WO2015113672A1 - Halbleiterschalter und verfahren zum bestimmen eines stroms durch einen halbleiterschalter - Google Patents

Halbleiterschalter und verfahren zum bestimmen eines stroms durch einen halbleiterschalter Download PDF

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WO2015113672A1
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semiconductor switch
sense
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Peter Feuerstack
Holger Sievert
Stefan Butzmann
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
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    • H01L29/72—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals
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    • H03K17/567—Circuits characterised by the use of more than one type of semiconductor device, e.g. BIMOS, composite devices such as IGBT
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    • H03K2217/0027—Measuring means of, e.g. currents through or voltages across the switch

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor switch and a method for
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • European Patent Application EP 0 467 681 A2 discloses a drive circuit for such an IGBT with a sense terminal for detecting an emitter current. Based on the current thus determined, a control voltage is adjusted on the IGBT to avoid overcurrents.
  • the transmission ratio between the emitter current and the sense current is only approximately constant if the voltage between collector and emitter is identical to the voltage between collector and sense terminal is.
  • the sense terminal is loaded by a suitable compensation circuit with a current such that the collector-emitter voltage and the collector-sense voltage are equal.
  • the present invention in one aspect, provides a semiconductor switch having an input terminal, an output terminal, and a control terminal configured to supply a current between the input terminal and the output terminal
  • the present invention provides a method for determining a current between an input terminal and a signal
  • Output terminal of a semiconductor switch comprising the steps of providing a semiconductor switch having a plurality of sense terminals, which are each designed to provide a current proportional to that between the
  • Semiconductor switch is; selecting one of the plurality of sense terminals; and outputting a voltage signal using the current provided at the selected sense terminal.
  • the present invention is based on the idea of providing a current in the power path of a semiconductor switch not just based on a single corresponding one Evaluate the measurement signal, but to provide and evaluate several different measurement signals for the evaluation of the current in the power path. In this way, different measuring signals for different measuring ranges can be provided and evaluated. Each of these individual measurement signals can be optimized for a different measurement range. This way is a very precise one
  • Disturbing effects of the semiconductor switch counteracts a possibly occurring offset error or large component tolerances.
  • a measurement signal can be provided which does not require a large compensation current. In this way, the energy consumption can be reduced and the risk can be reduced that an evaluation circuit for the measurement signals provided will run into a limit.
  • the currents provided at the plurality of sense terminals are different.
  • a current signal can be provided at different sense connections for different measurement ranges, which has been optimized for the individual measurement ranges.
  • the semiconductor switch is designed as an insulated gate bipolar transistor (IGBT).
  • IGBTs are particularly well suited as a semiconductor switch, at the same time measuring signals for current evaluation
  • the semiconductor switch further comprises a
  • An evaluation circuit configured to output a voltage signal using at least one of the currents provided by the plurality of sense terminals.
  • a voltage signal which is suitable for further evaluation and processing can be generated from the current signals provided at the sense terminals.
  • the evaluation circuit comprises a control connection, wherein the evaluation circuit is designed to detect one of the plurality of sense circuits. Select terminals in response to a signal applied to the control terminal and wherein the voltage signal is output using the current from the thus selected sense terminal.
  • the evaluation circuit is configured to select one of the plurality of sense terminals in dependence on a current output at the sense terminals. Through this selection of one of the sense connections based on the current current, an automatic selection of a suitable sense connection can take place and thus in each case a suitable sense connection for the respective current region can be selected.
  • the evaluation circuit comprises an indicator terminal which is designed to output a selection signal as a function of the selected sense terminal.
  • the currently selected sense terminal can also be taken into account in the further processing, and thus it is possible to deduce the current that is currently flowing in the power path of the semiconductor switch.
  • the step of selecting a sense terminal selects one of the plurality of sense terminals in response to the currents provided to the sense terminals.
  • the method further comprises a step of outputting a selection signal in dependence on the selected sense terminals.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a semiconductor switch with a sense connection
  • Figure 2 a schematic representation of a semiconductor switch according to
  • Figure 3 is a schematic representation of a current-voltage diagram, as it is based on an embodiment
  • Figure 4 is a schematic representation of a current-voltage diagram, as it is based on a further embodiment
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a flow chart on which a further embodiment of the present invention is based.
  • the semiconductor switch 10 is designed as an IGBT and has in addition to the sense terminal S an input terminal C, an output terminal E and a control terminal G.
  • the two resistors R s and R E are the parasitic resistances in the sense or power path.
  • the power path can be closed in a known semiconductor switch from the current l s of the sense path to the current I E. Since the relationship between current and voltage drop in the power or sense path is not linear, the constant ratio applies only when the voltage between input terminal C and sense terminal S is identical to the voltage between input terminal C and output terminal E. In order to set these identical voltage ratios, at the sense terminal S and the output terminal E is a
  • Compensating circuit 20 connected, the same voltage conditions at the sense terminal S and the output terminal E sets.
  • These Compensation circuit 20 includes the embodiments shown here, an operational amplifier OP, whose two input terminals are connected to the sense terminal S and the output terminal E, and which has a shunt resistor R x between the sense terminal S and the output of the operational amplifier OP. In this way lies between the sense terminal S of the
  • a voltage signal U s can be provided which is proportional to the current l s at the sense terminal S and thus also proportional to the current I E at the output terminal E of the semiconductor switch 10 is.
  • Figure 2 shows a schematic representation of a semiconductor switch 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the semiconductor switch 1 comprises at least two sense terminals S1 and S2. In addition to the two sense connections S1 and S2 shown here, semiconductor switches 1 with more than two sense connections are also possible in principle.
  • an individual parasitic resistance R E , Rsi, Rs2 is assigned to the output terminal E and the two sense terminals S1 and S2.
  • Semiconductor switch 1 comprises a plurality of preferably identical ones
  • the semiconductor switch 1 By parallel connection of these semiconductor switch cells, the semiconductor switch 1 can be designed for correspondingly large currents.
  • the ratio between current I E in the power path of the semiconductor switch 1 and the currents I s , Is2 in the paths of the two sense connections S1 and S2 results from the corresponding total areas of all cells of the corresponding connectors.
  • the output signals of the sense terminals S1 and S2 become one
  • Evaluation circuit 2 supplied. This evaluation circuit 2 is also connected to the output terminal E of the semiconductor switch 1.
  • the evaluation circuit 2 selects at least one of the sense terminals S1, S2 and thereby regulates the current at the selected sense terminal S1, S2 such that between the selected sense terminal S1, S2 and the output terminal E of the semiconductor switch 1 equal voltage ratios are set. Due to the different designs of the two sense terminals S1, S2, a different current l i S l or S 2 represent, depending on the selected sense terminal S1 or S2 in the evaluation circuit.
  • a sense connection S1, S2 can be selected, for example, at a low current I E in the power path of the semiconductor switch 1, resulting in a relatively large sense current I S i, Is2, performs during at relatively large currents l e in the power path of the semiconductor switch 1 is preferred, a sense terminal S1, S2 is selected which results in a relatively low sense current I S i Is2.
  • Evaluation circuit 2 automatically. For example, the evaluation circuit 2 can select one of the sense connections S1, S2 based on the current value determined. For example, first, a sense terminal S1, S2 optimized for a low current can be selected. If, during the evaluation, the current exceeds a predetermined threshold value, a switchover to another sense terminal S1, S2, which has been optimized for a larger current value, can then take place. If more than two sense connections are available, it is then possible to switch to a further sense connection if a further threshold value is exceeded. Furthermore, if the threshold value falls below a predetermined threshold value, it is also possible to change to another sense connection, which is designed for lower currents. Thus, adaptively, a sense terminal can be selected which is well suited for the determination of the current current in the power path.
  • a voltage signal U s is then generated in the evaluation circuit 2, which is proportional to the current I E in the power path of the semiconductor switch, at least in the area provided for this purpose.
  • This voltage signal U s is provided at an output terminal 21 of the evaluation circuit 2.
  • this voltage signal U s is in the form of an analog voltage value
  • Evaluation circuit 2 to select the respective sense terminal S1, S2 externally and thus to select for the subsequent evaluation in each case a particular sense terminal S1, S2. If the semiconductor switch 1 has, for example, two sense connections S1, S2, one of the two sense connections S1, S2 can be selected in each case depending on a high or low potential at the input 22 of the evaluation circuit 2. In addition, even with more than two sense terminals S1, S2, other, alternative signals in the form of analog or digital signals are also possible.
  • the evaluation circuit 2 can also have a further indicator function. Terminal 23, each providing a signal dependent on the currently selected sense terminal S1, S2.
  • Terminal 23 each providing a signal dependent on the currently selected sense terminal S1, S2.
  • a corresponding signaling can take place by means of a suitable high or low level.
  • any other analog or digital signaling for the indication of each selected sense connection are possible.
  • Figure 3 shows a schematic representation of a current-voltage diagram for a signal characteristic, as it is based on an embodiment of the present invention.
  • a first sense connection S1 is initially selected, which for a relatively low current I E in the power path of the
  • Semiconductor switch 1 is designed. During this first region I is a proportional to the current I E in the power path of the semiconductor switch 1
  • selected sense terminal S1, S2 indicates, by the joint evaluation of voltage signal U s and indicator signal can then be applied to the current I E in the
  • FIG. 4 shows an alternative current-voltage characteristic according to another
  • Embodiment In this current-voltage characteristic, a steady transition of the current-voltage characteristic curve occurs when switching from a first sense terminal S1 to a second sense terminal S2. However, the slope in the second region II may differ from the slope in the first region I. Since, in this case, an unambiguous assignment of the output signal U s to the corresponding current I E in the power path of the semiconductor switch 1 can take place over the entire measuring range, the further evaluation of the indicator signal at the indicator port 23 can be used for the display of the respectively selected one Sense connection are omitted.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a flowchart, as it is based on a method 100 for determining a current I E between an input terminal C and an output terminal E of a semiconductor switch 1.
  • a semiconductor switch 1 is first provided with a plurality of sense terminals S1, S2, wherein the sense terminals S1, S2 are adapted to each provide a current l S i, l S 2, which is proportional to that between current I E flowing to the input terminal C and the output terminal E is.
  • step 120 one of these sense terminals S1, S2 is selected from the plurality of sense terminals S1, S2.
  • a voltage signal U s is then applied using the current I S i, Is 2 provided at the selected sense terminal S1, S2
  • a sense terminal S1 or S2 can be selected as a function of a current I S i or I S 2 provided at the sense terminals.
  • the method can have a step 140 which outputs a suitable selection signal in dependence on the selected sense connection S1, S2.
  • the present invention relates to a semiconductor switch and a method for determining a current in the power path of a semiconductor switch.
  • a semiconductor switch is proposed which has a plurality of sense terminals, wherein each of these sense terminals provides an individual output signal which is proportional to the current in the power path of the semiconductor switch.

Abstract

Die vorliegende Erfindung einen Halbleiterschalter und ein Verfahren zum Bestimmen eines Stroms in dem Leistungspfad eines Halbleiterschalters. Hierzu wird ein Halbleiterschalter vorgeschlagen, der über mehrere Sense-Anschlüsse verfügt, wobei jeder dieser Sense-Anschlüsse ein individuelles Ausgangssignal liefert, das proportional zu dem Strom in dem Leistungspfad des Halbleiterschalters ist. Durch eine geeignete Auswahl eines der mehreren Sense-Anschlüsse in Abhängigkeit von dem Strom in dem Leistungspfad des Halbleiterschalters kann die Auswertung des Stroms in dem Leistungspfad optimiert werden.

Description

Beschreibung Titel
Halbleiterschalter und Verfahren zum Bestimmen eines Stroms durch einen
Halbleiterschalter
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiterschalter und ein Verfahren zum
Bestimmen eines Stroms zwischen einem Eingangsanschluss und einem
Ausgangsanschluss eines Halbleiterschalters.
Stand der Technik
Für die Messung und Auswertung eines Stroms durch einen Halbleiterschalter, wie zum Beispiel durch ein IGBT-Modul (IGBT = Bipolarer Transistor mit einem isolierten Gate), ist es bekannt, den Halbleiterschalter mit einem zusätzlichen Sense-Anschluss zu versehen. Der Strom, der an diesem Sense-Anschluss bereitgestellt wird, ist dabei in etwa proportional zu dem Hauptstrom durch den Halbleiterschalter. Die Europäische Patentanmeldung EP 0 467 681 A2 offenbart eine Ansteuerschaltung für einen solchen IGBT mit einem Sense-Anschluss zur Ermittlung eines Emitterstroms. Basierend auf der so ermittelten Stromstärke wird eine Steuerspannung an dem IGBT angepasst, um Überströme zu vermeiden. Da der Zusammenhang zwischen Kollektor-Emitterstrom und Kollektor-Emitterspannung eines derartigen IGBT nicht linear ist, ist auch das Übertragungsverhältnis zwischen Emitterstrom und Sense-Strom nur dann annähernd konstant, wenn die Spannung zwischen Kollektor und Emitter identisch zu der Spannung zwischen Kollektor und Sense- Anschluss ist. Um diese erforderlichen Spannungsverhältnisse richtig einzustellen, wird der Sense-Anschluss durch eine geeignete Kompensationsschaltung so mit einem Strom belastet, dass die Kollektor-Emitterspannung und die Kollektor-Sense-Spannung gleich groß sind.
Dabei stellt es eine Herausforderung dar, ein geeignetes Übersetzungsverhältnis zwischen Emitterstrom und Sense-Strom zu finden. Wird, ausgehend von sehr großen Maximal- bzw. Spitzenströmen, ein relativ großes Übersetzungsverhältnis gewählt, so kann die erforderliche Genauigkeit bei kleinen Strömen nur bedingt erreicht werden, da Störeffekte des IGBT, Offsetfehler der Auswerteschaltung und Toleranzen der
Bauelemente in diesem Fall einen relativ großen Einfluss haben. Bei einem kleinen Übersetzungsverhältnis dagegen kann zwar bei geringen Strömen eine große
Genauigkeit erreicht werden, jedoch steigt auch der Kompensationsstrom am Sense- Ausschluss. Ferner können gegebenenfalls auch sehr große Maximalströme nicht mehr richtig gemessen werden, da in diesem Fall das Stromausgangssignal in eine Begrenzung laufen kann. Es besteht daher ein Bedarf nach einem Halbleiterschalter, dessen Leistungsstrom über einen großen Dynamikbereich zuverlässig und effizient ermittelt werden kann.
Offenbarung der Erfindung Die vorliegende Erfindung schafft in einem Aspekt einen Halbleiterschalter mit einem Eingangsanschluss, einem Ausgangsanschluss, und einem Steueranschluss, der dazu ausgelegt ist, einen Strom zwischen dem Eingangsanschluss und dem
Ausgangsanschluss basierend auf einem an dem Steueranschluss anliegenden
Spannungssignal einzustellen, sowie einer Mehrzahl von Sense-Anschlüssen, die dazu ausgelegt sind, jeweils einen Strom bereitzustellen, der proportional zu dem zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss fließenden Strom ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen eines Stroms zwischen einem Eingangsanschluss und einem
Ausgangsanschluss eines Halbleiterschalters, mit den Schritten des Bereitstellens eines Halbleiterschalters mit einer Mehrzahl von Sense-Anschlüssen, die dazu ausgelegt sind, jeweils einen Strom bereitzustellen, der proportional zu dem zwischen dem
Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss fließenden Strom des
Halbleiterschalters ist; des Auswählens eines der Mehrzahl von Sense-Anschlüssen; und des Ausgebens eines Spannungssignals unter Verwendung des an dem ausgewählten Sense-Anschluss bereitgestellten Stroms.
Vorteile der Erfindung Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, einen Strom im Leistungspfad eines Halbleiterschalters nicht nur basierend auf einem einzigen korrespondierenden Messsignal auszuwerten, sondern für die Auswertung des Stroms in dem Leistungspfad mehrere, verschiedene Messsignale bereitzustellen und auszuwerten. Auf diese Weise können verschiedene Messsignale für verschiedene Messbereiche bereitgestellt und ausgewertet werden. Jedes dieser einzelnen Messsignale kann dabei für einen anderen Messbereich optimiert angepasst werden. Auf diese Weise ist eine sehr präzise
Bestimmung des Stroms im Leistungspfad des Halbleiterschalters über einen sehr großen Dynamikbereich möglich.
Somit kann einerseits bei einem relativ geringen Strom im Leistungspfad ein
verhältnismäßig empfindliches Messsignal bereitgestellt werden, das möglichen
Störeffekten des Halbleiterschalters, einem eventuell auftretenden Offsetfehler oder großen Bauteiltoleranzen entgegenwirkt. Andererseits kann bei relativ großen Strömen im Leistungspfad des Halbleiterschalters ein Messsignal bereitgestellt werden, das keinen großen Kompensationsstrom erfordert. Auf diese Weise kann der Energieverbrauch gesenkt werden und es kann die Gefahr reduziert werden, dass eine Auswerteschaltung für die bereitgestellten Messsignale in eine Begrenzung laufen wird.
Gemäß einer Ausführungsform sind die an der Mehrzahl von Sense-Anschlüssen bereitgestellten Ströme verschieden. Somit kann für verschiedene Messbereiche jeweils ein Stromsignal an den unterschiedlichen Sense-Anschlüssen bereitgestellt werden, das für die einzelnen Messbereiche optimiert worden ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Halbleiterschalter als bipolarer Transistor mit einem isolierten Gate (IGBT) ausgeführt. Solche IGBT eignen sich besonders gut als Halbleiterschalter, wobei gleichzeitig Messsignale zur Stromauswertung
bereitgestellt werden können.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterschalter ferner eine
Auswerteschaltung, die dazu ausgelegt ist, ein Spannungssignal unter Verwendung mindestens eines der von der Mehrzahl von Sense-Anschlüssen bereitgestellten Ströme auszugeben. Durch die Verwendung einer solchen Auswerteschaltung kann aus den an den Sense-Anschlüssen bereitgestellten Stromsignalen ein Spannungssignal generiert werden, das sich für eine weitere Auswertung und Verarbeitung eignet. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Auswerteschaltung einen Steueranschluss, wobei die Auswerteschaltung dazu ausgelegt ist, einen der Mehrzahl von Sense- Anschlüssen in Abhängigkeit eines an dem Steueranschluss anliegenden Signals auszuwählen und wobei das Spannungssignal unter Verwendung des Stroms von dem so ausgewählten Sense-Anschluss ausgegeben wird. Auf diese Weise kann durch geeignetes Ansteuern dieses Steueranschlusses der Auswerteschaltung jeweils ein geeigneter Sense-Anschluss des Halbleiterschalters selektiert werden, und somit zwischen verschiedenen Sense-Anschlüssen des Halbleiterschalters umgeschaltet werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Auswerteschaltung dazu ausgelegt, einen der Mehrzahl von Sense-Anschlüssen in Abhängigkeit von einem an den Sense-Anschlüssen ausgegebenen Strom auszuwählen. Durch diese Auswahl eines der Sense-Anschlüsse basierend auf dem aktuellen Strom kann eine automatische Auswahl eines geeigneten Sense-Anschlusses erfolgen und somit jeweils ein geeigneter Sense-Anschluss für den jeweiligen Strombereich ausgewählt werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Auswerteschaltung einen Indikator-Anschluss, der dazu ausgelegt ist, ein Auswahl-Signal in Abhängigkeit des ausgewählten Sense- Anschlusses auszugeben. Durch die Ausgabe eines solchen Ausgabesignals an einen geeigneten Anschluss kann bei der Weiterverarbeitung auch der aktuell ausgewählte Sense-Anschluss mit berücksichtigt werden, und somit kann auf den aktuell in dem Leistungspfad des Halbleiterschalters fließenden Strom geschlossen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Bestimmen eines Stroms in dem Halbleiterschalter wählt der Schritt zum Auswählen eines Sense-Anschlusses eine der Mehrzahl von Sense-Anschlüsse in Abhängigkeit von den an den Sense-Anschlüssen bereitgestellten Strömen aus.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner einen Schritt zum Ausgeben eines Auswahl-Signals in Abhängigkeit von den ausgewählten Sense- Anschlüssen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Ausführungsformen und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Figuren. Dabei zeigen: Figur 1 : eine schematische Darstellung eines Halbleiterschalters mit einem Sense-Anschluss;
Figur 2: eine schematische Darstellung eines Halbleiterschalters gemäß
Ausführungsbeispiel;
Figur 3: eine schematische Darstellung eines Strom-Spannungsdiagramms, wie es einem Ausführungsbeispiel zugrunde liegt; Figur 4: eine schematische Darstellung eines Strom-Spannungsdiagramms, wie es einem weiteren Ausführungsbeispiel zugrunde liegt; und
Figur 5: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt.
Beschreibung von Ausführungsformen
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Halbleiterschalters 10 mit einem Sense-Anschluss S. Der Halbleiterschalter 10 ist als IGBT ausgeführt und weist neben dem Sense-Anschluss S einen Eingangsanschluss C, einen Ausgangsanschluss E und einen Steueranschluss G auf. Bei den beiden Widerständen Rs und RE handelt es sich um die parasitären Widerstände in dem Sense- bzw. Leistungspfad. Durch den
physikalischen Aufbau des Halbleiterschalters ergibt sich somit ein Verhältnis zwischen Strom und dem Leistungspfad lE zu dem Strom in dem Sense-Pfad ls zu: lE : ls = RE : Rs = konstant.
Daher kann bei einem bekannten Halbleiterschalter aus dem Strom ls des Sense-Pfades auf den Strom lE des Leistungspfades geschlossen werden. Da der Zusammenhang zwischen Strom und Spannungsabfall in dem Leistungs- bzw. Sense-Pfad nicht linear ist, gilt das konstante Verhältnis nur dann, wenn die Spannung zwischen Eingangsanschluss C und Sense-Anschluss S identisch zu der Spannung zwischen Eingangsanschluss C und Ausgangsanschluss E ist. Um diese identischen Spannungsverhältnisse einzustellen, ist an dem Sense-Anschluss S und dem Ausgangsanschluss E eine
Kompensationsschaltung 20 angeschlossen, die gleiche Spannungsverhältnisse an dem Sense-Anschluss S und den Ausgangsanschluss E einstellt. Diese Kompensationsschaltung 20 umfasst den hier dargestellten Ausführungsbeispielen einen Operationsverstärker OP, dessen beiden Eingangsanschlüsse an dem Sense-Anschluss S und dem Ausgangsanschluss E angeschlossen sind, und der zwischen dem Sense- Anschluss S und dem Ausgang des Operationsverstärkers OP einen Shunt-Widerstand Rx aufweist. Auf diese Weise liegt zwischen dem Sense-Anschluss S des
Halbleiterschalters 10 und dem Ausgang des Operationsverstärkers OP eine Spannung Us an, die proportional zu dem Strom ls an dem Sense-Anschluss S ist. Somit kann bei einem Halbleiterschalter 10, beispielsweise einem IGBT, mit einem Sense-Anschluss S ein Spannungssignal Us bereitgestellt werden, das proportional zu dem Strom ls am Sense-Anschluss S und somit auch proportional zu dem Strom lE am Ausgangsanschluss E des Halbleiterschalters 10 ist.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Halbleiterschalters 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Der Halbleiterschalter 1 umfasst dabei neben dem Eingangsanschluss C und dem Ausgangsanschluss E, sowie dem Steueranschluss E mindestens zwei Sense- Anschlüsse S1 und S2. Dabei sind neben den hier dargestellten zwei Sense-Anschlüssen S1 und S2 grundsätzlich auch Halbleiterschalter 1 mit mehr als zwei Sense-Anschlüssen möglich.
Dem Ausgangsanschluss E sowie den beiden Sense-Anschlüssen S1 und S2 ist dabei jeweils ein individueller parasitärer Widerstand RE, Rsi , Rs2 zugeordnet. Der
Halbleiterschalter 1 umfasst dabei eine Vielzahl von vorzugsweise identischen
Halbleiterschalterzellen. Durch Parallelschaltung dieser Halbleiterschalterzellen kann der Halbleiterschalter 1 für entsprechend große Ströme ausgelegt werden. Das Verhältnis zwischen Strom lE im Leistungspfad des Halbleiterschalters 1 und den Strömen lSi , Is2 in den Pfaden der beiden Sense-Anschlüsse S1 und S2 ergibt sich dabei aus den korrespondierenden Gesamtflächen aller Zellen der entsprechenden Anschüsse. Die Ausgangssignale der Sense-Anschlüsse S1 und S2 werden dabei einer
Auswerteschaltung 2 zugeführt. Diese Auswerteschaltung 2 ist ferner auch mit dem Ausgangsanschluss E des Halbleiterschalters 1 verbunden.
Die Auswerteschaltung 2 wählt mindestens einen der Sense-Anschlüsse S1 , S2 aus und regelt dabei den Strom an dem ausgewählten Sense-Anschluss S1 , S2 so ein, dass zwischen dem ausgewählten Sense-Anschluss S1 , S2 und dem Ausgangsanschluss E des Halbleiterschalters 1 gleiche Spannungsverhältnisse eingestellt werden. Aufgrund der unterschiedlichen Auslegungen der beiden Sense-Anschlüsse S1 , S2 stellen sich dabei je nach ausgewähltem Sense-Anschluss S1 oder S2 ein unterschiedlicher Strom lSi oder lS2 in der Auswerteschaltung 2 ein. Zur Optimierung der Messwerterfassung des Stroms lE in dem Leistungspfad des Halbleiterschalters 1 kann zum Beispiel bei einem geringen Strom lE im Leistungspfad des Halbleiterschalters 1 ein Sense-Anschluss S1 , S2 ausgewählt werden, der zu einem relativ großen Sense-Strom lSi , Is2 führt, während bei relativ großen Strömen lE in dem Leistungspfad des Halbleiterschalters 1 bevorzugt ein Sense- Anschluss S1 , S2 ausgewählt wird, der zu einem relativ geringen Sense-Strom lSi , Is2 führt.
Die Auswahl eines geeigneten Sense-Anschlusses S1 , S2 kann dabei in der
Auswerteschaltung 2 automatisch erfolgen. Beispielsweise kann die Auswerteschaltung 2 basierend auf dem aktuell ermittelten Stromwert einen der Sense-Anschlüsse S1 , S2 auswählen. Zum Beispiel kann zunächst ein Sense-Anschluss S1 , S2 ausgewählt werden, der für einen geringen Strom optimiert wurde. Übersteigt dabei während der Auswertung der Strom einen vorbestimmten Schwellwert, so kann daraufhin eine Umschaltung zu einem anderen Sense-Anschluss S1 , S2 erfolgen, der für einen größeren Stromwert optimiert wurde. Stehen mehr als zwei Sense-Anschlüsse zur Verfügung, so kann daraufhin bei einem Überschreiten eines weiteren Schwellwertes auch noch zu einem weiteren Sense-Anschluss gewechselt werden. Ferner kann bei einer Unterschreitung eines vorgegebenen Schwellwertes auch zu einem anderen Sense-Anschluss gewechselt werden, der für geringere Ströme ausgelegt ist. Somit kann adaptiv jeweils ein Sense- Anschluss ausgewählt werden, der für die Ermittlung des aktuellen Stromes in dem Leistungspfad gut geeignet ist.
Durch die Auswertung des jeweils ausgewählten Sense-Anschlusses S1 , S2 in der Auswerteschaltung 2 wird daraufhin in der Auswerteschaltung 2 ein Spannungssignal Us generiert, das zu dem Strom lE in dem Leistungspfad des Halbleiterschalters zumindest in dem dafür vorgesehenen Bereich, proportional ist. Dieses Spannungssignal Us wird an einem Ausgabeanschluss 21 der Auswerteschaltung 2 bereitgestellt. Vorzugsweise wird dieses Spannungssignal Us dabei in Form eines analogen Spannungswertes
bereitgestellt. Alternativ ist es jedoch auch möglich, in der Auswerteschaltung 2 nach der Bestimmung des zu dem Strom lE im Leistungspfad des Halbleiterschalters 1 den ermittelten Wert des Stroms zu digitalisieren und daraufhin als Ausgabesignal ein digitales Signal an dem Ausgabeanschluss 21 bereitzustellen. Alternativ zu einem automatischen Wechsel zwischen den Sense-Anschlüssen S1 , S2 ist es ebenso möglich, durch ein weiteres Signal an einem Eingang 22 der
Auswerteschaltung 2 den jeweiligen Sense-Anschluss S1 , S2 extern auszuwählen und somit für die nachfolgende Auswertung jeweils einen bestimmten Sense-Anschluss S1 , S2 zu selektieren. Verfügt der Halbleiterschalter 1 beispielsweise über zwei Sense- Anschlüsse S1 , S2, so kann beispielsweise in Abhängigkeit eines High- bzw. Low- Potentials an dem Eingang 22 der Auswerteschaltung 2 jeweils einer der beiden Sense- Anschlüsse S1 , S2 ausgewählt werden. Darüber hinaus sind insbesondere auch bei mehr als zwei Sense-Anschlüssen S1 , S2 auch weitere, alternative Signale in Form von Analog- oder Digitalsignalen möglich.
Um bei einer automatischen oder aber auch bei einer manuellen Auswahl der einzelnen Sense-Anschlüsse S1 , S2 für eine nachgeschaltete Weiterverarbeitung jeweils auch eine Information über den aktuell ausgewählten Sense-Anschluss S1 , S2 zu erhalten, kann die Auswerteschaltung 2 auch über einen weiteren Indikator-Anschluss 23 verfügen, der jeweils ein Signal bereitstellt, das von dem aktuell ausgewählten Sense-Anschluss S1 , S2 abhängt. Auch hier kann beispielsweise bei nur zwei vorhandenen Sense-Anschlüssen S1 , S2 durch einen geeigneten High- bzw. Low-Pegel eine entsprechende Signalisierung erfolgen. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch beliebige andere analoge oder digitale Signalisierungen für die Angabe des jeweils ausgewählten Sense-Anschlusses möglich.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Strom-Spannungsdiagramms für eine Signal-Kennlinie, wie sie einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt. In einem ersten Bereich I ist dabei zunächst ein erster Sense-Anschluss S1 ausgewählt, der für einen relativ geringen Strom lE in dem Leistungspfad des
Halbleiterschalters 1 ausgelegt ist. Während dieses ersten Bereiches I wird dabei ein zu dem Strom lE in dem Leistungspfad des Halbleiterschalters 1 proportionales
Spannungssignal Us ausgegeben. Bei dem Übergang von dem Bereich I zu dem Bereich II erfolgt eine Umschaltung zu einem zweiten Sense-Anschluss S2. Dieser zweite Sense- Anschluss S2 ist für größere Ströme ausgelegt. Wie in Figur 3 zu erkennen ist, ist der Übergang der Strom-Spannungslinie in diesem Punkt nicht stetig. Da in dem Bereich II für relativ große Ströme durch die Auswerteschaltung 2 Spannungen Us ausgegeben werden, die ebenso auch zu einem geringeren Strom lE in einem ersten Bereich korrespondieren könnten, ist somit alleine basierend auf der Ausgangsspannung Us keine eindeutige Zuordnung des Stroms lE in dem Leistungspfad des Halbleiterschalters 1 möglich. Daher ist in diesem Fall eine weitere Betrachtung des zusätzlichen
Indikatorsignals an dem Indikator-Anschluss 23 erforderlich, das den jeweils
ausgewählten Sense-Anschluss S1 , S2 anzeigt, durch die gemeinsame Auswertung von Spannungssignal Us und Indikatorsignal kann dann auf den Strom lE in dem
Leistungspfad des Halbleiterschalters 1 geschlossen werden.
Figur 4 zeigt eine alternative Strom-Spannungskennlinie gemäß einer weiteren
Ausführungsform. Bei dieser Strom-Spannungskennlinie erfolgt bei der Umschaltung von einem ersten Sense-Anschluss S1 zu einem zweiten Sense-Anschluss S2 ein stetiger Übergang der Strom-Spannungskennlinie. Die Steigung in dem zweiten Bereich II kann dabei jedoch von der Steigung in dem ersten Bereich I abweichen. Da in diesem Fall über dem gesamten Messbereich eine eindeutige Zuordnung des Ausgabesignals Us zu dem korrespondierenden Strom lE in dem Leistungspfad des Halbleiterschalters 1 erfolgen kann, kann hierbei auf die weitere Auswertung des Indikatorsignals an dem Indikator- Anschluss 23 für die Anzeige des jeweils ausgewählten Sense-Anschlusses verzichtet werden.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren 100 zum Bestimmen eines Stroms lE zwischen einem Eingangsanschluss C und einem Ausgangsanschluss E eines Halbleiterschalters 1 zugrunde liegt. In Schritt 1 10 wird zunächst ein Halbleiterschalter 1 mit einer Mehrzahl von Sense-Anschlüssen S1 , S2 bereitgestellt, wobei die Sense-Anschlüsse S1 , S2 dazu ausgelegt sind, jeweils einen Strom lSi , lS2 bereitzustellen, der proportional zu dem zwischen dem Eingangsanschluss C und dem Ausgangsanschluss E fließenden Strom lE ist. In Schritt 120 wird aus der Mehrzahl von Sense-Anschlüssen S1 , S2 einer dieser Sense-Anschlüsse S1 , S2 ausgewählt. In Schritt 130 wird daraufhin ein Spannungssignal Us unter Verwendung des an dem ausgewählten Sense-Anschluss S1 , S2 bereitgestellten Stroms lSi , Is2
ausgegeben.
Dabei kann in dem Schritt 120 zum Auswählen eines Sense-Anschlusses S1 , S2 aus der Mehrzahl von Sense-Anschlüssen ein Sense-Anschluss S1 oder S2 in Abhängigkeit von einem an den Sense-Anschlüssen bereitgestellten Strom lSi oder lS2 ausgewählt werden. Ferner kann das Verfahren über einen Schritt 140 verfügen, der in Abhängigkeit von dem ausgewählten Sense-Anschluss S1 , S2 ein geeignetes Auswahl-Signal ausgibt. Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen Halbleiterschalter und ein Verfahren zum Bestimmen eines Stroms in dem Leistungspfad eines Halbleiterschalters. Hierzu wird ein Halbleiterschalter vorgeschlagen, der über mehrere Sense-Anschlüsse verfügt, wobei jeder dieser Sense-Anschlüsse ein individuelles Ausgangssignal liefert, das proportional zu dem Strom in dem Leistungspfad des Halbleiterschalters ist. Durch eine geeignete Auswahl eines der mehreren Sense-Anschlüsse in Abhängigkeit von dem Strom in dem Leistungspfad des Halbleiterschalters kann die Auswertung des Stroms in dem Leistungspfad optimiert werden.

Claims

Halbleiterschalter (1), mit: einem Eingangsanschluss (C); einem Ausgangsanschluss (E); einem Steueranschluss (G), der dazu ausgelegt ist, einen Strom (lE) zwischen dem Eingangsanschluss (C) und dem Ausgangsanschluss (E) basierend auf einem an dem Steueranschluss (G) anliegenden Spannungssignal einzustellen; und einer Mehrzahl von Sense-Anschlüssen (S1 , S2), die dazu ausgelegt sind, jeweils einen Strom (lSi , Is2) bereitzustellen, der proportional zu dem zwischen dem Eingangsanschluss (C) und dem Ausgangsanschluss (E) fließenden Strom (lE) ist.
Halbleiterschalter (1) nach Anspruch 1 , wobei die an der Mehrzahl von Sense- Anschlüssen (S1 , S2) bereitgestellten Ströme (lSi , Is2) verschieden sind.
Halbleiterschalter (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Halbleiterschalter (1) als bipolarer Transistor mit einem isolierten Gate ausgeführt ist.
Halbleiterschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer
Auswerteschaltung (2), die dazu ausgelegt ist, ein Spannungssignal (Us) unter Verwendung mindestens eines der von der Mehrzahl von Sense-Anschlüssen (S1 , S2) bereitgestellten Ströme (lSi , Is2) auszugeben.
Halbleiterschalter (1) nach Anspruch 4, wobei die Auswerteschaltung (2) einen Steueranschluss (22) umfasst, und die Auswerteschaltung (2) dazu ausgelegt ist, einen der Mehrzahl von Sense-Anschlüssen (S1 , S2) in Abhängigkeit eines an dem Steueranschluss (22) anliegenden Signals auszuwählen und wobei das Spannungssignal (Us) unter Verwendung des Stroms (lSi , Is2) von dem
ausgewählten Sense-Anschluss (S1 , S2) ausgegeben wird.
6. Halbleiterschalter (4) nach Anspruch 4, wobei die Auswerteschaltung (2) dazu ausgelegt ist, einen der Mehrzahl von Sense-Anschlüssen (S1 , S2) in
Anhängigkeit von einem den an den Sense-Anschlüssen (S1 , S2) ausgegebenen Strom (lSi , Is2) auszuwählen.
7. Halbleiterschalter (1) nach Anspruch 6, wobei die Auswerteschaltung (2) einen Indikator-Anschluss (23) umfasst, der dazu ausgelegt ist, ein Auswahl-Signal in Abhängigkeit des ausgewählten Sense-Anschlusses (S1 , S2) auszugeben.
8. Verfahren (100) zum Bestimmen eines Stroms zwischen einem
Eingangsanschluss (C) und einem Ausgangsanschluss (E) eines
Halbleiterschalters (1), mit den Schritten:
Bereitstellen (1 10) eines Halbleiterschalters (1) mit einer Mehrzahl von Sense- Anschlüssen (S1 , S2), die dazu ausgelegt sind, jeweils einen Strom (lSi , 2) bereitzustellen, der proportional zu dem zwischen dem Eingangsanschluss (C) und dem Ausgangsanschluss (E) fließenden Strom (lE) ist;
Auswählen (120) eines der Mehrzahl von Sense-Anschlüssen (S1 , S2);
Ausgeben (130) eines Spannungssignals (Us) unter Verwendung des an dem ausgewählten Sense-Anschluss (S1 , S2) bereitgestellten Stroms (lSi , Is2)-
9. Verfahren (100) nach Anspruch 8, wobei der Schritt (120) zum Auswählen eines Sense-Anschlusses (S1 , S2) einen der Mehrzahl von Sense-Anschlüssen (S1 , S2) in Anhängigkeit von den an den Sense-Anschlüssen (S1 , S2) bereitgestellten Strömen (lSi , Is2) auswählt.
10. Verfahren (100) nach Anspruch 8 oder 9, mit einem Schritt (140) zum Ausgeben eines Auswahl-Signals, in Abhängigkeit von dem ausgewählten Sense-Anschluss.
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