DE102017204802A1

DE102017204802A1 - Schaltungsanordnung, Halbleiterschalter-Modul, Steuergerät und Verfahren zur Überwachung und Diagnose eines Halbleiterschalters

Info

Publication number: DE102017204802A1
Application number: DE102017204802.6A
Authority: DE
Inventors: Uwe Neugebauer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-03-22
Filing date: 2017-03-22
Publication date: 2018-09-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (1), umfassend ein Steuergerät (2) und einen räumlich vom Steuergerät (2) entfernt angeordneten Halbleiterschalter (8), wobei zwischen Steuergerät (2) und Halbleiterschalter (8) nur eine externe Steuerleitung (4) angeordnet ist, wobei der Halbleiterschalter (8) eine interne Stromsensierung (9) sowie eine Zusatzbeschaltung (13) aufweist, wobei die Zusatzbeschaltung (13) zwischen einer internen Steuerleitung (14) und Masse angeordnet ist und einen Steuereingang (15) aufweist, der mit der internen Stromsensierung (9) verbunden ist, wobei die Zusatzbeschaltung (13) derart ausgebildet ist, dass sich ein elektrischer Widerstandswert in Abhängigkeit eines Signals der Stromsensierung (9) ändert sowie ein Halbleiterschalter-Modul (3), ein Steuergerät (2) sowie ein Verfahren zur Überwachung und Diagnose eines Halbleiterschalters (8).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, ein Halbleiterschalter-Modul, ein Steuergerät und ein Verfahren zur Überwachung und Diagnose eines Halbleiterschalters.
Es sind Anwendungen bekannt, wo ein Steuergerät einen räumlich weit entfernt angeordneten Halbleiterschalter schalten muss, dem kein eigener Mikroprozessor zugeordnet ist. Dabei ist für das Steuergerät von Interesse, ob der Halbleiterschalter überhaupt verbaut bzw. gesteckt ist und ob dieser ordnungsgemäß schaltet. Das erste Problem lässt sich einfach lösen, indem beispielsweise überprüft wird, ob ein Steuerstrom vom Steuergerät zum Halbleiterschalter fließt. Fließt kein Strom, so spricht dies dafür, dass kein Halbleiterschalter gesteckt ist. Fließt hingegen ein Steuerstrom, so weiß zwar das Steuergerät, dass ein Halbleiterschalter vorhanden ist, nicht aber, ob dieser ordnungsgemäß geschaltet hat. Eine Lösung hierfür wäre es, ein Signal aus dem Lastkreis zum Steuergerät zurückzuschleifen, was aber eine weitere Leitung sowie einen weiteren Anschluss (Pin) am Steuergerät erfordert.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Schaltungsanordnung sowie ein Halbleiterschalter-Modul und ein Steuergerät zu schaffen, mittels der ein Halbleiterschalter mit nur einer externen Leitung überwacht und diagnostiziert werden kann. Ein weiteres technisches Problem ist es, ein entsprechendes Verfahren zur Verfügung zu stellen.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Halbleiterschalter-Modul mit den Merkmalen des Anspruchs 5, ein Steuergerät mit den Merkmalen des Anspruchs 6 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu umfasst die Schaltungsanordnung ein Steuergerät und einen räumlich vom Steuergerät entfernt angeordneten Halbleiterschalter, wobei zwischen dem Steuergerät und dem Halbleiter nur eine externe Steuerleitung angeordnet ist, wobei der Halbleiterschalter eine interne Stromsensierung sowie eine Zusatzbeschaltung aufweist, wobei die Zusatzbeschaltung zwischen einer internen Steuerleitung und Masse angeordnet ist und einen Steuereingang aufweist, der mit der internen Stromsensierung verbunden ist, wobei die Zusatzbeschaltung derart ausgebildet ist, dass sich ein elektrischer Widerstandswert in Abhängigkeit eines Signals der Stromsensierung ändert. Dadurch wird erreicht, dass sich der Strom durch die Zusatzbeschaltung ändert, wenn der Halbleiterschalter ordnungsgemäß geschaltet ist. Dieser erhöhte Strom muss vom Steuergerät aufgebracht werden, sodass der Zustand des Halbleiterschalters an der externen Steuerleitung als Strominformation anliegt und ausgewertet werden kann.
In einer Ausführungsform weist die Zusatzbeschaltung mindestens einen Transistor auf, da mittels eines Transistors sehr einfach sehr hohe Widerstandsänderungen erzielt werden können.
In einer weiteren Ausführungsform ist parallel zum Transistor ein Widerstand angeordnet, der durch den Transistor überbrückt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Steuergerät derart ausgebildet, um an einem Steuerausgang eine Steuerspannung zu erzeugen und einen Ausgangsstrom zu erfassen, wobei bei einer Steuerspannung und einem Ausgangsstrom Null auf einen nicht gesteckten Halbleiterschalter geschlossen wird und bei einer Steuerspannung auf einen ordnungsgemäß geschalteten Halbleiterschalter geschlossen wird, wenn der Ausgangsstrom nach einer Einschaltzeit von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert ansteigt. Somit kann sehr einfach und schnell am Steuergerät selbst der Halbleiterschalter überwacht und diagnostiziert werden.
Das Halbleiterschalter-Modul umfasst einen Halbleiterchip mit einem Halbleiterschalter und einer internen Stromsensierung sowie mindestens eine Zusatzbeschaltung, wobei das Halbleiterschalter-Modul einen Anschluss für eine externe Steuerleitung aufweist, wobei die mindestens eine Zusatzbeschaltung zwischen einer internen Steuerleitung und Masse angeordnet ist und einen Steuereingang aufweist, der mit der internen Stromsensierung verbunden ist, wobei sich ein elektrischer Widerstand in Abhängigkeit eines Signals der Stromsensierung ändert.
Das Steuergerät weist eine Steuerausgang zum Anschließen einer externen Steuerleitung auf, wobei das Steuergerät derart ausgebildet ist, an dem Steuerausgang eine Steuerspannung zu erzeugen und einen Ausgangsstrom zu erfassen, wobei bei einer Steuerspannung und einem Ausgangsstrom Null auf einen nicht gesteckten Halbleiterschalter geschlossen wird und bei einer Steuerspannung auf einen ordnungsgemäß geschalteten Halbleiterschalter geschlossen wird, wenn der Ausgangsstrom nach einer Einschaltzeit von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert ansteigt.
Das Verfahren zur Überwachung und Diagnose eines Halbleiterschalters in einer Schaltungsanordnung mit einem Steuergerät und einem Halbleiterschalter mit Zusatzbeschaltung, wobei das Steuergerät an einem Steuerausgang, an dem die externe Steuerleitung angeschlossen ist, umfasst die folgenden Verfahrensschritte: Das Steuergerät erzeugt eine Steuerspannung am Steuerausgang und erfasst den Ausgangsstrom, wobei bei Ausgangsstrom Null auf einen nicht gesteckten Halbleiterschalter geschlossen wird, und bei einer Steuerspannung auf einen ordnungsgemäß geschalteten Halbleiterschalter geschlossen wird, wenn der Ausgangsstrom nach einer Einschaltzeit von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert ansteigt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:

1 eine Schaltungsanordnung mit einem Steuergerät und einem Halbleiterschalter-Modul,
2a ein schematischer Verlauf von Steuerspannung und Ausgangsstrom bei einem nicht gesteckten Halbleiterschalter,
2b ein schematischer Verlauf von Steuerspannung und Ausgangsstrom bei einem nicht ordnungsgemäß geschalteten Halbleiterschalter und
2c ein schematischer Verlauf von Steuerspannung und Ausgangsstrom bei einem ordnungsgemäß geschalteten Halbleiterschalter.

In der 1 ist eine Schaltungsanordnung 1 dargestellt, die ein Steuergerät 2 und ein Halbleiterschalter-Modul 3 aufweist, die durch eine einzige externe Steuerleitung 4 miteinander verbunden sind. Die externe Steuerleitung 4 ist an einen Steuerausgang 5 des Steuergeräts 2 angeschlossen sowie an einen Anschluss 6 des Halbleiterschalter-Moduls 3. Das Halbleiterschalter-Modul 3 weist einen Halbleiterchip 7 mit einem Halbleiterschalter 8 und einer internen Stromsensierung 9 auf. Der Halbleiterschalter 8 ist beispielsweise ein MOSFET. Der Halbleiterchip 7 weist einen Eingang für eine Betriebsspannung U_B und einen Ausgang für eine Last 10 auf. Weiter weist der Halbleiterchip 7 einen Steuereingang 11 und einen Ausgang 12 für die Stromsensierung 9 auf. Weiter weist der Halbleiterchip 7 einen Masseanschluss und einen weiteren Eingang auf, die für die vorliegende Erfindung aber keine Bedeutung haben.
Weiter weist das Halbleiterschalter-Modul eine Zusatzbeschaltung 13 auf, die einen ersten Widerstand R1, einen zweiten Widerstand R2 sowie einen Transistor T aufweist, wobei die Reihenschaltung zwischen R1 und der Parallelschaltung von R2 und T zwischen einer internen Steuerleitung 14 und Masse liegt. Die Zusatzbeschaltung 13 weist einen Steuereingang 15 auf, der mit der Stromsensierung 9 verbunden ist.
Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung 1 soll nun anhand der 2a - 2c erläutert werden. Um den Halbleiterschalter 8 durchzuschalten, damit ein Strom durch die Last 10 fließen kann, erzeugt das Steuergerät 2 eine Steuerspannung U_S an seinem Steuerausgang 5 zum Zeitpunkt t₀ . Das Steuergerät 2 erfasst dann zusätzlich den Ausgangsstrom I_A am Steuerausgang 5. Fließt dann trotz Steuerspannung U_S kein Ausgangsstrom I_A , so spricht dies dafür, dass die externe Steuerleitung 4 beschädigt ist oder kein Halbleiterschalter-Modul 3 am Schluss 6 angeschlossen ist, da ansonsten mindestens ein Strom I_A1 durch die Reihenschaltung R1 und R2 fließen müsste (Anmerkung: T ist gesperrt und daher vernachlässigbar). Das heißt, bei Ausbleiben eines Ausgangsstromes I_A kann das Steuergerät 2 auf einen Fehler schließen.
In der 2b ist nun die Situation dargestellt, wenn zwar ein Halbleiterschalter-Modul 3 angeschlossen ist, aber der Halbleiterschalter 8 nicht ordnungsgemäß schaltet. In diesem Fall fließt konstant ein Ausgangsstrom I_A1 . Ändert sich der Ausgangsstrom I_A nicht, so spricht dies für einen defekten Halbleiterschalter 8.
In der 2c ist nun der Verlauf von Steuerspannung U_S und Ausgangsstrom I_A bei einem ordnungsgemäß durchgeschalteten Halbleiterschalter 8 dargestellt. Zum Zeitpunkt t₀ wird die Steuerspannung U_S erzeugt. Zunächst fließt der Ausgangsstrom I_A1 durch die Reihenschaltung R1 und R2 (unter Vernachlässigung eines minimalen Steuerstromes auf das Gate des Halbleiterschalters 8). Schaltet dann nach einer Einschaltzeit t_E der Halbleitschalter 8 durch, so fließt ein Strom durch die Last 10. Der steigende Laststrom durch den Halbleiterschalter 8 wird durch die Stromsensierung 9 erfasst, die ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugt. Dieses Ausgangssignal gelangt dann über den Steuereingang 15 an den Transistor T und steuert diesen auf. Als Ergebnis wird der Widerstand R2 kurzgeschlossen und der Ausgangsstrom I_A steigt von I_A1 auf I_A2 an, da der Ausgangsstrom I_A nur noch durch R1 begrenzt wird. Erfasst nun das Steuergerät 2 diesen ansteigenden Ausgangsstrom I_A2 , so kann auf einen ordnungsgemäß geschalteten Halbleiterschalter 8 geschlossen werden. R1 und R2 werden dabei vorzugsweise derart dimensioniert, dass I_A2 ein Vielfaches von I_A1 ist, beispielsweise Faktor 10.
Bezugszeichenliste

1: Schaltungsanordnung
2: Steuergerät
3: Halbleiterschalter-Modul
4: externe Steuerleitung
5: Steuerausgang
6: Anschluss
7: Halbleiterchip
8: Halbleiterschalter
9: interne Stromsensierung
10: Last
11: Steuereingang
12: Ausgang
13: Zusatzbeschaltung
14: interne Steuerleitung
15: Steuereingang
U_B: Betriebsspannung
U_S: Steuerspannung
I_A, I_A1, I_A2: Ausgangsstrom
R1: erster Widerstand
R2: zweiter Widerstand
T: Transistor
t_E: Einschaltzeit
t₀: Zeitpunkt

Claims

Schaltungsanordnung (1), umfassend ein Steuergerät (2) und einen räumlich vom Steuergerät (2) entfernt angeordneten Halbleiterschalter (8), wobei zwischen Steuergerät (2) und Halbleiterschalter (8) nur eine externe Steuerleitung (4) angeordnet ist, wobei der Halbleiterschalter (8) eine interne Stromsensierung (9) sowie eine Zusatzbeschaltung (13) aufweist, wobei die Zusatzbeschaltung (13) zwischen einer internen Steuerleitung (14) und Masse angeordnet ist und einen Steuereingang (15) aufweist, der mit der internen Stromsensierung (9) verbunden ist, wobei die Zusatzbeschaltung (13) derart ausgebildet ist, dass sich ein elektrischer Widerstandswert in Abhängigkeit eines Signals der Stromsensierung (9) ändert.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzbeschaltung (13) mindestens einen Transistor (T) aufweist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Transistor (T) ein Widerstand (R2) angeordnet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (2) derart ausgebildet ist, an einen Steuerausgang (5) eine Steuerspannung (U_S) zu erzeugen und einen Ausgangsstrom (I_A) zu erfassen, wobei bei einer Steuerspannung (U_S) und einen Ausgangsstrom (I_A) Null auf einen nicht gesteckten Halbleiterschalter (8) geschlossen wird und bei einer Steuerspannung (U_S) auf einen ordnungsgemäß geschalteten Halbleiterschalter geschlossen wird, wenn der Ausgangsstrom (I_A) nach einer Einschaltzeit (t_E) von einem ersten Wert (I_A1) auf einen zweiten Wert (I_A2) ansteigt.
Halbleiterschalter-Modul (3), umfassend einen Halbleiterchip (7) mit einem Halbleiterschalter (8) und einer internen Stromsensierung (9) sowie mindestens eine Zusatzbeschaltung (13), wobei das Halbleiterschalter-Modul (3) einen Anschluss (6) für eine externe Steuerleitung (4) aufweist, wobei die mindestens eine Zusatzbeschaltung (13) zwischen einer internen Steuerleitung (14) und Masse angeordnet ist und einen Steuereingang (15) aufweist, der mit der internen Stromsensierung (9) verbunden ist, wobei die mindestens eine Zusatzbeschaltung (13) derart ausgebildet ist, dass sich ein elektrischer Widerstand in Abhängigkeit eines Signals der Stromsensierung (9) ändert.
Steuergerät (2) mit einem Steuerausgang (5) zum Anschließen einer externen Steuerleitung (4), wobei das Steuersignal (2) derart ausgebildet ist, an dem Steuerausgang (5) eine Steuerspannung (U_S) zu erzeugen und einen Ausgangsstrom (I_A) zu erfassen, wobei bei einer Steuerspannung (U_S) und einem Ausgangsstrom (I_A) Null auf einem nicht gesteckten Halbleiterschalter (8) geschlossen wird und bei einer Steuerspannung (U_S) auf einem ordnungsgemäß geschalteten Halbleiterschalter (8) geschlossen wird, wenn der Ausgangsstrom (I_A) nach einer Einschaltzeit (t_E) von einem ersten Wert (I_A1) auf einen zweiten Wert (I_A2) ansteigt.
Verfahren zur Überwachung und Diagnose eines Halbleiterschalters (8) in einer Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (2) an einem Steuerausgang (5), an dem die externe Steuerleitung (4) angeschlossen ist, eine Steuerspannung (U_S) erzeugt und einen Ausgangsstrom (I_A) erfasst, wobei bei einem Ausgangsstrom (I_A) Null auf einem nicht gesteckten Halbleiterschalter (8) geschlossen wird, und bei einer Steuerspannung (U_S) auf einen ordnungsgemäß geschalteten Halbleiterschalter (8) geschlossen wird, wenn der Ausgangsstrom (I_A) nach einer Einschaltzeit (t_E) von einem ersten Wert (I_A1) auf einen zweiten Wert (I_A2) ansteigt.