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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Kurzschlussabschalten
eines MOSFET-Schalters, der an seinem Gate von einer integrierten
Schaltung angesteuert ist und an Source und Drain mit einer Last
bzw. einer Strom- bzw. Spannungsquelle verbunden ist.
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Eine
bestehende, so genannte High-Side-Schalteranordnung (Hochvoltseiten-Schalteranordnung)
ist in einer Weise aufgebaut, wie dies in 5 dargestellt
ist. Bei dieser High-Side-Schalteranordnung
ist im Wesentlichen ein MOSFET-Schalter T1 an seinem Gate von einer
integrierten Schaltung (IC) 1 angesteuert. Die integrierte
Schaltung 1 empfängt
ein Eingangssignal Ein, beispielsweise in der Form eines Impulses,
um abhängig
von diesem Eingangssignal Ein den MOSFET-Schalter T1 anzusteuern.
Außerdem
liefert die integrierte Schaltung 1 ein Statussignal St,
das den Status der integrierten Schaltung 1 berichtet.
Dieses Statussignal kann beispielsweise melden, dass der MOSFET-Schalter
T1 eingeschaltet ist. Die integrierte Schaltung 1 ist an
einem Anschluss 2 mit Bezugspotenzial (Masse) verbunden.
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Das
Eingangssignal Ein und das Statussignal St sind jeweils auf Masse
bezogen. Das heißt,
die Nulllinie dieser Signale entspricht dem Massepotential.
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Parallel
zur Source-Drain-Strecke des MOSFET-Schalters T1 liegt über dem
Ausgang der integrierten Schaltung 1 eine Reihenschaltung
aus einer Diode D3, einer Zener-Diode Z3 und einer Zener-Diode Z4,
wobei der Mittenabgriff zwischen den beiden Zener-Dioden Z3, Z4
mit Gate des MOSFET-Schalters T1 verbunden ist. Die Zener-Diode
Z3 bestimmt die negative Abschaltspitze über dem MOSFET-Schalter T1,
während
die Zener- Diode
Z4 Schutz vor einer zu hohen Gatespannung am MOSFET-Schalter T1 bietet.
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Ein
Temperatursensor 3 dient zur Temperaturerfassung der Schaltungsanordnung
und speziell des MOSFET-Schalters T1 und ist daher zweckmäßigerweise
in oder auf diesem MOSFET-Schalter T1 angeordnet. Dabei ist es selbstverständlich möglich, gegebenenfalls
auch mehrere Temperatursensoren an geeigneten Stellen vorzusehen,
um so eine Übertemperatur
der Schaltungsanordnung und insbesondere des MOSFET-Schalters T1
rasch erfassen zu können.
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Ein
Ausgangsanschluss Out der Schaltungsanordnung ist über eine
relativ lange Leitung mit einer Induktivität LL an eine Seite einer Last
RL angeschlossen, deren andere Seite an Masse liegt. Zwischen Masse
und einem weiteren Anschluss der Schaltungsanordnung liegt eine
Versorgungsspannungsquelle Ub, wobei hier die Leitung relativ kurz
ist und eine Induktivität
L+ hat, so dass der Schaltungsanordnung von der Versorgungsspannungsquelle
Ub eine Spannung +U zugeführt
ist.
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Die
integrierte Schaltung 1 liefert an Gate des MOSFET-Schalters
T1 bei Bedarf eine höhere Spannung
als die Spannung +U, sorgt für
eine geeignete Ansteuerung dieses MOSFET-Schalters T1 und gibt das
Statussignal St ab. Auch weitere Aufgaben werden von der integrierten
Schaltung 1 übernommen.
So kann beispielsweise auch eine Überstrom-Rückregelung in den Gatekreis
des MOSFET-Schalters T1 eingebaut werden, um das Auftreten eines Überstromes
durch den MOSFET-Schalter T1 zu verhindern.
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Bei
einem Kurzschluss über
dem MOSFET-Schalter T1 ("KS1") wird die Gatespannung
am MOSFET-Schalter T1 auf einen niedrigen Wert begrenzt, was damit
auch für
den Strom gilt. Auch ein Notabschalten des MOSFET-Schalters T1 wird
von der integrierten Schaltung 1 übernommen, sobald der Temperatursensor 3 oder
bei mehreren Temperatursensoren einer von diesen eine Übertemperatur feststellt.
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Da
die Leitung mit der Induktivität
L+ relativ kurz ist, weist sie eine geringe Streuinduktivität auf, während die
Leitung mit der Induktivität
LL lang ist und daher eine große
Streuinduktivität
hat.
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Bei
einem Kurzschluss des MOSFET-Schalters T1 erwärmt sich dieser erheblich,
so dass der Temperatursensor 3 ein entsprechendes Temperatursignal
abgibt. Nach Auswertung dieses Temperatursignales durch die integrierte
Schaltung 1 wird von dieser sodann über ein zum Gate des MOSFET-Schalters
T1 geliefertes Steuersignal dieser Schalter T1 abgeschaltet. Dieses
Abschalten erfolgt dabei nach einer gewissen, nicht vernachlässigbaren kurzen
Zeit.
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Während dieses
Abschaltvorganges entstehen Spannungsspitzen über den Induktivitäten LL und
L+. Der Verlauf dieser Spannungsspitzen ist für die Spannung +U bzw. für die Spannung
Uout am Ausgangsanschluss Out schematisch in 6 dargestellt.
Sobald ein Kurzschluss auftritt, fällt die Spannung Uout sehr
stark ab, während
die Spannung +U rasch anwächst.
Nach einer gewissen Zeit nähert
sich die Spannung Uout dann dem Bezugspotenzial (ϕ) bzw.
Massepotenzial.
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Gefährliche
Situationen treten für
den MOSFET-Schalter T1 dann auf, wenn ein großer Strom durch ihn bei einer
hohen Spannung fließt,
das heißt, während der
Entstehung von Rückspannungsspitzen.
Daher sollte bei einem Kurzschluss die Abschaltspitzenspannung niedrig
sein, wobei aber im Normalbetrieb die Spannung den vollen Wert der
Zener-Spannung UZ3 der Zener-Diode Z3 annehmen sollte.
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Im
Einzelnen ist aus der
DE
40 05 813 A1 ein High-Side-Schalter bekannt, bei dem das Gate eines MOSFETs
mittels ei ner Schalteinheit auf Massepotential gelegt werden kann,
wodurch ein Laststrom vermindert wird.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung
zum Kurzschlussabschalten eines MOSFET-Schalters zu schaffen, welche
bei Auftreten eines Kurzschlusses den MOSFET-Schalter sofort abschaltet,
ohne in einem Normalbetrieb dessen Abschaltspannungsspitze zu beeinträchtigen.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß durch
die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale
gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
Patentansprüchen
2 bis 11.
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Die
Schaltungsanordnung kann das Auftreten eines Kurzschlusses durch
Erfassen eines Spannungssprungs am Ausgang des MOSFET-Schalters oder
eines schnellen Anstiegs des Laststromes feststellen. Das Vorliegen
eines Kurzschlusses wird also nicht durch Erfassen einer Temperaturerhöhung, also durch
Temperatursensing, vorgenommen, da diese mit einer zu großen Zeitverzögerung verknüpft ist.
Mit anderen Worten, die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nimmt
eine temperaturunabhängige
Abschaltung des MOSFET-Schalters vor.
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Bei
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
wird die Spannung an Gate des MOSFET-Schalters für kurze Zeit auf 0 V gelegt.
Dadurch wird ein vollkommenes Abschalten des MOSFET-Schalters gewährleistet.
Der erste Schalter, der mit Gate des MOSFET-Schalters verbunden
ist, wird dann und nur dann geschlossen, wenn das Auftreten eines
Kurzschlusses temperaturunabhängig
festgestellt wird, um so ein vollkommenes Abschalten des MOSFET-Schalters
sicherzustellen.
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Wird
danach der Strom durch den MOSFET-Schalter bei Fortbestehen des
Kurzschlusses wieder größer, so
kann in gleicher Weise vorgegangen werden, wie dies oben bei der
Schilderung der 5 im Zusammenhang mit Kurzschluss "KS1" erläutert wurde.
Das heißt,
der Kurzschluss wird mit Hilfe der Gateschaltung, also der integrierten
Schaltung 1, behandelt und dabei thermisch aufgefangen.
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Bei
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
liegt in vorteilhafter Weise zwischen Gate und Source des MOSFET-Schalters
für den
zweiten Schalter ein erster Transistor. Es können dann eine erste, über den
Eingang der integrierten Schaltung angesteuerte Schaltungseinheit
zwischen Gate des MOSFET-Schalters
und der Strom- bzw. Spannungsquelle und eine zweite, über einen
Ausgang der integrierten Schaltung angesteuerte Schaltungseinheit zwischen
Gate des ersten Transistors und der Strom- bzw. Spannungsquelle
vorgesehen sein. Dabei liegt ein Stromsense-Signal an Gate eines
zweiten Transistors. In der zweiten Schaltungseinheit kann dabei der
zweite Transistor mit einem Spannungsteiler verbunden sein, dessen
Abgriff mit Gate eines dritten Transistors zwischen der Strom- bzw.
Spannungsquelle und Gate des ersten Transistors verbunden ist. In
der ersten Schaltungseinheit kann der Eingang der integrierten Schaltung
mit Gate eines vierten Transistors verbunden sein, der in Reihe
zu einem weiteren Spannungsteiler liegt, dessen Abgriff mit Gate
eines fünften
Transistors verbunden ist, der zwischen der Strom- bzw. Spannungsquelle
und Gate des MOSFET-Schalters liegt.
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Weiterhin
kann bei einer rein ohmschen Last der Schaltungsanordnung ein Bipolartransistor
zwischen der Strom- bzw. Spannungsquelle und dem Schalter liegen.
Dabei kann die Basis des Bipolartransistors von der integrierten
Schaltung angesteuert sein.
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Schließlich kann
in einer anderen Ausführungsform
bei einer rein ohmschen Last der erste Schalter als Lateral-Feldeffekttransistor
(FET) ausgebildet sein und von der integrierten Schaltung angesteuert
sein.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen.
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1 ein
Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
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2 ein
Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
bei welchem der Aufbau der Einrichtung in einem konkreten Ausführungsbeispiel veranschaulicht
ist,
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3 ein
Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Anordnung, welches
für ein
rein ohmsche Last geeignet ist,
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4 ein
Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Anordnung, welches
ebenfalls für
eine rein ohmsche Last geeignet ist,
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5 ein
Schaltbild einer bestehenden Schaltungsanordnung und
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6 den
Spannungsverlauf beim Kurzschlussabschalten des MOSFET-Schalters
in der Schaltungsanordnung von 5.
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Die 5 und 6 sind
bereits eingangs erläutert
worden.
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In
den Figuren werden einander entsprechende Bauteile jeweils mit den
gleichen Bezugszeichen versehen.
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Wie
im Ausführungsbeispiel
von 1 dargestellt ist, wird die bestehende Schaltungsanordnung
von 5 durch eine Einrichtung 12 in der Form
eines "elektronischen
Mittels" ergänzt, die
einen Schalter S1 ansteuert, der zwischen Gate G des MOSFET-Schalters
T1 und dem Anschluss 2 bzw. Bezugspoten zial (0 V bzw. Masse)
liegt. Dabei kann zwischen dem Anschluss 2 und dem Schalter
S1 noch ein Schutzwiderstand R1 vorgesehen werden. Sobald die Einrichtung 12 das
Vorliegen eines Kurzschlusses am MOSFET-Schalter T1 erfasst, schließt sie den
Schalter S1, so dass unmittelbar 0 V vom Anschluss 2 an
Gate G des MOSFET-Schalters T1 gelegt werden. Damit wird die Gatespannung
an Gate G des MOSFET-Schalters T1 kurzzeitig auf 0 V gebracht, um
so ein vollkommenes Abschalten des MOSFET-Schalters T1 zu erreichen.
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Das
Feststellen des Kurzschlusses kann beispielsweise durch Erfassung
eines schnellen Anstieges des Laststromes durch die Last RL oder
eines Spannungssprunges am Ausgang des MOSFET-Schalters T1, also der Spannungsdifferenz
zwischen +U und der Spannung am Ausgangsanschluss Out, oder auf
irgendeine andere Weise erfolgen.
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Dauert
der Kurzschluss sodann bei 0 V an Gate G des MOSFET-Schalters T1 fort,
so steigt der Strom durch diesen Schalter wieder an. Es tritt jedoch
dann der Temperatursensor 3 in Wirkung, da dieser zeitverzögert durch
Erwärmung
den Kurzschluss "KS1" erfasst, um diesen
damit thermisch aufzufangen, wie dies oben erläutert wurde. Das heißt, die
Gatespannung an Gate G des MOSFET-Schalters T1 wird durch die integrierte
Schaltung 1 (und den Widerstand R1) auf einen niedrigen Wert
begrenzt. Damit fließt
nur ein geringer Strom durch den MOSFET-Schalter T1.
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2 zeigt,
wie beim Ausführungsbeispiel von 1 die
Einrichtung 12 konkret aus zwei Schaltungseinheiten, nämlich einer
ersten Schaltungseinheit 12' zwischen
Gate G des MOSFET-Schalters T1 und der Strom- bzw. Spannungsquelle
Ub und einer zweiten Schaltungseinheit 12'' zwischen
Gate eines Transistors 4, der Gate G des MOSFET-Schalters
T1 mit dessen Source S verbindet, und der Strom- bzw. Spannungsquelle
Ub aufgebaut werden kann. Gate des Transistors 4 ist über einen
Widerstand R2 außerdem
geerdet.
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Im
einzelnen ist in der Schaltungseinheit 12' der Eingang Ein der integrierten
Schaltung 1 mit Gate eines n-Kanal-MOS-Transistors 7 verbunden,
der in Reihe zu einem Spannungsteiler aus Widerständen R3
und R4 liegt, deren Mittenabgriff mit Gate eines p-Kanal-MOS-Transistors 8 verbunden
ist. Dieser Transistor 8 ist über einen Widerstand R5 und
eine Diode D2 an Gate G des MOSFET-Schalters T1 angeschlossen.
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In
der zweiten Schaltungseinheit 12'' ist
Gate des Transistors 4 mit einem p-Kanal-MOS-Transistor 6 verbunden,
dessen Gate am Mittenabgriff eines Spannungsteilers aus Widerständen R6,
R7 liegt. Dieser Spannungsteiler R6, R7 ist zwischen der Ausgangsspannung
+U und einem n-Kanal-MOS-Transistor 5 vorgesehen, dessen
Gate ein Stromsense-Spannungssignal u von der integrierten Schaltung 1 zugeführt ist.
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Bei
Erfassen eines Kurzschlusses liefert die integrierte Schaltung 1 das
Spannungssignal u, was den Transistor 5 einschaltet (leitend
macht) und den Transistor 4 ausschaltet (sperrt).
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Bei
eingeschaltetem Transistor 9 und ausgeschaltetem Transistor 8 liegt
dann über
die Diode D2 0 V an Gate G des MOSFET-Schalters 1.
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Das
heißt,
unmittelbar nach Feststellen eines Kurzschlusses liefert die integrierte
Schaltung 1 das Stromsense-Spannungssignal u, wodurch bewirkt
wird, dass über
die Schaltungseinheiten 12' und 12'' sofort 0 V an Gate G des MOSFET-Schalters
T1 angelegt werden, was diesen kurzzeitig abschaltet.
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Die 3 und 4 zeigen
weitere Ausführungsbeispiele
der Erfindung, welche insbesondere für rein ohmsche Lasten RL geeignet
sind. Zur Vereinfachung der Darstellung ist dabei in diesen Ausführungsbeispielen
der Temperatursensor 3 weggelassen.
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Wie
aus dem Ausführungsbeispiel
von 3 zu ersehen ist, liegt hier der Widerstand R1
zwischen der integrierten Schaltung 1 bzw. Masse einerseits und
der Basis eines Bipolartransistors T2 andererseits. Dieser Bipolartransistor
T2 ist zwischen der Ausgangsspannung +U und dem Schalter S1 vorgesehen,
welcher durch die Einrichtung 2 angesteuert wird.
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Beim
Ausführungsbeispiel
der 3 wird die Einrichtung 2 in gleicher
oder ähnlicher
Weise angesteuert wie bei den Ausführungsbeispielen der 1 und 2.
Bei Feststellen eines Kurzschlusses wird der Schalter S1 geschlossen.
Außerdem
wird von der integrierten Schaltung 1 über den Widerstand R1 der Transistor
T2 leitend gemacht, so dass Source, Drain und Gate des MOSFET-Schalters
T1 auf gleichem Potential sind.
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Im Übrigen ist
im Ausführungsbeispiel
von 3 noch eine Leitung zwischen Source des MOSFET-Schalters
T1 und der integrierten Schaltung 1 vorgesehen. Über diese
Leitung kann der integrierten Schaltung 1 ein schneller
Anstieg des Laststromes durch die Last RL oder ein Spannungssprung
am Ausgang des Schalters T1 gemeldet werden, um so einen Kurzschluss
festzustellen.
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Das
Ausführungsbeispiel
von 4 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel von 3 zunächst dadurch,
dass hier die Einrichtung 2 in die integrierte Schaltung 1 integriert
ist. Wird der Schalter S1 von der in der integrierten Schaltung 1 vorgesehenen
Einrichtung 2 in den leitenden Zustand gebracht, was nach
Feststellen eines Kurzschlusses der Fall ist, dann liegt Gate des
MOSFET-Schalters T1 unmittelbar auf 0 V. Damit wird der MOSFET-Schalter
T1 kurzzeitig abgeschaltet, wie dies oben anhand der 1 und 2 erläutert wurde.
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In
den Ausführungsbeispielen
der 3 und 4 ist der Temperatursensor,
wie bereits erläutert wurde,
weggelassen. Der an das kurzzeitige Abschalten des MOSFET-Schalters
T1 anschließende Betrieb
erfolgt bei den Ausführungsbeispielen
der 3 und 4 in gleicher Weise wie bei
den Ausführungsbeispielen
der 1 und 2.
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- 1
- Integrierte
Schaltung
- 2
- Anschluss
- 3
- Temperatursensor
- 4 – 9
- Transistoren
- 12
- Einrichtung
- 12', 12''
- Schaltungseinheiten
- D2,
D3
- Dioden
- T1
- MOSFET-Schalter
- T2
- Bipolartransistor
- St
- Statussignal
- Ein
- Eingangssignal
- Out
- Ausgang
- LL,
L+
- Induktivitäten
- RL
- Last
- Ub
- Strom-
bzw. Spannungsquelle
- R1 – R7
- Widerstände
- Z3,
Z4
- Zener-Dioden