DE102004020274A1

DE102004020274A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Schutz eines elektronischen Bauelements

Info

Publication number: DE102004020274A1
Application number: DE102004020274A
Authority: DE
Inventors: Thomas Maier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-04-26
Filing date: 2004-04-26
Publication date: 2005-11-17
Also published as: US20050237689A1

Abstract

Die Abschaltschwelle eines elektronischen Bauelements (B) zum Schutz vor einer temperaturbedingten Überlastung wird durch den Vergleich einer unmittelbar von der Temperatur des elektrischen Bauelements (B) abhängigen Größe (U¶RDS,on¶) mit einer mittelbar von der Temperatur des elektrischen Bauelements (B) abhängigen Größe (U¶PTC¶) ermittelt. Hierdurch können Standardbauelemente, insbesondere Leistungstransistoren, verwendet werden, die durch einen externen Temperatursensor (R¶PTC¶) überwacht werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schutz eines elektronischen Bauelements, insbesondere eines Feldeffekttransistors vor einer temperaturbedingten Zerstörung und/oder einer Überlastung.

Aus der Offenlegungsschrift EP 0 323 813 A1 ist eine Vorrichtung zum Schutz eines integrierten Leistungsschaltkreises vor Übertemperaturen bekannt, die zwei in den Schaltkreis integrierte Sensoren aufweist. Hierbei liefert der erste Sensor einen von der Temperatur des integrierten Schaltkreises abhängigen Ausgangswert und der zweite Sensor einen vom Strom durch das Bauelement – hier ein Leistungstransistor – abhängigen zweiten Ausgangswert.

Bei der bekannten Schaltungsanordnung wird der Stromfluss durch den Transistor in Abhängigkeit vom Ausgangswert dieser beiden Sensoren eingestellt. Hierbei wird die Schwelle für eine Reduktion des Kollektoremitterstroms im integrierten Schaltkreis bei steigender Temperatur reduziert.

Um eine zuverlässige Leistungsendstufe bereitstellen zu können, muss diese vor Überlast geschützt werden. Hierzu werden Temperatursensoren wie bereits oben erläutert in die Endstufe integriert. Ein Maß für die Leistungsfähigkeit der Schutzschaltung ist der thermische Übergang zwischen dem elektronischen Bauelement und dem thermischen Sensorelement. Bei einer schlechten thermischen Anbindung und schnellen Aufheizvorgängen, wie sie beispielsweise bei großen Strömen auftreten können, existieren sehr große Temperaturunterschiede zwischen dem elektronischen Bauelement und dem Temperatursensor. Damit kann die tatsächliche Temperatur des elektronischen Bauelements wesentlich höher sein, als die des Sensorelements. In Folge dessen kann es zu einer Beschädigung oder Zerstörung des elektronischen Bauelements kommen, obwohl eine mit dem Sensorelement verbundene Auswerteschaltung noch keine Übertemperatur festgestellt hat.

Bei Feldeffekttransistoren (FET) und Metalloxidfeldeffekttransistoren (MOSFET) darf die Temperatur der Sperrschicht des Halbleiterbauelements maximal 175°C betragen. Bei bipolaren Transistoren liegt die maximal zulässige Sperrschichttemperatur etwas höher, und zwar bei 200°C. Die Restströme des Halbleiterbauelements können bei den maximal zulässigen Sperrschichttemperaturen 100 mal größer sein als bei 25°C. Die Ausfallswahrscheinlichkeit des Halbleiterbauelements steigt mit zunehmender Sperrschichttemperatur. Daher sollte das Halbleiterbauelement zuverlässig vor Übertemperaturen geschützt werden. Als Reststrom wird hier der Drain-Source-Strom eines Transistors bezeichnet.

Um einen zuverlässigen Schutz zu erzielen, werden die Temperatursensoren zumeist in das elektronische Bauelement integriert, direkt auf diesem angeordnet oder so nah wie möglich an den auf die erhöhte Temperaturen reagierenden Bereich des Bauelements (hier die Sperrschicht eines Leistungstransistors) angeordnet. Diese Bauform weist jedoch den Nachteil auf, dass anstelle von Standardbauelementen nur Bauelemente mit integrierten Temperatursensoren verwendet werden können.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schutz eines elektronischen Bauelements zu schaffen, die das elektronische Bauelement weitestgehend unabhängig vom thermischen Übergang zwischen einem Temperatursensor und dem elektronischen Bauelement vor einer temperaturbedingten Zerstörung schützen.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst.

Hierbei wird ein erster Messwert mit einem zweiten Messwert verknüpft. Überschreitet oder unterschreitet das Ergebnis dieser Verknüpfung einen vorbestimmten Schwellwert, so wird das elektrische Bauelement ab- oder eingeschaltet. Hierbei ist der erste Messwert unmittelbar von der Temperatur des elektrischen Bauelements abhängig und der zweite Messwert mittelbar von der Temperatur des elektrischen Bauelements abhängig.

Weiter ist das elektrische Bauelement, das den zweiten mittelbar von der Temperatur des Bauelements abhängigen Messwert liefert, nicht in dem zu überwachenden elektrischen Bauelement integriert. Hierdurch können Standardkomponenten verwendet werden, die keine integrierte Schutzschaltung aufweisen. Dies führt unter anderem zu einer erheblichen Kostenersparnis beim Aufbau einer solchen Schaltungsanordnung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der erste und der zweite Mittelwert durch eine Subtraktion verknüpft.

Hierdurch kann auf besonders einfache Weise das Über- bzw. Unterschreiten des vorbestimmten Schwellwertes durch ein Vorzeichenwechsel bei dem Ergebnis der Subtraktion festgestellt werden.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Verfahren bzw. die Vorrichtung eine weitere Abschaltschwelle auf, die ausschließlich von einem der beiden Messwerte abhängt.

Darüber hinaus kann ein zweiter Messwert mit den ersten Messwerten mehrerer elektrischer Bauelemente verknüpft werden.

Hierdurch entstehen besondere Vorteile im Bezug auf den benötigten Bauraum und die benötigte Anzahl von elektronischen Bauelementen. Da ein zusätzlicher externer Temperatursensor für mehrere elektronische Bauteile eingesetzt werden kann.

Mehrere Ausführungsbeispiele werden im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, und
3 einen Verlauf eines ersten und eines zweiten Messwerts über der Zeit.
1 zeigt ein elektronisches Bauelement B, das zum Ein- und Ausschalten einer elektronischen Last L dient. Die Serienschaltung aus elektronischem Bauelement B und der Last L ist zwischen einem ersten Potential VCC und einem zweiten Potential GND einer Betriebsspannungsquelle angeordnet. Der Verbindungspunkt zwischen dem Bauelement B und der Last L wurde hier mit einem Bezugszeichen P₁ versehen.
Das elektronische Bauelement B wird hier schematisch durch ein Ersatzschaltbild mit einem Widerstand R_DS,on und einem Schalter ST dargestellt. Dieser Widerstand R_DS,on und der Schalter ST sind in Serie geschaltet.
Bei dem Bauelement B kann es sich um einen Leistungsschalter, beispielsweise um einen FET, MOSFET oder IGBT handeln. Dieses kann wiederum Teil einer Halbbrückenanordnung zur Steuerung einer Last L, beispielsweise eines Getriebes, in einem Kraftfahrzeug sein.
Der Schalter ST wird hier durch eine Spannung U_G ein- oder ausgeschaltet. Die Spannung U_G wird in Abhängigkeit von zwei Eingangsgrößen von einer Steuerschaltung (Gate Control) GC zur Verfügung gestellt. Die Steuerspannung U_G wird von der Steuerschaltung GC in Abhängigkeit von einem Ein-/Ausschaltsignal U_C und der Ausgangsspannung U_ST eines Vergleichers K erzeugt. Die Ausgangsspannung U_UT des Vergleichers K liefert der Steuerschaltung GC abhängig von der Temperatur des Bauelements ein Ein- und/oder Ausschaltsignal für den Schalter S_T. Das Steuersignal U_ST kann dort beispielsweise mit dem Ein-/Ausschaltsignal U_ST durch ein UND-Gatter verknüpft sein. Dann wird der Schalter S_T nur eingeschaltet, wenn beide Spannungen U_ST und U_C einen solchen Pegel aufweisen, der gemäß den vorgegebenen Schwellwerten ein Einschalten des Schalters ST zur Folge haben soll.
Um auch mit einem außerhalb des Bauelements B angeordneten Temperatursensors, hier einem Kaltleiter (PTC-Widerstand) R_PTC ein rechtzeitiges Abschalten des elektrischen Bauelements B bei einer nicht mehr zulässigen Temperatur T sicherzustellen, erfasst der Vergleicher K zum einen eine über dem PTC-Widerstand R_PTC abfallenden elektrische Spannung U_PTC und zum anderen eine über den Widerstand R_DS,on abfallende elektrische Spannung U_RDS,on. Der Widerstand R_DS,on stellt eine temperaturabhängige Größe des Bauelements B, hier den Widerstand zwischen Drain und Source des Feldeffekttransistors dar. Diese wird über einen Differentialverstärker A aufgenommen und dem Vergleicher K auf dessen invertierten Eingang (-) zugeführt. Der Laststrom I_L wird hier entweder als konstant angenommen oder über einen Messwiderstand ermittelt und so eine etwaige Änderung des Laststrom I_L bei der Auswertung des Messergebnisses berücksichtigt.
Der PTC-Widerstand ist einerseits über einen Widerstand R₁ mit einem dritten Potential V_5V, hier 5V, und andererseits mit dem zweiten Potential GND der Versorgungsspannungsquelle verbunden. Die über dem PTC-Widerstand R_PTC abfallende Spannung U_PTC wird dem Vergleicher K auf dessen nichtinvertierenden Eingang (+) zugeführt.
Die Steuerspannung U_ST wird hier durch einen Vergleich, hier eine Subtraktion zweier Spannungen U_RDS,on und U_PTC ermittelt. Hierbei ist der erste Messwert, die Spannung U_RDS,on unmittelbar von der Temperatur des elektrischen Bauelements B abhängig. Da R_PTC in einer thermischen Kopplung zum Bauelement B angeordnet ist, ist der zweite Messwert, die Spannung U_PTC mittelbar von der Temperatur des elektrischen Bauelements B abhängig. Die Güte der thermischen Kopplung zwischen dem Bauelement B und dem PTC-Widerstand hängt von dessen räumlicher Anordnung in Bezug auf das Bauelement B ab.
Die Schaltungsanordnung macht sich zum Nutzen, dass aufgrund der mittelbaren oder der unmittelbaren Kopplungen die beiden temperaturabhängigen Spannungen U_RDS,on und U_PTC aufgrund der unterschiedlichen thermischen Zeitkonstanten der Ankopplung an die Quelle der Temperaturänderung auseinander driften, d.h. die Anstiegsgeschwindigkeiten der beiden Spannungen U_RDS,on und U_PTC unterschiedlich sind.
Im hier vorliegenden Fall wird die Abschaltschwelle so gewählt, dass das elektrische Bauelement B abgeschaltet wird, sobald die Spannung U_ST am Ausgang des Komparators K ungefähr gleich 0 ist. In diesem Fall wäre die Spannung U_RDS,on gleich der über dem PTC-Widerstand abfallenden Spannung U_PTC.
Neben einer Subtraktion zweier von der Temperatur des elektrischen Bauelements B abhängigen Spannungen U_RDS,on und U_PTC sind jedoch auch andere Operationen, wie beispielsweise eine Addition, eine Multiplikation oder auch eine Division dieser beiden Eingangsgrößen U_RDS,on und U_PTC möglich. Die Abschaltschwelle, hier U_ST ungefähr gleich 0 Volt, wird so gewählt, dass die Temperatur des elektrischen Bauelements B für diese Abschaltschwelle eine vorgegebenen Temperatur von beispielsweise 120°C nicht überschreitet.
Aufgrund der Verknüpfung der unmittelbar temperaturabhängigen Spannung U_RDS,on und der mittelbar temperaturabhängigen Span nung U_PTC wird im Überlastfall bei einer schnellen Aufheizung des Bauelements B schon bei niedrigeren Temperaturen die Überlaststromabschaltschwelle erreicht und die Endstufe abgeschaltet. Diese Überstromabschaltschwelle ist abhängig vom Spannungsunterschied zwischen der Spannung U_RDC,on und der Spannung U_PTC. Hierdurch wird die Belastung des elektrischen Bauelements B reduziert und somit auch dem Ausfall des Bauelements vorgebeugt.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Schutz eines elektronischen Bauelements. Hierbei tragen funktionell identische Bauteile die selben Bezugszeichen wie in 1.
Auch hier ist wieder ein elektrisches Bauelement B dargestellt, hier ein integrierter Schaltkreis, der hier ein N-Kanal-MOSFET T und eine Ansteuerschaltung GC aufweist. Parallel zu der Drain-Source-Strecke des Transistors T ist eine Diode D1 angeordnet. Bei dieser Diode D1 handelt es sich um die bei einem MOSFET ohnehin vorhandene Substratdiode.
Der MOSFET T ist mit seinem Drainanschluss D mit dem ersten Potential VCC der Versorgungsspannungsquelle und mit seinem Sourceanschluss S mit einem Knoten P₁ elektrisch verbunden. Dieser Knoten P₁ ist wie bereits in 1 dargestellt über die Last L mit dem zweiten Potential GND der Versorgungsspannungsquelle elektrisch verbunden. Räumlich getrennt von diesem integrierten elektronischen Bauelement B ist auch hier ein PTC-Widerstand R_PTC angeordnet. Das elektronische Bauelement B und der PTC-Widerstand R_PTC sind hier zu einer Baugruppe BG zusammengefasst. Diese Zusammenfassung soll die räumliche Nähe von dem Bauelement B und dem PTC-Widerstand R_PTC verdeutlichen.
Der PTC-Widerstand R_PTC ist einerseits mit einem Widerstand R₁ und andererseits mit dem zweiten Potential GND der Spannungsversorgung verbunden. Der zweite Anschluss des Widerstands R₁ ist mit einem dritten Potential V_5V verbunden. Die Widerstände R_PTC und R₁ bilden einen Spannungsteiler, wobei die dem Vergleicher K zugeführte Spannung U_PTC in Abhängogeit von dem Wert des PTC-Widerstands R_PTC variiert.
Die Ansteuerschaltung GC weist wiederum einen Eingang für ein Ein-/Ausschaltsignal U_C und die Ausgangsspannung U_ST des Vergleichers K auf.
Ebenso wie im Ausführungsbeispiel gemäß 1 wird hier die über der Drain-Source-Strecke des Transistors T abfallende Spannung U_RDS,on über einen Differenzverstärker A ermittelt und dem invertierenden Eingang (-) eines Komparators K zugeführt. Die über dem PTC-Widerstand R_PTC abfallende Spannung wird einerseits dem nichtinvertierenden (+) Eingang des Komparators K zugeführt, andererseits kann sie über einen Knoten P₂ einer weiteren nicht dargestellten Schaltungsanordnung zugeführt werden. Diese kann beispielsweise einen Mikrocontroller mit einem Analog-Digital-Converter aufweisen. Bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes U_PTC,max kann das elektronische Bauelement B auch nur in Abhängigkeit von der über dem PTC-Widerstand R_PTC abfallenden Spannung U_PTC abgeschaltet werden. Hierdurch wird ein Überschreiten einer absoluten Maximaltemperatur, beispielsweise T_max = 130°C, verhindert.
Der Widerstand U_RDS,on weist einen positiven Temperaturkoeffizienten auf. Dieser schwankt in einem Bereich zwischen 0,7 % K^–1 ≤ α ≤ 1,8 % K^–1. Dieser positive Temperaturkoeffizient α erhöht die Verlustleistung des als Schalter betriebenen MOSFET T und kann im Extremfall zu einer Zerstörung des Transistors T führen.
3 zeigt den Verlauf des ersten und des zweiten Messwerts, der Spannungen U_RDS,on und U_PTC als Funktion der Zeit. Wie aus diesem Diagramm ersichtlich ist, weist die Spannung U_RDS,on eine größere Steigung als die Spannung U_PTC auf. Dies hat für U_PTC < U_RDS,on für t = 0 zur Folge, dass sich die beiden Kurven U_RDS,on und U_PTC nach ca. neun Sekunden schneiden. Dieser Schnittpunkt hat in den beiden Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 2 eine Ausgangsspannung U_ST von 0 Volt am Komparator K zur Folge. In diesem Fall würde das elektronische Bauelement B abgeschaltet werden.
Der erste Messwert U_RDS,on ist unmittelbar von der Temperatur des Bauelements B abhängig, d.h. der Messwert wird direkt am Ort der Temperaturänderung abgegriffen. Der zweite Messwert U_PTC ändert sich mittelbar in Folge thermischer Kopplung durch vom Bauelement B abgeleitete Wärme. Der zweite Messwert U_PTC wird räumlich entfernt vom Bauelement B gemessen und aufgrund des Messwertes auf die Temperatur des Bauelements B rückgeschlossen.

Claims

Verfahren zum Schutz eines elektrischen Bauelements vor einer temperaturbedingten Zerstörung, insbesondere eines Leistungstransistors, das die folgenden Schritt aufweist: – Ermitteln eines ersten Messwertes (U_RDS,on), wobei dieser Messwert unmittelbar von der Temperatur des elektronischen Bauelements (B) abhängig ist, – Ermitteln eines zweiten Messwertes (U_PTC), wobei dieser Messwert mittelbar von der Temperatur des elektronischen Bauelementes (B) abhängig ist, – Vergleichen des ersten Messwerts (U_RDS,on) mit dem zweiten Messwert (U_PTC) und – Ab- oder Einschalten des elektronischen Bauelements (B), falls das Ergebnis (U_ST) dieses Vergleichs eine vorbestimmte Schwelle über- oder unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich zwischen dem ersten Messwert (U_RDS,on) und dem zweiten Messwert (U_PTC) durch eine Subtraktion erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauelement abgeschaltet wird, sobald der erste Messwert (U_RDS,on) in etwa gleich dem zweiten Messwert (U_PTC) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Messwert (U_PTC) mit einem vorgegebenen Schwellwert (U_PTC,max) verglichen wird und abhängig vom Ergebnis dieses Vergleichs ein Steuersignal zum Ausschalten des elektronischen Bauelements (B) erzeugt wird.
Vorrichtung zum Schutz eines elektronischen Bauelements vor einer temperaturbedingten Zerstörung, insbesondere eines Leistungstransistors, die aufweist: – ein erstes Bauelement (B), – einen Vergleicher (K), dem zum einen ein unmittelbar von der Temperatur des elektronischen Bauelements (B) abhängiger erster Messwert (U_RDS,on) zugeführt wird und zum anderen ein zweiter mittelbar von der Temperatur des elektronischen Bauelements (B) abhängiger Messwert (U_PTC) zugeführt wird, und – eine Steuerschaltung (GC), die das elektronische Bauelement (B) in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal (U_ST) des Vergleichers (K) ein- und/oder ausschaltet.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zumindest zwei elektronische Bauelemente (B) aufweist, bei denen jeweils ein erster Messwert (U_RDS,on) ermittelt wird, wobei diese ersten Messwerte (U_RDS,on) unmittelbar von der Temperatur des jeweiligen elektronischen Bauelements (B) abhängig sind, dass dem Vergleicher (K) die beiden ersten Messwerte (U_RDS,on) und ein einziger zweiter Messwert (U_PTC) zugeführt werden, der jeweils mit einem der ersten Messwerte (U_RDS,on) verglichen wird und die Steuerschaltung (GC) das jeweilige elektronischen Bauelement (B) ab- oder eingeschaltet, falls das Ergebnis (U_ST) des zugehörigen Vergleichs eine vorbestimmte Schwelle über- oder unterschreitet.