EP1173045A2 - Elektrische Heizvorrichtung mit Schutzschaltung - Google Patents

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EP1173045A2
EP1173045A2 EP01113987A EP01113987A EP1173045A2 EP 1173045 A2 EP1173045 A2 EP 1173045A2 EP 01113987 A EP01113987 A EP 01113987A EP 01113987 A EP01113987 A EP 01113987A EP 1173045 A2 EP1173045 A2 EP 1173045A2
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EP
European Patent Office
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switching
heating
heating elements
mosfet
elements
Prior art date
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EP01113987A
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English (en)
French (fr)
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EP1173045A3 (de
EP1173045B1 (de
Inventor
Alfons Dr. Graf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
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Publication of EP1173045A3 publication Critical patent/EP1173045A3/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B1/00—Details of electric heating devices
    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
    • H05B1/0202—Switches
    • H05B1/0205—Switches using a fusible material

Definitions

  • the present invention relates to an electric heater according to the features of the preamble of the claim 1.
  • German patent DE 197 33 045 C1 describes such a heating device, at of the multiple series connections each consisting of two power MOSFETs connected in parallel to a supply voltage are. In series with the two power MOSFETs of each branch a fuse is switched. To a current flow and thus a warming in one of the branches of the known To effect heating device, both must be in the respective Conduct branch power MOSFET connected in series. It comes thereby to a defect or to a short circuit of one of the two power semiconductors in one branch, so each other power semiconductors switched off to another To prevent current flow.
  • the aim of the present invention is to provide a heating device to provide, which in the event of a defect or overheating, one of the switching and heating elements used switches off safely.
  • the heating device at least two switching and heating elements, each with a control terminal and have a load path, the load paths the switching and heating elements are connected in parallel.
  • the Series connection of the fuse and the switching and heating elements is connected to a supply voltage.
  • the invention Heater also has a protective circuit on the at least one of the control connection Switching elements is connected, and being the protective circuit is designed for the connected switching element depending on the temperature of at least one of the others Switch on switching elements.
  • Switching and heating elements defective is activated by the protective circuit at least one of the other switching and Heating elements conductive, preferably all switching and Heating elements controlled by the protective circuit conductive.
  • the control of those connected to the protective circuit Switching and heating elements take place in such a way that these Switching and heating elements have such a high current consumption, that the series connected to the switching and heating elements Fuse unit triggers and the power supply the entire heater interrupts.
  • Heater preferably semiconductor devices, such as MOSFET, application. These semiconductor components can be used for heating via their respective control connection (gate connection) controlled in such a way that they have a variable, have medium to high-resistance switch-on resistance, so that over their load path (drain-source path) a variable current even with correspondingly high voltages flows and thus a controllable heating of the component occurs, which is desired and for heating air or Liquids, such as the cooling water of a car, are used becomes.
  • the area in which the on-resistance occurs a suitable control can be varied during heating can, is of the desired heating output and the dimensioning dependent on the semiconductor device.
  • the present invention all switching and heating elements connected in parallel the protection circuit must be connected to at least the defect one of the switching and heating elements controlled become. Or just some of the parallel ones Switching and heating elements on the protective circuit for control be connected. It should be noted that it is out Security reasons can be useful in the event of an error to control as many switching and heating elements as possible the greatest possible current flow through the fuse unit, and thus to safely trigger the fuse.
  • the protective circuit of the heating device temperature controlled switch provided between a Node for a supply potential and a common one Node is connected.
  • the control connections of the through the Protective circuit controllable switching elements are on coupled the common node.
  • the temperature controlled Switch is designed so that it is exceeded a predetermined temperature on one of the switching and heating elements, with which the temperature controlled switch in is connected, the common node of the Protection circuit to which the control connections of the heating and switching elements are coupled to the value of a supply potential which ensures that the connected switching and heating elements are sufficient cause high current consumption at which the fuse trips.
  • a temperature-controlled one Switches with each of the heating and switching elements thermally couple to ensure that at one Defect of each of the heating and switching elements the other switching and heating elements become conductive and the Trigger fuse.
  • the temperature controlled switches are preferably thyristors, whose one connection to one of the load route connections of the switching and heating element is connected and whose other connection is connected to the common node is.
  • the preferred temperature controlled one Thyristor ignites when a design temperature is reached, the voltage drop across the conductive thyristor is low, so the control connections of the non-defective Switching and heating elements can be controlled safely.
  • the temperature controlled switch is preferably in the associated one Integrated switching and heating element, with one monolithic integration of the switching and heating element and the temperature controlled switch in a semiconductor body are trained.
  • the temperature controlled switch and that associated switching and heating element can also be called Chip-on-chip arrangement can be formed in which a chip with the switching and heating element and a chip with the temperature controlled Switches arranged one above the other and thermally are conductively connected. With both solutions one achieves one optimal and defined heat coupling.
  • the heater according to the present invention hereinafter using described by power MOSFET as switching and heating elements using described by power MOSFET as switching and heating elements.
  • the gate connection of a MOSFET fulfills the function a control connection
  • the drain-source path of the MOSFET represents the load path of that formed by the MOSFET Switching and heating element.
  • Figures 1 to 3 are n-channel MOSFET used as switching and heating elements.
  • the invention is of course also in connection with p-channel MOSFET can be used, then supply voltages reverse polarity and the polarity of polarity-dependent components, such as for example diodes, must be exchanged.
  • Fig. 1 is a first embodiment of an inventive Heater using power MOSFET T1, T2, Tn shown.
  • the drain-source paths D-S of the MOSFET T1, T2, Tn are connected in parallel, this parallel connection in series with a fuse unit Si, for example a fuse or a magnetic fuse, is switched.
  • the MOSFET T1, T2, Tn are usually spatial distributed in the medium to be heated to a better distribution of those emitted by the heater Heat, for example in an air supply or a liquid container, to effect. It is also conceivable that the individual MOSFET independently of one another for heating different ones Media operated.
  • Gate connections G are used to control the heating mode the MOSFET T1, T2, Tn connected to a control circuit S. How it works and how it connects MOSFET T1, T2, Tn to the control circuit AS is for the irrelevant present invention.
  • the control circuit AS and their connection to the MOSFET T1, T2, Tn is in the figures 1 and 2 are therefore shown in dashed lines.
  • the essential Requirement for the control circuit AS is that it Controls MOSFET T1, T2, Tn for heating operation in such a way that they have a medium to high switch-on resistance, so that when a voltage is applied across their drain-source paths D-S a medium to low current flows in and out large part of the electrical power provided to the MOSFET T1, T2 controlled by the control circuit AS Tn is converted into heat.
  • Such control by Apply a gate voltage at which the MOSFET do not switch through. Whether through the control circuit AS all MOSFET T1, T2, Tn simultaneously or independently of each other controlled depends on the respective application.
  • the heating device has a protective device SC on, with output terminals A1, A2, A3 of the protection device each to the gate terminal G of one of the MOSFETs T1, T2, Tn is connected.
  • the protective circuit SC has furthermore one corresponding to the number of MOSFET T1, T2, Tn Number of temperature-controlled switches S1, S2, Sn on, the thermally coupled to one of the MOSFETs T1, T2, Tn is.
  • the temperature-controlled switches S1, S2, Sn are in the embodiment of Figure 2 as temperature controlled Thyristors are formed, each between a node N11 for supply potential and a common node N2 of the protective circuit SC are connected.
  • the node N11 for supply potential is in the embodiment according to Fig.
  • the node, which of the fuse unit Si and the Drain terminals D of all MOSFET T1, T2, Tn is common and at which a supply potential is present, which is the supply voltage V minus the one above the fuse unit Si falling voltage corresponds to Vsi.
  • a series circuit made up of a resistor R1, R2, Rn and a diode D1, D2, Dn connected, which the Complete the task, the gate connections G of the MOSFET T1, T2, Tn to protect against excessive control levels.
  • the MOSFET T1 is driven by the drive circuit AS is to heat a medium in which it is housed, further assuming that in the MOSFET T1 Defect occurs, which leads to excessive heating of this semiconductor component leads. If it is a due to the design Temperature threshold of the temperature controlled thyristor If S1 is reached, this thyristor ignites S1 and sets the common one Node N2 approximates the value of that on the Node N11 connected supply potential.
  • the MOSFET T2, Tn are connected via the series connection of the diode D2 and the Resistor R2, or the diode Dn and the resistor Rn, driven, taking into account the resistances R2, Rn of the potential present at the common node N2 are selected that at the gate connections T2, Tn Sufficiently high potential exists to over the load routes D-S of this MOSFET T2, Tn to cause a large current flow, or to switch through the load paths of the MOSFET T2, Tn.
  • the fuse unit Si is designed to control the current flow between the connection terminals AK1, AK1 of the supply voltage source to limit. If this current rises above you value due to the design of the fuse unit Si, so the fuse unit Si triggers and interrupts the Power supply to the MOSFET T1, T2, Tn.
  • the inventive Heating device triggers the fuse unit Si in the above Use case when the MOSFET T2, Tn driven through the temperature-controlled thyristor S2 and so a large current flow through the fuse unit Si cause. This is regardless of whether the two are not defective MOSFET T2, Tn before the defect of the MOSFET T1 by the Control circuit AS were also controlled to heat, or whether they were switched off.
  • Heater takes advantage of the power MOSFET T1, T2, Tn operated with different power consumption can be.
  • the power MOSFETs are used for heating T1, T2, Tn controlled via the control circuit AS, that they have a low power consumption, the maximum current permissible by the fuse unit Si and the recorded by the MOSFET T1, T2, Tn during the heating operation Currents are coordinated so that the Fuse unit Si does not trip even if all are in parallel switched MOSFET T1, T2, Tn by the drive circuit AS are controlled for heating mode.
  • the power MOSFET T1, T2, Tn can also be controlled that they have a large current draw around the fuse unit To trigger Si.
  • the power MOSFETs are T1, T2, Tn preferably dimensioned such that a through the Protection circuit SC controlled conductive MOSFET T1; T2; Tn is sufficient to trigger the fuse unit Si.
  • temperature-controlled switches S1, S2, Sn are in addition to temperature-controlled Thyristors of course any further temperature-controlled switches can be used, which at Switch a predefined temperature or switch one have low line resistance in order not to defective Control MOSFET.
  • the control circuit AS must be trained to raise the Potentials at the gate connections of the power MOSFET the protection circuit SC allows to enable that conduct the power MOSFET well and trip the fuse Si.
  • Fig. 2 shows a further embodiment of the invention Heating device in which the protective circuit SC only has an output terminal A, to which all MOSFET T1, T2, Tn are connected together. Between the common Node N2 and output terminal A are in the corresponding Way as in Fig. 1 a series connection of a Diode D4 and a resistor R4 connected to the gate terminals G the power MOSFET T1, T2, Tn before the drive potentials are too high to protect.
  • the heating device shown in FIG. 2 corresponds to that shown in FIG. 1 and heater described above.
  • Fig. 3 shows a further embodiment of an inventive Heating device, which differs from those in Figures 1 and 2 shown heating devices in that that not for each of the power MOSFETs connected in parallel T1, T4, T5, Tn a thermally coupled temperature controlled Switch S1, S4, Sn is provided. Only that Power MOSFET T1, T4, Tn have such a temperature-controlled Switches S1, S4, Sn on, while for the No such security element is provided for MOSFET T5. Furthermore, not every one of the power MOSFETs is shown in FIG. 3 can be controlled by the protective circuit. So is the power MOSFET T4 to the control circuit AS for heating operation however not connected to the protective circuit.
  • the temperature-controlled Thyristors S1, S4, Sn different from the exemplary embodiments according to Figures 1 and 2 not to the Drain connections D of the power MOSFET T1, T4, T5, Tn but to another node N12 at which a control potential Va is connected.

Landscapes

  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Control Of Resistance Heating (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung, die folgende Merkmale aufweist: wenigstens zwei Schalt- und Heizelemente (T1, T2, Tn; T1, T4, T5, Tn), die jeweils eine Ansteuerklemme (G) und eine Laststrecke (D-S) aufweisen, wobei die Laststrecken (D-S) der wenigstens zwei Schalt- und Heizelemente (T1, T2, Tn; T1, T4, T5, Tn) parallel geschaltet sind, eine Sicherung (Si), die in Reihe zu den Laststrecken (D-S) der Schalt- und Heizelemente (T1, T2, Tn; T1, T4, T5, Tn) geschaltet ist, wobei die Reihenschaltung an eine Versorgungsspannung (V) angeschlossen ist, eine an den Steueranschluss (G) wenigstens eines der Schalt- und Heizelemente (T1, T2, Tn; T1, T5, Tn) angeschlossene Schutzschaltung zum Einschalten des angeschlossenen Schalt- und Heizelements nach Maßgabe der Temperatur an wenigstens einem der Schaltelemente (T1, T2, Tn; T1, T4, Tn). <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung gemäss den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Für Heizzwecke, beispielsweise zum Heizen der Luftzufuhr für den Innenraum oder des Kühlwassers eines Kraftfahrzeugs, ist es bekannt, Halbleiterbauelemente, beispielsweise Leistungs-MOSFET einzusetzen, die dabei gleichzeitig als Schalter und als Heizelement dienen. In der deutschen Patentschrift DE 197 33 045 C1 ist eine derartige Heizvorrichtung beschrieben, bei der mehrere Reihenschaltungen aus jeweils zwei Leistungs-MOSFET parallel an eine Versorgungsspannung angeschlossen sind. In Reihe zu den zwei Leistungs-MOSFET eines jeden Zweiges ist dabei ein Sicherung geschaltet. Um einen Stromfluss und damit eine Erwärmung in einem der Zweige der bekannten Heizvorrichtung zu bewirken, müssen beide in dem jeweiligen Zweig in Reihe geschaltete Leistungs-MOSFET leiten. Kommt es dabei zu einem Defekt oder zu einem Kurzschluss eines der beiden Leistungshalbleiter in einem Zweig, so wird der jeweils andere Leistungshalbleiter abgeschaltet, um einen weiteren Stromfluss zu verhindern.
Bei allen Heizvorrichtungen besteht grundsätzlich die Gefahr, dass eines oder mehrere der verwendeten Heizelemente defekt werden und es so zu einer unkontrollierten Erwärmung kommt, die im ungünstigsten Fall die Umgebung in Brand setzen kann. Bei der bekannten Heizvorrichtung gemäss der DE 197 33 045 C1 kann eine durch einen defekten Leistungshalbleiter hervorgerufene unkontrollierte Erhitzung dadurch verhindert werden, dass der andere Leistungshalbleiter in dem jeweiligen Zweig abgeschaltet wird. Dies setzt voraus, dass stets einer der beiden Leistungshalbleiter noch funktionsfähig ist und dass durch den Defekt eines der beiden Leistungshalbleiter in einem Zweig nicht auch der andere Leistungshalbleiter in diesem Zweig zerstört wird.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Heizvorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche im Falle des Defekts, bzw. der Überhitzung, eines der verwendeten Schalt- uns Heizelemente sicher abschaltet.
Diese Aufgabe wird durch eine Heizvorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Danach weist die erfindungsgemäße Heizvorrichtung wenigstens zwei Schalt- und Heizelemente auf, die jeweils eine Ansteuerklemme und eine Laststrecke aufweisen, wobei die Laststrecken der Schalt- und Heizelemente parallel geschaltet sind. In Reihe zu der Parallelschaltung der Laststrecken der Schalt- und Heizelemente ist eine Sicherung geschaltet, wobei die Reihenschaltung der Sicherung und der Schalt- und Heizelemente an eine Versorgungsspannung angeschlossen ist. Die erfindungsgemäße Heizvorrichtung weist weiterhin eine Schutzschaltung auf, die an den Steueranschluss wenigstens eines der Schaltelemente angeschlossen ist, und wobei die Schutzschaltung dazu ausgebildet ist, das angeschlossene Schaltelement nach Maßgabe der Temperatur an wenigstens einem der anderen Schaltelemente einzuschalten.
Wird bei der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung eines der Schalt- und Heizelemente defekt, so wird angesteuert durch die Schutzschaltung wenigstens eines der anderen Schalt- und Heizelemente leitend, vorzugsweise werden alle Schalt- und Heizelemente angesteuert durch die Schutzschaltung leitend. Die Ansteuerung der an die Schutzschaltung angeschlossenen Schalt- und Heizelemente erfolgt dabei derart, dass diese Schalt- und Heizelemente eine so hohe Stromaufnahme aufweisen, dass die in Reihe zu den Schalt- und Heizelementen geschaltete Sicherungseinheit auslöst und die Stromversorgung der gesamten Heizvorrichtung unterbricht.
Als Schalt- und Heizelemente finden bei der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung vorzugsweise Halbleiterbauelemente, wie beispielsweise MOSFET, Anwendung. Zum Heizen können diese Halbleiterbauelemente über ihren jeweiligen Steueranschluss (Gate-Anschluss) derart angesteuert werden, dass sie einen variablen, mittel- bis hochohmigen, Einschaltwiderstand besitzen, so dass über deren Laststrecke (Drain-Source-Strecke) auch bei entsprechend großen Spannungen ein variabler Strom fließt und so eine steuerbare Erwärmung des Bauelements auftritt, die erwünscht ist und zur Erwärmung von Luft oder Flüssigkeiten, beispielsweise dem Kühlwasser eines Autos, genutzt wird. Der Bereich, in dem der Einschaltwiderstand durch eine geeignete Ansteuerung während des Heizens variiert werden kann, ist von der gewünschten Heizleistung und der Dimensionierung des Halbleiterbauelements abhängig. Zudem können derartige Halbleiterbauelemente auch derart angesteuert werden, dass sie nur einen geringen Einschaltwiderstand besitzen und so einen großen Strom über ihre Laststrecke ermöglichen. Dies macht sich die vorliegende Erfindung zunutze, indem bei dem Defekt eines der Schalt- und Heizelemente in den anderen Schalt- und Heizelementen, angesteuert durch die Schutzschaltung, ein großer Stromfluss hervorgerufen wird, welcher die Sicherung auslöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Je nach Anwendungszwecke können bei der vorliegenden Erfindung alle parallel geschalteten Schalt- und Heizelemente an die Schutzschaltung angeschlossen sein, um bei dem Defekt wenigstens eines der Schalt- und Heizelemente angesteuert zu werden. Oder es können nur einige der parallel geschalteten Schalt- und Heizelemente an die Schutzschaltung zur Ansteuerung angeschlossen sein. Dabei ist zu beachten, dass es aus Sicherheitsgründen zweckmäßig sein kann, im Fehlerfall so viele Schalt- und Heizelemente wie möglich anzusteuern, um einen möglichst großen Stromfluss durch die Sicherungseinheit, und damit ein sicheres Auslösen der Sicherung zu bewirken.
In der Schutzschaltung der Heizvorrichtung ist wenigstens ein temperaturgesteuerter Schalter vorgesehen, der zwischen einem Knoten für ein Versorgungspotential und einem gemeinsamen Knoten verschaltet ist. Die Steueranschlüsse der durch die Schutzschaltung ansteuerbaren Schaltelemente sind dabei an den gemeinsamen Knoten gekoppelt. Der temperaturgesteuerte Schalter ist derart ausgebildet, dass er bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur an einem der Schalt- und Heizelemente, mit welchem der temperaturgesteuerte Schalter in thermischer Verbindung steht, den gemeinsamen Knoten der Schutzschaltung, an welchen die Steueranschlüsse der Heiz- und Schaltelemente gekoppelt sind, auf den Wert eines Versorgungspotentials legt, bei welchem sichergestellt ist, dass die angeschlossenen Schalt- und Heizelemente eine ausreichend hohe Stromaufnahme bewirken, bei welcher die Sicherung auslöst.
Aus Sicherheitsgründen ist es bevorzugt, jeweils einen temperaturgesteuerten Schalter mit jedem der Heiz- und Schaltelemente thermisch zu koppeln, um sicherzustellen, dass bei einem Defekt eines jedes einzelnen der Heiz- und Schaltelemente die andere Schalt- und Heizelemente leitend werden und die Sicherung auslösen.
Die temperaturgesteuerten Schalter sind vorzugsweise Thyristoren, deren einer Anschluss an einen der Laststreckenanschlüsse des Schalt- und Heizelements angeschlossen ist und deren anderer Anschluss an den gemeinsamen Knoten angeschlossen ist. Der vorzugsweise verwendete temperaturgesteuerte Thyristor zündet bei Erreichen einer bauartbedingten Temperatur, wobei der Spannungsabfall über dem leitenden Thyristor gering ist, so dass die Steueranschlüsse der nicht defekten Schalt- und Heizelemente sicher angesteuert werden.
Der temperaturgesteuerte Schalter ist vorzugsweise in dem zugehörigen Schalt- und Heizelement integriert, wobei bei einer monolithischen Integration das Schalt- und Heizelement und der temperaturgesteuerte Schalter in einem Halbleiterkörper ausgebildet sind. Der temperaturgesteuerte Schalter und das zugehörige Schalt- und Heizelement können auch als sogenannte Chip-On-Chip-Anordnung ausgebildet sein, bei der ein Chip mit dem Schalt- und Heizelement und ein Chip mit dem temperaturgesteuerten Schalter übereinander angeordnet und thermisch leitend verbunden sind. Bei beiden Lösungen erreicht man eine optimale und definierte Wärmekopplung.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1:
Schaltbild einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung;
Figur 2:
Schaltbild einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung.
Figur 3:
Schaltbild einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung.
In den Figuren bezeichnen, sofern die nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile mit gleicher Bedeutung.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird die Heizvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung nachfolgend unter Verwendung von Leistungs-MOSFET als Schalt- und Heizelemente beschrieben. Der Gate-Anschluss eines MOSFET erfüllt dabei die Funktion eines Steueranschlusses, die Drain-Source-Strecke des MOSFET stellt die Laststrecke des durch den MOSFET gebildeten Schalt- und Heizelements dar. In den Figuren 1 bis 3 sind n-Kanal-MOSFET als Schalt- und Heizelemente verwendet. Die Erfindung ist selbstverständlich auch im Zusammenhang mit p-Kanal-MOSFET verwendbar, wobei dann Versorgungsspannungen verpolt und die Polung von polungsabhängigen Bauelemente, wie beispielsweise Dioden, vertauscht werden müssen.
In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung unter Verwendung von Leistungs-MOSFET T1, T2, Tn dargestellt. Die Drain-Source-Strecken D-S der MOSFET T1, T2, Tn sind parallel geschaltet, wobei diese Parallelschaltung in Reihe zu einer Sicherungseinheit Si, beispielsweise einer Schmelzsicherung oder einer Magnetsicherung, geschaltet ist. Die Reihenschaltung aus Sicherungseinheit Si und den parallel geschalteten MOSFET T1, T2, Tn ist über Anschlussklemmen AK1, AK2 an eine Versorgungsspannung V angeschlossen. Die MOSFET T1, T2, Tn sind üblicherweise räumlich verteilt in dem zu heizenden Medium angeordnet, um eine bessere Verteilung der durch die Heizvorrichtung abgegebenen Wärme, beispielsweise in einer Luftzuführung oder einem Flüssigkeitsbehälter, zu bewirken. Es ist auch denkbar, dass die einzelnen MOSFET unabhängig voneinander zur Beheizung verschiedener Medien betrieben werden.
Zur Ansteuerung für den Heizbetrieb sind Gate-Anschlüsse G der MOSFET T1, T2, Tn an eine Ansteuerschaltung S angeschlossen. Die Funktionsweise und die Verbindung der einzelnen MOSFET T1, T2, Tn an die Ansteuerschaltung AS ist für die vorliegende Erfindung unerheblich. Die Ansteuerschaltung AS und deren Verbindung zu den MOSFET T1, T2, Tn ist in den Figuren 1 und 2 daher gestrichelt dargestellt. Die wesentliche Anforderung an die Ansteuerschaltung AS ist, dass sie die MOSFET T1, T2, Tn für den Heizbetrieb derart ansteuert, dass sie einen mittleren bis großen Einschaltwiderstand aufweisen, so dass bei Anlegen einer Spannung über deren Drain-Source-Strecken D-S ein mittlerer bis geringer Strom fließt und ein großer Teil der bereitgestellten elektrischen Leistung an den durch die Ansteuerschaltung AS angesteuerten MOSFET T1, T2, Tn in Wärme umgesetzt wird. Eine derartige Ansteuerung durch Anlegen einer Gate-Spannung erfolgen, bei denen die MOSFET nicht durchschalten. Ob durch die Ansteuerschaltung AS dabei alle MOSFET T1, T2, Tn gleichzeitig oder unabhängig voneinander angesteuert werden, ist vom jeweiligen Anwendungsfall abhängig. So kann es zweckmäßig sein, wenn nur ein Medium zu beheizen ist, alle MOSFET T1, T2, Tn gleichzeitig und gleichverteilt anzusteuern, während es bei der Beheizung voneinander unabhängiger Medien, beispielsweise der Luftzufuhr und des Kühlwassers in eine Kraftfahrzeug, zweckmäßig ist, die einzelnen MOSFET T1, T2, Tn unabhängig voneinander anzusteuern.
Die erfindungsgemäße Heizvorrichtung weist eine Schutzvorrichtung SC auf, wobei Ausgangsklemmen A1, A2, A3 der Schutzvorrichtung jeweils an den Gate-Anschluss G eines der MOSFET T1, T2, Tn angeschlossen ist. Die Schutzschaltung SC weist ferner eine der Anzahl der MOSFET T1, T2, Tn entsprechende Anzahl temperaturgesteuerter Schalter S1, S2, Sn auf, die thermisch mit jeweils einem der MOSFET T1, T2, Tn gekoppelt ist. Die temperaturgesteuerten Schalter S1, S2, Sn sind in dem Ausführungsbeispiel gemäss Figur 2 als temperaturgesteuerte Thyristoren ausgebildet, die jeweils zwischen einem Knoten N11 für Versorgungspotential und einem gemeinsamen Knoten N2 der Schutzschaltung SC verschaltet sind. Der Knoten N11 für Versorgungspotential ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 der Knoten, welcher der Sicherungseinheit Si und den Drain-Anschlüssen D aller MOSFET T1, T2, Tn gemeinsam ist und an welchem ein Versorgungspotential anliegt, welches der Versorgungsspannung V abzüglich der über der Sicherungseinheit Si abfallenden Spannung Vsi entspricht. Zwischen dem gemeinsamen Knoten N2 und jedem der Ausgänge A1, A2, An der Schutzschaltung Sc ist eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R1, R2, Rn und einer Diode D1, D2, Dn geschaltet, welche die Aufgabe erfüllen, die Gate-Anschlüsse G der MOSFET T1, T2, Tn vor zu hohen Ansteuerpegeln zu schützen.
Zu Zwecken der Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung gemäß Fig. 1 wird nun angenommen, dass der MOSFET T1 durch die Ansteuerschaltung AS angesteuert ist, um ein Medium, in welchem er untergebracht ist, zu heizen, wobei weiter angenommen wird, dass in dem MOSFET T1 ein Defekt auftritt, der zu einer starken Erhitzung dieses Halbleiterbauelements führt. Wird dabei eine durch die Bauart bedingte Temperaturschwelle des temperaturgesteuerten Thyristor S1 erreicht, so zündet dieser Thyristor S1 und legt den gemeinsamen Knoten N2 annäherungsweise auf den Wert des an dem Knoten N11 anliegenden Versorgungspotentials. Die MOSFET T2, Tn werden dabei über die Reihenschaltung der Diode D2 und dem Widerstand R2, bzw. der Diode Dn und dem Widerstand Rn, angesteuert, wobei die Widerstände R2, Rn unter Berücksichtigung des an dem gemeinsamen Knoten N2 anliegenden Potentials derart gewählt sind, dass an den Gate-Anschlüssen T2, Tn ein ausreichend hohes Potential anliegt, um über den Laststrecken D-S dieser MOSFET T2, Tn einen großen Stromfluss hervorzurufen, bzw. die Laststrecken der MOSFET T2, Tn durchzuschalten. Gleiches gilt selbstverständlich auch für den Widerstand R1 des MOSFET T2 im Falle des Defekts eines der beiden anderen MOSFET T2, Tn.
Die Sicherungseinheit Si ist dazu ausgebildet, den Stromfluss zwischen den Anschlussklemmen AK1, AK1 der Versorgungsspannungsquelle zu begrenzen. Steigt dieser Strom über einen durch die Bauart der Sicherungseinheit Si bedingten Wert an, so löst die Sicherungseinheit Si aus und unterbricht die Stromzufuhr zu dem MOSFET T1, T2, Tn. Bei der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung löst die Sicherungseinheit Si in dem genannten Anwendungsfall aus, wenn die MOSFET T2, Tn angesteuert durch den temperaturgesteuerten Thyristor S2 gut leiten und so einen großen Stromfluss durch die Sicherungseinheit Si hervorrufen. Dies ist unabhängig davon, ob die beiden nicht defekten MOSFET T2, Tn vor dem Defekt des MOSFET T1 durch die Ansteuerschaltung AS ebenfalls angesteuert waren, um zu Heizen, oder ob sie abgeschaltet waren. Bei der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung macht man sich zunutze, dass die Leistungs-MOSFET T1, T2, Tn mit verschiedenen Stromaufnahmen betrieben werden können. Zum Heizen werden die Leistungs-MOSFET T1, T2, Tn über die Ansteuerschaltung AS derart angesteuert, dass sie eine geringe Stromaufnahme besitzen, wobei der maximal durch die Sicherungseinheit Si zulässige Strom und die durch die MOSFET T1, T2, Tn während des Heizbetriebs aufgenommenen Ströme derart aufeinander abgestimmt sind, dass die Sicherungseinheit Si auch dann nicht auslöst, wenn alle parallel geschalteten MOSFET T1, T2, Tn durch die Ansteuerschaltung AS für den Heizbetrieb angesteuert sind.
Für die Schutzschaltung macht man sich zunutze, dass die Leistungs-MOSFET T1, T2, Tn auch so angesteuert werden können, dass sie ein große Stromaufnahme besitzen, um die Sicherungseinheit Si auszulösen. Die Leistungs-MOSFET T1, T2, Tn sind vorzugsweise so dimensioniert, dass bereits ein durch die Schutzschaltung SC angesteuerter leitender MOSFET T1; T2; Tn genügt, um die Sicherungseinheit Si auszulösen.
Als temperaturgesteuerte Schalter S1, S2, Sn sind neben temperaturgesteuerten Thyristoren selbstverständlich beliebige weitere temperaturgesteuerte Schalter einsetzbar, welche bei Überschreiten einer vorgebbaren Temperatur schalten bzw. einen geringen Leitungswiderstand aufweisen, um nicht defekte MOSFET anzusteuern. Ferner muss die Ansteuerschaltung AS so ausgebildet sein, dass sie im Fehlerfall eine Anhebung der Potentiale an den Gate-Anschlüssen der Leistungs-MOSFET durch die Schutzschaltung SC erlaubt, um es zu ermöglichen, dass die Leistungs-MOSFET gut leiten und die Sicherung Si auslösen.
Wie bereits in Fig. 1 durch die Punkte angedeutet ist, ist die Anzahl der einsetzbaren MOSFET T1, T2, Tn selbstverständlich nicht auf die drei in Fig. 1 dargestellten Halbleiterbauelemente beschränkt. Es können nahezu beliebig viele weitere Leistungs-MOSFET mit thermisch gekoppelten temperaturgesteuerten Schaltern vorgesehen werden.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäβen Heizvorrichtung, bei welcher die Schutzschaltung SC lediglich eine Ausgangsklemme A aufweist, an welche alle MOSFET T1, T2, Tn gemeinsam angeschlossen sind. Zwischen dem gemeinsamen Knoten N2 und der Ausgangsklemme A ist dabei in entsprechender Weise wie in Fig. 1 eine Reihenschaltung einer Diode D4 und eines Widerstands R4 geschaltet, um die Gate-Anschlüsse G der Leistungs-MOSFET T1, T2, Tn vor zu hohen Ansteuerpotentialen zu schützen. Die Funktionsweise der in Fig. 2 dargestellten Heizvorrichtung entspricht der in Fig. 1 dargestellten und oben beschriebenen Heizvorrichtung.
Fig. 3 Zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung, welche sich von denen in den Figuren 1 und 2 dargestellten Heizvorrichtungen dadurch unterscheidet, dass nicht für jeden der parallel geschalteten Leistungs-MOSFET T1, T4, T5, Tn ein thermisch gekoppelter temperaturgesteuerter Schalter S1, S4, Sn vorgesehen ist. Lediglich die Leistungs-MOSFET T1, T4, Tn weisen einen derartigen temperaturgesteuerten Schalter S1, S4, Sn auf, während für den MOSFET T5 kein derartiges Sicherheitselement vorgesehen ist. Des weiteren ist in Fig. 3 nicht jeder der Leistungs-MOSFET durch die Schutzschaltung ansteuerbar. So ist der Leistungs-MOSFET T4 zwar an die Ansteuerschaltung AS für den Heizbetrieb jedoch nicht an die Schutzschaltung angeschlossen. Im Hinblick auf die bereits oben beschriebene Funktionsweise der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung bedeutet dies für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3, dass im Falle eines Defekts des Leistungs-MOSFET T4 zwar der Leistungs-MOSFET T5 (und auch die MOSFET T1 und Tn) angesteuert werden, um das Sicherungselement Si auszulösen, dass aber im Falle eines Defekts des MOSFET T5 keiner der verbleibenden MOSFET T1, T4, Tn angesteuert wird, da mit dem MOSFET T5 kein temperaturgesteuerter Schalter thermisch gekoppelt ist.
Das Ausführungsbeispiels gemäss Fig. 3 soll veranschaulichen, dass abhängig von den Anwendungszwecken nicht für alle Schalt- und Heizeinheiten Temperaturschutzeinheiten vorgesehen werden müssen und dass auch nicht alle Schalt- und Heizeinheiten durch die Schutzschaltung angesteuert werden müssen, um die Sicherungseinheit Si auszulösen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 sind die temperaturgesteuerten Thyristoren S1, S4, Sn anders als bei dem Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 1 und 2 nicht an die Drain-Anschlüsse D der Leistungs-MOSFET T1, T4, T5, Tn sondern an einen weiteren Knoten N12 an dem ein Ansteuerpotential Va anliegt, angeschlossen.
Bezugszeichenliste
A
Ausgangsklemme
A1, A2, An
Ausgangsklemmen
AK1, AK2
Anschlussklemmen
AS
Ansteuerschaltung
D
Drain-Anschluss
D1, D2, Dn
Dioden
D4, D5
Dioden
G
Gate-Anschluss
N11, N12
Knoten für Ansteuerpotential
N2
Gemeinsamer Knoten
R1, R2, Rn
Widerstände
R4, R5,
Widerstände
S
Source-Anschluss
S1, S2, S4
Temperaturgesteuerte Schalter
Sn
Temperaturgesteuerte Schalter
Si
Sicherungseinheit
T1, T2, Tn
Leistungs-MOSFET
T4, T5
Leistungs-MOSFET
V
Versorgungsspannung
Vsi
Spannung über der Sicherungseinheit

Claims (9)

  1. Elektrische Heizvorrichtung, die folgende Merkmale aufweist:
    wenigstens zwei Schalt- und Heizelemente (T1, T2, Tn; T1, T4, T5, Tn), die jeweils eine Ansteuerklemme (G) und eine Laststrecke (D-S) aufweisen, wobei die Laststrecken (D-S) der wenigstens zwei Schalt- und Heizelemente (T1, T2, Tn; T1, T4, T5, Tn) parallel geschaltet sind,
    eine Sicherungseinheit (Si), die in Reihe zu den Laststrekken (D-S) der Schalt- und Heizelemente (T1, T2, Tn; T1, T4, T5, Tn) geschaltet ist, wobei die Reihenschaltung an eine Versorgungsspannung (V) angeschlossen ist,
    gekennzeichnet, durch folgendes weiteres Merkmal:
    eine an den Steueranschluss (G) wenigstens eines der Schalt- und Heizelemente (T1, T2, Tn; T1, T5, Tn) angeschlossene Schutzschaltung (SC) zum Einschalten des angeschlossenen Schalt- und Heizelements (T1, T2, Tn; T1, T5, Tn) nach Maßgabe der Temperatur an wenigstens einem der Schaltelemente (T1, T2, Tn; T1, T4, Tn).
  2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Schutzschaltung (SC) an die Steueranschlüsse (G) aller Schalt- und Heizelemente (T1, T2, Tn) angeschlossen ist.
  3. Heizvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Temperaturen an allen Schalt- und Heizelementen (T1, T2, Tn) bei der Ansteuerung der an die Schutzschaltung (SC) angeschlossenen Schalt- und Heizelemente (T1, T2, Tn) berücksichtigt werden.
  4. Heizvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche , bei der die Schutzschaltung wenigstens einen temperaturgesteuerten Schalter (S1, S2, Sn; S1, S4, Sn) aufweist, der zwischen einem Knoten (N1; N11) für ein Versorgungspotential und einem gemeinsamen Knoten (N2), an den die Steueranschlüsse (G) der durch die Schutzschaltung ansteuerbaren Schaltelemente (T1, T2, Tn; T1, T4, T5, Tn) gekoppelt sind, verschaltet ist und der an eines der Schalt- und Heizelemente (T1, T2, Tn; T1, T4, Tn) thermisch gekoppelt ist.
  5. Heizvorrichtung nach Anspruch 4, bei der an jedes der Schalt- und Heizelemente (T1, T2, Tn) ein temperaturgesteuerter Schalter thermisch gekoppelt ist.
  6. Heizvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei der die Steueranschlüsse (G) der durch die Schutzschaltung (SC) ansteuerbaren Schalt- und Heizelemente (T1, T2, Tn; T1, T5, Tn) über Dioden (D1, D2, Dn; D1, D5, Dn) an den gemeinsamen Knoten (N2) gekoppelt sind.
  7. Heizvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Schalt- und Heizelemente (T1, T2, Tn; T1, T4, T5, Tn) Halbleiterschaltelemente, insbesondere Transistoren sind.
  8. Heizvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die temperaturgesteuerten Schalter (S1, S2, Sn; S1, S4, Sn) jeweils an einen Anschluss (D) der Laststrecke (D-S) eines Schalt- und Heizelements (T1, T2, Tn; T1, T4, Tn) angeschlossen sind.
  9. Heizvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der temperaturgesteuerte Schalter (S1, S2, Sn; S1, S4, Sn) ein Thyristor ist.
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