DE102006008292A1

DE102006008292A1 - Überlastschutz für steuerbare Stromverbraucher

Info

Publication number: DE102006008292A1
Application number: DE102006008292A
Authority: DE
Inventors: Rainald Sander
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2006-02-22
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2026-02-23
Also published as: DE102006008292B4; US7626795B2; US20070195476A1

Abstract

Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Absicherung eines steuerbaren Stromverbrauchers zu schaffen, bei der der Strom durch den Stromverbraucher erfasst wird und bei Überschreiten eines Schwellenstroms das Steuersignal derart verändert wird, dass der Strom durch den Stromverbraucher verändert wird. Dabei ist die Schaltung derart angelegt, dass der Stromverbraucher zur gleichen Zeit gegen Überhitzung geschützt wird, d. h. bei Erreichen einer Temperaturschwelle wird das Zündsignal derart verändert, dass der Strom durch den Stromverbraucher sinkt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Absicherung eines steuerbaren Stromverbrauchers vor zu hohen Durchgangsstromstärken.

Um eine einwandfreie Funktionsweise von elektronischen Bauelementen zu gewährleisten, ist es wichtig sie vor Überlastung, d.h. vor zu großen Durchgangsstromstärken, zu schützen. Eine häufige Folge von Überlastung ist eine Erwärmung des elektronischen Bauelements. Mit Hilfe eines Temperatursensors, der auf dem elektronischen Bauelement montiert ist, kann somit die Überlastung des elektronischen Bauelements festgestellt werden. Eine Multi-Chip Lösung mit Überlastschutz ist in der EP 0208970 A1 und US 4937646 beschrieben und ist in 7 gezeigt. In diesem Beispiel wurde der Temperatursensor in Form eines Thyristors 710 auf einen Feldeffekttransistor (MOSFET) 720 montiert, der sich wiederum auf einem Leadframe 730 befindet und einen Sourceanschluss (S), einen Gateanschluss (G) und einen Drainanschluss (D) (nicht gezeigt) aufweist. Der Thyristor ist so dimensioniert, dass er einschaltet, bevor eine für den MOSFET kritische Temperatur von 150 bis 180 °C erreicht wird. Damit wird die Gate-Sourcekapazität des MOSFET kurzgeschlossen und der MOSFET schaltet ab.

Die Weiterentwicklung der Integration in den Leistungstransistortechnologien hat dazu geführt, dass die Stromdichte stark zunimmt. Diese Zunahme kann in sehr kurzer Zeit geschehen und dadurch ergeben sich im Überlastfall sehr große Temperaturgradienten. Die Erfassung der Temperatur mit einem separaten Chip erfolgt aufgrund der thermischen Kapazitäten verzögert und diese Verzögerung kann dazu führen, dass der Leistungstransistor nicht rechtzeitig geschützt wird und es zu einer Zerstörung des Leistungstransistors führen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein sicheres Konzept zur Absicherung eines steuerbaren Stromverbrauchers zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder ein Verfahren gemäß Anspruch 14 gelöst.

Der vorliegenden Erfindung liegt der Kerngedanke zugrunde, dass der Überlastfall mit einer direkten Strommessung, die den Strom durch den Stromverbraucher erfasst, festgestellt werden kann, und dass wenn der erfasste Strom oberhalb einer Schwelle liegt, das Steuersignal über eine Rückkopplung derart verändert wird, dass der Strom durch den Stromverbraucher sinkt und damit der Stromverbraucher geschützt wird.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, handelt es sich bei dem steuerbaren Stromverbraucher um einen Leistungstransistor wie zum Beispiel ein selbstsperrender MOSFET. Die Überstromschaltung wird zusammen mit einem Temperatursensor integriert, wobei dann beide Signale, Übertemperatur und/oder Überstrom, eine niederohmige Verbindung zwischen dem Gateanschluss und dem Sourceanschluss des Leistungstransistors auslösen so dass der Strom durch den Stromverbraucher wieder in dem Normalbereich gebracht wird.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Konzepts gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, dass nicht erst eine Erwärmung des Stromverbrauchers und folglich des Temperatursensors eintreten muss, sondern dass direkt die Ursache der Überlastung des Stromverbrauchers detektiert wird und eine sofortige Rückkopplung auf das Steuersignal des Stromverbrauchers erfolgt. Gegenüber eines Überlastschutzes, der erst nach Erwärmung des Stromverbrauchers wirksam wird, vermeidet man damit die zeitlicher Verzöge rung, infolge der endlichen Wärmekapazitäten sowohl des Stromverbrauchers als auch des Temperatursensors. Damit wird die Zeit, in der der Stromverbraucher außerhalb des Normalbereiches arbeitet, deutlich reduziert und es ist somit ein effizienterer Schutz vor Zerstörung nicht nur des Stromverbrauchers sondern auch benachbarter Bauelemente gegeben. Dies ist insbesondere bei modernen Leistungstransistoren vorteilhaft, wo es zu einer schnellen Zunahme der Stromdichte innerhalb kurzer Zeit kommen kann.

Da die inhärente Steuerfunktion des Stromverbrauchers ausgenutzt wird, arbeitet dieser Überlastungsschutz zerstörungsfrei und vor allem, wie in weiteren Ausführungsbeispielen weiter unten näher erläutert wird, ist diese Schaltung selbststartend. Letzteres bedeutet, dass wenn der Stromverbraucher abgeschaltet bzw. der Stromverbrauch in den Normalbereich gebracht wurde, der Stromverbraucher seine normale Betriebsweise wieder aufnehmen kann, ohne dass von außen darauf Einfluss genommen werden muss.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wird der stromsensitive Überlastschutz mit der bekannten Technik des temperaturgesteuerten Überlastschutzes gekoppelt, wobei beide Formen des Überlastschutzes in einem Chip realisiert werden können. Dadurch ergeben sich neben der höheren Sensitivität auch Kostenvorteile bei der Herstellung der entsprechenden Überlastschaltung. Durch die Kombination des temperatursensitiven und des stromsensitiven Überlastschutzes kann man ferner unterscheiden, ob die Temperaturerhöhung eine Folge eines erhöhten Stroms durch den Stromverbraucher ist oder ob die Temperaturerhöhung des Stromverbrauchers eine Folge der Erhöhung der Umgebungstemperatur bzw. eine Folge der Erwärmung eines benachbarten Bauelementes ist.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung;
2 eine Schaltung, bei der der Stromverbraucher ein selbstsperrender MOSFET ist und die eine Kopplung des stromsensitiven als auch des temperatursensitiven Überlastschutzes darstellt;
3 eine Schaltung, bei der die Einrichtung zum Erfassen des Stroms, den Strom des Stromverbrauchers direkt misst;
4 eine Schaltung, bei der die Einrichtung zum Erfassen des Stroms den Strom eines Sensetransistors misst;
5 eine Thyristorschaltung als Einrichtung zum Verändern des Steuersignals;
6 eine Schaltung bestehend aus zwei Transistoren und zwei Widerständen als Einrichtung zum Verändern des Steuersignals; und
7 ein Querschnitt einer Vorrichtung zum temperaturgesteuerten Überlastschutz eines MOSFET.
Bevor im Folgenden die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert wird, wird auf verschiedene Meßmethoden zur Erfassung des Stroms eingegangen.
Zum einen kann die Erfassung des Stroms über einen sogenannten Shuntwiderstand erfolgen. Dabei wird der Spannungsabfall über den Shuntwiderstand, der in einem separatem Chip oder als Bonddrahtwiderstand auf dem Transistor integriert werden kann, verglichen mit einer Spannung einer Vergleichsspannungsquelle. Diese Vergleichsspannung zusammen mit dem Shuntwiderstand definieren den Schwellenstrom:
wobei U₀ die Vergleichsspannung und R_b der Wert des Shuntwiderstands ist. Ein Überstromkomparator vergleicht diesen Schwellenstrom mit dem Strom durch den Transistor und liefert ein Ausgangssignal, wenn der Strom durch den Transistor den Schwellenstrom betragsmäßig übersteigt. Dieses Ausgangssignal des Komparators wird genutzt, um einen Schalter zwischen dem Gateanschluss und dem Sourceanschluss zu schließen, was zur Folge hat, dass beide Anschlüsse niederohmig geschaltet sind, so dass der selbstsperrende MOSFET abgeschaltet wird.
Bei der anderen Meßmethode wird nicht der Strom durch den Leistungstransistor gemessen, sondern es wird parallel dazu ein Sensetransistor geschaltet über dem die Stromerfassung erfolgt. Dieser Sensetransistor ist beispielweise auf dem gleichen Chip wie der Leistungstransistor integriert, damit sein Strom dem Leistungstransistorstrom möglichst genau folgt. Für Gate-Source-Spannungen, die groß gegenüber der Spannung der Vergleichsspannungsquelle und damit dem Spannungsabfall über den Shuntwiderstand sind, ist der Strom durch den Sensetransistor proportional zu dem Strom durch den Leistungstransistor. Das Stromverhältnis wird dabei über das Verhältnis der Kanalweiten von Lasttransistor zu Sensetransistor gebildet. Durch geeignete Wahl der Kanalbreiten beider Transistoren, kann man sicherstellen, dass der Strom, der den Sensetransistor durchfließt, entsprechend kleiner ist als der Strom durch den Leistungstransistor.
Der Strom durch diesen Sensetransistor wird wie im Ausführungsbeispiel zuvor gemessen, d.h. die Erfassung des Stroms durch den Sensetransistor erfolgt über einen sogenannten Shuntwiderstand. Dabei wird der Spannungsabfall über den Shuntwiderstand verglichen mit einer Spannung einer Vergleichsspannungsquelle. Ein Komparator vergleicht beide Werte und liefert beim Überschreiten des Schwellenwertes ein Ausgangssignal, welches wiederum dazu verwandt wird, um den Gateanschluss mit dem Sourceanschluss niederohmig zu schalten, so dass der selbstsperrende MOSFET abgeschaltet wird.
Der Schalter, der den Gateanschluss und den Sourceanschluss niederohmig schaltet, kann beispielsweise durch einen Thyristor realisiert werden, d.h. durch eine Halbleiterschichtanordnung, die solange sperrend ist, solange kein Signal an dem Zündeingang anliegt. Dieser Zündeingang ist mit dem Ausgang des Komparators verbunden, d.h. wenn der Komparator ein Ausgangssignal liefert, wird der Thyristor gezündet und damit wird er leitend.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann dieser Thyristor ersetzt werden durch eine Schaltung, die zwei Transistoren und zwei Zündeingänge, welche mit dem Komparator verbunden werden, umfasst.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Dabei weist der steuerbare Stromverbraucher 110 einen Strompfad 120 auf und ist mit einer Einrichtung zum Erfassen des Stroms 130 verbunden. Wenn der erfasste Strom über einen bestimmten Schwellewert liegt, wird ein Signal 140 zu einer Einrichtung zum Verändern des Steuersignals 150 gesandt. Diese wiederum bewirkt durch eine Rückkopplung eine Änderung des Steuersignals 170, welches am Steuereingang 180 anliegt und damit eine Änderung des Stroms durch den steuerbaren Stromverbraucher.
In 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel gezeigt, wobei der steuerbare Stromverbraucher 110 ein selbstsperrender MOSFET ist und ein Strom I₁ zwischen einem Drainanschluss (D) und dem Sourceanschluss (S) entlang des Strompfades 120 fließt. Wenn der Strom I₁, der mit der Einrichtung zum Erfassen des Stroms 130 gemessen wird, oberhalb eines Schwellenstroms I_s liegt oder wenn die Tempera tur T₁ des MOSFET 110 größer ist als eine Schwellentemperatur T_s, wird ein Schalter S₁ geschlossen. Damit wird der Gateanschluss (G) und der Sourceanschluss (S) niederohmig geschaltet. Da der MOSFET in dem Ausführungsbeispiel ein selbstsperrender MOSFET ist, hat das zur Folge, dass der Strom zwischen dem Drainanschluss und dem Sourceanschluss unterbunden wird, was wiederum den MOSFET vor Überstrom schützt. Diese Schaltung kann beispielsweise in dem Chip 710 integriert werden.
In 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung gezeigt, die den Strom I₁ mit dem Schwellenstrom I_s vergleicht. Der steuerbare Stromverbraucher ist wieder ein selbstsperrender MOSFET, mit einem Sourceausgang, der zum einen über einen Widerstand 310 mit dem Sourceanschluss (S) und zum anderen mit einem Eingang eines Komparators 320 verbunden ist. Der andere Eingang des Komparators ist an eine Vergleichsspannungsquelle 330 angeschlossen. Der andere Pol der Vergleichsspannungsquelle 330, an der die Spannung U₀ anliegt, ist mit dem Sourceanschluss (S) verbunden. Außerdem wird zwischen dem Gateanschluss (G) und dem Sourceanschluss (S) ein Schalter S_1a und ein Schalter S_1b angebracht, welche parallel geschaltet sind. Der Schalter S_1a wird geschlossen, wenn die Temperatur T₁ des selbstsperrenden MOSFET größer ist als die Schwellentemperatur T_s. Der Schalter S_1b wird geschlossen, wenn der Strom I₁ den Schwellenwert I_s übersteigt. Das ist der Fall, wenn die Spannung, die über den Widerstand 310 abfällt, betragsmäßig größer ist als die Spannung U₀ der Vergleichsspannungsquelle 330 und infolgedessen der Komparator 320 ein Ausgangssignal liefert. Dieses Ausgangsignal bewirkt, dass der Schalter S_1b geschlossen wird.
Damit ist sichergestellt, dass der Strom I₁, der durch den selbstsperrenden MOSFET fließt, verringert bzw. unterbunden wird, wenn entweder die Temperatur T₁ die Schwellentemperatur T_s übersteigt oder wenn der Strom I₁ größer wird als ein Vergleichsschwellenstrom I_s, der berechnet werden kann aus dem Quotienten der Spannung der Vergleichsspannungsquelle 330 und dem Widerstand 310. Der Widerstand 310 (Shuntwiderstand) kann beispielsweise in dem separaten Chip 710 oder als Bonddrahtwiderstand im steuerbaren Stromverbraucher integriert sein.
Ein Nachteil dieser Schaltung ist jedoch, dass der Widerstand 310 einen Spannungsabfall und damit einen Leistungsverbrauch auch dann bewirkt, wenn die Stromstärke I₁ kleiner ist als die Schwellenstromstärke I_s, d.h. wenn der Transistor im Normalbereich arbeitet. Das wird vermieden, wenn ein zusätzlicher Sensetransistors parallel geschaltet und anstatt I₁ der Strom durch den Sensetransistor gemessen wird. Das wird im folgenden Ausführungsbeispiel erläutert.
In 4 ist die Stromerfassung über einen Sensetransistor 410 dargestellt. Dieser ist im Chip 720 integriert, damit sein Strom möglichst genau dem Strom I₁ folgt. Der steuerbare Stromverbraucher ist beispielsweise wieder ein selbstsperrender MOSFET, wobei der Drainanschluss (D) mit dem Drainausgang des Sensetransistors und mit dem Drainausgang des MOSFET verbunden ist. Außerdem ist der Gateanschluss (G) mit dem Gateausgang des MOSFET und mit dem Gateausgang des Sensetransistors verbunden. Zwischen dem Gateanschluss (G) und dem Sourceanschluss (S) befindet sich wiederum der Schalter S_1a und parallel dazu der Schalter S_1b. Der Sourceausgang des Sensetransistors ist sowohl über den Widerstand 420 mit dem Sourceanschluss (S) als auch mit einem ersten Eingang des Komparators 430 verbunden. Ein zweiter Eingang des Komparators 430 ist mit einer Vergleichsspannungsquelle 440 verbunden, und der andere Pol der Vergleichsspannungsquelle 440 ist mit dem Sourceanschluss (S) verbunden.
Der Schalter S_1a wird wiederum geschlossen, wenn die Temperatur T₁ größer ist als eine Schwellentemperatur T_s. Der Schalter S_1b wird geschlossen, wenn der Komparator 430 ein Ausgangssignal liefert. Dies ist der Fall, wenn die Span nung, die über dem Widerstand 420 abfällt, größer ist als die Spannung der Vergleichsspannungsquelle 440. Damit wird der selbstsperrende FET abgeschaltet, wenn die Temperatur die Schwellentemperatur T_S übersteigt oder wenn der Strom durch den Sensetransistor (I_Sense) größer wird als der Vergleichsstrom I_S, der aus dem Quotienten aus der Spannung der Vergleichsspannungsquelle 440 und dem Widerstand 420 berechnet werden kann. Für Gate-Source-Spannungen, die groß gegenüber der Spannung der Vergleichsspannungsquelle und damit dem Spannungsabfall über dem Widerstand 420 sind, ist der Strom I_Sense proportional zum Strom I₁. Das Stromverhältnis wird dabei über das Verhältnis der Kanalweiten von dem MOSFET zum Sensetransistor gebildet.
Ein Vorteil dieses Ausführungsbeispiels gegenüber dem Ausführungsbeispiel, welches in 3 gezeigt wurde, ist, dass bei einer kleineren Kanalweite des Sensetransistors 410 im Vergleich zur Kanalweite des Leistungstransistors 110, der Strom durch den Sensetransistors 410 bei gleicher Steuerspannung entsprechend klein wird und damit die Verlustleistung bei der Strommessung kleiner ist als die Verlustleistung bei der Strommessung aus dem Ausführungsbeispiel, welches in 3 gezeigt wurde.
Sowohl in dem Ausführungsbeispiel aus 3 als auch in dem Ausführungsbeispiel von 4 wurden beide Schalter S_1a und S_1b, parallel geschaltet. Damit erhält man eine ODER-Verknüpfung der beiden Bedingungen: T₁ größer als T_s; I₁ bzw. I_Sense größer als I_s. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann man auch beide Schalter in Reihe schalten, so dass der Strom zwischen dem Drainanschluss (D) und dem Sourceanschluss (S) nur unterbrochen wird, wenn beide Bedingungen gleichzeitig erfüllt werden, d.h. wenn sowohl die Temperatur als auch die Stromstärken größer als die Schwellwerte sind.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den Schalter S_1b. Es handelt sich dabei um einen Thyristor, der mit seiner Anode mit dem Gateanschluss (G), und mit seiner Kathode mit dem Sourceanschluss (S) verbunden ist. Der Thyristor besteht aus vier Halbleiterschichten 510, 520, 530 und 540, die abwechselnd n- und p-dotiert sind, wobei die unterste Schicht 510 eine n-dotierte Halbleiterschicht ist. Der Thyristor hat an der ersten p-dotierten Halbleiterschicht 520 einen Signaleingang 550, der mit dem Ausgang des Komparators 320 bzw. 430 verbunden ist. Außerdem befindet sich zwischen dem Signaleingang 550 und der Kathode des Thyristors ein Widerstand 560.
Im ungezündeten Zustand fließt kein Strom zwischen der Anode und der Kathode. Wenn jedoch am Signaleingang ein Signalstrom anliegt, wird der Thyristor gezündet und stellt einen niederohmigen Widerstand zwischen der Kathode und der Anode dar. Dies ist der Fall, wenn der Strom I₁ den Schwellenstrom I_S überschritten hat und demzufolge der Komparator 320 bzw. 430 ein entsprechendes Ausgangssignal geliefert hat. Außerdem zündet dieser Thyristor, wenn er sich bis auf eine bestimmte Temperaturschwelle T_s, die auf einen kritischen Leistungsverbrauch abgestimmt ist und die sich durch eine entsprechende Dotierung und Wahl des Widerstandes 560 ergibt, erwärmt. Damit realisiert der Thyristor beide Schalter, S_1a und S_1b, in einer ODER-Verknüpfung. Es soll auch erwähnt werden, dass die Ausführung des Schalters mit Hilfe eines Thyristors, latchend ist, d.h. der Schalter bleibt solange geschlossen bis die Spannung zwischen der Anode und Kathode abgefallen ist, womit sichergestellt ist, dass der MOSFET tatsächlich gesperrt wird. Anschließend kann der steuerbare Stromverbraucher wieder normal in Betrieb genommen werden, ohne dass von außen Einfluss genommen werden muss. Damit ist diese Thyristor Realisierung der Schalter robust, wartungsarm und effizient.
6 zeigt die Realisierung des Schalters, mit den gleichen Eigenschaften wie der Schalter, der in 5 beschrieben wurde, wobei der Thyristor ersetzt wurde durch eine Schaltung bestehend aus einem ersten Transistoren T1 und einem zweiten Transistor T2 und zwei Widerständen 610 und 620. Dabei wird der Emitter des ersten Transistors T1 mit dem Gateanschluss (G) verbunden und die Basis des ersten Transistors T1 mit dem Kollektor des zweiten Transistors T2 verbunden. Außerdem ist der Kollektor des ersten Transistors T1 mit der Basis des zweiten Transistors T2 verbunden, und der Emitter des zweiten Transistors T2 ist mit dem Sourceanschluss (S) verbunden. Zwischen dem Emitter und der Basis des zweiten Transistors T2 befindet sich der Widerstand 610, und zwischen dem Emitter des ersten Transistors T1 und der Basis des ersten Transistors T1 befindet sich der Widerstand 620. Im weiteren wird der Ausgang des Komparators sowohl an die Basis des ersten Transistors T1 als auch an die Basis des zweiten Transistors T2 gekoppelt.
Die Wirkungsweise dieser Schaltung entspricht der des Thyristors, welcher in 5 beschrieben wurde. Es werden demnach der Gateanschluss (G) und der Sourceanschluss (5) niederohmig geschaltet, wenn entweder der Komparator ein Signal liefert oder bei Überschreiten einer bestimmten Temperaturschwelle, die wieder beeinflusst werden kann durch die Wahl der Widerstände 610 und 620 sowie der Dotierungen der Transistoren und sich aus einem kritischem Leistungsverbrauch ergibt. Damit ist wie in dem Fall zuvor, eine ODER-Verknüpfung zwischen den beiden Bedingungen: Überschreiten einer Temperaturschwelle und Überschreiten einer Stromschwelle, hergestellt worden.
Es soll auch erwähnt werden, dass die Dotierungen der Halbleiterbauelemente gewechselt werden können, d.h. für den steuerbaren Stromverbraucher 110 kann auch ein p-Kanal Leistungstransistor verwandt werden. Außerdem kann es sich bei dem steuerbaren Stromverbraucher auch um einen bipolaren Transistor handeln oder um ein anderes elektronisches Bauelement, dessen Strom über einen Steuereingang steuerbar ist.
Die bisher näher diskutierten Ausführungsbeispiele basierten auf einen selbstsperrenden MOSFET, der bei Unterschreiten einer Gate-Source-Spannung selbstständig sperrend wird. Bei Verwendung anderer Transistortypen wie z.B. bei einem Sperrschicht-FET oder um einen selbstleitenden MOSFET kann es aber erforderlich sein, dass die Gate-Source-Spannung betragsmäßig eine bestimmte Schwelle überschreiten muss, um sperrend zu werden bzw. um den Strom soweit zu reduzieren, dass der Transistor nicht überlastet wird und damit die Gefahr der Zerstörung nicht mehr besteht. In Ergänzung zu den oben erwähnten Ausführungsbeispielen, können also noch weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung angegeben werden, wo z.B. im Überlastungsfall die Gate-Source-Spannung erhöht wird, z.B. durch Anlegen einer äußeren Spannungsquelle.

110: Steuerbarer Stromverbraucher
120: Strompfad
130: Einrichtung zum Erfassen des Stroms
140: Signal bei Überstrom
150: Einrichtung zum Verändern des Steuersignals
170: Steuersignal
180: Steueranschluss
310: Erster Shuntwiderstand
320: Erster Komparator
330: Erste Vergleichsspannungsquelle
410: Sensetransistor
420: Zweiter Shuntwiderstand
430: Zweiter Komparator
440: Zweite Vergleichsspannungsquelle
510: Erste n-dotierte Halbleiterschicht
520: Erste p-dotierte Halbleiterschicht
530: Zweite n-dotierte Halbleiterschicht
540: Zweite p-dotierte Halbleiterschicht
550: Zündeingang
560: Dritter Widerstand
610: Vierter Widerstand
620: Fünfter Widerstand
D: Drainanschluss
G: Gateanschluss
S: Sourceanschluss
S_1a: Erster Schalter
S_1b: Zweiter Schalter
I₁: Strom durch den Stromverbraucher
I_sense: Strom durch den Sensetransistor
I_k1: Ein Ausgangsstrom des Komparators
T1: Erster Transistor
T2: Zweiter Transistor
I_k1': Erster Ausgangsstrom des Komparators
I_k1'': Zweiter Ausgangsstrom des Komparators

Claims

Vorrichtung zum Absichern eines Stromverbrauchers (110), wobei der Stromverbraucher einen Strompfad (120) zwischen zwei Strompfadanschlüssen und einen Steueranschluss (180) aufweist, an dem ein Steuersignal (170) anlegbar ist, durch das ein Strom durch den Strompfad steuerbar ist, mit folgenden Merkmalen: einer Einrichtung (130) zum Erfassen des Stroms in dem Strompfad (120); und einer Einrichtung (150) zum Verändern des Steuersignals, wobei die Einrichtung (150) zum Verändern des Steuersignals ausgebildet ist, um das Steuersignal so zu verändern, dass dann, wenn erfasst wird, dass der Strom ein Wert oberhalb einer Stromschwelle hat, das Steuersignal eine Reduktion des Stroms bewirkt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Stromverbraucher (110) ein FET oder ein bipolar-Transistor ist, wobei die Einrichtung (130) zum Erfassen des Stroms ausgebildet ist, um den Strom zwischen einem Drainanschluss (D) und einer Sourceanschluss (S) des FET oder zwischen einem Kollektor und einem Emitter des bipolaren Transistors zu messen, und wobei die Einrichtung (150) zum Verändern des Steuersignals ausgebildet ist, um eine an einem Gateanschluss (G) des FET oder an einer Basis des bipolaren Transistors anliegende Spannung zu verändern.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die Einrichtung (150) zum Verändern des Steuersignals ferner ausgebildet ist, um ab Erreichen einer Temperaturschwelle das Steuersignal (170) zu verändern, um eine Reduktion des Stroms zu bewirken.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die Einrichtung (150) zum Verändern des Steuersignals ausgebildet ist, um ab Erreichen einer Temperaturschwelle und nur dann, wenn der Strom oberhalb der Stromschwelle liegt, das Steuersignal (170) zu verändern, um eine Reduktion des Stroms zu bewirken.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Einrichtung (130) zum Erfassen des Stroms folgende Merkmale aufweist: einen Widerstand (310), der in Reihe zu dem Strompfad (120) geschaltet ist; eine Einrichtung zum Erfassen einer Spannung, die an dem Widerstand (310) abfällt; und eine Einrichtung (320) zum Vergleichen der erfassten Spannung mit einer Vergleichsspannung (330), wobei die Einrichtung (320) zum Vergleichen ausgebildet ist, um bei Überschreiten der Vergleichsspannung durch die erfasste Spannung, ein Komparatorsignal zu liefern, wobei die Einrichtung (150) zum Verändern ausgebildet ist, um bei Erreichen des Komparatorsignals das Steuersignal (170) zu verändern, um eine Reduktion des Stroms zu bewirken.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Einrichtung (130) zum Erfassen des Stroms folgende Merkmale aufweist: einen Stromteiler, der ausgebildet ist um einen Eingangsstrom in den Strom I₁ und einen Messstrom I_Sense zu teilen, wobei der Messstrom I_Sense in einem definierten Zusammenhang mit dem Strom I₁ durch den Strompfad (120) ist und kleiner als der Strom durch den Strompfad (120) ist; einen Widerstand (420), der von dem Messstrom I_Sense durchflossen ist; eine Einrichtung zum Erfassen einer Spannung, die an dem Widerstand (420) abfällt, wenn der Messstrom I_Sense durch den Widerstand (420) fließt; und einer Einrichtung (430) zum Vergleichen der erfassten Spannung mit einer Vergleichsspannung (440), wobei die Einrichtung (430) zum Vergleichen ausgebildet ist, um bei Überschreiten der Vergleichsspannung (440) durch die erfasste Spannung ein Komparatorsignal zu liefern; und wobei die Einrichtung (150) zum Verändern des Steuersignals ausgebildet ist, um bei Erreichen des Komparatorsignals das Steuersignal (170) zu verändern, um eine Reduktion des Stroms zu bewirken.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der der Stromverbraucher (110) ein Stromverbraucher-Transistor ist, und bei der der Stromteiler einen Sensetransistor (410) mit einem Steueranschluss aufweist, der eine kleinere Kanalweite als der Stromverbraucher-Transistor (110) hat, und bei der der Steueranschluss des Sensetransistors (410) mit dem Steueranschluss des Stromverbraucher-Transistors (110) gekoppelt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der der Sensetransistor (410) mit dem Stromverbraucher-Transistor (110) auf demselben Substrat integriert ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der der Stromverbraucher (110) ein selbstsperrender Transistor ist, der bei einer Spannung zwischen Gate und Source, die kleiner als eine Schwellenspannung ist, einen gesperrten Strompfad hat, bei der die Einrichtung (150) zum Verändern des Steuersignals ausgebildet ist, um das Steuersignal (170) betragsmäßig unter die Schwellenspannung zu bringen, wenn ein Strom oberhalb der Schwelle erfasst wird.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der das Steuersignal (170) eine Steuerspannung ist, bei der die Einrichtung (150) zum Verändern des Steuersignals als Thyristor ausgebildet ist, der so zwischen den Steuereingang (180) und einen Referenzanschluss geschaltet ist, dass an dem Thyristor die Steuerspannung anliegt, wobei der Thyristor ferner einen Zündeingang (550) hat, an den das Steuersignal der Einrichtung (130) zum Erfassen des Stroms anlegbar ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der der Thyristor Halbleiterschichten aufweist, die derart beschaffen sind, dass der Thyristor bei Überschreiten einer Temperaturschwelle ohne Zündsignal leitend wird, wobei die Halbleiterschichten so ausgebildet sind, dass die Temperaturschwelle einer Maximaltemperatur entspricht, die für den Stromverbraucher zulässig ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, bei der zwischen dem Zündeingang (550) und einer Kathode des Thyristors ein Widerstand geschaltet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der das Steuersignal (170) eine Steuerspannung ist, und bei der die Einrichtung (150) zum Verändern des Steuersignals folgende Merkmale aufweist: einen Widerstand (610), der zwischen einem ersten Strompfadeingang (S) und einem ersten Eingang für ein Zündsignal ist; einen Widerstand (620), der zwischen einem zweiten Strompfadeingang (G) und einem zweiten Eingang für ein Zündsignal ist; einen ersten bipolar Transistor oder FET (T1); und einen zweiten bipolar Transistor oder FET (T2), wobei ein Emitter bzw. Sourceanschluss des ersten Transistors (T1) mit dem zweiten Strompfadeingang (G) verbunden ist und eine Basis bzw. Gateanschluss des ersten Transistors (T1) verbunden ist mit dem zweiten Eingang für das Zündsignal, und der Kollektor bzw. Drainanschluss des ersten Transistors (T1) verbunden ist mit einer Basis bzw. Gateanschluss des zweiten Transistors (T2) und außerdem verbunden ist mit dem ersten Eingang für das Zündsignal, und einem Emitter bzw. Sourceanschluss des zweiten Transistors (T2) verbunden ist mit dem ersten Strompfadeingang (S) und einem Kollektor bzw. Drainanschluss des zweiten Transistors (T2) verbunden ist mit der Basis bzw. Gateanschluss des ersten Transistors (T1).
Verfahren zum Absichern eines Stromverbrauchers (110), wobei der Stromverbraucher ein Strompfad (120) zwischen zwei Strompfadanschlüssen und einen Steueranschluss (180) aufweist, an dem ein Steuersignal (170) anlegbar ist, durch das ein Strom durch den Strompfad steuerbar ist, mit folgenden Schritten: Erfassen des Stroms in dem Strompfad (120); und Verändern des Steuersignals (170), derart, dass dann, wenn erfasst wird, dass der Strom einen Wert oberhalb einer Stromschwelle hat, das Steuersignal (170) eine Reduktion des Stroms bewirkt.