WO2012123276A1 - Vorrichtung zum abschalten eines leistungs-transistors - Google Patents

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WO2012123276A1
WO2012123276A1 PCT/EP2012/053768 EP2012053768W WO2012123276A1 WO 2012123276 A1 WO2012123276 A1 WO 2012123276A1 EP 2012053768 W EP2012053768 W EP 2012053768W WO 2012123276 A1 WO2012123276 A1 WO 2012123276A1
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transistor
field effect
power field
effect transistor
series circuit
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Inventor
Stefan Butzmann
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Robert Bosch Battery Systems GmbH
SB LiMotive Co Ltd
Original Assignee
SB LiMotive Germany GmbH
SB LiMotive Co Ltd
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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
    • H03K17/08—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
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/0072—Low side switches, i.e. the lower potential [DC] or neutral wire [AC] being directly connected to the switch and not via the load

Definitions

  • the present invention relates to a device for switching off a power field effect transistor in the short circuit of its load.
  • FIG. 1 shows a typical configuration in which a power MOSFET 10 is driven by a microcontroller 30 via a driver 20. Since these output stages are usually electrically connected to the pins of a plug, there is a risk that they are short-circuited from the outside, for example, when the load 40 has a defect.
  • one possible remedy for this case is the use of a shunt resistor 50, over which a high current flows in the event of a short circuit, which can be detected by a circuit for overcurrent detection 60. It is then a corresponding error to the
  • Microcontroller 30 reported back, which then turns off the power amplifier 20, or the driver 20 is deactivated directly via an analog circuit 60 for a certain time.
  • FIG. 3 shows a further possibility according to the prior art, wherein the temperature of the transistor 10 is to be measured via a temperature sensor 70. In this case, when an excess temperature is reached, the shutdown of
  • Power amplifier 20 brought about. This method is particularly important intelligent power MOSFETs application where the temperature dependent element is glued directly to the chip and when
  • a thyristor is fired to shut off the gate.
  • Circuit arrangement comprises means which set the gate-source voltage of the power MOSFET to a lower value than the input voltage when its drain-source voltage is above a predetermined value.
  • the means to a series circuit of a Zener diode and a transistor. This series connection is between the
  • the disadvantage here is that the gate-source voltage of the power MOSFETs is set in the short circuit of its load to such a value that the power MOSFET remains conductive. As a result, the short circuit in the circuit arrangement possibly remains unnoticed, the power MOSFET is operated despite a faulty condition and thus permanently damaged.
  • Short circuit includes its load.
  • the funds have a
  • Source connection connects.
  • a source connection connects.
  • the device according to the invention has the advantage that the power MOSFET
  • Power field effect transistor is switched off in a simple and cost-effective manner by short-circuiting its load by means of a transistor series connection. This is done by using the gate terminal of the
  • Power field effect transistor having a location having the electrical potential of its source terminal is conductively connected by means of the transistor series circuit. In the event of a short circuit, the transistors of the
  • the source terminal of the power field effect transistor is coupled to ground, and that the gate terminal of the power MOSFET on the
  • Transistor series circuit is connected to ground. As a result, it can be achieved that the gate terminal of the power field-effect transistor is connected to the electrical potential of its source terminal in a simple and reliable manner.
  • the transistor series circuit can be easily connected by two series-connected transistors, in particular by two series-connected transistors
  • Field effect transistors can be realized. In a particular embodiment of the invention is between the
  • Gate resistance much greater than the internal resistance of the short-circuit conducting transistor series circuit. In the event of a short circuit, current then flows through the transistor series connection between the gate terminal of the power field effect transistor and the point with the potential of the
  • Power field effect transistor is turned on by its control and there is no short circuit to the load of the power field effect transistor.
  • the first transistor of the transistor series circuit is turned on only in the event of a short circuit to conduct the current. This will be the first transistor of the
  • Transistor series circuit used gently and rubbed only in the event of a short circuit, whereby a premature wear is avoided. It also prevents the first transistor from turning on too early if there is no short circuit. Another transistor of the transistor series circuit can therefore be turned off before turning on the first transistor, if there is no short circuit and the gate of the other transistor to a low Potential, in particular to ground, is pulled when a current flows through the load. This ensures that in the case where there is no short circuit, always at least one transistor of the transistor series circuit is turned off.
  • the low-pass is very simply realized by a resistor and a capacitor, wherein the resistance between the drive of the power field effect transistor and the gate terminal of the first transistor of the transistor series circuit and the capacitor between the
  • the gate terminal of a second transistor of the transistor series circuit and the drain terminal of the power field effect transistor are electrically coupled together. This will allow the
  • Power field effect transistor and the transistor series circuit can be easily electrically coupled together. In a preferred embodiment of the invention is between the
  • the potential of the gate terminal can be pulled to such a high potential that between the gate and the source terminal of the second transistor of the transistor series circuit is applied a very high voltage.
  • the gate-source voltage of the second transistor of the series circuit is limited so that the second transistor of the transistor series circuit is operated below its maximum power loss. This will be a
  • the protection circuit is provided by a Zener diode and a
  • Transistor series circuit is coupled to ground, adjusts a limited gate-source voltage of the second transistor of the transistor series circuit. As a result, the second transistor of the transistor series circuit is operated below its maximum power loss and remain undamaged for a long time.
  • the zener voltage of the grounded Zener diode is exceeded and the Zener diode becomes conductive. In this case, a current flows through the Zener diode to ground and the gate potential of the second transistor of the transistor series circuit is pulled to ground. Since the source potential of the second transistor of the transistor series circuit is also coupled to ground, the gate-source voltage of the second decreases
  • FIG. 1 shows a first schematic circuit arrangement of a device for protecting a power field effect transistor according to the prior art
  • FIG. 2 shows a second schematic circuit arrangement of a device for protecting a power field effect transistor according to the prior art
  • FIG. 3 shows a third schematic circuit arrangement of a device for protecting a power field effect transistor according to the prior art
  • FIG. 4 shows a schematic circuit arrangement of a device according to the invention for switching off a power field effect transistor according to a first embodiment of the invention
  • Figure 5 shows a schematic circuit arrangement of an inventive device for switching off a power field effect transistor according to a second embodiment of the invention.
  • Figure 4 is a schematic circuit arrangement of a
  • Power field effect transistor 10 according to a first embodiment of the invention, which has a transistor series circuit 80 which connects the gate terminal of the power field effect transistor 10 to the electrical potential of its source terminal.
  • the source terminal of the power field-effect transistor 11 is coupled directly to the ground 90.
  • the gate terminal of the power field effect transistor 10 is over the
  • Transistor series circuit 80 coupled to the ground 91.
  • Power field effect transistor 10 includes a microcontroller 30 and a driver 20.
  • the transistor series circuit 80 comprises two field-effect transistors 81 and 82. It is between the drive 35 of the
  • Transistor 81 of the transistor series circuit 80 is connected.
  • Capacitor 112 is connected between the gate terminal of first transistor 81 of transistor series circuit 80 and ground 92.
  • the gate terminal of a second transistor 82 of the transistor series circuit 80 and the drain terminal of the power field effect transistor 10 are electrically coupled to one another.
  • Device is the power field effect transistor 10 in particular a
  • Power MOSFET 10 which is controlled by the microcontroller 30 with a downstream driver output stage (driver power amplifier) 20 via a gate resistor 105.
  • Power field effect transistor 10 are connected via the transistors 81 and 82 to ground 91.
  • the gate terminal of the second transistor 82 of the transistor series circuit 80 is at a high potential. Consequently, the second transistor 82 of the transistor series circuit 80 is conductive, while the first transistor 81 of the transistor series circuit 80 is off. If the power field-effect transistor 10 is now to be switched on, the point A between the driver 20 and the
  • Driver circuit 20 to a voltage greater than or equal to
  • Power field effect transistor 10 drops to zero. About the load resistor 40 then drops a voltage U B.
  • Transistor series circuit 80 turns off in this case, before the first
  • Transistor 81 of the transistor series circuit 80 turns on.
  • Transistor 82 of transistor series circuit 80 turns off in this case because its gate potential is pulled to ground. If the second transistor 82 of the transistor series circuit 80 is a
  • Bipolar transistor acts, it would also turn off, because due to its internal resistance no base current would flow.
  • Transistor series circuit 80 turns on too late, so in the event that both
  • Transistors 81 and 82 of the transistor series circuit 80 are turned on, the power field effect transistor 10 is turned off because its gate terminal is coupled to the point B and the potential of the point B and thus the gate potential of the power field effect transistor 10 through the
  • Transistor series circuit 80 are pulled to ground. This reduces the
  • Gate-source voltage of the power field effect transistor 10 is approximately zero and the power field effect transistor 10 is turned off.
  • Transistor series circuit 80 also on, and the
  • Power field effect transistor 10 is turned off because the current drains through the series transistor 80 and therefore the voltage at point B decreases again because, when current is flowing, then the voltage across the
  • Gate resistance 105 drops again.
  • FIG. 5 is a schematic circuit arrangement of a device 100 according to the invention for protecting a power field effect transistor 10 according to a second embodiment of the invention.
  • Power field effect transistor 10 can be advantageous even at high
  • Gate terminal of the second transistor 82 of the transistor series circuit 80 by a protection circuit 120 (shown here by a series resistor 121 and a Zener diode 122) is protected from overvoltage.
  • the protective circuit 120 includes the series resistor 121 and the Zener diode 122.
  • the series resistor 121 is connected between the gate terminal of the second transistor 82 of the
  • the Zener diode 122 is connected between the gate terminal of the second transistor 82 of the transistor series circuit 80 and a ground 93 reverse to its forward direction. In the presence of a short circuit of the load 40 of the power field effect transistor 10, between the drain terminal of the power field effect transistor 10 and the gate terminal of the second transistor 82 of the
  • Transistor series circuit 80 a high voltage applied, which drops because of the small internal resistance of the transistor series circuit for the most part via the resistor 121.
  • the gate potential of the second transistor 82 of the transistor series circuit 80 is pulled to a potential basically limited by the bias resistor 121. Since the source terminal of the second transistor 82 of the transistor series circuit 80 is coupled to ground 91, a limited gate-source voltage of the second transistor 82 of the transistor series circuit 80 is established. As a result, the second transistor 82 of the transistor series circuit 80 is operated below its maximum power loss and remains undamaged for a long time.
  • the power field effect transistor 10 and the gate terminal of the second transistor 82 of the transistor series circuit 80 should be so large that the gate terminal of the second transistor 82 of the transistor series circuit 80 is pulled too high a potential, then the reverse voltage of at
  • Transistor series 80 is pulled to ground. Since that
  • Source potential of the second transistor 82 of the transistor series circuit 80 is also coupled to ground 91, the gate-source voltage of the second transistor 82 of the transistor series circuit 80 decreases to zero. The second transistor 82 of the transistor series circuit 80 is then turned off and thus protected from damage.
  • the device according to the invention is particularly applicable in
  • Motor vehicles are used with electric drive motor.

Landscapes

  • Electronic Switches (AREA)
  • Protection Of Static Devices (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (100) zum Abschalten eines Leistungs-Feldeffekttransistors (10) beim Kurzschluss seiner Last (40) beschrieben, wobei die Vorrichtung (100) zum Schützen des Leistungs-Feldeffekttransistors (10) Mittel zum Abschalten des Leistungs-Feldeffekttransistors (10) umfasst, wobei die Mittel eine Transistor-Reihenschaltung (80) aufweisen, die den Gate-Anschluss des Leistungs-Feldeffekttransistors (10) mit dem elektrischen Potenzial (90, 91) seines Source-Anschlusses verbindet.

Description

Beschreibung Titel
Vorrichtung zum Abschalten eines Leistungs-Transistors
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abschalten eines Leistungs-Feldeffekttransistors beim Kurzschluss seiner Last.
Stand der Technik
In vielen Steuergeräten für automotive und industrielle Anwendungen werden so genannte Leistungsendstufen (Leistungsverstärker) eingesetzt, die dazu dienen, eine Last mit einem hohen Strom zu versorgen. Figur 1 zeigt eine typische Konfiguration, bei der ein Leistungs-MOSFET 10 über einen Treiber 20 von einem Mikrocontroller 30 angesteuert wird. Da diese Endstufen elektrisch meist mit den Pins eines Steckers verbunden sind, besteht die Gefahr, dass sie von außen kurzgeschlossen werden, beispielsweise wenn die Last 40 einen Defekt aufweist.
Wie in der Figur 2 gezeigt, ist eine mögliche Abhilfemaßnahme für diesen Fall der Einsatz eines Shunt-Widerstands 50, über welchem im Kurzschlussfall ein hoher Strom fließt, was durch eine Schaltung zur Überstromerkennung 60 erkannt werden kann. Es wird dann ein entsprechender Fehler an den
Mikrocontroller 30 zurückgemeldet, welcher die Leistungs-Endstufe 20 dann abschaltet, oder es wird der Treiber 20 direkt über eine Analogschaltung 60 für eine gewisse Zeit deaktiviert.
Figur 3 zeigt eine weitere Möglichkeit nach dem Stand der Technik, wobei die Temperatur des Transistors 10 über einen Temperatursensor 70 zu messen ist. Dabei wird bei Erreichen einer Übertemperatur die Abschaltung der
Leistungs-Endstufe 20 herbeigeführt. Dieses Verfahren findet insbesondere bei intelligenten Leistungs-MOSFETs Anwendung, bei denen das temperaturabhängige Element direkt auf den Chip geklebt wird und beim
Erreichen einer Schwelltemperatur ein Thyristor zum Abschalten des Gates gezündet wird.
Nachteilig an diesen Verfahren ist, dass sowohl der Einsatz eines
Shunt-Widerstands wie auch die Verwendung selbstschützender
Leistungs-MOSFETs relativ kostenintensiv sind. Aus der EP 0 384 937 A1 ist eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines
Leistungs-MOSFETs bei Kurzschluss seiner Last bekannt, wobei die
Schaltungsanordnung Mittel aufweist, die die Gate-Source-Spannung des Leistungs-MOSFETs auf einen niedrigeren Wert als die Eingangspannung einstellen, wenn seine Drain-Source-Spannung über einem vorgegebenen Wert liegt. Dabei weisen die Mittel eine Reihenschaltung aus einer Zener-Diode und einem Transistor auf. Diese genannte Reihenschaltung ist zwischen dem
Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss des Leistuns-MOSFETs geschaltet.
Nachteilig dabei ist, dass die Gate-Source-Spannung des Leistungs-MOSFETs auch im Kurzschluss seiner Last auf einen solchen Wert eingestellt wird, dass der Leistungs-MOSFET leitend bleibt. Dadurch bleibt der Kurzschluss in der Schaltungsanordnung möglicherweise unbeobachtet, der Leistungs-MOSFET wird trotz eines fehlerhaften Zustands weiter betrieben und dadurch auf Dauer beschädigt.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Schützen eines
Leistungs-Feldeffekttransistors beim Kurzschluss seiner Last bereitgestellt, wobei die Vorrichtung Mittel zum Abschalten des Leistungs-Feldeffekttransistors beim
Kurzschluss seiner Last umfasst. Die Mittel weisen eine
Transistor-Reihenschaltung auf, die den Gate-Anschluss des
Leistungs-Feldeffekttransistors mit dem elektrischen Potenzial seines
Source-Anschlusses verbindet. Insbesondere wird ein
Leistungs-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (Leistungs-MOSFET) verwendet beziehungsweise geschützt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass der
Leistungs-Feldeffekttransistor beim Kurzschluss seiner Last auf einfache und kostengünstige Weise mittels einer Transistor-Reihenschaltung abgeschaltet wird. Das geschieht, indem der Gate-Anschluss des
Leistungs-Feldeffekttransistors mit einer Stelle, die das elektrische Potenzial seines Source-Anschlusses aufweist, mittels der Transistor-Reihenschaltung leitend verbunden ist. Im Kurzschlussfall werden die Transistoren der
Reihenschaltung leitend geschaltet, und der Strom fließt dann über die
Transistor-Reihenschaltung zwischen dem Gate-Anschluss des
Leistungs-Feldeffekttransistors und der Stelle mit dem elektrischen Potenzial seines Source-Anschlusses. Da die Transistoren der Reihenschaltung einen sehr kleinen Innenwiderstand haben, wird der Gate-Anschluss des
Leistungs-Feldeffekttransistors auf das Potenzial seines Source-Anschlusses gezogen. Dadurch wird der Leistungs-Feldeffekttransistor abgeschaltet.
Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein Kurzschluss der Last des Leistungs-Feldeffekttransistors erkannt und der Leistungs-Feldeffekttransistor ausgeschaltet, wodurch sichergestellt wird, dass der
Leistungs-Feldeffekttransistor in einem fehlerhaften Zustand nicht mehr weiter betrieben wird und nicht beschädigt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Source-Anschluss des Leistungs-Feldeffekttransistors an Masse gekoppelt ist, und dass der Gate-Anschluss des Leistungs-MOSFETs über die
Transistor-Reihenschaltung mit Masse verbunden ist. Dadurch kann erreicht werden, dass der Gate-Anschluss des Leistungs-Feldeffekttransistors mit dem elektrischen Potenzial seines Source-Anschlusses in einfacher und sicherer Weise verbunden wird.
Die Transistor-Reihenschaltung kann in einfacher Weise durch zwei in Reihe geschaltete Transistoren, insbesondere durch zwei in Reihe geschaltete
Feldeffekttransistoren, realisiert werden. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der
Ansteuerung des Leistungs-Feldeffekttransistors und dem Gate-Anschluss des Leistungs-Feldeffekttransistors ein Gate-Widerstand geschaltet. Dadurch wird es möglich, dass der Gate-Anschluss des Leistungs-Feldeffekttransistors auf das Potenzial seines Source-Anschlusses, insbesondere auf Masse gezogen wird. Wenn der Gate-Anschluss des Leistungs-Feldeffekttransistors auf ein solches hohes Potenzial durch die Ansteuerung des Leistungs-Feldeffekttransistors gezogen wird, dass zwischen dem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss des Leistungs-Feldeffekttransistors eine Spannung vorliegt, die größer als seine Threshold-Spannung ist, und ein Kurzschluss der Last des
Leistungs-Feldeffekttransistors vorliegt, liegt der größte Teil der von der
Ansteuerung des Leistungs-Feldeffekttransistors erzeugten Spannung an dem
Gate-Wderstand, der viel größer als der Innenwiderstand der im Kurzschlussfall leitenden Transistor-Reihenschaltung ist. Im Kurzschlussfall fließt dann Strom durch die Transistor-Reihenschaltung zwischen dem Gate-Anschluss des Leistungs-Feldeffekttransistors und der Stelle mit dem Potenzial des
Source-Anschlusses des Leistungs-Feldeffekttransistors. So wird das Potenzial des Gate-Anschlusses des Leistungs-Feldeffekttransistors auf das Potenzial seines Source-Anschlusses, insbesondere auf Masse, gezogen und der
Leistungs-Feldeffekttransistor in einfacher Weise abgeschaltet. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der
Ansteuerung des Leistungs-Feldeffekttransistors und dem Gate-Anschluss eines ersten Feldeffekttransistors der Transistor-Reihenschaltung ein Tiefpass geschaltet. Aufgrund der von dem Tiefpass erzeugten zeitlichen Verzögerung einer von dem Tiefpass ausgegebenen Ausgangsspannung im Vergleich zu einer an dem Tiefpass liegenden Eingangsspannung bleibt der erste Transistor der
Transistor-Reihenschaltung ausgeschaltet, wenn der
Leistungs-Feldeffekttransistor durch seine Ansteuerung eingeschaltet wird und kein Kurzschluss an der Last des Leistungs-Feldeffekttransistors vorliegt. Der erste Transistor der Transistor-Reihenschaltung wird erst im Kurzschlussfall eingeschaltet, um den Strom zu leiten. Dadurch wird der erste Transistor der
Transistor-Reihenschaltung schonend eingesetzt und nur im Kurzschlussfall berieben, wodurch eine verfrühte Abnutzung vermieden wird. Außerdem wird verhindert, dass der erste Transistor zu früh eingeschaltet wird, wenn kein Kurzschluss vorliegt. Ein anderer Transistor der Transistor-Reihenschaltung kann daher vor dem Einschalten des ersten Transistors abgeschaltet werden, wenn kein Kurzschluss vorliegt und das Gate des anderen Transistors auf ein niedriges Potenzial, insbesondere auf Masse, gezogen wird, wenn ein Strom durch die Last fließt. Dadurch wird sichergestellt, dass in dem Fall, wenn kein Kurzschluss vorliegt, immer mindestens ein Transistor der Transistor-Reihenschaltung ausgeschaltet ist.
Insbesondere wird der Tiefpass sehr einfach durch einen Widerstand und einen Kondensator realisiert, wobei der Widerstand zwischen der Ansteuerung des Leistungs-Feldeffekttransistors und dem Gate-Anschluss des ersten Transistors der Transistor-Reihenschaltung und der Kondensator zwischen dem
Gate-Anschluss des ersten Transistors der Transistor-Reihenschaltung und
Masse geschaltet sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Gate-Anschluss eines zweiten Transistors der Transistor-Reihenschaltung und der Drain-Anschluss des Leisungs-Feldeffekttransistors elektrisch miteinander gekoppelt sind. Dadurch wird ermöglicht, dass der
Leistungs-Feldeffekttransistor und die Transistor-Reihenschaltung einfach miteinander elektrisch gekoppelt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem
Gate-Anschluss des zweiten Transistors der Transistor-Reihenschaltung und dem Drain-Anschluss des Leistungs-Feldeffekttransistors eine Schutzschaltung zum Schützen des zweiten Transistors der Transistor-Reihenschaltung geschaltet, die die Gate-Source-Spannung des zweiten Transistors der
Reihenschaltung begrenzt.
Denn bei Vorliegen eines Kurzschlusses der Last des
Leistungs-Feldeffekttransistors kann das Potenzial des Gate-Anschlusses auf ein solches hohes Potenzial gezogen werden, dass zwischen dem Gate- und dem Source-Anschluss des zweiten Transistors der Transistor-Reihenschaltung eine sehr hohe Spannung anliegt. Durch die vorhandene Schutzvorrichtung wird die Gate-Source-Spannung des zweiten Transistors der Reihenschaltung so begrenzt, dass der zweite Transistor der Transistor-Reihenschaltung unterhalb seiner maximalen Verlustleistung betrieben wird. Dadurch wird eine
Beschädigung des zweiten Transistors der Transistor-Reihenschaltung vermieden. Insbesondere ist die Schutzschaltung durch eine Zener-Diode und einen
Vorwiderstand realisiert, wobei die Zener-Diode zwischen dem Gate-Anschluss des zweiten Transistors der Transistor-Reihenschaltung und Masse umgekehrt zu ihrer Durchlassrichtung geschaltet ist und der Vorwiderstand zwischen dem Gate-Anschluss des zweiten Transistors der Transistor-Reihenschaltung und dem Drain-Anschluss des Leistungs-Feldeffekttransistors geschaltet ist.
Falls zwischen dem Drain-Anschluss des Leistungs-Feldeffekttransistors und dem Gate-Anschluss des zweiten Transistors der Transistor-Reihenschaltung eine hohe Spannung anliegt, so fällt diese wegen des kleinen Innenwiderstandes der Transistor-Reihenschaltung zum größten Teil über den Vorwiderstand ab. So wird das Gate-Potenzial des zweiten Transistors der Transistor-Reihenschaltung auf ein grundsätzlich durch den Vorwiderstand begrenztes Potenzial gezogen. Da der Source-Anschluss des zweiten Transistors der
Transistor-Reihenschaltung mit Masse gekoppelt ist, stellt sich eine begrenzte Gate-Source-Spannung des zweiten Transistors der Transistor-Reihenschaltung ein. Dadurch wird der zweite Transistor der Transistor-Reihenschaltung unterhalb seiner maximalen Verlustleistung betrieben und langzeitig unbeschädigt bleiben.
Sollte die Spannung zwischen dem Drain-Anschluss des
Leistungs-Feldeffekttransistors und dem Gate-Anschluss des zweiten Transistors der Transistor-Reihenschaltung beim Vorliegen eines Kurzschlusses der Last des Leistungs-Feldeffekttransistors doch so groß sein, dass insbesondere, trotz der Verwendung des Vorwiderstands, der Gate-Anschluss des zweiten
Transistors der Transistor-Reihenschaltung auf ein zu hohes Potenzial gezogen wird, so wird die Zenerspannung der an Masse gekoppelten Zener-Diode überschritten und die Zener-Diode wird leitend. In diesem Fall fließt ein Strom durch die Zener-Diode zur Masse hin und das Gate-Potenzial des zweiten Transistors der Transistor-Reihenschaltung wird auf Masse gezogen. Da das Source-Potenzial des zweiten Transistors der Transistor-Reihenschaltung auch an Masse gekoppelt ist, sinkt die Gate-Source-Spannung des zweiten
Transistors der Transistor-Reihenschaltung auf Null. Der zweite Transistor wird dann abgeschaltet und so vor jeglicher Beschädigung geschützt. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine erste schematische Schaltungsanordnung einer Vorrichtung zum Schützen eines Leistungs-Feldeffekttransistors nach dem Stand der Technik,
Figur 2 eine zweite schematische Schaltungsanordnung einer Vorrichtung zum Schützen eines Leistungs-Feldeffekttransistors nach dem Stand der Technik,
Figur 3 eine dritte schematische Schaltungsanordnung einer Vorrichtung zum Schützen eines Leistungs-Feldeffekttransistors nach dem Stand der Technik,
Figur 4 eine schematische Schaltungsanordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abschalten eines Leistungs-Feldeffekttransistors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und
Figur 5 eine schematische Schaltungsanordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abschalten eines Leistungs-Feldeffekttransistors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 4 wird eine schematische Schaltungsanordnung einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zum Abschalten eines
Leistungs-Feldeffekttransistors 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt, die eine Transistor-Reihenschaltung 80 aufweist, die den Gate-Anschluss des Leistungs-Feldeffekttransistors 10 mit dem elektrischen Potenzial seines Source-Anschlusses verbindet. Bei der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung ist der Source-Anschluss des Leistungs-Feldeffekttransistors 11 direkt an der Masse 90 gekoppelt. Der Gate-Anschluss des Leistungs-Feldeffekttransistors 10 ist über die
Transistor-Reihenschaltung 80 mit der Masse 91 gekoppelt.
Dabei ist zwischen der Ansteuerung 35 des Leistungs-Feldeffekttransistors 10 und dem Gate-Anschluss des Leistungs-Feldeffekttransistors 10 ein
Gate-Widerstand 105 geschaltet. Die Ansteuerung 35 des
Leistungs-Feldeffekttransistors 10 umfasst einen Mikrocontroller 30 und einen Treiber 20.
Weiterhin umfasst die Transistor-Reihenschaltung 80 zwei Feldeffekttransistoren 81 und 82. Dabei ist zwischen der Ansteuerung 35 des
Leistungs-Feldeffekttransistors 10 und dem Gate-Anschluss eines ersten Transistors 81 der Transistor-Reihenschaltung 80 ein Tiefpass 110 geschaltet, der einen Wderstand 1 11 und einen Kondensator 1 12 aufweist, wobei der Widerstand 11 1 zwischen der Ansteuerung 35 des
Leistungs-Feldeffekttransistors 10 und dem Gate-Anschluss des ersten
Transistors 81 der Transistor-Reihenschaltung 80 geschaltet ist. Der
Kondensator 112 ist zwischen dem Gate-Anschluss des ersten Transistors 81 der Transistor-Reihenschaltung 80 und Masse 92 geschaltet. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus der Figur 1 sind der Gate-Anschluss eines zweiten Transistors 82 der Transistor-Reihenschaltung 80 und der Drain-Anschluss des Leistungs-Feldeffekttransistors 10 elektrisch miteinander gekoppelt. Bei dem in der Figur 1 gezeigten Schaltungsaufbau der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist der Leistungs-Feldeffekttransistor 10 insbesondere ein
Leistungs-MOSFET 10, der von dem Mikrocontroller 30 mit nachgeschalteter Treiberendstufe (Treiber-Leistungsverstärker) 20 über einen Gate-Wderstand 105 angesteuert wird. Dabei kann der Gate-Anschluss des
Leistungs-Feldeffekttransistors 10 über die Transistoren 81 und 82 mit Masse 91 verbunden werden.
Ist der Leistungs-Feldeffekttransistor 10 ausgeschaltet, so ist der Gate-Anschluss von dem zweiten Transistor 82 der Transistor-Reihenschaltung 80 auf hohem Potenzial. Folglich ist der zweite Transistor 82 der Transistor-Reihenschaltung 80 leitend, während der erste Transistor 81 der Transistor-Reihenschaltung 80 ausgeschaltet ist. Soll der Leistungs-Feldeffekttransistor 10 nun eingeschaltet werden, so wird zunächst der Punkt A zwischen dem Treiber 20 und dem
Gate-Widerstand 105 und mit leichter Verzögerung der Punkt B zwischen dem Gate-Widerstand 105 und dem Leistungs-Feldeffekttransistor 10 von der
Treiberschaltung 20 auf eine Spannung größer oder gleich der
Treshold-Spannung des Leistungs-Feldeffekttransistors 10 gezogen, während der erste Transistor 81 der Transistor-Reihenschaltung 80 - bedingt durch den Tiefpass 1 10 - noch ausgeschaltet bleibt.
Liegt kein Kurzschluss vor, so sinkt das Drain-Potenzial des
Leistungs-Feldeffekttransistors 10 auf Masse, da Strom durch den
Lastwiderstand 40 fließt und die Gate-Drain-Spannung des
Leistungs-Feldeffekttransistors 10 auf Null abfällt. Über den Lastwiderstand 40 fällt dann eine Spannung UB ab. Der zweite Transistor 82 der
Transistor-Reihenschaltung 80 schaltet in diesem Fall ab, bevor der erste
Transistor 81 der Transistor-Reihenschaltung 80 einschaltet. Der zweite
Transistor 82 der Transistor-Reihenschaltung 80 schaltet in diesem Fall deswegen ab, weil sein Gate-Potenzial auf Masse gezogen wird. Falls es sich bei dem zweiten Transistor 82 der Transistor-Reihenschaltung 80 um einen
Bipolartransistor handelt, so würde dieser auch abschalten, da aufgrund seines Innenwiderstandes kein Basisstrom fließen würde.
Falls nämlich der erste Transistor 81 der Transistor-Reihenschaltung 80 zu früh einschaltet beziehungsweise der zweite Transistor 82 der
Transistor-Reihenschaltung 80 zu spät einschaltet, also für den Fall, dass beide
Transistoren 81 und 82 der Transistor-Reihenschaltung 80 angeschaltet sind, wird der Leistungs-Feldeffekttransistor 10 ausgeschaltet, da sein Gate-Anschluss an den Punkt B gekoppelt ist und das Potenzial des Punktes B und somit auch das Gate-Potenzial des Leistungs-Feldeffekttransistors 10 durch die
Transistor-Reihenschaltung 80 auf Masse gezogen werden. Dadurch sinkt die
Gate-Source-Spannung des Leistungs-Feldeffekttransistors 10 etwa auf Null und der Leistungs-Feldeffekttransistor 10 wird ausgeschaltet.
Liegt hingegen ein Kurzschluss an dem Lastwiderstand 40 vor, so fällt keine Spannung über den Lastwiderstand 40 ab, und der zweite Transistor 82 der Transistor-Reihenschaltung 80 bleibt eingeschaltet, weil sein Gate-Potenzial auf hohem Potenzial (quasi auf dem Potenzial des Punktes B) bleibt. Im
Kurzschlussfall schaltet sich der erste Transistor 81 der
Transistor-Reihenschaltung 80 ebenfalls ein, und der
Leistungs-Feldeffekttransistor 10 wird abgeschaltet. Der
Leistungs-Feldeffekttransistor 10 wird abgeschaltet, weil der Strom über die Transistoren-Reihenschaltung 80 abfließt und daher die Spannung am Punkt B wieder sinkt, weil, wenn Strom fließt, dann die Spannung über den
Gate-Widerstand 105 wieder abfällt.
Dieser Zustand hält so lange an, bis der Treiber den Punkt A wieder zurück auf Masse-Potenzial schaltet.
Figur 5 ist eine schematische Schaltungsanordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zum Schützen eines Leistungs-Feldeffekttransistors 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 zum Schützen eines
Leistungs-Feldeffekttransistors 10 lässt sich vorteilhaft auch bei hohen
Spannungen UHv einsetzen, wobei dann wegen der maximal zulässigen
Gate-Source-Spannung des Leistungs-Feldeffekttransistors 10 der
Gate-Anschluss des zweiten Transistors 82 der Transistor-Reihenschaltung 80 durch eine Schutzschaltung 120 (hier dargestellt durch einen Vorwiderstand 121 und eine Zener-Diode 122) vor Überspannung geschützt wird.
Dabei ist zwischen dem Gate-Anschluss des zweiten Transistors 82 der
Transistor-Reihenschaltung 80 und dem Drain-Anschluss des
Leistungs-Feldeffekttransistors 10 die Schutzschaltung 120 zum Schützen des zweiten Transistors 82 der Transistor-Reihenschaltung 80 geschaltet, die die Gate-Source-Spannung des zweiten Transistors 82 der
Transistor-Reihenschaltung 80 begrenzt. Dabei umfasst die Schutzschaltung 120 den Vorwiderstand 121 und die Zener-Diode 122. Der Vorwiderstand 121 ist zwischen dem Gate-Anschluss des zweiten Transistors 82 der
Transistor-Reihenschaltung 80 und dem Drain-Anschluss des
Leistungs-Feldeffekttransistors 10 geschaltet. Die Zener-Diode 122 ist zwischen dem Gate-Anschluss des zweiten Transistors 82 der Transistor-Reihenschaltung 80 und einer Masse 93 umgekehrt zu ihrer Durchlassrichtung geschaltet. Bei Vorliegen eines Kurzschlusses der Last 40 des Leistungs-Feldeffekttranistors 10 kann zwischen dem Drain-Anschluss des Leistungs-Feldeffekttransistors 10 und dem Gate-Anschluss des zweiten Transistors 82 der
Transistor-Reihenschaltung 80 eine hohe Spannung anliegen, die wegen des kleinen Innenwiderstandes der Transistor-Reihenschaltung zum größten Teil über den Vorwiderstand 121 abfällt. So wird das Gate-Potenzial des zweiten Transistors 82 der Transistor-Reihenschaltung 80 auf ein grundsätzlich durch den Vorwiderstand 121 begrenztes Potenzial gezogen. Da der Source-Anschluss des zweiten Transistors 82 der Transistor-Reihenschaltung 80 mit Masse 91 gekoppelt ist, stellt sich eine begrenzte Gate-Source-Spannung des zweiten Transistors 82 der Transistor-Reihenschaltung 80 ein. Dadurch wird der zweite Transistor 82 der Transistor-Reihenschaltung 80 unterhalb seiner maximalen Verlustleistung betrieben und langzeitig unbeschädigt bleiben.
Sollte die Spannung zwischen dem Drain-Anschluss des
Leistungs-Feldeffekttransistors 10 und dem Gate-Anschluss des zweiten Transistors 82 der Transistor-Reihenschaltung 80 doch so groß sein, dass der Gate-Anschluss des zweiten Transistors 82 der Transistor-Reihenschaltung 80 auf ein zu hohes Potenzial gezogen wird, so wird die Sperrspannung der an
Masse 93 gekoppelten Zener-Diode 122 überschritten, und die Zener-Diode 122 wird leitend. In diesem Fall fließt ein Strom durch die Zener-Diode 122 zur Masse hin und das Gate-Potenzial des zweiten Transistors 82 der
Transistor-Reihenschaltung 80 wird auf Masse gezogen. Da das
Source-Potenzial des zweiten Transistors 82 der Transistor-Reihenschaltung 80 auch an Masse 91 gekoppelt ist, sinkt die Gate-Source-Spannung des zweiten Transistors 82 der Transistor-Reihenschaltung 80 auf Null. Der zweite Transistor 82 der Transistor-Reihenschaltung 80 wird dann abgeschaltet und so vor Beschädigung geschützt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere anwendbar in
Batteriesystemen mit vorzugsweise Lithium-Ionen-Batterien, welche in
Kraftfahrzeugen mit elektrischem Antriebsmotor eingesetzt werden.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (100) zum Abschalten eines Leistungs-Feldeffekttransistors (10) beim Kurzschluss seiner Last (40), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) zum Schützen des Leistungs-Feldeffekttransistors (10) Mittel zum Abschalten des Leistungs-Feldeffekttransistors (10) umfasst, wobei die Mittel eine Transistor-Reihenschaltung (80) aufweisen, die den Gate-Anschluss des Leistungs-Feldeffekttransistors (10) mit dem
elektrischen Potenzial (90, 91) seines Source-Anschlusses verbindet.
2. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 , wobei der Source-Anschluss des
Leistungs-Feldeffekttransistors (10) mit Masse (90) verbunden ist und der Gate-Anschluss des Leistungs-Feldeffekttransistors (10) über die
Transistor-Reihenschaltung (80) mit Masse (91) verbunden ist.
3. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen der Ansteuerung (35) des Leistungs-Feldeffekttransistors (10) und dem Gate-Anschluss des Leistungs-Feldeffekttransistors (10) ein Gate-Widerstand (105) geschaltet ist.
4. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die
Transistor-Reihenschaltung (80) zwei Feldeffekttransistoren (81 , 82) aufweist.
5. Vorrichtung (100) nach Anspruch 4, wobei zwischen der Ansteuerung (35) des Leistungs-Feldeffekttransistors (10) und dem Gate-Anschluss eines ersten Transistors (81) der Transistor-Reihenschaltung (80) ein Tiefpass (1 10) geschaltet ist.
6. Vorrichtung (100) nach Anspruch 5, wobei der Tiefpass (1 10) einen
Widerstand (1 11) und einen Kondensator (1 12) aufweist, wobei der Widerstand (11 1) zwischen der Ansteuerung (35) des
Leistungs-Feldeffekttransistors (10) und dem Gate-Anschluss des ersten Transistors (81) der Transistor-Reihenschaltung (80) geschaltet ist und der Kondensator (1 12) zwischen dem Gate-Anschluss des ersten Transistors (81) der Transistor-Reihenschaltung (80) und Masse (92) geschaltet ist.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der
Gate-Anschluss eines zweiten Transistors (82) der
Transistor-Reihenschaltung (80) und der Drain-Anschluss des
Leistungs-Feldeffekttransistors (10) elektrisch miteinander gekoppelt sind, insbesondere mittels einer Schutzschaltung (120) zum Schützen des zweiten Transistors (82) der Transistor-Reihenschaltung (80), die zwischen dem Gate-Anschluss des zweiten Transistors (82) der
Transistor-Reihenschaltung (80) und dem Drain-Anschluss des
Leistungs-Feldeffekttransistors (10) geschaltet ist und die
Gate-Source-Spannung des zweiten Transistors (82) der Reihenschaltung (80) begrenzt.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 7, wobei die Schutzschaltung (120) einen Vorwiderstand (121) und eine Zener-Diode (122) aufweist, wobei die Zener-Diode (122) zwischen dem Gate-Anschluss des zweiten Transistors (82) der Transistor-Reihenschaltung (80) und Masse (93) umgekehrt zu ihrer Durchlassrichtung geschaltet ist und der Vorwiderstand (121) zwischen dem Gate-Anschluss des zweiten Transistors (82) der
Transistor-Reihenschaltung (80) und dem Drain-Anschluss des
Leistungs-Feldeffekttransistors (10) geschaltet ist.
Batteriesystem mit vorzugsweise Lithium-Ionen-Batterien, welches mit einer Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 verbunden ist.
Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor und einem die
Vorrichtung (100) gemäß der Ansprüche 1 bis 9 enthaltenden
Batteriesystem.
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