DE102009029402A1

DE102009029402A1 - Überlastschutz für eine Schaltungsanordnung mit einem Transistor

Info

Publication number: DE102009029402A1
Application number: DE102009029402A
Authority: DE
Inventors: Petar Fanic
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2009-09-11
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2029-09-12
Also published as: US7907379B2; DE102009029402B4; US20100079920A1; US8179651B2; US20110148476A1

Abstract

Beschrieben ist eine Ansteuerschaltung für einen Transistor die dazu ausgebildet ist, den Transistor (12) hinsichtlich des Auftretens einer Überlastung zu überwachen, und die dazu ausgebildet ist, einen Überlastungsschutzzustand anzunehmen, in dem sie den Transistor (12) leitend ansteuert, wenn sie eine Überlastung des Transistors (12) detektiert. Beschrieben wird außerdem ein Verfahren zur Ansteuerung eines Transistors (12).

Description

Die Erfindung betrifft einen Überlastschutz für eine Schaltungsanordnung mit einem Transistor.
Transistoren, insbesondere Leistungstransistoren, wie z. B. Leistungs-MOSFET oder Leistungs-IGBT, können als Schalter zum Schalten elektrischer Lasten eingesetzt werden. Solche Lasten können induktive Lasten, wie z. B. Elektromotoren oder Magnetventile, sein. Induktive Lasten nehmen bei leitend angesteuertem Transistor elektrische Energie auf, die bei sperrend angesteuertem Transistor über eine Abkommutierungsschaltung abkommutieren muss.
Der Transistor selbst kann Teil einer Abkommutierungsschaltung sein, die dazu dient, die in der Last gespeicherte elektrische Energie in Wärme umzusetzen. Ein Halbleiterkörper bzw. Halbleiterchip, in dem der Transistor integriert ist, erwärmt sich während einer Abkommutierung der Last. Hierbei sollte ein kritischer Betriebszustand, bei dem die Gefahr einer Beschädigung oder Zerstörung des Transistors besteht, verhindert werden.
Die Wärmeleistung, die ein Transistor aufnehmen kann, ohne dass ein kritischer Betriebszustand erreicht wird, ist von verschiedenen Parametern abhängig, wie z. B. der Chipfläche oder vom Vorhandensein spezieller Kühlmaßnahmen, wie z. B. Kühlkörper. In Datenblättern von Leistungstransistoren ist eine maximale Verlustleistung, eine maximale Abkommutierungsenergie, ein maximal zulässiger Strom, eine maximal zu schaltende Induktivität oder ein maximaler Duty-Cycle angegeben, die nicht überschritten werden sollten. Ob diese Spezifizierung durch Kunden allerdings beachtet wird, kann der Hersteller von Leistungstransistoren allerdings nicht beeinflussen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ansteuerschaltung für einen Transistor zur Verfügung zu stellen, die den Transistor vor einer Überlastung schützt, ein Verfahren zur Ansteuerung eines Transistors zur Verfügung zu stellen, bei dem der Transistor vor einer Überlastung geschützt ist, und eine Schaltungsanordnung mit einem Transistor zur Verfügung zu stellen, bei der der Transistor vor einer Überlastung geschützt ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 15 und eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 29 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für einen Transistor, die einen Ausgang zur Bereitstellung eines Ansteuersignals für den Transistor aufweist, die dazu ausgebildet ist, den Transistor hinsichtlich des Auftretens einer Überlastung zu überwachen, und die dazu ausgebildet ist, einen Überlastungsschutzzustand anzunehmen, in dem sie den Transistor leitend ansteuert, wenn sie eine Überlastung des Transistors detektiert.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Transistors, der eine Laststrecke und einen Ansteueranschluss aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Detektieren einer Überlastung des Transistors; Betreiben des Transistors in einem Überlastungsschutzzustand, in dem der Transistor leitend angesteuert wird, wenn eine Überlastung detektiert wird.
Ein weiterer Aspekt betrifft eine Schaltungsanordnung, die aufweist: einen Transistor, der einen Ansteueranschluss und eine Laststrecke aufweist; eine Ansteuerschaltung mit einem Ausgang, der an den Ansteueranschluss des Transistors angeschlossen ist und die dazu ausgebildet ist, den Transistor hinsichtlich des Auftretens einer Überlastung zu überwachen, und die dazu ausgebildet ist, einen Überlastungsschutzzustand anzunehmen, in dem sie den Transistor leitend ansteuert, wenn sie eine Überlastung des Transistors detektiert.
Beispiele werden nachfolgend unter Bezugnahme auf Figuren erläutert. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Erläuterung des Grundprinzips. In den Figuren sind somit lediglich die zum Verständnis dieses Grundprinzips notwendigen Teile bzw. Signale dargestellt. In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
1 veranschaulicht eine Schaltungsanordnung mit einem Transistor und einer Ansteuerschaltung für den Transistor anhand eines Blockschaltbilds.
2 veranschaulicht die Funktionsweise eines ersten Beispiels der Ansteuerschaltung anhand eines Zustandsdiagramms.
3 veranschaulicht ein Realisierungsbeispiel einer Spannungsbegrenzungsschaltung der Ansteuerschaltung.
4 veranschaulicht ein erstes Beispiel eines Überlastungsdetektors der Ansteuerschaltung.
5 veranschaulicht ein zweites Beispiel eines Überlastungsdetektors der Ansteuerschaltung.
6 veranschaulicht ein drittes Beispiel eines Überlastungsdetektors der Ansteuerschaltung.
7 veranschaulicht ein Beispiel einer Schaltungsanordnung zur Detektion eines Spannungsbegrenzungszustands.
8 veranschaulicht ein weiteres Beispiel eines Überlastungsdetektors der Ansteuerschaltung.
9 veranschaulicht ein weiteres Beispiel der Ansteuerschaltung anhand eines Zustandsdiagramms.
10 veranschaulicht die Funktionsweise eines Beispiels der Ansteuerschaltung anhand zeitlicher Signalverläufe.
11 veranschaulicht die Funktionsweise eines weiteren Beispiels der Ansteuerschaltung anhand eines Zustandsdiagramms.
12 veranschaulicht anhand eines Zustandsdiagramms ein erstes Beispiel für einen Zustandsübergang von einem Überlastungsschutzzustand zu einem Aus-Zustand.
13 veranschaulicht anhand eines Zustandsdiagramms ein zweites Beispiel für einen Zustandsübergang von einem Überlastungsschutzzustand zu einem Aus-Zustand.
14 veranschaulicht anhand eines Zustandsdiagramms ein weiteres Beispiel für einen Zustandsübergang von einem Überlastungsschutzzustand zu einem Aus-Zustand.
1 veranschaulicht ein Beispiel einer Ansteuerschaltung 10 für einen Transistor. Zum besseren Verständnis der Funktionsweise dieser Ansteuerschaltung 10 ist in 1 auch ein durch diese Ansteuerschaltung 10 angesteuerter Transistor 1 dargestellt. Der Transistor 1 umfasst einen Ansteueranschluss 11 und erste und zweite Laststreckenanschlüsse 12, 13, zwi schen denen eine Laststrecke verläuft. Der Transistor ist beispielsweise ein MOSFET, insbesondere ein Leistungs-MOSFET, der einen Gateanschluss als Ansteueranschluss 11, sowie Drain- und Sourceanschlüsse als erste und zweite Laststreckenanschlüsse aufweist. Der Transistor 1 der in 1 zur Erläuterung dargestellt ist, ist ein selbstsperrender n-Kanal-MOSFET. Es sei darauf hingewiesen, dass die Verwendung eines solchen MOSFET als Transistor 1 lediglich als Beispiel zu verstehen ist und dass selbstverständlich beliebige andere Arten von MOS-Transistoren wie z. B. p-Kanal-MOSFET oder IGBT, oder auch Bipolartransistoren verwendet werden können.
Die Schaltungsanordnung mit dem Transistor 1 und der Ansteuerschaltung 10 kann zum Schalten einer elektrischen Last verwendet werden. Die Laststrecke 12–13 des Transistors 1 wird in diesem Fall in Reihe zu der Last zwischen Klemmen für erste und zweite Versorgungspotentiale bzw. positive und negatives Versorgungspotentiale geschaltet. Zu Zwecken der weiteren Erläuterung ist eine solche in Reihe zu der Laststrecke 12–13 des Transistors 1 geschaltete Last Z in 1 ebenfalls dargestellt. GND bezeichnet in 1 ein Bezugspotential, und V+ bezeichnet ein positives Versorgungspotential bzw. eine auf Bezugspotential GND bezogene Versorgungsspannung. Die Last Z ist in dem dargestellten Beispiel zwischen den Transistor 1 und eine Klemme für ein positives Versorgungspotential V+ geschaltet, der Transistor 1 ist als sogenannter Low-Side-Schalter verschaltet. Dies ist lediglich als Beispiel zu verstehen. Das nachfolgend erläuterte Grundprinzip einer Ansteuerung des Transistors 1 gilt in entsprechender Weise auch für sogenannte High-Side-Schalter, bei denen die Last zwischen den Transistor und eine Klemme für ein negatives Versorgungspotential bzw. Bezugspotential geschaltet ist.
Um die Last Z einzuschalten, steuert die Ansteuerschaltung 10 den Transistor 1 leitend an, und um die Last auszuschalten steuert die Ansteuerschaltung 10 den Transistor 1 sperrend an. Eine leitende und sperrende Ansteuerung des Transistors 1 erfolgt bei einem normalen Betrieb der Ansteuerschaltung 10 nach Maßgabe eines Schaltsignals Sin, das einem Eingang 14 der Ansteuerschaltung 10 zugeführt ist. Eine Erzeugung dieses Schaltsignals Sin kann durch eine nicht näher dargestellte zentrale Steuerschaltung, wie zum Beispiel einen Mikrocontroller erfolgen.
Die Ansteuerschaltung 10 weist eine Ansteuersignalerzeugungsschaltung 2 und einen Überlastungsdetektor 3 auf. Der Überlastungsdetektor 3, der in 1 schematisch dargestellt ist, ist dazu ausgebildet, eine Überlastung des Transistors 1 zu detektieren und ein Überlastungssignal S3 zu erzeugen. Das Überlastungssignal S3 weist einen Signalpegel auf, der davon abhängig ist, ob eine solche Überlastung des Transistors 1 vorliegt. Das Überlastungssignal S3 ist beispielsweise ein zweiwertiges Signal, das einen ersten Signalpegel annimmt, der nachfolgend auch als Überlastungspegel bezeichnet wird, wenn eine Überlastung des Transistors 1 detektiert wird, und das sonst einen zweiten Signalpegel annimmt. Die Ansteuersignalerzeugungsschaltung 2 kann beispielsweise ein Mikrocontroller oder ein Teil eines Mikrocontrollers sein.
Der Transistor 1 ist in nicht näher dargestellter Weise in einem Halbleiterkörper bzw. Halbleiterchip integriert. Der Überlastungsdetektor 3 kann dabei in dem selben Halbleiterchip wie der Transistor 1 integriert sein. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, den Überlastungsdetektor 3 in einem separaten Halbleiterchip zu integrieren, der in Chip-an-Chip-Technologie, auf dem Halbleiterchip des Transistors 1 oder in Chip-by-Chip-Technologie neben dem Halbleiterchip des Transistors 1 angeordnet ist.
Eine Überlastung des Transistors 1 liegt vor, wenn sich der Transistor 1 in einem kritischen Betriebszustand befindet oder wenn das Erreichen eines solchen kritischen Betriebszustandes droht. Ein kritischer Betriebszustand liegt beispielsweise dann vor, wenn eine Temperatur des Transistors 1 bzw. eines Halbleiterkörpers (nicht dargestellt), in dem der Transistor 1 integriert ist, eine kritische Temperatur erreicht. Diese kritische Temperatur ist so gewählt, dass sie unterhalb einer Temperatur liegt, ab der die Gefahr einer Beschädigung oder Zerstörung des Transistors 1 droht.
Eine solche Überlastung des Transistors 1 kann auf verschiedene Weise ermittelt werden, wie z. B. durch: Messen der Temperatur des Transistors 1 bzw. des Halbleiterkörpers; Messen der in dem Transistor 1 während eines vorgegebenen Zeitfensters in Wärme umgesetzten elektrischen Energie; Messen der in dem Transistor 1 in Wärme umgesetzten elektrischen Leistung; Messen einer Zeitdauer, während der bei Ansteuerung einer induktiven Last die Last abkommutiert; ...
Das von dem Überlastungsdetektor 3 bereitgestellte Überlastungssignal S3, das eine Überlastung des Transistors 1 anzeigt, und das Schaltsignal Sin sind der Ansteuersignalerzeugungsschaltung 2 zugeführt, die abhängig von diesen Signalen ein Ansteuersignal S2 erzeugt, das dem Ansteueranschluss 11 des Transistors 1 zugeführt ist. Die Ansteuersignalerzeugungsschaltung 2 kann eine Logikschaltung sein, das Ansteuersignal S2 kann dementsprechend ein Logiksignal, das – je nach Technologie – Signalpegel zwischen 0 V und 5 V oder 0 V und 3 V annimmt. Zur Umsetzung solcher Logiksignalpegel auf zur Ansteuerung des Transistors 1 geeignete Signalpegel ist optional eine Treiberschaltung 5 (in 1 gestrichelt dargestellt) vorgesehen, die zwischen die Ansteuersignalerzeugungsschaltung 2 und den Ansteueranschluss 11 des Transistors 1 geschaltet ist.
Für die nachfolgende Erläuterung sei angenommen, dass das Ansteuersignal S2 ein zweiwertiges Signal ist, das einen Einschaltpegel und einen Ausschaltpegel annehmen kann und dass der Transistor 1 bei einem Einschaltpegel des Ansteuersignals S2 vollständig leitend angesteuert ist. Der in dem dargestellten Beispiel als Transistor vorgesehene MOSFET 1 leitet abhängig von einer zwischen seinem Gateanschluss 11 und seinem Sourceanschluss 13 anliegenden Gate-Source-Spannung. Vollständig leitend angesteuert ist der MOSFET 1 dann, wenn diese Gate-Source-Spannung deutlich oberhalb einer Einsatzspannung des MOSFET liegt, wenn die Gate-Source-Spannung also beispielsweise das 5-fache bis 10-fache der Einsatzspannung beträgt. Bei MOSFET auf Siliziumbasis liegt die Einsatzspannung etwa im Bereich von 2 V bis 3 V.
Bezugnehmend auf 2, die ein Zustandsdiagramm der Ansteuerschaltung 10 zeigt, kann die Ansteuerschaltung 10 wenigstens drei unterschiedliche Betriebszustände annehmen: einen Aus-Zustand 101, bei dem das Schaltsignal Sin und das Ansteuersignal S2 jeweils einen Ausschaltpegel aufweisen; einen Ein-Zustand 102, bei dem das Schaltsignal Sin und das Ansteuersignal S2 jeweils einen Einschaltpegel aufweisen; und einen Überlastschutzzustand 103 bei dem das Ansteuersignal S2 unabhängig von dem Schaltsignal Sin einen Einschaltpegel annimmt, um den Transistor 1 leitend anzusteuern. Sin = H steht in 1 und in folgenden Figuren für einen Einschaltpegel und Sin = L steht für einen Ausschaltpegel des Schaltsignals Sin. Die Ansteuerschaltung 10 geht in den Überlastschutzzustand 103 über, wenn eine Überlastung des Transistors 1 vorliegt. OL = T (OL für Overload, T für True) steht in 1 und in folgenden Figuren für eine detektierte Überlastung.
Der Transistor 1 wird im Ein-Zustand 102 und im Überlastschutzzustand 103 in gleicher Weise leitend angesteuert. Nach Außen hin, d. h. bezüglich eines die Last Z und den Transistor 1 durchfließenden Laststromes I1, unterscheiden sich diese beiden Betriebszustände 102, 103 nicht. Eine leitende Ansteuerung des Transistors 1 im Überlastschutzzustand 103 erfolgt allerdings unabhängig von dem Schaltsignal Sin und erfolgt mit dem Ziel, durch eine leitende Ansteuerung des Transistors 1 das Erreichen eines kritischen Betriebszustandes des Transistors zu verhindern bzw. zu Erreichen, dass der Transistor einen solchen kritischen Betriebszustand wieder verlässt, um damit eine mögliche Beschädigung oder Zerstörung des Transistors 1 zu verhindern, wie nachfolgend noch erläutert wird.
Wenn sich die Ansteuerschaltung 10 im Aus-Zustand befindet, wenn das Ansteuersignal S2 also einen Ausschaltpegel aufweist, besteht die Gefahr eines kritischen Betriebszustandes, beispielsweise dann, wenn der Transistor 1 in den Avalanchebetrieb übergeht. Ein solcher Übergang des Transistors 1 in den Avalanchebetrieb kann beispielsweise durch eine induktive Last Z verursacht sein, in der nach einem Abschalten des Transistors 1 eine so hohe Spannung induziert wird, dass eine Spannung V1 über der Laststrecke des Transistors 1 bis auf dessen Avalanchedurchbruch-Spannung ansteigt, so dass der Transistor 1 durchbricht. Der Widerstand der Laststrecke des Transistors 1 ist im Avalanchebetrieb wesentlich höher als der Einschaltwiderstand im leitend angesteuerten Zustand, so dass im Avalanchebetrieb die Temperatur des Transistors 1 ansteigen kann. Wie weit die Temperatur ansteigt ist beispielsweise abhängig davon, wie viel Energie zuvor in der induktiven Last Z gespeichert wurde.
Die Gefahr, dass der Transistor 1 einen kritischen Betriebszustand annimmt, kann auch durch eine Spannungsbegrenzungsschaltung 4, die auch als Abkommutierungsschaltung oder Klemmschaltung bezeichnet wird, bedingt sein. Eine solche Spannungsbegrenzungsschaltung ist optional vorhanden und ist in 1 gestrichelt dargestellt und mit dem Bezugszeichen 4 bezeichnet. Diese Spannungsbegrenzungsschaltung 4 ist dazu ausgebildet, eine über der Laststrecke 12–13 anliegende Laststreckenspannung V1 durch Aufsteuern des Transistors 1 nach oben hin zu begrenzen, wenn das Ansteuersignal S2 einen Ausschaltpegel aufweist. Die Spannung, auf welche die Spannungsbegrenzungsschaltung 3 die Spannung zwischen dem ersten Laststreckenanschluss und dem Ansteueranschluss begrenzt, wird nachfolgen als Klemmspannung bezeichnet. In dem dargestellten Beispiel ist die Spannungsbegrenzungsschaltung 4 zwischen dem der Last Z zugewandten Laststreckenanschluss (Drainanschluss) 12 des Transistors 1 und den Ansteueranschluss 11 geschaltet. Das elektrische Potential an diesem Laststreckenanschluss 12 entspricht in diesem Fall der Laststreckenspannung V12. Eine solche Art der Verschaltung, die in 1 für einen n-Kanal-MOSFET dargestellt, der als Low-Side-Schalter geschaltet ist, gilt in nicht dargestellter Weise auch für einen n-Kanal-MOSFET als High-Side-Schalter oder einen p-Kanal-MOSFET, sei es als Low-Side- oder als High-Side-Schalter.
Die Spannungsbegrenzungsanordnung 4 bildet zusammen mit dem Transistor 1 einen Regelkreis. In diesem Regelkreis wird der Transistor durch die Spannungsbegrenzungsschaltung 4 jeweils so weit aufgesteuert, dass die Laststreckenspannung V1 nicht über einen vorgegebenen Spannungsgrenzwert ansteigt. In nicht näher dargestellter Weise kann ein Gleichrichterelement zwischen die Ansteuersignalerzeugungsschaltung 2 bzw. die Treiberschaltung 5 und die Spannungsbegrenzungsschaltung 4 geschaltet sein, das verhindert, dass ein über die Spannungsbegrenzungsschaltung 4 fließender Strom über die Ansteuersignalerzeugungsschaltung 2 bzw. die Treiberschaltung 5 abfließt.
3 zeigt ein Beispiel einer solchen Spannungsbegrenzungsanordnung 4. Diese Spannungsbegrenzungsanordnung weist ein oder mehrere Spannungsbegrenzungselemente 41, 42, 4n, die zwischen den ersten Laststreckenanschluss 12 und den Ansteueranschluss 11 geschaltet sind. Diese Spannungsbegrenzungselemente sind in dem dargestellten Beispiel Zenerdioden 41, 42, 4n, die in Sperrrichtung zwischen den Laststreckenanschluss 12 und den Ansteueranschluss geschaltet sind. In Sperrrichtung zwischen den Ansteueranschluss 11 und den Laststreckenanschluss 12 ist außerdem ein Gleichrichterelement, in dem Beispiel eine Diode, geschaltet, die bei leitend angesteuertem Transistor 1 verhindert, dass das Ansteuerpotential am Ansteueranschluss 11 dem elektrischen Potential des ersten Laststreckenanschlusses 12 folgt.
Die Funktionsweise einer solchen Spannungsbegrenzungs- oder Abkommutierungsschaltung 4 wird nachfolgend für den Fall erläutert, dass die Last Z eine induktive Last ist. Eine induktive Last Z speichert bei leitend angesteuertem Transistor 1 elektrische Energie. Nach sperrender Ansteuerung des Transistors 1, also im Aus-Zustand der Ansteuerschaltung 10, ermöglicht die Spannungsbegrenzungsschaltung 4 ein Abkommutieren der induktiven Last. Der Transistor wird hierbei nur so weit aufgesteuert, dass die Laststreckenspannung V1 nicht über den vorgegebenen Laststreckenschwellenwert ansteigt bzw. dass dessen Einschaltwiderstand wesentlich größer ist als der Einschaltwiderstand bei vollständig leitend angesteuertem Transistor. Die Temperatur des Transistors 1 steigt während einer solchen Abkommutierung einer induktiven Last an, wodurch die Gefahr besteht, dass der Transistor 1 einen kritischen Betriebszustand annimmt.
Die in der induktiven Last Z gespeicherte elektrische Energie wird während dieses Abkommutierungsvorgangs in dem Transistor 1 in Wärme umgesetzt. Die Wärmeleistung, die der Transistor 1 dabei aufnehmen muss, ist unter anderem abhängig von dem Induktivitätswert der induktiven Last Z und der Zeitdauer, für welche die Last zuvor bei leitend angesteuertem Transistor 1 elektrische Energie aufgenommen hat. Erfolgt die Ansteuerung der Last Z getaktet, so ist die im Aus-Zustand der Ansteuerschaltung von dem Transistor 1 aufzunehmende Wärmeleistung unmittelbar abhängig von dem Duty-Cycle der getakteten Ansteuerung.
Eine leitende Ansteuerung des Transistors 1 im Ein-Zustand 102 und im Übertemperaturschutzzustand 103 einerseits und während der Abkommutierung einer induktiven Last andererseits, unterscheiden sich in erläuterter Weise hinsichtlich des Einschaltwiderstands des Transistors 1. Die Ansteuerung des Transistors 1 während der zuerst genannten Zustände 102, 103 erfolgt mit dem Ziel, den Transistor 1 vollständig lei tend anzusteuern, d. h. den Transistor 1 mit minimal möglichem Einschaltwiderstand zu betreiben. Das Ansteuersignal S2 weist hierzu einen geeigneten Ansteuerpegel auf, der durch die optional vorhandene Treiberschaltung 5 gegebenenfalls noch verstärkt wird. Während einer Abkommutierungsphase erfolgt die Ansteuerung des Transistors 1 hingegen mit dem Ziel, die Laststreckenspannung V1 so weit zu begrenzen, dass eine Beschädigung bzw. Zerstörung des Transistors 1 verhindert wird, dass ein Einschaltwiderstand des Transistors 1 jedoch so hoch ist, dass die Last möglichst rasch abkommutiert, d. h. dass die in der Last gespeicherte Energie möglichst rasch in Wärme umgesetzt wird.
Bei einem Beispiel ist vorgesehen, den Transistor 1 im Überlastschutzzustand 103 mit einer anderen Ansteuerspannung anzusteuern als bei einem Einschalten im Ein-Zustand 102. Die Ansteuerschaltung 2 oder die Treiberschaltung 5, der das Überlastungssignal S3 optional zugeführt ist, ist in diesem Fall dazu ausgebildet, den Signalpegel des Ansteuersignals S2 abhängig von dem Signalpegel des Überlastungssignals S3 einzustellen.
Bei einem weiteren Beispiel ist vorgesehen, eine Klemmspannung, auf welche eine optional vorhandene Spannungsbegrenzungsschaltung 4 die Spannung zwischen dem ersten Laststreckenanschluss 12 und dem Ansteueranschluss 11 begrenzt, abhängig von dem Signalpegel des Überlastungssignals S3 einzustellen und zwar beispielsweise derart, dass diese Klemmspannung des Transistors 1 im Überlastschutzzustand 103 geringer ist als im Ein-Zustand 102. Der Spannungsbegrenzungsschaltung 4 ist zu diesem Zweck das Überlastungssignal S3 zugeführt.
Bei einer Spannungsbegrenzungsschaltung 4 gemäß 3 kann eine solche Reduktion der Klemmspannung beispielsweise durch einen Schalter 44 erreicht werden, der parallel zu einer oder zu mehreren der Zenerdioden 41–4n geschaltet ist und der durch das Überlastungssignal S3 angesteuert ist. Weist das Überlastungssignal S3 einen Überlastungspegel auf, so überbrückt der Schalter die eine oder die mehreren Zenerdioden, zu denen er parallel geschaltet ist, und bewirkt so eine Reduktion der Klemmspannung. Der Überlastschutzzustand 103 stellt eine Sicherungsmaßnahme dar, die eine Beschädigung oder gar eine Zerstörung des Transistors 1 durch verhindern soll. Der Überlastungsdetektor ist dazu ausgebildet, eine Überlastung des Transistors 1, bei der ein Übergang der Ansteuerschaltung 2 in den Überlastschutzzustand 103 erfolgt, zu detektieren noch bevor ein kritischer Betriebszustand des Transistors 1 erreicht wird. Ein solcher kritischer Betriebszustand könnte beispielsweise dann erreicht werden, wenn der Transistor 1 zum Schalten von induktiven Lasten eingesetzt wird, für die er nicht spezifiziert ist. Das sind beispielsweise Lasten, die bei eingeschaltetem Transistor 1 mehr elektrische Energie aufnehmen, als anschließend im Transistor ohne diesen zu beschädigen 1 in Wärme umgesetzt werden kann Bei einer solchen Überlastung wird einem Einschalten der Last Z vor einer Zerstörung des Transistors 1 der Vorzug gegeben. Die Last Z ist in diesem Fall über das Schaltsignal Sin nicht mehr schaltbar. Durch zusätzliche Sicherungen (nicht dargestellt), wie zum Beispiel Schmelzsicherungen im Laststromkreis, kann in diesem Fall ein übermäßiges Ansteigen des Laststromes verhindert werden.
Eine dauerhaft oder wenigstens vorübergehend nicht mehr schaltbare Last stellt grundsätzlich einen nicht erwünschten Betriebszustand dar. Wird ein Transistor im Vergleich dazu jedoch überlastet, so dass dessen Temperatur bis auf den Wert einer Beschädigungs- oder Zerstörungstemperatur ansteigt, so kann ein Kurzschluss der Laststrecke des Transistors auftreten. Insofern unterscheidet sich der Überlastschutzzustand 103 nicht von einem Fehlerzustand, der bei beschädigtem oder zerstörten Transistor auftritt, mit dem Unterschied, dass bei einem beschädigten oder zerstörten Transistor zusätzlich aufgrund des kritischen Betriebszustandes auch eine Gefahr für weitere Schaltungskomponenten einer Schaltung besteht, in der die Schaltungsanordnung mit dem Transistor und der Ansteuerschaltung eingesetzt wird. Die Ansteuerschaltung 10 kann dazu ausgebildet sein, nach einem Übergang in den ersten Temperaturschutzzustand dauerhaft in diesen Überlastschutzzustand 103 zu verbleiben. Die Ansteuerschaltung 10 kann jedoch auch dazu ausgebildet sein, den Überlastschutzzustand unter bestimmten Voraussetzungen wieder zu verlassen und beispielsweise in den Aus-Zustand 101 oder den Ein-Zustand 102 überzugehen (in 2 gestrichelt dargestellt), was nachfolgend noch erläutert werden wird.
Eine Überlastung des Transistors 1 kann auf verschiedene Weise bzw. anhand verschiedener Betriebsparameter detektiert werden. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass im Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung eine Überlastung des Transistors dann vorliegt, wenn einer oder mehrere Betriebsparameter darauf hindeuten, dass die Gefahr besteht, dass der Transistor 1 einen kritischen Betriebszustand annimmt. Geeignete Betriebsparamater zur Detektion einer solchen Überlastung ist beispielsweise die Temperatur des Transistors, eine in dem Transistor in Wärme umgesetzte elektrische Energie, der während eines Abkommutierens fließende Strom oder eine Abkommutierungsdauer. Realisierungsbeispiele für den Überlastungsdetektor 3, der das Überlastungssignal S3 erzeugt, werden nachfolgend erläutert.
Bei einem ersten Beispiel ist vorgesehen, für die Detektion einer Überlastung des Transistors 1 eine Temperatur des Transistors 1 zu ermitteln und auszuwerten. Ein Überlastungspegel des Überlastungssignals S3 wird in diesem Fall dann erzeugt, wenn diese Temperatur einen vorgegebenen ersten Schwellenwert Treff übersteigt. 4 veranschaulicht einen Überlastungsdetektor 3 mit einer solchen Funktionalität.
Dieser Überlastungsdetektor 3 umfasst einen Temperatursensor 311, der ein Temperatursignal bzw. Temperaturmesssignal S_T erzeugt, das die Temperatur des Transistors repräsentiert, und eine Referenzsignalquelle 312, die ein Referenzsignal S_Tref1 bereitstellt, dass den ersten Temperaturschwellenwert T_ref1 repräsentiert. Das Temperatursignal S_T und das Referenzsignal S_Tref1 sind einem Vergleicher 313 zugeführt, der diese beiden Werte vergleicht und der einen Ausgang aufweist, an dem das Überlastungssignal S3 zur Verfügung steht. Der Vergleicher 313 ist dazu ausgebildet, einen Überlastungspegel des Überlastungssignals S3 dann zu erzeugen, wenn das Temperatursignal S_T darauf hinweist, dass die Temperatur des Transistors 1 oberhalb des durch das Referenzsignal S_Tref1 repräsentierten Schwellenwertes liegt. In dem in 4 dargestellten Beispiel ist dies dann der Fall, wenn das Temperatursignal S_T das Referenzsignal S_Tref1 übersteigt.
Bei einem zweiten Beispiel ist vorgesehen, dass die während eines vorgegebenen Zeitfensters in dem Transistor in Wärme umgesetzte elektrische Energie gemessen und mit einem Energieschwellenwert Eref verglichen wird. Ein Überlastungspegel des Überlastungssignals S3 wird in diesem Fall dann erzeugt, wenn diese Energie den Energieschwellenwert Eref übersteigt.
5 veranschaulicht einen Überlastungsdetektor 3 mit einer solchen Funktionalität. Dieser Überlastungsdetektor 3 umfasst einen Leistungssensor 321, der an die Laststrecke des Transistors 1 angeschlossen ist und der dazu ausgebildet ist, ein Leistungssignal bzw. Leistungsmesssignal S_P zu erzeugen, das eine momentan in dem Transistor 1 in Wärme umgesetzte elektrische Leistung repräsentiert. Der Leistungssensor umfasst in nicht näher dargestellter Weise beispielsweise eine Spannungsmessanordnung zur Messung einer Spannung über der Laststrecke des Transistors 1, eine Strommessanordnung zur Messung eines Stromes durch die Laststrecke und einen Multiplizierer, der von der Spannungsmessanordnung und der Strommessanordnung erzeugte Messsignale zur Erzeugung des Leistungssignals S_P multipliziert.
Das Leistungssignal S_P ist einem Integrierer 322 zugeführt, der dazu ausgebildet ist, das Leistungssignal S_P während eines vorgegebenen Zeitfensters, das ein gleitendes Zeitfenster sein kann, aufzuintegrieren und ein Energiesignal S_E zur Verfügung zu stellen. Dieses Energiesignal S_E repräsentiert die während des Zeitfensters in dem Transistor 1 in Wärme umgesetzte elektrische Energie. Der Überlastungsdetektor 3 umfasst außerdem eine Referenzsignalquelle 323, die ein Referenzsignal S_Iref bereitstellt, dass den Energieschwellenwert Eref repräsentiert. Das Energiesignal S_E und das Referenzsignal S_Eref sind einem Vergleicher 324 zugeführt, der diese beiden Werte vergleicht und der einen Ausgang aufweist, an dem das Überlastungssignal S3 zur Verfügung steht. Der Vergleicher 324 ist dazu ausgebildet, einen Überlastungspegel des Überlastungssignals S3 dann zu erzeugen, wenn das Energiesignal S_E darauf hinweist, dass die im Transistor 1 während des Zeitfensters in Wärme umgesetzte elektrische Energie oberhalb des durch das Referenzsignal S_Eref repräsentierten Schwellenwertes Eref liegt. In dem in 5 dargestellten Beispiel ist dies dann der Fall, wenn das Energiesignal S_E das Referenzsignal S_Eref übersteigt.
Bei einem dritten Beispiel ist vorgesehen, den Laststrom des Transistors 1 während des Aus-Zustandes 101 auszuwerten. Wie bereits erläutert, kann ein Strom in diesem Zustand dann fließen, wenn sich der Transistor 1 im Avalanchebetrieb befindet oder wenn eine Spannungsbegrenzungsschaltung 4 vorgesehen ist, die den Transistor zum Abkommutieren einer Last aufsteuert. Überschreitet dieser Laststrom während des Aus-Zustandes 101 einen vorgegebenen Laststromschwellenwert Iref, so liegt eine Überlastung vor.
Ein Überlastungsdetektor 3 mit einer solchen Funktionalität zur Detektion des Laststromes I1 während des Aus-Zustandes 101 ist in 6 dargestellt. Dieser Überlastungsdetektor 3 umfasst einen Stromsensor 331, der dazu ausgebildet ist, ein Stromsignal bzw. Strommesssignal S_I zu erzeugen, das einen die Laststrecke des Transistors 1 durchfließenden Laststrom I1 repräsentiert. Dieser Stromsensor kann ein beliebiger Stromsensor sein, insbesondere auch ein nach dem sogenannten Stromsense-Prinzip funktionierender Sensor.
Der Überlastungsdetektor 3 umfasst außerdem eine Referenzsignalquelle 332, die ein Referenzsignal S_Iref bereitstellt, dass den Stromschwellenwert Iref repräsentiert. Das Stromsignal S_I und das Referenzsignal S_Eref sind einem Vergleicher 333 zugeführt, der diese beiden Werte vergleicht und der einen Ausgang aufweist, an dem ein Vergleichssignal S333 zur Verfügung steht. Der Vergleicher 333 ist dazu ausgebildet, einen solchen Signalpegel des Vergleichssignals S333, der einem Überlastungspegel des Überlastungssignals S3 entspricht, dann zu erzeugen, wenn das Stromsignal S_I darauf hinweist, dass der im Transistor 1 fließende Strom höher als der Stromschwellenwert S_Iref ist. In dem in 5 dargestellten Beispiel ist dies dann der Fall, wenn das Stromsignal S_I das Referenzsignal S_Iref übersteigt.
Das Überlastungssignal S3 steht bei dem Überlastungsdetektor gemäß 6 am Ausgang eines UND-Gatters 334 zur Verfügung, dem das Vergleichssignal S333 zugeführt ist und das dazu ausgebildet ist, als Überlastungssignal S3 während des Aus-Zustandes 101 das Vergleichssignal S333 auszugeben und den Pegel des Überlastungssignals S3 sonst auf den zweiten Signalpegel, der eine Nicht-Überlastung anzeigt, zu setzen. Hierdurch ist sichergestellt dass nur während des Aus-Zustandes ein den Referenzwert Iref übersteigender Laststrom I1 zu einem Überlastungspegel des Überlastungssignals S3 führt. Dem UND-Gatter 334 ist in dem Beispiel hierzu das Schaltsignal Sin an einem invertierenden Eingang zugeführt. Ein Low-Pegel des Schaltsignals repräsentiert hierbei den Aus-Zustand 101.
Anstatt des invertierten Schaltsignals Sin kann dem UND-Gatter 334 auch ein Spannungsbegrenzungssignal S4 zugeführt sein, das anzeigt, ob sich der Transistor 1 in einem Spannungsbegrenzungsbetrieb befindet. Ein solcher Spannungsbegrenzungsbetrieb ist bezugnehmend auf die bisher erläuterten Beispiele entweder ein Avalanchebetrieb oder ein Betrieb mit aktivierter Spannungsbegrenzungsschaltung 4 – sofern eine solche Spannungsbegrenzungsschaltung 4 vorhanden ist. Das UND-Gatter 334 ermöglicht die Erzeugung eines Überlastungspegels des Überlastungssignals S3 in diesem Fall nur dann, wenn das Spannungsbegrenzungssignal S4 auf einen Spannungsbegrenzungsbetrieb des Transistors 1 hinweist. Wie erläutert kann ein solcher Spannungsbegrenzungsbetrieb nur während des Aus-Zustands 101 erfolgen.
Ein Beispiel einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Spannungsbegrenzungssignals S4 ist in 7 dargestellt. Diese Schaltungsanordnung wertet zur Detektion des Spannungsbegrenzungsbetriebs des Transistors 1 das elektrische Potential an dem der Last Z und dem Transistor 1 gemeinsamen Schaltungsknoten aus. Bei dem anhand von 1 dargestellten Low-Side-Schalter ist dieser Schaltungsknoten der erste Laststreckenanschluss 12 des Halbleiterschaltelements 1. Steigt dieses elektrische Potential bei einem Low-Side-Schalter (wie in 1 dargestellt) über das positive Versorgungspotential an, so ist die Spannungsbegrenzungsschaltung 4 aktiviert oder der Transistor befindet sich im Avalanchebetrieb. Sinkt dieses elektrische Potential bei einem High-Side-Schalter (nicht dargestellt) unter das negative Versorgungspotential ab, so ist die Spannungsbegrenzungsschaltung 3 aktiviert oder der Transistor befindet sich im Avalanchebetrieb.
Die in 7 dargestellte Schaltungsanordnung weist einen Komparator 44 auf, der das elektrische Potenzial an dem Schaltungsknoten 12 mit dem Referenzpotential vergleicht, das in dem dargestellten Beispiel das positive Versorgungspotenzial ist. Am Ausgang dieses Komparators steht das Spannungsbegrenzungssignal zur Verfügung.
Man macht sich bei dem Überlastungsdetektor 3 gemäß 6 zu Nutze, dass im Avalanchebetrieb oder bei Einsatz einer Spannungsbegrenzungsschaltung 3 die Spannung über der Laststrecke annähernd konstant ist, wenn ein Laststrom I1 fließt. Der hierbei fließende Strom, der bei Abkommutieren einer induktiven Last am Beginn des Abkommutierens am größten ist, stellt damit ein Maß für die in der Last gespeicherte elektrische Energie dar, die in dem Transistor 1 während der Abkommutierung in Wärme umgesetzt werden soll.
Bei einem weiteren Beispiel ist vorgesehen, die Zeitdauer zu messen, während der ein Laststrom I1 während des Aus-Zustandes durch den Transistor 1 fließt. Ist diese Zeitdauer bzw. Abkommutierungsdauer größer als eine vorgegebene Zeitdauer, so wird eine Überlastung angenommen.
Ein Beispiel eines Überlastungsdetektors mit einer solchen Funktionalität ist in 8 dargestellt. Dieser Überlastungsdetektor 3 umfasst einen Stromdetektor, der eine Detektionssignal S342 erzeugt, dessen Signalpegel abhängig davon ist, ob ein Laststrom I1 fließt, der größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert, wie z. B. Null. Dieser Stromdetektor umfasst in dem Beispiel einen Stromsensor 341, der dazu ausgebildet ist, ein Stromsignal bzw. Strommesssignal S_I zu erzeugen, das einen die Laststrecke des Transistors 1 durchfließenden Laststrom I1 repräsentiert. Dieser Stromsensor kann ein beliebiger zu diesem Zweck geeigneter Stromsensor sein.
Das Stromsignal S_I und ein Referenzsignal S_Iref, in dem Beispiel Null, sind einem Vergleicher 342 zugeführt, der diese beiden Werte vergleicht und der einen Ausgang aufweist, an dem das Detektionssignal S342 zur Verfügung steht. Dieses Detektionssignal S342 nimmt einen ersten Signalpegel an, der nachfolgend als Stromflusspegel bezeichnet wird, wenn ein Laststrom detektiert wird.
Das Detektionssignal S342 ist einem Eingang eines UND-Gatters 343 zugeführt, dessen anderem Eingang das invertierte Schaltsignal Sin oder alternativ das Spannungsbegrenzungssignal S4 (nicht dargestellt) zugeführt ist. Der dargestellte Überlastungsdetektor ist dazu ausgebildet, einen Überlastungspegel des Überlastungssignals S3 dann zu erzeugen, wenn während des Aus-Zustandes 101 – auf den das invertierte Schaltsignal Sin oder das Spannungsbegrenzungssignal S4 hinweist – das Detektionssignal S342 länger als für eine vorgegebene Zeitdauer einen Stromflusspegel annimmt. In dem dargestellte Beispiel steht das Überlastungssignal S3 am Ausgang eines Verzögerungsglieds 344 zur Verfügung, dem das Ausgangssignal S343 des UND-Gatters 343 zugeführt ist. Dieses Verzögerungsglied 344 ist ein asymmetrisches Verzögerungsglied, das dazu ausgebildet ist, eine solche Flanke des Ausgangssignal S344 des UND-Gatters, die auf einen fließenden Laststrom während des Aus-Zustandes hinweist, zeitverzögert weiterzugeben. Die Verzögerungszeit entspricht der zuvor genannten vorgegebenen Zeitdauer. Eine Flanke, des Ausgangssignal S344 des UND-Gatters, die auf ein Ende des Aus-Zustandes 101 oder ein Absinken des Laststroms I1 auf Null hinweist wird hingegen unmittelbar weitergegeben.
Es sei darauf hingewiesen, dass bei dem Überlastungsdetektor 3 gemäß 8 selbstverständlich beliebige weitere Zeitmessanordnungen verwendet werden können, die dazu geeignet sind die Zeitdauer zu messen, während der im Aus-Zustand ein Laststrom fließt. Darüber hinaus sei darauf hingewiesen, dass die zuvor erläuterten Überlastdetektoren 3 selbstverständlich sowohl mit analogen als auch mit digitalen Schaltungskomponenten realisiert werden können.
Die zuvor erläuterten Kriterien, die erfüllt sein müssen, um vom Vorliegen einer Überlastung auszugehen, können selbstverständlich kombiniert werden bzw. verknüpft werden, indem beispielsweise ein Überlastungspegel des Überlastungssignals s3 nur dann erzeugt, wird, wenn zwei oder mehr der zuvor genannten Kriterien erfüllt sind. Die Ausgangssignale von zwei oder mehr der zuvor erläuterten Überlastungsdetektoren 3 können hierzu beispielsweise mittels eines UND-Gatters verknüpft werden.
Bei einem Beispiel der Ansteuerschaltung 10 ist vorgesehen, dass die Ansteuerschaltung 10 nur ausgehend von einem Betriebszustand, bei dem sich der Transistor 1 im Spannungsbegrenzungsbetrieb befindet, in den Überlastschutzzustand 103 übergeht. Ein solcher Betriebszustand, bei dem sich der Transistor 1 beispielsweise im Avalanchebetriebszustand befindet oder bei dem die Spannungsbegrenzungsschaltung 4 aktiviert ist, wird nachfolgend als Spannungsbegrenzungszustand 104 bezeichnet.
Ein Zustandsdiagramm für eine solche Ansteuerschaltung 10, bei der ein Übergang in den ersten Übertemperaturschutzzustand 103 nur ausgehend von einem Spannungsbegrenzungszustand 104 erfolgen kann, ist in 9 dargestellt. Ein Übergang der Ansteuerschaltung 10 in den Spannungsbegrenzungszustand 104 erfolgt beispielsweise dann, wenn im Aus-Zustand 101 ein Laststrom fließt. Ein Übergang der Ansteuerschaltung in den Spannungsbegrenzungszustand kann beispielsweise auch dann erfolgen wenn – bei einem Low-Side-Schalter – das elektrische Potenzial an einem der Laststreckenanschlüsse des Transistors das elektrische Potenzial an dem Versorgungsanschluss überschreitet an den er über die Last angeschlossen ist, oder wenn – bei einem High-Side-Schalter – das elektrische Potenzial an einem der Laststreckenanschlüsse des Transistors das elektrische Potenzial an dem Versorgungsanschluss unterschreitet an den er über die Last angeschlossen ist.
Eine Rückkehr vom Spannungsbegrenzungszustand 104 in den Aus-Zustand kann beispielsweise dann erfolgen, wenn der Spannungsbegrenzungsbetrieb des Transistors 1 endet, ohne dass eine Überlastung detektiert wurde.
Bezugnehmend auf 9 erfolgt ein Übergang von dem Spannungsbegrenzungszustand 104 in den Überlastschutzzustand 103 wenn eine Überlastung OL detektiert wird. Eine solche Funktionalität, dass ein Übergang in den Überlastschutzzustand 103 nur ausgehend von dem Spannungsbegrenzungszustand 104 erfolgen, ist bei Verwendung der Überlastungsdetektoren gemäß der 6 und 8 unmittelbar gewährleistet. Diese Überlastungsdetektoren 3 erzeugen einen Überlastungspegel des Überlastungssignals S3 nur während des Spannungsbegrenzungszustandes.
Bei den anhand der 4 und 5 erläuterten Überlastungsdetektoren 3 kann eine solche Funktionalität dadurch erreicht werden, dass das Ausgangssignal der Vergleicher (313 in 4 und 324 in 5) einem Eingang eines optionalen UND-Gatters (314 in 4 und 325 in 5) zugeführt ist, dessen anderem Eingang das invertierte Schaltsignal Sin oder das Spannungsbegrenzungssignal S4 zugeführt ist und an dessen Ausgang das Überlastungssignal S3 zur Verfügung steht. Dieses UND-Gatter 314 bzw. 324 ist in den 4 und 5 gestrichelt dargestellt.
Bei einer Ansteuerschaltung 10, die in den Überlastungsschutzzustand 103 nur ausgehend vom Spannungsbegrenzungszustand 104 übergehen kann, ist sichergestellt, dass der Transistor 1 nicht auch dann leitend angesteuert wird, wenn er sich im ausgeschalteten Zustand befindet, wenn eine Detektion der Überlastung anhand der Temperatur erfolgt und wenn dessen Temperatur bedingt durch äußere Einflüsse bis auf den Wert eines Temperaturschwellenwertes Tref1 aufgeheizt wird. Solche äußeren Einflüsse sind beispielsweise defekte Schaltungskomponenten (nicht dargestellt), die in der Nachbarschaft des Transistors 1 angeordnet sind.
10 veranschaulicht die Funktionsweise der zuvor erläuterten Schaltungsanordnung anhand zeitlicher Verläufe des Schaltsignals Sin, der Laststreckenspannung V1, der Temperatur T des Transistors 1 sowie des Laststromes I1 für den Fall, dass eine Überlastung anhand der Temperatur T des Transistors 1 detektiert wird. Für die Erläuterung sei angenommen, dass das Schaltsignal Sin zunächst einen Einschaltpegel – in dem Beispiel einen High-Pegel – besitzt und zu einem Zeitpunkt t1 von dem Einschaltpegel auf einen Ausschaltpegel – in dem Beispiel einen Low-Pegel – wechselt. Der Transistor 1 ist bis zu diesem Zeitpunkt t1 vollständig leitend angesteuert. Während dieses Betriebszustandes liegt annähernd die gesamte Versorgungsspannung, die zwischen den Versorgungsspannungsklemmen zur Verfügung steht, über der Last Z an, so dass die Laststreckenspannung V1 entsprechend klein ist. Der Laststrom I1 ist in diesem Fall entsprechend groß.
Zum Zeitpunkt t1 steigt die Laststreckenspannung V1 sprungartig an. Zu Zwecken der Erläuterung sei angenommen, dass die durch den Transistor 1 angesteuerte Last eine induktive Last ist. Die Laststreckenspannung V1 muss in diesem Fall auf einen Wert ansteigen, der größer ist als die Versorgungsspannung bzw. das obere Versorgungspotential V+. Der Transistor 1 geht zu diesem Zeitpunkt unmittelbar in den Avalanchebetrieb übergeht oder eine optional vorhandene Spannungsbegrenzungsschaltung 4 wird aktiviert. Ein weiteres Ansteigen der Laststreckenspannung V1 wird damit begrenzt. Der Laststrom I1 beginnt ab diesem Zeitpunkt abzusinken.
In 10 sind zwei unterschiedliche Szenarien dargestellt: Ein erstes Szenario, für das die Signalverläufe als strichpunktierte Linien dargestellt sind und bei dem die Temperatur T des Transistors während der Abkommutierungsphase zwar ansteigt, jedoch nicht bis über den ersten Temperaturschwellenwert Tref1 hinaus; und ein zweites Szenario, für das die Signalverläufe als durchgezogene Linie dargestellt sind und bei dem die Temperatur T während der Abkommmutierungshase über den ersten Temperaturschwellenwert Treff ansteigt. Im ersten Szenario kommutiert die induktive Last vollständig ab. Zu ei nem Zeitpunkt t2 ist dabei der Laststrom I1 auf Null und die Laststreckenspannung V1 auf den Wert der Versorgungsspannung V+ abgesunken. Im zweiten Szenario wird zu einem Zeitpunkt t3, zu dem die Temperatur T den ersten Temperaturschwellenwert Treff übersteigt, der Transistor 1 vollständig leitend angesteuert, wodurch die Laststreckenspannung V1 absinkt und der Laststrom I1 ansteigt. Ein weiterer Anstieg der Temperatur T wird dadurch begrenzt.
11 veranschaulicht eine weitere Ansteuerschaltung 10 anhand eines Zustandsdiagramms. Diese Ansteuerschaltung unterscheidet sich von der Ansteuerschaltung, deren Zustandsdiagramm anhand von 9 erläutert wurde, dadurch dass ein Zustandsübergang vom Ein-Zustand 102 in den Aus-Zustand 101 nicht nur abhängig von dem Schaltsignal Sin erfolgt, sondern auch dann erfolgt, wenn die Temperatur T im Bereich des Transistors 2 einen Temperaturschwellenwert Tref2 übersteigt, der kleiner ist als der Temperaturschwellenwert Treff bei Verwendung des Überlastungsdetektors 3 gemäß 4. Das Abschalten des Transistors 1 bei Übersteigen dieses zweiten Temperaturschwellenwertes Tref2 soll den Transistor vor einer Beschädigung oder Zerstörung schützen. Die Ansteuerschaltung kann dazu ausgebildet sein, automatisch in den Ein-Zustand zurückzukehren, wenn die Temperatur unter den zweiten Schwellenwert absinkt. Um ein Schwingungsverhalten zu vermeiden, besteht insbesondere die Möglichkeit, eine Hysterese für den Übergang in den temperaturbedingten Aus-Zustand und die Rückkehr in den Ein-Zustand vorzusehen.
Wie in dem Zustandsdiagramm dargestellt ist, kann die Schaltungsanordnung von dem Aus-Zustand 101 unmittelbar in den Spannungsbegrenzungszustand 104 übergehen, wenn während des Aus-Zustands ein Laststrom fließt wenn die Last also beispielsweise eine induktive Last ist.
Die Ansteuersignalerzeugungsschaltung 2 lässt sich unter Berücksichtigung der bisher und der nachfolgend noch erläuter ten Zustandsdiagramme in beliebiger Technologie als kombinatorische Logikschaltung realisieren, so dass auf weitere Ausführungen hierzu verzichtet werden kann.
Die Ansteuerschaltung 10 kann so realisiert sein, dass sie ausgehend von dem Überlastschutzzustand 103 in den Aus-Zustand 101 übergeht, sobald keine Überlastung mehr vorhanden ist. Ein Ausschnitt eines Zustandsdiagramms, in dem diese Betriebszustände und der erläuterte Zustandsübergang dargestellt sind, ist anhand von 12 veranschaulicht. OL = F steht in diesem Zusammenhang dafür, dass eine zuvor detektierte Überlastung nicht mehr vorliegt, dass also beispielsweise die Temperatur unter den vorgegebenen Referenzwert Tref1 abgesunken ist.
Bezugnehmend auf 13 ist bei einem weiteren Beispiel vorgesehen, dass ein Zustandsübergang von dem Überlastschutzzustand 103 in den Aus-Zustand 101 dann erfolgt, wenn das Schaltsignal Sin einen Ausschaltpegel annimmt und wenn nach einem Übergang in den Überlastschutzzustand 103 eine vorgegebene Zeitdauer td vergangen ist.
Ein Übergang vom Überlastschutzzustand in den Ein-Zustand 102 kann in nicht näher dargestellter Weise unmittelbar dann erfolgen, wenn das Schaltsignal Sin einen Einschaltpegel annimmt.
Bei einem weiteren Beispiel, für welches das Zustandsdiagramm in 14 dargestellt ist, ist vorgesehen, eine Anzahl N_OLP-ON von Zustandsübergängen in den Überlastschutzzustand 103 zu zählen und die Ansteuerschaltung 10 dauerhaft in diesen Überlastschutzzustand 103 zu belassen, wenn diese Anzahl N_OLP-ON einen vorgegebenen Wert n erreicht hat. Ist diese Anzahl kleiner als der vorgegebene Wert n, so kann ein Übergang vom Übertemperaturschutzzustand 103 in den Aus-Zustand 101 abhängig von einem der zuvor anhand der 12 und 13 erläuterten Kriterien erfolgen. n kann insbesondere 1 sein. In diesem Punkt bleibt die Ansteuerschaltung 10 dauerhaft im Übertemperaturschutzzustand, sobald dieser einmal erreicht wurde.
Die anhand der 12 bis 14 erläuterten Varianten gelten unabhängig davon, auf welche Weise der Überlastschutzzustand 103 erreicht wird, d. h. unabhängig davon, ob ein Übergang in den Übertemperaturschutzzustand 14 nur aus dem Spannungsbegrenzungszustand 104 oder auch aus einem der anderen Zustände erfolgt.
Bei einem weiteren Beispiel weist die Ansteuerschaltung 10 einen Rücksetzeingang zur Zuführung eines Rücksetzsignals (RS in 1) auf. Über diesen Rücksetzeingang besteht die Möglichkeit, die Ansteuersignalerzeugungsschaltung 2 in den Aus-Zustand 101 zurückzusetzen, wenn sie sich im Überlastschutzzustand 103 befindet. Die Ansteuerschaltung 10 kann außerdem einen Statusausgang aufweisen, über den ein Statussignal ST ausgegeben werden kann, das signalisiert, ob sich die Ansteuerschaltung 10 im Überlastschutzzustand befindet.
Dieses Statussignal ST kann einer Auswerteschaltung (nicht dargestellt) zugeführt sein, die beispielsweise dazu ausgebildet ist, das Rücksetzsignal nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer zu erzeugen, nachdem das Statussignal einen Überlastschutzzustand angezeigt hat. Hierdurch kann nach Ablauf dieser Zeit eine erneute Überprüfung vorgenommen werden, ob immer noch eine Überlastung vorliegt. Diese Auswerteschaltung ist beispielsweise ein Mikrocontroller, wobei die Funktion der Auswerteschaltung und der Ansteuersignalerzeugungsschaltung 2 durch einen einzigen Mikrocontroller realisiert sein können.

Claims

Ansteuerschaltung für einen Transistor (12), die einen Ausgang zur Bereitstellung eines Ansteuersignals (S2) für den Transistor (12) aufweist, die dazu ausgebildet ist, den Transistor (12) hinsichtlich des Auftretens einer Überlastung zu überwachen, und die dazu ausgebildet ist, einen Überlastungsschutzzustand anzunehmen, in dem sie den Transistor (12) leitend ansteuert, wenn sie eine Überlastung des Transistors (12) detektiert.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, die dazu ausgebildet ist, abhängig davon, ob eine Temperatur des Transistors (12) einen vorgegebenen Temperaturschwellenwert übersteigt, den Überlastungsschutzzustand anzunehmen.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, die dazu ausgebildet ist, abhängig davon, ob eine während eines vorgegebenen Zeitfensters in dem Transistor (12) in Wärme umgesetzte elektrische Leistung, einen vorgegebenen Energieschwellenwert übersteigt, den Überlastungsschutzzustand anzunehmen.
Ansteuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die weiterhin einen Eingang zur Zuführung eines Schaltsignals (Sin) aufweist und die dazu ausgebildet ist, einen Ein-Zustand anzunehmen, in dem sie den Transistor (12) leitend ansteuert, wenn das Schaltsignal (Sin) einen Einschaltpegel annimmt.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 4, die dazu ausgebildet ist, den Transistor (12) abhängig von dem Schaltsignal (Sin) in einem Spannungsbegrenzungsbetrieb zu betreiben.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 5, die dazu ausgebildet ist, abhängig davon, ob während des Spannungsbegrenzungsbetriebs ein den Transistor (12) durchfließender Laststrom (I1) oberhalb eines Stromschwellenwertes liegt, den Überlastungsschutzzustand anzunehmen.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 5, die dazu ausgebildet ist, abhängig davon, ob während des Spannungsbegrenzungsbetriebs ein den Transistor (12) durchfließender Laststrom (I1) länger als eine vorgegebene Zeitdauer fließt, den Überlastungsschutzzustand anzunehmen.
Ansteuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die eine Spannungsbegrenzungsschaltung (4) aufweist die dazu ausgebildet ist, zwischen einen der Laststreckenanschlüsse und den Ansteueranschluss des Transistors (12) geschaltet zu werden.
Ansteuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die einen Spannungsbegrenzungszustand annehmen kann und dazu ausgebildet ist, in den Überlastungsschutzzustand nur ausgehend von diesem Spannungsbegrenzungszustand überzugehen.
Ansteuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die dazu ausgebildet ist, nach einem Übergang in den ersten Überlastungsschutzzustand dauerhaft in diesem ersten Übertemperaturschutzzustand zu bleiben.
Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die einen Rücksetzeingang zur Zuführung eines Rücksetzsignals (RS) aufweist und dazu ausgebildet ist, den Überlastungsschutzzustand zu verlassen, wenn das Rücksetzsignal (RS) einen Rücksetzpegel aufweist.
Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die dazu ausgebildet ist, den Überlastungsschutzzustand nach Ablauf einer Wartedauer zu verlassen.
Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die dazu ausgebildet ist, Übergänge in den Überlastungsschutzzustand zu zählen und dauerhaft in dem Überlastungsschutzzustand zu bleiben, wenn eine vorgegebene Anzahl von Übergängen in den Überlastungsschutzzustand erreicht ist.
Ansteuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die dazu ausgebildet ist, einen Aus-Zustand anzunehmen, wenn die Temperatur im Bereich des Transistors (12) einen vorgegebenen zweiten Temperaturschwellenwert übersteigt.
Verfahren zur Ansteuerung eines Transistors (15), der eine Laststrecke und einen Ansteueranschluss aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Detektieren einer Überlastung des Transistors (12); Betreiben des Transistors (12) in einem Überlastungsschutzzustand, in dem der Transistor (12) leitend angesteuert wird, wenn eine Überlastung detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der Transistor (12) abhängig davon, ob eine Temperatur des Transistors (12) einen vorgegebenen Temperaturschwellenwert übersteigt, im Überlastungsschutzzustand betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der Transistor (12) abhängig davon, ob eine während eines vorgegebenen Zeitfensters in dem Transistor (12) in Wärme umgesetzte elektrische Leistung, einen vorgegebenen Energieschwellenwert übersteigt, im Überlastungsschutzzustand betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, das weiterhin aufweist: Betreiben des Transistors (12) in einem Spannungsbegrenzungsbetrieb, in dem eine über der Laststrecke anliegenden Laststreckenspannung begrenzt wird, wenn die Laststreckenspannung bis auf einen Laststreckenschwellenwert ansteigt.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem der Laststreckenschwellenwert eine Avalanche-Durchbruchspannung des Transistors ist.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem eine Spannungsbegrenzungsschaltung (4) an die Laststrecke des Transistors angeschlossen ist und bei dem der Laststreckenschwellenwert durch diese Spannungsbegrenzungsschaltung bestimmt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, bei dem ein Übergang in den Überlastungsschutzzustand nur ausgehend von dem Spannungsbegrenzungsbetrieb erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, bei dem der Transistor (12) abhängig davon, ob während des Spannungsbegrenzungsbetriebs ein den Transistor (12) durchfließender Laststrom (I1) oberhalb eines Stromschwellenwertes liegt, im Überlastungsschutzzustand betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, bei dem der Transistor (12) abhängig davon, ob während des Spannungsbegrenzungsbetriebs ein den Transistor (12) durchfließender Laststrom (I1) länger als eine vorgegebene Zeitdauer fließt, im Überlastungsschutzzustand betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23, das weiterhin aufweist: Bereitstellen eines Schaltsignals (Sin), das einen Einschaltpegel oder einen Ausschaltpegel annehmen kann; Betreiben des Transistors (12) in einem Ein-Betrieb, in dem der Transistor (12) leitend angesteuert wird, wenn das Schaltsignal einen Einschaltpegel annimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 24, bei dem der Transistor nach einem Übergang in den Überlastungsschutzzustand dauerhaft in diesem Überlastungsschutzzustand betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 24, bei dem der Überlastungsschutzzustand nach Ablauf einer Wartedauer endet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 24, bei dem Übergänge in den Überlastungsschutzzustand gezählt werden und bei dem der Transistor (12) dauerhaft in dem Überlastungsschutzzustandbetrieben wird, wenn eine vorgegebene Anzahl von Übergängen in den ersten Übertemperaturschutzbetrieb erreicht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 27, bei dem der Transistor sperrend angesteuert wird, wenn die Temperatur im Bereich des Transistors einen vorgegebenen zweiten Temperaturschwellenwert übersteigt, der kleiner ist als der erste Temperaturschwellenwert.
Schaltungsanordnung, die aufweist: einen Transistor (12), der einen Ansteueranschluss und eine Laststrecke aufweist, eine an den Ansteueranschluss des Transistors (12) angeschlossene Ansteuerschaltung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14.