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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromdetektionseinrichtung und ein Verfahren zum Erfassen eines elektrischen Stroms. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Stromdetektionseinrichtung und ein Verfahren zum Erfassen eines elektrischen Stroms in einem Messpfad, der ein zu einem elektrischen Strom in einem Leistungspfad korrespondierenden elektrischen Strom führt.
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Obwohl die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit IGBT beschrieben wird, die einen Sense-Anschluss aufweisen, ist die vorliegende Erfindung darüber hinaus auch für beliebige weitere Anwendungsfälle einsetzbar, bei denen ein Strom in einem weiteren Strompfad ausgewertet werden soll, der zu dem Strom in einem Leistungspfad korrespondiert.
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Die Druckschrift
US 5,877,617 A offenbart eine Schaltungsanordnung, bei der eine Last in einem Strompfad mit einem Strom gespeist wird. Darüber hinaus umfasst die Schaltungsanordnung einen weiteren Transistor, der einen zu diesem Strom für die Last korrespondierenden Strom bereitstellt. Der Strom, der über den weiteren Transistor bereitgestellt wird, dient zur Überwachung und Auswertung des Stromflusses für die Last.
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Für die Messung und Auswertung eines Stroms durch einen Halbleiterschalter sind darüber hinaus beispielsweise bipolare Transistoren mit einem isolierten Gate (IGBT) bekannt, bei denen an einem zusätzlichen Sense-Anschluss ein Strom bereitgestellt wird, der proportional zum Hauptstrom durch den Halbleiterschalter ist. Der Strom aus dem Sense-Anschluss ist dabei um einen annähernd konstanten Faktor kleiner als der Hauptstrom in dem Emitterpfad des IGBT.
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Die Schaltungsanordnung zur Auswertung des Stroms in dem Sense-Pfad eines derartigen IGBT muss dabei für die maximale Einschaltdauer des IGBT und auch für die maximal auftretenden Ströme dimensioniert werden. Dabei können insbesondere bei einem Fehlerfall auch in dem Sense-Pfad relativ große Ströme auftreten.
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Es besteht daher ein Bedarf nach einer verbesserten Auswerteschaltung für eine Schaltungsanordnung, bei der eine Stromauswertung über einen separaten Messpfad erfolgt. Insbesondere besteht ein Bedarf für eine Stromauswerteschaltung, die auch beim Auftreten größer Ströme in den Messpfad nicht überlastet wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß einem Aspekt schafft die vorliegende Erfindung hierzu eine Stromdetektionseinrichtung zum Erfassen eines elektrischen Stroms in einem Messpfad, der ein zu einem elektrischen Strom in einem Leistungspfad korrespondierenden elektrischen Strom führt, mit einer Strommessvorrichtung, die in dem Messpfad angeordnet ist und die dazu ausgelegt ist, ein Ausgangssignal bereitzustellen, das zu einem elektrischen Strom korrespondiert, der durch die Strommessvorrichtung fließt; und einer Strombegrenzungsvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, den elektrischen Strom durch die Strommessvorrichtung auf einen vorbestimmten maximalen Grenzwert zu begrenzen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erfassen eines elektrischen Stroms in einem Messpfad, der ein zu einem elektrischen Strom in einem Leistungspfad korrespondierenden elektrischen Strom führt, mit den Schritten des Bereitstellens einer Strommessvorrichtung; des Erfassens eines elektrischen Stroms durch die bereitgestellte Strommessvorrichtung; des Ausgebens eines Ausgangssignals an der Strommessvorrichtung in Abhängigkeit von dem erfassten elektrischen Strom; und des Begrenzens des elektrischen Stroms durch die Strommessvorrichtung auf einen vorbestimmten maximalen Grenzwert.
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Vorteile der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, bei der Auswertung eines elektrischen Stroms in einem Messpfad den auszuwertenden elektrischen Strom auf einen maximalen elektrischen Strom zu begrenzen. Unterschreitet der elektrische Strom in dem Messpfad dagegen diesen maximalen Grenzwert, so wird der elektrische Strom in dem Messpfad nicht beeinflusst. Durch die Begrenzung des elektrischen Stroms in dem Messpfad auf einen maximalen Grenzwert können die einzelnen Komponenten zur Auswertung des elektrischen Stroms in diesem Pfad auf diesen vorgegebenen maximalen Grenzwert ausgelegt werden. Da ein weiterer Anstieg des elektrischen Stroms durch die Begrenzung nicht zu erwarten ist, können die einzelnen Komponenten daher deutlich geringer dimensioniert werden. Dies ermöglicht einerseits einen kostengünstigeren Aufbau der Auswerteschaltung für den elektrischen Strom. Darüber hinaus erfordern solche Bauelemente für einen geringeren maximalen elektrischen Strom auch eine kleinere Baugröße, so dass die Auswerteschaltung weiterhin auch nur ein geringeres Bauvolumen erfordert, als dies bei einer Auswerteschaltung ohne erfindungsgemäße Begrenzung des auszuwertenden elektrischen Stroms der Fall wäre. Ferner kann durch die Begrenzung des maximal auftretenden elektrischen Stroms auch die damit verbundene maximale Verlustleistung und somit die abzuführende Wärmemenge reduziert werden. Diese geringere Erwärmung der Auswerteschaltung für den zu überwachenden elektrischen Strom wirkt sich dabei nicht zuletzt positiv auf die Lebensdauer der Auswerteschaltung aus.
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Die Strommessvorrichtung der erfindungsgemäßen Stromauswerteschaltung kann dabei eine beliebige Vorrichtung sein, die zwischen zwei Anschlüssen von einem elektrischen Strom durchflossen werden kann. Dabei stellt die Strommessvorrichtung ein Ausgangssignal bereit, das von dem elektrischen Strom abhängt, der durch die Strommessvorrichtung fließt. Beispielsweise kann das Ausgangssignal ein Spannungssignal sein, das zu dem elektrischen Strom durch die Strommessvorrichtung korrespondiert. Ein solches Spannungssignal kann beispielsweise mittels eines Shunt-Widerstandes generiert werden, der von dem elektrischen Strom durchflossen wird. Somit kann auf einfache Weise ein Spannungssignal generiert werden, der proportional zu dem elektrischen Strom durch den Shunt-Widerstand ist. Weitere Möglichkeiten zur Erzeugung eines von dem elektrischen Strom durch die Strommessvorrichtung abhängigen Ausgangssignals sind darüber hinaus ebenso möglich.
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Gerade bei einer Signalumsetzung eines elektrischen Stroms in eine elektrische Spannung mittels eines Widerstandes fällt dabei an dem elektrischen Widerstand auch eine Verlustleistung an, die von dem elektrischen Strom durch den Widerstand abhängig ist. Mit steigendem elektrischem Strom steigen somit auch die Verluste an der Strommessvorrichtung. Zur Vermeidung großer Verluste wird der elektrische Strom durch die Strommessvorrichtung auf einen maximalen Grenzwert begrenzt. Durch die Limitierung des maximalen Stroms durch die Strommessvorrichtung werden somit auch gleichzeitig die Verluste und die damit auftretende thermische Erwärmung begrenzt. Somit kann beispielsweise eine übermäßige Erwärmung vermieden werden.
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Zur Bestimmung des Stroms durch die Stromauswertevorrichtung kann hierzu beispielsweise das Ausgangssignal der Strommessvorrichtung herangezogen werden. Wird durch das bereitgestellte Ausgangssignal der Stromauswerteschaltung festgestellt, dass der elektrische Strom durch die Stromauswerteschaltung einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, so kann daraufhin die Strombegrenzungsvorrichtung angesteuert werden, die ihrerseits den maximalen Strom durch die Stromauswertevorrichtung, insbesondere durch die Strommessvorrichtung, begrenzt. Auf diese Weise kann eine einfache Begrenzung des maximalen Stroms durch die Strommessvorrichtung erreicht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Strommessvorrichtung dazu ausgelegt, ein Spannungssignal bereitzustellen, das proportional zu dem elektrischen Strom ist, der durch die Strommessvorrichtung fließt. Durch die Bereitstellung eines Spannungssignals am Ausgang der Strommessvorrichtung kann die Größe des elektrischen Stroms durch die Strommessvorrichtung besonders vorteilhaft bereitgestellt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Strommessvorrichtung einen Analog-Digital-Konverter. Der Analog-Digital-Konverter ist dazu ausgelegt, das von der Strommessvorrichtung bereitgestellte Ausgangssignal in ein digitales Signal zu konvertieren. Vorzugsweise weist der Analog-Digital-Konverter eine hohe Impedanz auf. Auf diese Weise kann die Weiterverarbeitung des Wertes des elektrischen Stroms durch die Strommessvorrichtung auf digitale Weise erfolgen, ohne dass dabei die Stromauswerteschaltung elektrisch stark belastet wird.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Strombegrenzungsvorrichtung eine Referenzspannungsquelle. Die Referenzspannungsquelle ist dazu ausgelegt, eine vorbestimmte Referenzspannung bereitzustellen. Ferner ist die Strombegrenzungsvorrichtung dazu ausgelegt, ein Spannungssignal mit der von der Referenzspannungsquelle bereitgestellten Referenzspannung zu vergleichen. Die Strombegrenzungsvorrichtung passt dabei den elektrischen Strom durch die Strommessvorrichtung basierend auf diesem Vergleich an. Durch die Bereitstellung einer Referenzspannungsquelle und den Vergleich eines Spannungssignals mit der Referenzspannung kann ein Überschreiten des elektrischen Stroms durch die Strommessvorrichtung besonders einfach festgestellt werden. Entsprechend kann basierend auf diesem Vergleich beim Überschreiten des elektrischen Stroms dieser elektrische Strom automatisch begrenzt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Strombegrenzungsvorrichtung einen Transistor mit einem Steueranschluss. Die Strombegrenzungsvorrichtung ist dabei dazu ausgelegt, an dem Steueranschluss des Transistors ein Steuersignal bereitzustellen, das von dem Vergleich zwischen bereitgestellter Referenzspannung und einem Spannungssignal abhängt. Auf diese Weise kann der Strom durch die Strommessvorrichtung begrenzt werden und ein Überschreiten des elektrischen Stroms durch die Strommessvorrichtung wird verhindert.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Schaltungsanordnung zum Bereitstellen eines elektrischen Stroms, mit einer Stromsteuervorrichtung, die dazu ausgelegt ist, einen elektrischen Strom in einem Leistungspfad bereitzustellen, und in einem Messpfad einen zu dem bereitgestellten elektrischen Strom korrespondierenden elektrischen Messstrom (ISense) bereitzustellen; und einer erfindungsgemäßen Stromdetektionseinrichtung.
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Gemäß einer Ausführungsvorrichtung umfasst die Stromsteuervorrichtung einen bipolaren Transistor mit einem isolierten Gate (IGBT). Vorzugsweise weist der bipolare Transistor mit isolierendem Gate dabei einen Messanschluss auf, der ein zu dem Strom am Leistungsausgang korrespondierenden Messstrom bereitstellt.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Erfassen eines elektrischen Stroms ferner die Schritte des Bereitstellens einer vorbestimmten Referenzspannung und des Vergleichens der bereitgestellten Referenzspannung mit einem Spannungswert. Der Schritt zum Begrenzen des elektrischen Stroms passt dabei den elektrischen Strom in Abhängigkeit von dem Vergleich der bereitgestellten Referenzspannung mit dem Spannungswert an.
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Weitere Ausführungsformen und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Dabei zeigen:
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1: eine schematische Darstellung einer Beispielschaltung für eine Schaltungsanordnung mit einer Stromdetektionseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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2: eine schematische Darstellung einer Strom-Spannungs-Kennlinie, wie sie einer Stromdetektionseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel zugrunde liegt; und
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3: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms für ein Verfahren, wie es einem weiteren Ausführungsbeispiel zugrunde liegt.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt eine schematische Beispielschaltung einer Schaltungsanordnung zum Steuern eines elektrischen Stroms in einem Leistungspfad. Die Schaltungsanordnung 1 umfasst hierbei eine Stromsteuervorrichtung 20. Bei der Stromsteuervorrichtung 20 kann es sich beispielsweise um einen bipolaren Transistor mit installiertem Gate (IGBT) handeln. Der IGBT umfasst dabei einen Eingangsanschluss C, einen Ausgangsanschluss E und einen Steueranschluss G. Durch Anlegen eines Steuersignals am Steueranschluss G kann dabei der Strom zwischen Eingangsanschluss C und Ausgangsanschluss E gesteuert werden. Darüber hinaus umfasst der IGBT ferner einen Sense-Anschluss S. An diesem Sense-Anschluss S wird dabei durch den IGBT ein Messstrom ISense bereitgestellt. Dieser Messstrom ISense korrespondiert dabei zu dem Strom IE im Leistungspfad der dargestellten Schaltungsanordnung. Bei einem bekannten IGBT kann aus dem Messstrom ISense des Sense-Pfades auf den elektrischen Strom IE des Leistungspfades geschlossen werden. Der Messstrom ISense des Sense-Pfades ist dabei in der Regel um einen bekannten Übertragungsfaktor kleiner als der Strom IE, der am Ausgang E des IGBT bereitgestellt wird. Da der Zusammenhang zwischen elektrischem Strom und Spannungsabfall in dem Leistungs- bzw. Messpfad nicht linear ist, gilt das konstante Verhältnis zwischen IE und ISense nur dann, wenn die Spannung zwischen dem Eingangsanschluss C und dem Sense-Anschluss S identisch zu der Spannung zwischen dem Eingangsanschluss C und dem Ausgangsanschluss E ist. Um diese identischen Spannungsverhältnisse einzustellen, ist an dem Sense-Anschluss S und dem Ausgangsanschluss E eine Kompensationsschaltung 30 angeschlossen, die gleiche Spannungsverhältnisse an den Sense-Anschluss S und den Ausgangsanschluss E einstellt. Die Kompensationsschaltung umfasst in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zum Beispiel die beiden Spannungsquellen UB,1 und UB,2, sowie die Stromquelle I0. Ferner umfasst die Kompensationsschaltung 30 die vier Transistoren T1, T2, T3 und T4. Über diese Schaltungsanordnung wird der Transistor T5 angesteuert.
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Die Schaltungsanordnung 1 umfasst darüber hinaus eine Stromauswerteschaltung 10, mittels derer der Messstrom ISense von der Stromsteuervorrichtung 20 erfasst und in ein für eine Weiterverarbeitung geeignetes Auswertesignal konvertiert werden kann. Hierzu fließt der Messstrom ISense über den Transistor T5 und die Strommessvorrichtung 11. Die in Strommessvorrichtung 11 kann dabei beispielsweise wie hier dargestellt durch einen Shunt-Widerstand RS realisiert werden. Dabei fällt über dem Shunt-Widerstand RS ein zu dem Messstrom ISense proportionales Spannungssignal US ab. Mit steigendem Messstrom ISense steigt somit auch das Spannungssignal US.
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Dabei wird der Transistor T5 durch die Kompensationsschaltung 30 zunächst derart angesteuert, dass sich am Messanschluss S des IGBT das gleiche Potential einstellt, wie an dem Leistungsanschluss E des IGBT. Auf diese Weise wird erreicht, dass sich zwischen dem Strom IE im Leistungspfad der Schaltungsanordnung 1 und dem Strom ISense im Messpfad ein konstantes Übertragungsverhältnis einstellt und somit zuverlässig aus dem Messstrom ISense auf den Strom im Leistungspfad IE geschlossen werden kann.
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Mit steigendem Strom IE im Leistungspfad der Schaltungsanordnung 1 steigt somit auch zunächst der Messstrom ISense im Messpfad der Schaltungsanordnung 1. Um den Strom ISense im Messpfad der Schaltungsanordnung 1 jedoch nicht beliebig weit ansteigen zu lassen, wird der Strom ISense im Messpfad auf einen vorbestimmten Grenzwert limitiert. Hierzu kann beispielsweise durch Ansteuern des Transistors T5 eine Begrenzung des Stroms ISense im Messpfad erfolgen. Das Ansteuersignal für den Steueranschluss des Transistors T5 zur Begrenzung des Messstroms ISense kann dabei beispielsweise durch eine geeignete Schaltung generiert werden, die das Ausgangssignal der Strommessvorrichtung 11, beispielsweise im Spannungsabfall US über dem Shunt-Widerstand RS auswertet. Beispielsweise kann der Spannungsabfall US über dem Shunt-Widerstand RS mit einer Spannung einer Referenzspannungsquelle URef verglichen werden. Hierzu kann beispielsweise das Spannungssignal der Referenzspannungsquelle URef und der Spannungsabfall US über dem Shunt-Widerstand RS einem Operationsverstärker OP zugeführt werden. Der Operationsverstärker OP vergleicht die beiden Spannungssignale und gibt in Abhängigkeit von diesem Vergleich ein Steuersignal aus. Dieses Steuersignal kann, gegebenenfalls nach geeigneter Verstärkung durch den Transistor T6 dem Steueranschluss des Transistors T5 zugeführt werden. Hierzu kann der Ausgang des Operationsverstärkers OP mit dem Steueranschluss des Transistors T6 verbunden werden. Selbstverständlich sind auch weitere, alternative Möglichkeiten zur Begrenzung des Messstroms ISense möglich.
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Das Ausgangssignal der Strommessvorrichtung 11, beispielsweise der Spannungsabfall US über dem Shunt-Widerstand kann zur Weiterverarbeitung von einem Analog-Digital-Konverter (hier nicht dargestellt) in ein Digitalsignal konvertiert werden. Vorzugsweise handelt es sich dabei um einen Analog-Digital-Konverter mit einer hohen Impedanz, so dass das Ausgangssignal der Strommessvorrichtung 11 durch den entsprechenden Konverter nicht bzw. nicht wesentlich beeinflusst wird. Auf diese Weise ist auch eine digitale Weiterverarbeitung des Ausgangssignals der erfindungsgemäßen Stromdetektionseinrichtung 10 möglich.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Spannungs-Stromkennlinie, wie sie einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt. In einem ersten Abschnitt I generiert die erfindungsgemäße Stromdetektionseinrichtung 10 dabei zunächst ein Ausgangssignal US, das zu dem Strom IE im Leistungspfad korrespondiert. Wie hier dargestellt, herrscht dabei vorzugsweise ein linearer Zusammenhang zwischen Ausgangsspannung US und Strom im Leistungspfad IE. Überschreitet der Strom IE im Leistungspfad einen vorgegebenen Schwellwert, so würde daraufhin auch der entsprechende Strom ISense im Messpfad ebenfalls weiter ansteigen. Durch die erfindungsgemäße Begrenzung des Stroms ISense im Messpfad auf einen maximal vorgegebenen Grenzwert kann dieser weitere Anstieg im Abschnitt II jedoch limitiert werden, so dass die Ausgangsspannung US, die zu dem Strom ISense im Messpfad korrespondiert, auf einen vorgegebenen Maximalwert begrenzt wird.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren 100 zum Erfassen eines elektrischen Stroms ISense gemäß einem Ausführungsbeispiel zugrunde liegt. Dabei wird in Schritt 110 zunächst eine Strommessvorrichtung 11 bereitgestellt. Diese Strommessvorrichtung 11 stellt in Schritt 120 ein Ausgangssignal US an der Strommessvorrichtung 11 bereit, das zu dem elektrischen Strom ISense durch die Strommessvorrichtung 11 korrespondiert. Vorzugsweise besteht dabei ein linearer Zusammenhang zwischen dem Ausgangssignal US der Strommessvorrichtung 11 und dem Strom ISense durch die Strommessvorrichtung.
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In Schritt 130 wird darüber hinaus der elektrische Strom ISense durch die Strommessvorrichtung 11 auf einen vorbestimmten maximalen Grenzwert begrenzt.
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Zur Begrenzung des maximalen elektrischen Stroms durch die Strommessvorrichtung 11 kann hierzu eine vorbestimmte Referenzspannung URef bereitgestellt werden, die mit dem in Schritt 120 bereitgestellten Ausgangssignal US verglichen wird. In diesem Fall passt der Schritt 130 zur Begrenzung des elektrischen Stroms diesen Strom ISense in Abhängigkeit von dem Vergleich des ausgegebenen Ausgangssignals US mit der bereitgestellten Referenzspannung URef an.
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Obwohl die vorliegende Erfindung im Voraufgegangenen vorzugsweise in Bezug auf einen bipolaren Transistor mit isoliertem Gate (IGBT) beschrieben wurde, bei der der IGBT einen zusätzlichen Sense-Anschluss aufweist, so kann die vorliegende Erfindung ebenso auf beliebige andere Schaltungsanordnungen angewendet werden, bei denen ein Strom in einem Leistungspfad basierend auf einem zu diesem Strom korrespondierenden Messstrom bestimmt wird. Auch ist die Begrenzung des Stroms in dem Messpfad nicht auf einen Vergleich einer Referenzspannung mit einer zu dem Messstrom korrespondierenden Ausgangsspannung begrenzt. Andere Möglichkeiten zur Limitierung des Stroms im Messpfad sind dabei ebenso möglich. Auch kann alternativ zur Ausgabe eines Spannungssignals korrespondierend zu dem Messstrom ISense ein beliebiges anderes Ausgangssignal bereitgestellt werden, mittels dessen der Messstrom ISense und somit der Strom im Leistungspfad bestimmt werden kann.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Auswertung der Größe eines elektrischen Stroms in einem Leistungspfad durch Auswertung eines weiteren elektrischen Stroms in einem Messpfad. Zur Vermeidung von übermäßig großen elektrischen Strömen diesem Messpfad wird dabei der Strom in diesem Messpfad auf einen vorgegebenen maximalen Grenzwert begrenzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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