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Die Erfindung betrifft eine Leistungsschalteranordnung
mit einem mit seiner Laststrecke seriell in einem Lastkreis liegenden
Halbleiter-Leistungsschalter und einer zwischen einem Steuerelektrodenanschluss
und einem lastseitigen Elektrodenanschluss des Halbleiter-Leistungsschalters
angeschlossenen Klemmschaltung, die beim Abschalten des Halbleiter-Leistungsschalters
an dessen Laststrecke eine Klemmspannung einstellt.
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Zum schnelleren Ausschalten induktiver
Lasten mit integrierten Halbleiter-Leistungsschaltern wird eine
Klemmschaltung verwendet, die die Ausgangsspannung, das ist die über der
Laststrecke z. B. eines Leistungsschalttransistors abfallende Spannung
auf einen Maximalwert Vc begrenzt, welcher unter der maximalen Technologiespannung
(zum Beispiel 60V) liegt. Beim Ausschaltvorgang wird im Leistungsschalttransistor
eine hohe Verlustleistung umgesetzt, die von der Versorgungsspannung,
zum Beispiel einer Batteriespannung und der in der Induktivität der Last
gespeicherten Energie abhängt.
Die so genannte maximale Klemmenergie, also jene Energie, die im
Leistungsschalttransistor umgesetzt werden kann, ohne zu dessen
Zerstörung
zu führen, ist
ein wesentlicher Parameter in der Spezifikation und sollte möglichst
groß sein.
Diese Klemmenergie hängt
von der eingesetzten Halbleitertechnologie, den Kühlverhältnissen
und der Fläche
des Leistungsschalttransistors ab. Mit fortschreitender Verkleinerung
der Bauelemente wird die Größe des Leistungstransistors
immer häufiger
durch die Klemmenergie und nicht durch den Einschaltwiderstand bestimmt.
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Bei bisher üblichen Leistungsschalteranordnungen
wurde die Ausgangsspannung beim Abschaltvorgang auf einen konstanten Wert
Vds(t) = konstant begrenzt. Beiliegende 1 zeigt eine als Low-Side-Leistungsschalter
gestaltete übliche
Leistungsschalteranordnung, bei der die Laststrecke D-S eines Leistungstransistors 10,
der hier zum Beispiel ein N-Kanal-MOSFET ist, in einem Lastkreis in Reihe zu
einer durch eine Induktivität
L und eine Widerstandskomponente R symbolisierten Last liegt. Mit der
Speisespannung VB fällt im abgeschalteten, das heißt geöffneten
Zustand des Leistungstransistors 10 über dessen Laststrecke D-S
die Spannung Vc ab. Wie erwähnt,
ist bei derartigen Leistungsschalteranordnungen eine Klemmschaltung
vorgesehen, die in 1 mit
der Bezugszahl 11 bezeichnet ist und die im Abschaltfall,
das heißt
bei geöffnetem
Leistungstransistor 10 die über seiner Laststrecke D-S
abfallende Spannung auf einen konstanten Wert begrenzt. Nachteilig
ist, dass diese Lösung
nicht das Optimum in Bezug auf die Energieaufnahmefähigkeit
des Leistungstransistors ist.
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Untersuchungen haben gezeigt, dass
die Zerstörung
des Leistungstransistors bei zu hoher Energie durch Überschreiten
einer maximal zulässigen Spitzentemperatur
des Leistungstransistors oder durch wiederholten zu großen Temperaturhub
hervorgerufen wird.
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Angesichts der oben erwähnten Nachteile der
bekannten Leistungsschalteranordnung soll die Erfindung eine verbesserte
Leistungsschalteranordnung und ein verbessertes Abschaltverfahren
zum Abschalten einer induktiven Last ermöglichen, so dass die Energieaufnahmefähigkeit
des Halbleiter-Leistungsschalters erhöht werden kann.
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Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.
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Somit weist gemäß einem ersten wesentlichen
Aspekt eine erfindungsgemäße Leistungsschalteranordnung
einen Temperaturschätzer,
der einen einer momentanen Spitzentemperatur des Halbleiter-Leistungsschalters
entsprechenden Schätzwert liefert
und eine Regelvorrichtung auf, die ein der Klemmschaltung zugeführtes Stellsignal
erzeugt, wenn der Schätzwert
der Temperatur des Halbleiter-Leistungsschalters eine Größe hat,
die einem eine maximale Solltemperatur des Halbleiter-Leistungsschalters übersteigenden
Temperaturwert desselben entspricht, und die Klemmschaltung reduziert abhängig von
dem ihr zugeführten
Stellsignal die Klemmspannung und damit die momentane Leistung im
Halbleiter-Leistungsschalter. Der Halbleiter-Leistungsschalter kann
dabei bevorzugt ein MOSFET sein.
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Somit gibt die erfindungsgemäß gestaltete Klemmschaltung
durch ihre Verbindung mit dem Temperaturschätzer beim Abschaltvorgang eine
zeitlich veränderliche
Klemmspannung vor, die so optimiert ist, dass eine vorgegebene Maximaltemperatur bzw.
ein maximaler Temperaturhub des Halbleiter-Leistungsschalters nicht überschritten
wird. Selbstverständlich
ist die aufnehmbare Energie weiterhin begrenzt und ihre Überschreitung
würde auch bei
einer erfindungsgemäßen Leistungsschalteranordnung
zur Zerstörung
des Halbleiter-Leistungsschalters führen. Allerdings liegen bei
der erfindungsgemäßen Leistungsschalteranordnung
die Werte bei optimiertem Verlauf der Klemmspannung um etwa 70% über jenen
mit konstanter Klemmspannung. Dies führt bei energiebegrenzten Transistoren
zu einer Flächenersparnis
von ebenfalls etwa 70%.
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Weiterhin sorgt die erfindungsgemäße Leistungsschalteranordnung
dafür,
dass im Abschaltfall dem Halbleiter-Leistungsschalter bzw. Leistungstransistor
eine minimale Klemmspannung vorgegeben wird, die hoch genug ist,
um ein Wiederansteigen des Laststroms zu verhindern.
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Der Temperaturschätzer kann entweder einen einfachen
Temperatursensor aufweisen oder eine kompliziertere Anordnung enthalten,
die genauere Schätzwerte
liefert.
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Erfindungsgemäß weist die Regelvorrichtung
einen Regelverstärker
auf, der eingangsseitig eine den Temperaturschätzwert angebende Spannung vom
Temperaturschätzer
und eine die maximale Solltemperatur angebende Spannung empfängt und
aus einem Vergleich der beiden empfangenen Spannungswerte eine das
Stellsignal angebende Ausgangsspannung erzeugt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Klemmschaltung einen die Ausgangsspannung vom Regelverstärker an
einer Steuerelektrode empfangenen Transistor und eine Reihenschaltung
aus wenigstens einer ersten Zenerdiode mit einer weiteren Zenerdiode
auf. Der Transistor der Klemmschaltung wird auf den Empfang des
Stellsignals hin leitend und überbrückt die
erste Zenerdiode, wobei die weitere Zenerdiode die minimale Klemmspannung vorgibt.
Letztere kann im Falle, dass die Leistungsschalteranordnung von
einer Batterie gespeist wird, auf eine maximal zulässige Batteriespannung
eingestellt werden.
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Die Leistungsschalteranordnung kann,
wie die in 1 gezeigte
bekannte Anordnung einen Low-Side-Schalter bilden, bei dem die Last
auf der Seite des Leistungstransistors mit höherem Potential liegt und als
Leistungstransistor zum Beispiel einen n-Kanal-MOSFET enthalten.
Alternativ kann die Erfindung auch für einen High-Side-Schalter
eingesetzt werden. Der Leistungstransistor kann auch als p-Kanal-MOSFET-Transistor
realisiert sein.
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Gemäß einem zweiten wesentlichen
Aspekt ist ein erfindungsgemäßes Verfahren
zum Abschalten einer Leistungsschalteranordnung, bei dem an der
Laststrecke eines seriell in einem Lastkreis liegenden Leistungsschaltelements
eine Klemmspannung eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Schätzwert
für die
momentane Spitzentemperatur des Leistungstransistors ermittelt und
die Klemmspannung verringert wird, wenn die geschätzte momentane
Spitzentemperatur eine vorgegebene maximale Temperatur überschreitet.
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Die obigen und weitere vorteilhafte
Merkmale der erfindungsgemäßen Leistungsschalteranordnung
sowie eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum
Abschalten einer Leistungsschalteranordnung werden in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert,
die sich auf die beiliegende Zeichnung bezieht. Die Figuren der
Zeichnung zeigen im Einzelnen:
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1 schematisch
eine Schaltungsanordnung der eingangs bereits erläuterten
bekannten Leistungsschalteranordnung;
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2 schematisch
eine Schaltungsanordnung eines Prinzips der erfindungsgemäßen Leistungsschalteranordnung;
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3 schematisch
eine Schaltungsanordnung einer besonderen Ausführungsform der in 2 prinzipiell dargestellten
erfindungsgemäßen Leistungsschalteranordnung;
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4 grafisch
ein Signalzeitdiagramm, das den zeitlichen Verlauf wesentlicher
Größen der
in 1 dargestellten üblichen
Leistungsschalteranordnung zeigt und
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5 grafisch
ein Signalzeitdiagramm zur Erläuterung
des zeitlichen Verlaufs wesentlicher Größen bei der erfindungsgemäßen Leistungsschalteranordnung.
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Ausführungsbeispiele:
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Gemäß 2 wird ein aus einer Reihenschaltung
der Laststrecke D-S eines Halbleiter-Leistungsschalters 10,
der hier zum Beispiel ein n-Kanal-MOS-Leistungstransistor ist, mit
einem durch eine Induktivität
L und einen ohmschen Widerstand R dargestellten Lastkreis aus einer
Batterie B gespeist, die die Batteriespannung VB liefert.
Eine erfindungsgemäße Ausführung der
Klemmschaltung 2 gibt einen zeitlichen Verlauf für die Klemmspannung
Vc(t) vor, der so optimiert ist, dass eine
vorgegebene Maximaltemperatur bzw: ein maximaler Temperaturhub des
Leistungstransistors 10 nicht überschritten wird.
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Wesentlich ist somit das Auffinden
eines optimalen zeitlichen Verlaufs für die Klemmspannung Vc beginnend
vom Moment des Abschaltens des Leistungstransistors 10.
Diese optimale Lösung
ist abhängig
von einer Vielzahl von Parametern: der Induktivität L und
dem Verlustwiderstand R der Last, der Ausgangstemperatur des Leistungstransistors 10,
dem Laststrom zum Ausschaltzeitpunkt t0, der thermischen Impedanz
(Kühlung)
und so weiter. Da eine Bestimmung dieser Parameter am Chip, wenn sie überhaupt
möglich
ist, einen unrealistisch hohen Aufwand erfordern würde, führt die
Erfindung ein Abschaltverfahren mit Hilfe der in 2 gezeigten Leistungsschalteranordnung
aus, welches zu einem optimalen zeitlichen Verlauf der Klemmspannung
Vc führt.
Ein Temperaturschätzer 1 liefert
einen Schätzwert
für die
momentane Spitzentemperatur θ des Leistungstransistors 10.
Dabei kann es sich bei dem Temperaturschätzer 1 um einen einfachen
Temperatursensor oder eine kompliziertere Anordnung handeln, die
genauere Schätzwerte
liefert. Die Klemmschaltung 2 gibt ab dem Moment des Abschaltens
zunächst
eine konstante Klemmspannung Vc vor, wie bei der eingangs beschriebenen
und in 1 dargestellten
bekannten Leistungsschalteranordnung. Detektiert der Temperaturschätzer 1 eine Überschreitung
einer vorgegebenen Maximaltemperatur Tmax, die
in 2 durch einen eine
konstante Spannung liefernden Generator 5 symbolisiert
ist, wird über
einen Regelverstärker 3 die
Klemmspannung Vc und damit die Momentanleistung im Leistungstransistor 10 verringert.
Dadurch wird ein weiteres Ansteigen der Spitzentemperatur und somit
eine Zerstörung des
Leistungstransistors 10 verhindert. Wesentlich ist auch,
dass die Klemmschaltung 2 eine minimale Klemmspannung definiert,
die hoch genug ist, um ein Wiederansteigen des Laststroms nach dessen
Abschalten zu verhindern. Die minimale Klemmspannung kann zum Beispiel
die maximal zulässige
Spannung VBma
x der
Batterie B sein, die den aus dem Leistungstransistor 10 und
der Last L, R bestehenden Lastkreis speist.
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Ein detailliertes Ausführungsbeispiel
der Klemmschaltung 2 zeigt 3. Übersteigt
die dem einen Eingang des Regelverstärkers 3 vom Temperaturschätzer 1 zugeführte den
momentanen Spitzenwert der Temperatur θ des Leistungstransistors 10 angebende
Spannung die dem maximalen Temperaturwert Tmax entsprechende
Spannung, erzeugt der Regelverstärker 3 ein
Ausgangssignal, welches einen Transistor 8 in der Klemmschaltung 2 aufsteuert. Der
Leitwert des auf gesteuerten Transistors 8 bestimmt, wie
weit die Klemmspannung Vc verringert wird. Die Klemmschaltung 2 weist
auch noch eine Reihenschaltung einer Zenerdiode 6 mit weiteren
Zenerdioden 7 auf, wobei letztere durch den aufgesteuerten
Transistor 8 überbrückt werden.
Die Zenerdiode 6 (D1) gibt die geforderte minimale Klemmspannung
vor. Statt eine Zenerdiode 6 zu verwenden, kann alternativ
die zeitliche Änderung
des Laststroms durch den Leistungstransistor 10 gemessen und
die minimale Klemmspannung so ausgeregelt werden, dass die zeitliche Änderung
des Laststroms nicht positiv wird.
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Den einschlägigen Fachleuten ist deutlich, dass
die erfindungsgemäße Leistungsschalteranordnung,
die in den 2 und 3 (wie schon in 1) einen Low-Side-Schalter
bildet, ebenso als High-Side-Schalter ausgeführt sein kann. Der Leistungstransistor 10 ist
lediglich beispielhaft ein n-Kanal-MOSFET und kann genauso ein p-Kanal-MOSFET
sein. Ebenso ist die Anordnung der in Reihe geschalteten Dioden 6 und 7 in
der Klemmschaltung 2 lediglich beispielhaft und es kann
jede geeignete Schaltungsanordnung für die Klemmschaltung 2 gewählt werden,
die sicherstellt, dass die Klemmspannung zeit lich verringert wird,
sobald der Regelverstärker 3 sein Ausgangssignal
erzeugt und die eine bestimmte minimale Klemmspannung vorgeben kann.
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Beiliegende 4 zeigt grafisch einen beispielhaften
Verlauf mehrerer Größen bei
der in 1 gezeigten üblichen
Leistungsschalteranordnung während
einiger Millisekunden nach dem Abschaltzeitpunkt t0. Dargestellt
sind:
- – der
zeitliche Verlauf UDS(t) der Drain/Source-Spannung;
- – der
zeitliche Verlauf der Temperatur T(UDS,
t) des Leistungstransistors 10;
- – der
zeitliche Verlauf des Laststroms IDrai
n(t) und der im Leistungstransistor umgesetzten
Leistung P(t).
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Für
die Simulation wurden folgende Parameter gewählt: Batteriespannung VB = 14 V, Laststrom zum Ausschaltzeitpunkt
t0: 4 Ampere, R = 3 Ohm, L = 10 mH, Vcmax =
60 V und Vcmin = 16 V
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Wie 4 zeigt,
beträgt
das Temperaturmaximum Tmax ca. 150°C und liegt
etwa 0,5 ms nach dem Abschaltzeitpunkt t0. Die Klemmspannung ist während der
ganzen Zeit konstant. Die umgesetzte Leistung P(t) hat denselben
zeitlichen Verlauf wie der Laststrom IDrain(t).
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5 zeigt
grafische die Simulationsergebnisse, das heißt den simulierten zeitlichen
Verlauf derselben Größen wie
in 4 beim Abschaltvorgang
mit den obigen Simulationsparametern und optimiertem Verlauf der
Ausgangsspannung UDS(t). Bei dem dargestellten
optimierten Abschaltvorgang wird das Temperaturmaximum entsprechend
dem eingestellten Wert Tmax auf etwa 95°C begrenzt.
Vom Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t1 reduziert die Klemmschaltung
die Klemmspannung und damit die Ausgangsspannung UDS bis
auf die durch die Zenerdiode 6 vorgegebene minimale Spannung.
Ab dem Zeitpunkt t1 wird UDS zunächst allmählich und
dann sehr schnell wieder erhöht.
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Dabei bleibt die Temperatur des Leistungstransistors 10 bis
etwa 2 ms nach dem Abschaltzeitpunkt t0 bei dem durch den optimierten
Verlauf von UDS(t) erreichten begrenzten
Wert Tmax = 95°C und fällt dann entsprechend der Abnahme
der Leistung P(t) rasch ab. Wenn man bei der in 1 gezeigten Leistungsschalteranordnung
ohne einen optimierten Verlauf von UDS die
Temperatur unter 95°C
halten wollte, müsste
man bei diesem Beispiel die Energie in der Spule von 80 mJ auf 45
mJ reduzieren. Dies entspricht einer höheren Energieaufnahmefähigkeit einer
erfindungsgemäßen Leistungsschalteranordnung
von 77%. Somit ermöglicht
eine erfindungsgemäß gestaltete
Leistungsschalteranordnung entweder den Einsatz kleinerer Leistungstransistoren,
was sich direkt in der Chipfläche
abbildet oder bei gleicher Chipfläche die Erhöhung der Robustheit eines die Leistungsschalteranordnung
enthaltenden integrierten Schaltungschips.
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- 1
- Temperaturschätzer
- 2
- Klemmschaltung
- 3
- Regelverstärker
- 6
- Zenerdiode
- 7
- Zenerdiode
- 8
- Transistor
- 10
- Leistungsschalttransistor
- 11
- Klemmschaltung
nach dem Stand der Technik
- L
- Induktivität
- R
- Verlustwiderstand
der Last
- VB
- Batteriespannung
einer Batterie B
- Vc
- Klemmspannung
- D,
G, S
- Drain,
Gate, Source des Leistungsschalttransis
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- tors 10
- Vcmin
- minimale
Klemmspannung
- Tmax
- Maximaltemperatur