 sowie ein Temperatursensor 52. Ansonsten entsprechen die externen Komponenten denjenigen der Figur 1.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 dient einer internen, unmittelbar auf die Strombegrenzung 34 des Leistungshalbleiters 10 einwirkenden Schutzbeschaltung. Hierzu ist der Stromspiegelausgang 14 über den Messwiderstand 18 mit dem Steuereingang 16 für den Fall verbunden, dass das Schaltmittel 20 geschlossen ist und somit der Leistungshalbleiter 10 aktiviert wurde. Die am Messwiderstand 18 abfallende Spannung VIS wird durch einen Komparator 62 mit einer Referenzspannung 60 verglichen. Das Ausgangssignal des Komparators 62 ist der Strombegrenzung 34 zugeführt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 wird die an dem Messwiderstand 18 abfallende Spannung VIS durch ein Filter 70, das beispielsweise aus einem RC-Glied besteht, geglättet. Die geglättete Ausgangsspannung wird einer Transistorstufe 72 oder alternativ einem invertierenden
Eingang eines Komparators 74 zugeführt. Überschreitet die geglättete Spannung VIS einen bestimmten Grenzwert VCC, so werden sowohl das Ausgangssignal der Transistorstufe 72 als auch das der Komparatorstufe 74 Logisch Null. Diese Ausgangssignale sind einem ersten Und-Gatter 76 zugeführt, dessen Ausgangssignal einem zweiten Und-Gatter 78 als Eingangssignal dient. Das Ausgangssignal des ersten Und- ■ Gatters 76 gelangt über einen Selbsthaltewiderstand 80 an den zweiten Eingang des ersten Und-Gatters 76. Ein Entriegelungssignal 84 kann über eine Diode ebenfalls an den zweiten Eingang des ersten Und-Gatters 76 gelangen. Außerdem kann der Zustand der Verriegelungsschaltung bzw. der Selbsthalteschaltung über zwei Widerstände ebenfalls abgefragt werden über den Pin, über den auch das Entriegelungssignal 84 der Verriegelungsschaltung zuführbar ist. Auf den zweiten Eingang des zweiten Und-Gatters 78 wird die reguläre Ansteuerung 82 des Leistungshalbleiters 10 (und damit der Last 24) geführt. Bei einem Aktivierungswunsch im Normalbetrieb wird das Schaltmittel 86 so ansteuert, dass der Steuereingang 16 des Leistungshalbleiters 10 auf ein
Logikbezugspotential 22 gelegt wird, um die in Figur 4 nicht dargestellte elektrische Last 24 mit dem Laststrom IL zu beaufschlagen.
In Figur 5 sind wesentliche Bestandteile eines
Zweispannungsbordnetzes eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Im einzelnen bezeichnen G den Generator, beispielsweise einen Klauenpoldrehstromgenerator, der vom Fahrzeugmotor angetrieben wird. Der Generator G liefert eine AusgangsSpannung UO von beispielsweise 42 V, die direkt zur Ladung der Batterie Bl mit 36 V Nennspannung dient. Der Leitungswiderstand zwischen dem Generator G und der Batterie Bl wird durch die Widerstände Rl und R2 symbolisiert. Mit dem Generator G stehen die Verbraucher, die mit der Spannung UO versorgt werden sollen, über einem Signal-/Leistungs- Verteiler VI in Verbindung. Im einzelnen sind drei Verbraucher R6, R7 und R8 als Beispiele für die elektrische Last 24 dargestellt, die beispielsweise über Leistungshalbleiter Hl, H2 und H3 mit dem Generator G verbindbar sind. Diese Leistungshalbleiter Hl, H2 und H3 weisen bauartbedingt die Inversdioden Dl, D2 und D3 und die inneren Widerstände R3, R4 und R5 auf.
Eine zweite Batterie B2 wird vom Generator G über einen Gleichspannungswandler Wl geladen. Der
Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) Wl wandelt die Spannung UO = 42 V in eine Spannung Ul = 14 V, die zur Ladung der Batterie B2 mit einer Nennspannung von 12 V geeignet ist. Die Zuführung der Spannung Ul vom Spannungswandler Wl zur Batterie B2 erfolgt über den
Schalter Sl und die Leitung mit dem Leitungswiderstand R9. Der mit R9 bezeichnete Widerstand umfasst auch den Innenwiderstand der Batterie B2.
Die Batterie B2 dient zur Versorgung von Verbrauchern, die eine geringere Spannung benötigen, beispielsweise 12 V bzw. 14 V. Der Anschluss erfolgt über den Signal- Leistungsverteiler V2. Diese Verbraucher sind mit R13, R14 und R15 bezeichnet, sie können über die Leistungshalbleiter H4, H5 und H6, die jeweils die Inversdioden D4, D5 und D6 aufweisen zugeschaltet werden. Die Leitungswiderstände zwischen den Verbrauchern, R13, R14 und R15 sind mit RIO, Rll und R12 bezeichnet. Zu den Verbrauchern, die über den SLV2 mit 12 V bzw. 14 V versorgt werden sollen, gehört noch diese Entscheidung einer Zenerdiode ZI und einer weiteren Diode D7, die miteinander einen Überspannungsschutz bilden. Die Zenerdiode ZI und die weitere Diode D7 sind nur exemplarisch als mögliche
Spannungsbegrenzungsmittel genannt. Auch eine Verwendung sonstiger Begrenzerschaltungen ist möglich.
Die Auswahl der Verbraucher für die eine oder andere Spannungsebene erfolgt abhängig von den
Spannungserfordernissen für ihren optimalen Betrieb. Der Starter kann beispielsweise entweder an die 12V-Batterie oder die 36 V-Batterie angeschlossen werden. Bei Verwendung von Leistungshalbleitern auf der 14 V-Seite wird der Schalter mit der kurzgeschlossenen 14 V-Last über die stets vorhandene Inversdiode des betreffenden Leistungshalbleiters leitend und legt damit sämtliche 14 V-Verbraucher an 42 V, wodurch die Verbraucher, die dafür nicht ausgelegt sind, gefährdet sind. In Figur 5 ist ein solcher Kurzschluss dargestellt. Ein Widerstand RK, der spannungsseitig zwischen den Widerständen R8 und R13 liegt, stellt einen Kurzschluss ■ dar, der erfindungsgemäß in seinen Auswirkungen gemildert wird. Wie ein durch den Widerstand R16 symbolisierter Kurzschluss in seinen Auswirkungen beschränkt werden kann, wird im folgenden noch näher erläutert.
Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 1 und 2 wandelt der Messwiderstand 18 den Ausgangsstrom IS des Stromspiegelausgangs 14 in ein Spannungssignal VIS um, welches dem Laststrom IL proportional, in der Regel direktproportional ist. Der Messwiderstand 18 wird so bemessen, dass der für den Anwendungsfall interessierende Strombereich, der zwischen dem Wert Null und dem Spitzenstrom angesiedelt ist, auf einen für einen A/D- Wandler üblichen Spannungsbereich, beispielsweise 0 bis 5 V abgebildet wird. Sobald die am Messwiderstand 18 abfallende Spannung VIS größer als 5 V wird, ist man außerhalb des gewollten Strombereichs. Dies signalisiert in der Regel einen Fehlerfall wie beispielsweise einen Kurzschluss im Gesamtsystem. In diesem Fall soll der Leistungshalbleiter 10 in einem Schutzbetrieb angesteuert werden. Als Schutzbetrieb wird beispielsweise ein Betrieb mit einer Strombegrenzung oder die komplette Abschaltung des Leistungshalbleiters 10 verstanden.
In der Regel besitzen Leistungshalbleiter 10 keine Möglichkeit, das Logikbezugspotential 22 abzugreifen, um den Spannungsabfall am Messwiderstand 18 bezogen auf dieses Logikbezugspotential 22 zu erfassen. Zur Lösung dieser Problematik wird nun vorgeschlagen, die am Messwiderstand 18 abfallende Spannung VIS gegenüber dem am Steuereingang 16 abgreifbaren Potential zu messen. Denn im Falle einer Ansteuerung des Leistungshalbleiters 10 ist das Schaltmittel 20 geschlossen und dadurch der Steuereingang 16 auf das Logikbezugspotential 22 gelegt. Da jedoch nur im aktivierten Zustand des Leistungshalbleiters 10 eine Überwachung von Interesse ist, eignet sich der Steuereingang 16 für die genannte Applikation.
Gemäß Figur 3 vergleicht als elektronisches Bauelement der Komparator 62 die am Messwiderstand 18 abfallende Spannung VIS mit der Rreferenzspannung 60. Diese ist aus den bereits oben genannten Gründen beispielsweise bei 5,5 V angesiedelt, um sicher eine Überschreitung des Arbeitsbereiches des Laststroms IL zu detektieren. Überschreitet die am Messwiderstand 18 abfallende Spannung VIS die Referenzspannung 60, so aktiviert das Ausgangssignal des Komparators 62 die bereits im Leistungshalbleiter 10 integrierte Strombegrenzung 34. Die Strombegrenzungsschaltung bewirkt entweder die unmittelbare Abschaltung des Leistungshalbleiters 10, 38 oder regelt die am Messwiderstand 18 abfallende Spannung auf maximal 5,5 V. Damit wäre eine Begrenzung des Laststroms IL auf einen der Referenzspannung 60 proportionalen Wert erreicht. Der Anwender kann die Referenzspannung 60 nach Belieben an den jeweiligen Anwendungsfall bzw. an die anzusteuernde elektrische Last 24 anpassen. Diese Zusatzschaltung ist im Vergleich zu der bereits vorhandenen Schaltung des Leistungshalbleiters 10 relativ klein und erhöht somit die zusätzlichen Kosten nur geringfügig. Die Funktionalität des Leistungshalbleiters 10 wird jedoch stark aufgewertet, ohne Eingriffe im Halbleiterschalter selbst vornehmen zu müssen. Damit kann die bisherige Verschaltung des Anwenders gleich bleiben.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 sind nun externe Überwachungsmittel vorgesehen, die gleichzeitig auch eine rasche Abschaltung des Leistungshalbleiters 10 bewirken. Zur Realisierung der Schutzfunktion wird entgegen dem Ausführungsbeispiel bei Figur 3 nicht mehr auf die interne Strombegrenzung 34 des Leistungshalbleiters 10 zurückgegriffen. Stattdessen erfolgt die Abschaltung des Leistungshalbleiters 10 über den Steuereingang 16, wie nachfolgend ausgeführt wird. Im Normalbetrieb befindet sich der Laststrom IL innerhalb des zulässigen Bereichs. Deshalb besitzt das Ausgangssignal des ersten Und-Gatters 76 den Zustand Logisch 1, sodass die Ansteuerung 82 ungehindert an den Steuereingang des Schaltmittels 86 gelangt. Signalisiert die Ansteuerung 82 einen Aktivierungswunsch der Last 24, so legt das Schaltmittel 86 den Steuereingang 16 auf
Logikbezugspotential 22. Dadurch wird die Last 24 mit dem Laststrom IL beaufschlagt. Das dem Laststrom IL proportionale Signal steht am Stromspiegelausgang 14 zur Verfügung. Der am Messwiderstand 18 abfallende Spannung VIS wird durch das (optionale) RC-Glied 70 geglättet. Das so geglättete Ausgangssignal wird entweder der Transistorstufe 72 oder der Komparatorstufe 74 zugeführt, um eine Überwachung auf überschreiten eines vorgebaren Grenzwertes durchzuführen. Im Ausführungsbeispiel ist der Grenzwert als das VCC-Signal gewählt, liegt also bei ca. 5 V.
Überschreitet die an dem Messwiderstand 18 abfallende geglättete Spannung VIS die Referenzspannung VCC von 5 V, so geben entweder die Transistorstufe 72 oder die Komparatorstufe 74 ein Ausgangssignal von Logisch Null aus. Dieses Ausgangssignal von Logisch Null wird dem ersten Und- Gatter 76 zugeführt, dessen Ausgangssignal somit ebenfalls den Wert Logisch Null annimmt. Da das Ausgangsignal des ersten Und-Gatters 76 auch als Eingangsignal des zweiten Und-Gatters 78 Verwendung findet, ändert auch das Ausgangssignal des zweiten Und-Gatters 78 seinen logischen Zustand auf Logisch Null. Somit wird auch das Schaltmittel 86 nicht mehr angesteuert, sodass der Steuereingang 16 nicht mehr auf Logikbezugspotential 22 gelegt wird. Dadurch wird der Leistungshalbleiter 10 abgeschaltet. Der Stromfluss IL durch die Last 24 unterbleibt. Um ein sofortiges erneutes Aktivieren des Leistungshalbleiters 10 zu unterbinden, ist ein Verriegelungsschaltung vorgesehen. Hierzu gelangt das Ausgangssignal des ersten Und-Gatters 76 über den Selbsthaltewiderstand 80 an den zweiten Eingang des ersten Und-Gatters 76. Somit liegt auch das Signal Logisch Null bei einer einmal aktivierten Überwachungfunktion an dem zweiten Eingang des Und-Gatters 76, sodass die Ausgangssignale der beiden Und-Gatter 76, 78 ständig auf Logisch Null bleiben. Der Zustand der Verriegelungsschaltung kann über das Signal 84 abgefragt werden. Es kann für weitere Auswertezwecke herangezogen werden. Ein Verriegelungssignal mit dem Zustand Logisch Null signalisiert, dass die Schutzfunktion aktiviert wurde. Um nun die Leistunghalbleiter 10 wieder in Betrieb nehmen zu können, muß der Benutzer ein Signal 84 mit dem Zustand Logisch Eins, an den zweiten Eingang des ersten Und- Gatters 76 legen. Da im Normalfall der Laststrom IL den Grenzwert VCC nicht mehr überschritten haben wird, ist das erste Und-Gatter 76 mit zwei Signalen Logisch Eins beaufschlagt, sodass dessen Ausgangssignal ebenfalls den Wert Logisch Eins annimmt. Damit wird das Ansteuersignal 82 auf den Ausgang des zweiten Und-Gatters 78 durchgeschaltet, um eine wunschgemäße Aktivierung des Schaltmittels 86 mit zugehöriger Beaufschlagung des Steuereingangs 16 zuzulassen. Somit kann der Halbleiter 10 wieder so angesteuert werden, dass der Laststrom IL durch die elektrische Last 24 fliessen kann.
Die Leistungshalbleiter 10 können bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 in bereits beschriebener Weise als Leistungshalbleiter Hl - H6 eingesetzt werden. Gerade im Kurzschlussfall zwischen den verschiedenen Spannungsebenen Ul und UO des Mehrspannungspartnetzes tragen die elektronischen Bauelemente dazu bei, frühzeitig einen unzulässigen Laststrom IL zu detektieren und Gegenmaßnahmen einzuleiten.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur schnellen Kurzschlussabsicherung bei einem Leistungshalbleiter, - mit zumindest einem Leistungshalbleiter (10,38), über den zumindest eine elektrische Last (24) mit einem Laststrom (IL) beaufschlagbar ist,
- mit Stromerfassungsmitteln (46, 14, 18), die ein Maß (VIS) für den die elektrische Last (24) beaufschlagenden Laststrom (IL) bereitstellen, mit einer Halbleiterschutzschaltung (30, 32, 34, 36) , die bei einer drohenden Beeinträchtigung des Leistungshalbleiters (10, 38) den Leistungshalbleiter (10,38) in einem Schutzbetrieb ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass neben der
Halbleiterschutzschaltung (30, 32, 34, 36) zumindest ein weiteres elektronisches Bauelement (62, 72, 74) vorgesehen ist, das den Laststrom (IL) oder ein Maß (VIS) des Laststroms mit einem Grenzwert (60, VCC) vergleicht, wobei Überwachungsmittel (34, 76, 78, 86) vorgesehen sind, die den Leistungshalbleiter (10,38) in einem Schutzbetrieb betreffend die elektrische Last (24 ) ansteuern bei Überoder Unterschreiten des Grenzwertes (60, VCC) .
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als elektronisches Bauelement ein Komparator (62, 74) und/oder eine Transistorstufe (72) vorgesehen sind.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verriegelungsschaltung vorgesehen ist, die eine erneute Einleitung des Schutzbetriebs betreffend der elektrischen Last (24) unterbindet.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Über- oder Unterschreitung des Grenzwerts (60, VCC) in einem Schutzbetrieb betreffend die elektrische Last (24) die Halbleiterschaltung (30, 32, 34, 36) aktiviert ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereingang (16) des Leistungshalbleiters (10, 38) zur Stromerfassung verwendet ist.
6. Vorichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand der Verriegelungsschaltung erfasst ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Schutzbetrieb betreffend die elektrische Last (24) die elektrische Last
(24) mit keinem oder einem maximal zulässigen Laststrom (IL) beaufschlagt ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Verwendung in einem Zweispannungsbordnetz eines Kraftfahrzeugs.
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