DE102005046682A1 - Hochstrom-Leistungsendstufe - Google Patents

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Abstract

Eine Hochstrom-Leistungsendstufe (PA) umfasst mindestens vier Leistungstransistoren (T), zwei elektrische Zuleitungen und mindestens eine Schmelzsicherung (S). Die mindestens vier Leistungstransistoren (T) weisen jeweils eine Diode (D) auf, die bei Normalbetrieb des jeweiligen Leistungstransistors (T) gesperrt sind. Die zwei elektrischen Zuleitungen koppeln die mindestens vier Leistungstransistoren (T) so mit einem Versorgungspotenzial (Up) und einem Bezugspotenzial (Un), dass jeweils zwei der mindestens vier Leistungstransistoren (T) zueinander in Reihe angeordnet sind, und zwar elektrisch zwischen dem Versorgungspotenzial (Up) und dem Bezugspotenzial (Un). Die mindestens eine Schmelzsicherung (S) ist in mindestens einer der zwei elektrischen Zuleitungen elektrisch in Reihe zu den mindestens vier Leistungstransistoren (T) angeordnet. Die mindestens eine Schmelzsicherung (S) ist auslösbar durch einen Strom, der bei Vertauschen des Versorgungspotenzials (Up) und des Bezugspotenzials (Un) durch die dann jeweils in Durchlassrichtung angeordnete Diode (D) der mindestens vier Leistungstransistoren (T) fließt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Hochstrom-Leistungsendstufe, die Leistungstransistoren umfasst, insbesondere MOSFET-Leistungstransistoren.
  • Hochstrom-Leistungsendstufen werden beispielsweise in Steuergeräten von Kraftfahrzeugen zum Ansteuern von Elektromotoren genutzt, z.B. für eine elektrische Servolenkvorrichtung oder eine elektrische Bremskraftverstärkervorrichtung. Die Hochstrom-Leistungsendstufen arbeiten in einem Normalbetrieb z.B. mit Strömen in der Größenordnung von 100 Ampere. Die erforderliche elektrische Energie wird durch eine Generatorvorrichtung oder eine Batterie bereitgestellt. Bei einem Auswechseln der Batterie kann die Batterie versehentlich verpolt mit der Hochstrom-Leistungsendstufe gekoppelt werden. Der dadurch verursachte Stromfluss in der Hochstrom-Leistungsendstufe kann diese beschädigen oder zerstören.
  • In der DE 102 08 981 A1 ist ein Kraftfahrzeug mit zwei Bordnetzen offenbart. Für jedes der zwei Bordnetze ist ein Stromverteiler mit Powermanagement vorgesehen. Einer der Stromverteiler umfasst eine Endstufe und einen Mikrocomputer. Die Endstufe umfasst einen Messwiderstand. Der Stromfluss in der Endstufe wird durch den Mikrocomputer aus einem Spannungsabfall über dem Messwiderstand ermittelt. Der Stromfluss in der Endstufe kann unterbrochen werden durch entsprechendes Ansteuern der Endstufe durch den Mikrocomputer. In einer Zuleitung der Endstufe ist eine Schmelzsicherung angeordnet, um bei einem Kurzschluss und gleichzeitigem Durchlegieren der Endstufe einem Brand vorzubeugen. Als ein Verpolschutz ist ein Relais vorgesehen, das den Stromfluss bei dem Verpolen unterbricht.
  • In der DE 195 01 985 A1 ist ein Verpolschutz für eine gleichspannungsversorgte elektronische Schaltung vor Beschädigung durch Verpolen offenbart. Eine Suppressordiode ist parallel zu einer Batterie und zu elektrischen Verbrauchern angeordnet. In einer Zuleitung zwischen der Batterie und der Suppressordiode bzw. den elektrischen Verbrauchern ist eine Schmelzsicherung angeordnet. Bei dem Verpolen wird die Suppressordiode leitend und die Schmelzsicherung löst durch den dadurch verursachten Stromfluss aus.
    •
  • Die Aufgabe der Erfindung ist, eine Hochstrom-Leistungsendstufe zu schaffen, die gegen Verpolen geschützt ist und die einfach und preisgünstig ist.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine Hochstrom-Leistungsendstufe, die mindestens vier Leistungstransistoren, zwei elektrische Zuleitungen, und mindestens eine Schmelzsicherung umfasst. Die mindestens vier Leistungstransistoren weisen jeweils eine Diode auf, die bei Normalbetrieb des jeweiligen Leistungstransistors gesperrt ist. Die zwei elektrischen Zuleitungen koppeln die mindestens vier Leistungstransistoren so mit einem Versorgungspotenzial und einem Bezugspotenzial, dass jeweils zwei der mindestens vier Leistungstransistoren zueinander in Reihe angeordnet sind, und zwar elektrisch zwischen dem Versorgungspotenzial und dem Bezugspotenzial. Die mindestens eine Schmelzsicherung ist in mindestens einer der zwei elektrischen Zuleitungen elektrisch in Reihe zu den mindestens vier Leistungstransistoren angeordnet. Die mindestens eine Schmelzsicherung ist auslösbar durch einen Strom, der bei Vertauschen des Versorgungspotenzials und des Bezugspotenzials durch die dann jeweils in Durchlassrichtung angeordnete Diode der mindestens vier Leistungstransistoren fließt.
  • Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Leistungstransistoren, insbesondere MOSFET-Leistungstransistoren, jeweils die Diode aufweisen. Diese ist bei Normalbetrieb der Hochstrom-Leistungsendstufe, also bei unverpoltem Betrieb, gesperrt. Bei dem Verpolen durch Vertauschen des Versorgungspotenzials und des Bezugspotenzials ist die Diode jedoch leitend. Dadurch fließt bei dem Verpolen ein Strom durch die Dioden der Leistungstransistoren und durch die Schmelzsicherung. Dieser Strom ist so hoch, dass die Schmelzsicherung durch diesen ausgelöst wird. Die zwei elektrischen Zuleitungen sind dimensioniert, den Strom für eine Tragzeitdauer zu tragen, die länger ist als eine Auslösezeitdauer der Schmelzsicherung.
  • Dadurch, dass mindestens vier Leistungstransistoren vorgesehen sind, durch deren Dioden bei dem Verpolen der Strom fließt, ist die entstehende Verlustleistung auf die mindestens vier Leistungstransistoren verteilt. Dadurch sinken die Anforderungen an die Stromtragfähigkeit der Leistungstransistoren. Dies hat den Vorteil, dass preisgünstige Leistungstransistoren genutzt werden können. Ferner ist die Absicherung der Hochstrom-Leistungsendstufe gegen Verpolen durch die Schmelzsicherung einfach und preisgünstig. Es müssen keine weiteren Bauelemente für den Verpolschutz vorgesehen werden. Insbesondere kann auf ein Relais zum Unterbrechen des Stromflusses bei dem Verpolen verzichtet werden. Die Hochstrom-Leistungsendstufe ist z.B. als H-Brücke mit vier Leistungstransistoren ausgebildet oder weist entsprechend sechs Leistungstransistoren auf zum Bereitstellen von dreiphasigem Drehstrom. Die Hochstrom-Leistungsendstufe kann jedoch auch mehr als sechs Leistungstransistoren aufweisen.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die mindestens vier Leistungstransistoren jeweils als Halbleiterchip unmittelbar auf einem gemeinsamen Träger angeordnet. Mindestens eine der zwei elektrischen Zuleitungen umfasst mindestens einen Bond-Draht. Der Vorteil ist, dass Leistungs transistoren in Form der Halbleiterchips besonders preisgünstig sind und eine besonders gute Wärmeabführung ermöglichen. Die Stromtragfähigkeit der elektrischen Zuleitung in dem Bereich des mindestens einen Bond-Drahts kann sehr einfach über die geeignete Wahl der Dicke des jeweiligen Bond-Drahts oder über die Anzahl der Bond-Drähte dimensioniert werden. Ferner ist die Hochstrom-Leistungsendstufe durch den gemeinsamen Träger kompakt und preisgünstig in der Herstellung.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens eine zusätzliche Diode so parallel zu den mindestens vier Leistungstransistoren elektrisch zwischen dem Versorgungspotenzial und dem Bezugspotenzial angeordnet, dass diese bei dem Normalbetrieb der Hochstrom-Leistungsendstufe gesperrt ist und bei dem Vertauschen des Versorgungspotenzials und des Bezugspotenzials leitend ist. Dies hat den Vorteil, dass die entstehende Verlustleistung durch den Strom bei dem Verpolen auch auf die mindestens eine zusätzliche Diode verteilt ist, so dass die Anforderungen an die Stromtragfähigkeit der Dioden der mindestens vier Leistungstransistoren und der mindestens einen zusätzlichen Diode weiter verringert ist. Die Leistungstransistoren und die mindestens eine zusätzliche Diode können so besonders preisgünstig sein.
    •
  • Ausführungsbeispiele der Erfindungen sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Schaltungsanordnung mit einer Hochstrom-Leistungsendstufe,
  • 2 ein Ersatzschaltbild der Schaltungsanordnung bei einem Verpolen einer Batterie und
  • 3 eine Ausführungsform der Hochstrom-Leistungsendstufe.
  • Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Eine Schaltungsanordnung umfasst eine Batterie Bat, eine Hochstrom-Leistungsendstufe PA und einen Elektromotor M (1). Die Hochstrom-Leistungsendstufe PA ist über eine erste Zuleitung Z1 mit einem Versorgungspotenzial Up und über eine zweite Zuleitung Z2 mit einem Bezugspotenzial Un der Batterie Bat gekoppelt. Die Batterie Bat stellt eine Batteriespannung Ubat für den Betrieb der Hochstrom-Leistungsendstufe bereit. Die Hochstrom-Leistungsendstufe PA ist elektrisch gekoppelt mit dem Elektromotor M. Der Elektromotor M wird mittels Drehstrom betrieben und die Hochstrom-Leistungsendstufe PA ist ausgebildet, aus der Batteriespannung Ubat die drei Phasen des Drehstroms für den Betrieb des Elektromotors M zu erzeugen.
  • Die Hochstrom-Leistungsendstufe PA umfasst für jede der drei Phasen des Drehstroms jeweils eine Reihenschaltung zweier Leistungstransistoren T, die jeweils eine Diode D aufweisen. Die Leistungstransistoren T sind bevorzugt als MOSFET-Leistungstransistoren ausgebildet. Die jeweilige Reihenschaltung der Leistungstransistoren T ist mit der ersten Zuleitung Z1 und der zweiten Zuleitung Z2 gekoppelt und somit elektrisch zwischen dem Versorgungspotenzial Up und dem Bezugspotenzial Un angeordnet. Bei einem Normalbetrieb der Hochstrom-Leistungsendstufe PA sind die Dioden D jeweils in Sperrrichtung angeordnet, d.h., die Kathode der Diode D ist mit dem gegenüber dem Bezugspotenzial Un positiven Versorgungspotenzial Up gekoppelt und die Anode der Diode D ist mit dem Bezugspotenzial Un gekoppelt.
  • Die Leistungstransistoren T werden angesteuert durch eine nicht dargestellte Steuereinrichtung. Die Hochstrom-Leistungsendstufe PA kann auch als ein Teil der Steuereinrichtung ausgebildet sein.
  • In der ersten elektrischen Zuleitung Z1 ist eine Schmelzsicherung S vorgesehen. Die Schmelzsicherung S ist so dimensioniert, dass diese bei dem Normalbetrieb der Hochstrom-Leistungsendstufe PA nicht ausgelöst wird.
  • Parallel zu den drei Reihenschaltungen der Leistungstransistoren T kann mindestens eine zusätzliche Diode DZ vorgesehen sein, die bei dem Normalbetrieb entsprechend den Dioden D mit ihrer Kathode mit dem Versorgungspotenzial Up und mit ihrer Anode mit dem Bezugspotenzial Un elektrisch gekoppelt ist.
  • Da die Dioden D der Leistungstransistoren T und die gegebenenfalls vorgesehene zusätzliche Diode DZ bei dem Normalbetrieb gesperrt sind, ist der Stromfluss durch die Schmelzsicherung S und die erste und die zweite elektrische Zuleitung Z1, Z2 abhängig von der Ansteuerung der Leistungstransistoren T.
  • Werden jedoch das Versorgungspotenzial Up und das Bezugspotenzial Un miteinander vertauscht durch Verpolen der Batterie Bat, dann sind die Dioden D der Leistungstransistoren T und die gegebenenfalls vorgesehene zusätzliche Diode DZ in Durchlassrichtung angeordnet und somit leitend.
  • 2 zeigt ein Ersatzschaltbild der Schaltungsanordnung gemäß 1 bei dem Verpolen der Batterie Bat. Ein Strom I durch die Schmelzsicherung S und durch die erste und die zweite elektrische Zuleitung Z1, Z2 ist dann deutlich höher als der Strom in dem Normalbetrieb, z.B. um einen Faktor zwischen etwa drei und zehn. Der Strom I ist im Wesentlichen durch den Innenwiderstand der Batterie Bat vorgegeben und ist abhängig von einem Ladezustand der Batterie Bat. Die Schmelzsicherung S ist so dimensioniert, dass diese bei dem Strom I auslöst und die Hochstrom-Leistungsendstufe PA so elektrisch von der Batterie Bat trennt. Dadurch ist die Hochstrom-Leistungsendstufe PA vor Beschädigung durch das Verpolen der Batterie Bat geschützt.
  • Voraussetzung für den Schutz der Hochstrom-Leistungsendstufe PA bei dem Verpolen der Batterie Bat ist, dass die Verlustleistung in den Dioden D und der gegebenenfalls vorgesehenen zusätzlichen Diode DZ bis zum Auslösen der Schmelzsicherung S so gering bleibt, dass die Dioden D und die gegebenenfalls vorgesehene zusätzliche Diode DZ nicht beschädigt werden.
  • Versuche haben gezeigt, dass der Schutz eines elektrischen Verbrauchers vor Verpolen durch Parallelschalten nur einer Diode entsprechend der zusätzlichen Diode DZ nicht möglich oder sehr teuer ist, wenn bei dem Verpolen der Strom durch diese Diode mehrere hundert Ampere beträgt und dieser Strom für beispielsweise etwa zehn Sekunden ohne Zerstörung der Diode getragen werden muss, um das Auslösen der Schmelzsicherung S gewährleisten zu können. Die Anforderungen an die Stromtragfähigkeit dieser Diode und entsprechend auch ihr Preis sind dadurch sehr hoch.
  • Durch Verteilen der Verlustleistung auf mindestens vier Leistungstransistoren T bzw. deren Dioden D und durch geeignetes Dimensionieren der ersten und der zweiten Zuleitung Z1, Z2 werden die Anforderungen an die Stromtragfähigkeit jedes einzelnen Leistungstransistors T bzw. deren Diode D reduziert. Der Strom I teilt sich auf die drei elektrisch parallel zueinander angeordneten Reihenschaltungen der jeweils zwei Leistungstransistoren T und auf die gegebenenfalls vorgesehene zusätzliche Diode DZ. Ferner sinkt der Stromfluss durch jede der drei Reihenschaltungen der Leistungstransistoren T aufgrund der Verdoppelung des Spannungsabfalls über den Reihenschaltungen der Leistungstransistoren T gegenüber dem Spannungsabfall über jeder einzelnen Diode D, der einer Diodenspannung UD entspricht. Dadurch wird die Batterie Bat weniger belastet, d.h. der Strom I ist geringer, wenn die Batteriespannung Ubat auf die doppelte Diodenspannung UD begrenzt ist, als wenn die Batteriespannung Ubat auf die einfache Diodenspannung UD begrenzt ist. Entsprechend dem geringeren Strom I ist auch die Verlustleistung reduziert, die jede einzelne Diode D aushalten muss. Dadurch sind die Anforderungen an die Dioden D und entsprechend an die Leistungstransistoren T geringer, so dass preisgünstige Leistungstransistoren T gewählt werden können.
  • Die zusätzliche Diode DZ ist so ausgebildet, dass über dieser ebenfalls die doppelte Diodenspannung UD abfällt. Die zusätzliche Diode DZ ist dazu beispielsweise als eine Reihenschaltung zweier Einzeldioden mit der Diodenspannung UD ausgebildet.
  • 3 zeigt eine Ausführungsform der Hochstrom-Leistungsendstufe PA. Auf einem Träger 1 sind die sechs Leistungstransistoren T in Form von jeweils einem Halbleiterchip 2 aufgebracht, d.h., die Leistungstransistoren T weisen bevorzugt kein Gehäuse auf. Die erste und die zweite Zuleitung Z1, Z2 umfassen Bond-Drähte W, über die der jeweilige Halbleiterchip 2 mit Leiterbahnen gekoppelt ist, die auf dem Träger 1 angeordnet sind. Ferner sind die Leiterbahnen des Trägers 1 über Bond-Drähte W mit weiteren Leiterbahnen gekoppelt, die z.B. auf einer Leiterplatte angeordnet sind. Die Leiterbahnen, die weiteren Leiterbahnen und die Bond-Drähte W sind so dimensioniert, dass sie den Strom I bei dem Vertauschen des Versorgungspotenzials Up und des Bezugspotenzials Un für eine Tragzeitdauer tragen können, die länger ist als eine Auslösezeitdauer der Schmelzsicherung S.
  • Die Auslösezeitdauer kann mehrere Sekunden betragen, da der bei dem Normalbetrieb der Hochstrom-Leistungsendstufe PA, also bei dem unverpolten Betrieb, fließende Strom bereits sehr hoch ist, z.B. in der Größenordnung von 100 Ampere, und der bei dem Verpolen fließende Strom I deshalb nur um einen Faktor von z.B. etwa drei bis zehn größer ist als dieser. Die Schmelzsicherung S muss jedoch so dimensioniert sein, dass sie bei dem Normalbetrieb der Hochstrom-Leistungsendstufe PA sicher nicht auslöst.
  • Da die Leistungstransistoren T als Halbleiterchip 2 ohne Gehäuse auf dem Träger 1 angeordnet sind, besteht die Möglichkeit, die Stromtragfähigkeit der ersten und der zweiten Zuleitung Z1, Z2 in dem Bereich der Bond-Drähte W sehr einfach durch die Wahl geeigneter Bond-Drähte W, z.B. bezüglich ihrer Dicke, oder durch die Wahl einer geeigneten Anzahl von zueinander parallel angeordneter Bond-Drähte W zu dimensionieren. Beispielsweise werden jeweils fünf zueinander parallel angeordnete Bond-Drähte W vorgesehen, um den Strom I tragen zu können, wenn für den Normalbetrieb, also den unverpolten Betrieb, bereits drei zueinander parallel angeordnete Bond-Drähte W ausreichend sind. Es können jedoch abhängig von den Anforderungen an die Stromtragfähigkeit auch mehr oder weniger Bond-Drähte W vorgesehen sein.
    • 1
    Träger
    2
    Halbleiterchip
    Bat
    Batterie
    D
    Diode
    DZ
    zusätzliche Diode
    I
    Strom
    M
    Elektromotor
    PA
    Hochstrom-Leistungsendstufe
    S
    Schmelzsicherung
    T
    Leistungstransistor
    Ubat
    Batteriespannung
    UD
    Diodenspannung
    Un
    Bezugspotenzial
    Up
    Versorgungspotenzial
    W
    Bond-Draht
    Z1
    erste elektrische Zuleitung
    Z2
    zweite elektrische Zuleitung

Claims (3)

  1. Hochstrom-Leistungsendstufe, die umfasst – mindestens vier Leistungstransistoren (T), die jeweils eine Diode (D) aufweisen, die bei Normalbetrieb des jeweiligen Leistungstransistors (T) gesperrt ist, – zwei elektrische Zuleitungen, die die mindestens vier Leistungstransistoren (T) so mit einem Versorgungspotenzial (Up) und einem Bezugspotenzial (Un) koppeln, dass jeweils zwei der mindestens vier Leistungstransistoren (T) in Reihe angeordnet sind, und zwar elektrisch zwischen dem Versorgungspotenzial (Up) und dem Bezugspotenzial (Un), und – mindestens eine Schmelzsicherung (S), die in mindestens einer der zwei elektrischen Zuleitungen elektrisch in Reihe zu den mindestens vier Leistungstransistoren (T) angeordnet ist und die auslösbar ist durch einen Strom (I), der bei Vertauschen des Versorgungspotenzials (Up) und des Bezugspotenzials (Un) durch die dann jeweils in Durchlassrichtung angeordnete Diode (D) der mindestens vier Leistungstransistoren (T) fließt.
  2. Hochstrom-Leistungsendstufe nach Anspruch 1, bei der – die mindestens vier Leistungstransistoren (T) jeweils als Halbleiterchip (2) unmittelbar auf einem gemeinsamen Träger (1) angeordnet sind und – mindestens eine der zwei elektrischen Zuleitungen mindestens einen Bond-Draht (W) umfasst.
  3. Hochstrom-Leistungsendstufe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der mindestens eine zusätzliche Diode (DZ) so parallel zu den mindestens vier Leistungstransistoren (T) elektrisch zwischen dem Versorgungspotenzial (Up) und dem Bezugspotenzial (Un) angeordnet ist, dass diese bei Normalbetrieb der Hochstrom-Leistungsendstufe (PA) gesperrt ist und bei dem Vertauschen des Versorgungspotenzials (Up) und des Bezugspotenzials (Un) leitend ist.
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