DE10025440A1 - Elektrische Heizung aus mehreren parallel oder in Reihe geschalteten Feldeffekttransistoren - Google Patents

Abstract

Eine elektrische Heizung, beispielsweise zum Erwärmen des Kühlwassers oder des Innenraumes eines Kraftfahrzeuges, ist aus n parallel oder zwei in Reihe geschalteten Feldeffekttransistoren (T1, T2, ...Tn) aufgebaut. Bei jedem Feldeffekttransistor (T1, T2, ...Tn) ist die Gate-Elektrode über einen temperaturabhängigen Widerstand (RT1, RT2, ...RTn) mit negativem Temperaturkoeffizienten mit der Source-Elektrode verbunden, wobei jeder temperaturabhängige Widerstand (RT1, RT2, ...RTn) in gutem wärmeleitenden Kontakt mit dem zugehörigen Feldeffekttransistor (T1, T2, ...Tn) steht. Der temperaturabhängige Widerstand kann auf dem Gehäuse oder als potentialfreies Bauelement auf dem Transistorchip des Feldeffekttransistors oder in den Feldeffekttransistor integriert sein.

Description

Aus DE 197 33 045 C1 ist eine elektrische Heizung für ein Kraftfahrzeug bekannt, die als Parallelschaltung aus mehreren Feldeffekttransistoren ausgeführt ist. Die Feldeffektransis­ toren dienen als Wärmequellen, deren Verlustwärme zu Heiz­ zwecken in einem Kraftfahrzeug genutzt wird.

Eine Ausgestaltung dieser elektrischen Heizung sieht eine Temperaturüberwachung vor. Jedem Feldeffekttransistor ist ein Temperaturfühler zugeordnet, der beispielsweise auch in den Feldeffekttransistor integriert sein kann. Wenn eine vorgeb­ bare Temperatur an einem Feldeffekttransistor überschritten wird, steuert das Ausgangssignal des diesem Feldeffekttran­ sistor zugeordneten Temperaturfühlers diesen Feldeffekttran­ sistor so, dass seine Leistung reduziert oder dass er sogar vollständig abgeschaltet wird.

Ein Nachteil dieser bekannten elektrischen Heizung liegt in ihrem verhältnismäßig aufwendigen Aufbau begründet.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Heizung aus mehreren parallel oder in Reihe geschalteten Feldeffekt­ transistoren so zu gestalten, dass sie sich trotz einfachen Aufbaus durch hohe Zuverlässigkeit auszeichnet.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den im Anspruch 1 ange­ gebenen Merkmalen dadurch, dass bei jedem Feldeffekttransis­ tor die Gate-Elektrode über einen temperaturabhängigen Wider­ stand mit negativem Temperaturkoeffizienten mit der Source- Elektrode verbunden ist und dass jeder temperaturabhängige Widerstand mit dem zugehörenden Feldeffekttransistor in gutem wärmeleitendem Kontakt steht.

Bei jedem Feldeffektransistor erfasst ein temperaturabhängi­ ger Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten die Tem­ peratur des Transistors. Steigt die Temperatur eines Feld­ effekttransistors an, so verringert sich der Widerstand des diesem Feldeffekttransistor zugeordneten temperaturabhängi­ gen Widerstandes, wodurch die Spannung an der Gate-Elektrode dieses Feldeffekttransistors ebenfalls abnimmt. Eine Abnahme der Gate-Spannung führt aber zu einem kleineren Drainstrom und somit zu einer kleineren Verlustleistung und Temperatur des betreffenden Feldeffekttransistors. Durch geschickte Di­ mensionierung der temperaturabhängigen Widerstände lässt sich somit eine selbstregulierende gleichmäßige Verteilung der Temperaturen bei den Feldeffekttransistoren erzielen. Die Feldeffektransistoren können parallel oder in Reihe geschal­ tet sein.

Die Erfindung wird anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben und erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä­ ßen Parallelschaltung mehrerer Feldeffekttransisto­ ren,

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä­ ßen Reihenschaltung aus zwei Feldeffekttransistoren,

Fig. 3 ein Spannungsdiagramm, das die Gate-Source-Spannung in Abhängigkeit der Transistortemperatur zeigt,

Fig. 4 ein Stromdiagramm, das die Abhängigkeit des Drain­ stromes von der Transistortemperatur zeigt,

Fig. 5 einen Feldeffekttransistor mit einem temperaturabhän­ gigen Widerstand und

Fig. 6 das Gehäuse eines Feldeffekttransistors mit einem aufgebrachten temperaturabhängigen Widerstand.

In der Fig. 1 ist eine Parallelschaltung von n Feldeffekt­ transistoren T1 bis Tn gezeigt. Bei jedem der n Feldeffekt­ transistoren T1 bis Tn ist die Gate-Elektrode über einen tem­ peraturabhängigen Widerstand RT1 bis RTn mit negativem Tempe­ raturkoeffizienten mit der Source-Elektrode verbunden. Die Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren T1 bis Tn liegen über je einen Gate-Widerstand R1 bis Rn auf einem gemeinsa­ men Knoten, an dem eine Steuerspannung VIN liegt.

Bei jedem Feldeffekttransistor regelt der temperaturabhängige Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur des Transistors den Drainstrom durch den Transistor. Erhöht sich die Tempera­ tur des Transistors, so verringert sich der Widerstand des temperaturabhängigen Widerstandes und damit auch die Spannung am Gate des Feldeffekttransistors. Eine Abnahme der Spannung am Gate des Feldeffekttransistors bewirkt eine Verringerung des Drainstroms und somit auch der Verlustleistung des Tran­ sistors. Nimmt dagegen die Temperatur am Transistor ab, so erhöht sich der Wert des temperaturabhängigen Widerstandes, wodurch der Drainstrom und die Verlustleistung des Transis­ tors erhöht werden. Die Gate-Spannung wird durch die Steuer­ spannung VIN vorgegeben.

Durch geschickte Wahl der Schwellwertspannung der Feldeffekt­ transistoren lässt sich eine maximale Temperatur in Abhängig­ keit von der Steuerspannung VIN einstellen. Die Begrenzung auf die Maximaltemperatur bewirkt bei fehlerhafter Ansteue­ rung mit der Steuerspannung VIN oder bei unterbrochener ther­ mischer Ankoppelung eines der Feldeffekttransistoren einen Schutz dieses Feldeffekttransistors.

Der temperaturabhängige Widerstand steht in möglichst gutem Wärmekontakt zum Transistor. Er kann beispielsweise als po­ tentialfreies Bauelement unmittelbar auf dem Transistorchip aufgebracht sein oder beispielsweise monolitisch im Feldef­ fektransistor integriert sein.

In der Fig. 5 ist ein Feldeffektransistor T mit einem tempe­ raturabhängigen Widerstand RT gezeigt.

In der Fig. 6 ist das Gehäuse CH eines Feldeffekttransistors gezeigt, auf dem zum Beispiel durch Kleben der temperaturab­ hängige Widerstand RT angebracht ist.

In der Fig. 3 ist ein Spannungsdiagramm gezeigt, das die Gate-Source-Spannung VGS in Abhängigkeit der Transistortempe­ ratur TE zeigt.

Bei dem in der Fig. 4 abgebildeteten Diagramm ist die Abhän­ gigkeit des Drainstromes ID von der Transistortemperatur TE dargestellt.

Die elektrischen Anschlüsse können z. B. durch Bonden potenti­ alfrei für jeden Pin einzeln oder durch Vorverdrahtung ausge­ führt sein. In der Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbei­ spiel der Erfindung gezeigt, bei dem zwei Feldeffekttransi­ storen T1 und T2 sowie eine Sicherung Si in Reihe geschaltet sind. Bei jedem Feldeffekttransistor T1 und T2 ist die Gate- Elektrode über je einen temperaturabhängigen Widerstand RT1 und RT2 mit negativem Temperaturkoeffizienten mit der Source- Elektrode verbunden. Parallel zur Reihenschaltung aus den zwei Feldeffekttransistoren T1 und T2 liegt ein Spannungstei­ ler aus einem Widerstand R10 und einem Widerstand R20, dessen Mittelabgriff über einen Gate-Widerstand R1 mit dem ersten Feldeffekttransistor T1 der Reihenschaltung verbunden ist.

Beim zweiten Feldeffekttransistor T2 ist die Drain-Elektrode mit dem ersten Eingang eines Operationsverstärkers OP2 ver­ bunden, dessen Ausgang über einen Gatewiderstand R2 mit der Gate-Elektrode des zweiten Feldeffekttransistors T2 verbunden ist. Am zweiten Eingang des Operationsverstärkers OP2 liegt eine Steuerspannung VIN. An der Reihenschaltung aus der Si­ cherung Si und den zwei Feldeffekttransistoren T1 und T2 liegt eine Versorgungsspannung VB.

Wegen der in Reihe geschalteten Feldeffekttransistoren T1 und T2 ist eine Regelung zur gleichmäßigen Aufteilung der Versor­ gungsspannung VB auf die zwei Feldeffekttransistoren T1 und T2 erforderlich. Aus diesem Grund beträgt das Verhältnis des Widerstandes R10 zum Widerstand R20 des Spannungsteilers 1/1. Zur Regelung der Spannung ist für den auf den ersten Feldef­ fekttransistor T1 folgenden zweiten Feldeffekttransistor T2 ein Operationsverstärker OP2 vorgesehen, der von einer Steu­ erspannung VIN gesteuert wird. Die Heizleistung der Reihen­ schaltung aus den zwei Feldeffekttransistoren T1 und T2 wird von dem Feldeffekttransistor mit der schlechtesten thermi­ schen Anbindung bestimmt. Wird ein Transistor überhitzt, so wird der Strom durch den Operationsverstärker OP2 so redu­ ziert, dass sich am gemeinsamen Knoten des ersten Feldeffekt­ transistors T1 und des zweiten Feldeffekttransistors T2 eine Spannung von etwa VB/2 einstellt.

Bildet einer der Feldeffekttransistoren T1 oder T2 dagegen einen Kurzschluss, so regelt der Operationsverstärker OP2 den Spannungsabfall über die Drain-Source-Strecke der einzelnen Feldeffekttransistoren so, dass wiederum über der Drain- Source-Strecke bei jedem Feldeffekttransistor eine Spannung von ungefähr VB/2 abfällt. Dabei steigt jedoch der Strom durch die Feldeffekttransistoren stark an, bis schließlich die Sicherung Si anspricht, um die Transistoren vor Zerstö­ rung zu schützen.

Ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht vor, meh­ rere Reihenschaltungen aus zwei in Reihe geschalteten Feldef­ fekttransistoren parallel zu schalten.

Ebenso wie bei der Parallelschaltung von einem Feldeffektran­ sistoren kann bei der Reihenschaltung der temperaturabhängige Widerstand auf dem Gehäuse eines Feldeffekttransistors ange­ ordnet sein. Alternativ hierzu kann der Widerstand monoli­ tisch in den Feldeffekttransistor integriert sein. Eine wei­ tere Alternative sieht vor, den temperaturabhängigen Wider­ stand als potentialfreies Bauelement auf dem Transistorchip, beispielsweise durch Klebung, anzubringen.

Für den temperaturabhängigen Widerstand sind besonders gut die handelsüblichen NTC-Widerstände geeignet. Für die monoli­ tische Integration des temperaturabhängigen Widerstandes in den Feldeffekttransistor ist ein Halbleiterchip mit NTC- Charakteristik erforderlich.

Die erfindungsgemäße Heizung aus parallel oder in Reihe ge­ schalteten Feldeffekttransistoren kann allgemein zu Heizzwec­ ken eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist die erfin­ dungsgemäße Heizung zum Vorwärmen des Kühlwassers oder der Innenraumluft eines Kraftfahrzeuges geeignet.

Claims (9)

1. Elektrische Heizung aus n parallel oder in Reihe geschal­ teten Feldeffekttransistoren (T1, T2, . . . Tn), dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Feldeffekttransistor (T1, T2, . . . Tn) die Gate-Elektrode über einen temperaturabhängigen Widerstand (RT1, RT2, . . . RTn) mit negativem Temperaturkoeffizienten mit der Source-Elektrode verbunden ist und dass jeder temperaturabhängige Widerstand (RT1, RT2, . . . RTn) mit dem zugehörenden Feldeffekttransistor (T1, T2, . . . Tn) in gutem wärmeleitendem Kontakt steht.

2. Elektrische Heizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Parallelschaltung aus mehreren Feldeffekttransistoren (T1, T2, . . . Tn) die Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren (T1, T2, . . . Tn) über je einen Gate-Widerstand (R1, R2, . . . Rn) an einem gemeinsamen Knoten liegen, an dem eine Steuer­ spannung (VIN) anliegt.

3. Elektrische Heizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Span­ nungsteiler aus einem ersten Widerstand (R10) und einem zwei­ ten Widerstand (R20) parallel zu einer Reihenschaltung aus zwei Feldeffekttransistoren (T1, T2) liegt, dass das Verhält­ nis des ersten Widerstandes (R10) zum zweiten Widerstand (R20) 1/1 beträgt, dass der Abgriff des Spannungsteilers über einen Gate-Widerstand (R1) mit der Gate-Elektrode des ersten Feldeffekttransistors (T1) der Reihenschaltung verbunden ist, dass dem zweiten Feldeffekttransistor (T2) ein Operationsver­ stärker (OP2) zugeordnet ist, dessen erster Eingang mit der Drain-Elektrode und dessen Ausgang über einen Gate-Widerstand (R2) mit der Gate-Elektrode des zweiten Feldeffekttransistors (T2) verbunden ist und dass am zweiten Eingang des Operati­ onsverstärkers (OP2) eine Steuerspannung (VIN) liegt.

4. Elektrische Heizung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Si­ cherung (Si) in Reihe zur Reihenschaltung aus den zwei Feldeffekttransistoren (T1, T2) geschaltet ist.

5. Elektrische Heizung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die tem­ peraturabhängigen Widerstände (RT1, RT2, . . . RTn) auf dem Ge­ häuse des jeweils zugeordneten Feldeffekttransistors (T1, T2, . . .Tn) angeordnet sind.

6. Elektrische Heizung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die tem­ peraturabhängigen Widerstände (RT1, RT2, . . . RTn) in den Fel­ deffekttransistoren (T1, T2, . . . Tn) integriert sind.

7. Elektrische Heizung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die tem­ peraturabhängigen Widerstände (RT1, RT2, . . . RTn) als poten­ tialfreie Bauelemente auf dem Transistorchip (CH) des jeweils zugehörenden Feldeffekttransistors aufgebracht sind.

8. Elektrische Heizung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Reihenschaltungen aus zwei Feldeffekttransistoren (T1, T2) parallel geschaltet sind.

9. Elektrische Heizung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der Parallelschaltung bzw. an der Reihenschaltung aus den n Feld­ effekttransistoren (T1, T2, . . . Tn) eine Versorgungsspannung (VB) liegt.