DE10051976A1 - Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Last - Google Patents

Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Last (10) vorgeschlagen, die mindestens einen Endstufen-Halbleiter (18-21) und einen Verpolschutz (32) aufweist. Der Verpolschutz (32) enthält einen Verpolschutz-Halbleiter (34) mit integriertem Übertemperaturschutz (35).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zum Be­ treiben einer Last nach der Gattung des unabhängigen An­ spruchs. Aus dem Fachzeitschriftenbeitrag von H. Hertrich und K. Reinmuth: "All-round protection with smart HITFETs", Siemens-Components XXX (1995) No. 3, S. 1 bis S. 3 sind als Endstufen-Halbleiter eingesetzte Feldeffekttransistoren be­ kannt geworden, die eine integrierte Schutzschaltung aufwei­ sen, welche insbesondere einen Übertemperaturschutz beinhal­ tet. Der Übertemperaturschutz reduziert bei einer aufgetre­ tenen Übertemperatur, die ein integrierter Temperatursensor erfaßt, die Ansteuerspannung des Feldeffekttransistors, der auf diese Maßnahme mit einer Reduzierung des Drain-Stroms reagiert. Wird die Überlastsituation nicht innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters beendet, dann wird der Feldeffekt­ transistor vollständig abgeschaltet. Der Übertemperatur­ schutz benötigt einen Betriebsstrom, der vom Steuersignal des Feldeffekttransistors bereitzustellen ist. Der Betriebs­ strom unterhalb der Grenztemperatur ist gering. Beim Über­ schreiten der Grenztemperatur steigt der Strom erheblich an. Der Stromanstieg kann ausgenutzt werden zum Detektieren des Übertemperaturzustands.

Endstufenschaltungen, die Feldeffekttransistor enthalten, können bei einem Vertauschen der Stromversorgungsleitungen aufgrund der in den Feldeffekttransistoren enthaltenen para­ sitären Dioden die Energiequelle kurzschliessen. Bei ent­ sprechend leistungsfähiger Energiequelle wie beispielsweise einer Autobatterie führt das Verpolen in kurzer Zeit zu ei­ nem thermischen Ausfall der Feldeffekttransistoren. Ein Ver­ polschutz, wie er beispielsweise aus der DE-A 39 24 499 be­ kannt geworden ist, vermag die Endstufen-Halbleiter wirksam vor einer Verpolung zu schützen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsan­ ordnung zum Betreiben einer Last anzugeben, die sowohl einen Übertemperaturschutz als auch einen Schutz gegen Verpolen mit preiswerten Mitteln ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch die im unabhängigen Anspruch angege­ benen Merkmale gelöst.

Vorteile der Erfindung

Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass anstelle des bisher als Verpolschutz verwendeten herkömmlichen Feldeffekttransi­ stors ein Halbleiterbauelement mit integriertem Übertempera­ turschutz vorgesehen ist. Mit dieser Maßnahme wird es mög­ lich, die zum Betreiben der Last verwendeten Endstufen- Halbleiter als Halbleiter ohne integrierte Schutzschaltungen zu verwenden. Der Schutz gegenüber Temperatur wird aus den Endstufen-Halbleitern herausgenommen und in den Halbleiter des Verpolschutzes aufgenommen. Die Kostenersparnis wirkt sich insbesondere aus, wenn mehrere Endstufen-Halbleiter vorhanden sind, die mit einem Verpolschutz-Halbleiter gegen­ über Temperatur geschützt werden können. Der gegenüber einem herkömmlichen Verpolschutz-Halbleiter erhöhte Durchlaßwider­ stand des erfindungsgemäß vorgesehenen Verpolschutz- Halbleiters mit integriertem Übertemperaturschutz fällt nicht ins Gewicht, da nur eine Verlagerung von den Endstu­ fen-Halbleitern in den Verpolschutz-Halbleiter auftritt.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen er­ geben sich aus abhängigen Ansprüchen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verpolschutz-Halbleiters sieht vor, dass ein Feldeffekttransistor mit integriertem Übertemperaturschutz (TEMPFET) vorgesehen ist.

Eine vorteilhafte weitere Ausgestaltung sieht vor, das der TEMPFET ein n-Kanal-TEMPFET ist, der in einer Minusleitung der Schaltungsanordnung angeordnet ist. Der Vorteil liegt in einem geringeren Durchlasswiderstand gegenüber einem p- Kanal-TEMPFET, der von der Herstellungstechnik bedingt ist und im wesentlichen mit der Ionenbeweglichkeit zusammen­ hängt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Steuer­ eingang des Verpolschutz-Halbleiters mit einer Stromquelle verbunden ist. Aufgrund des Unterschieds des Eingangsstroms des Verpolschutz-Halbleiters bei angesprochenem und bei nicht angesprochenem Übertemperaturschutz ermöglicht die Stromquelle eine Detektion des jeweiligen Zustands durch ei­ ne einfache Spannungsmessung am Steuereingang des Verpol­ schutz-Halbleiters. Die Stromquelle kann im einfachsten Fall als ohmscher Widerstand ausgebildet sein.

Die am Steuereingang des Verpolschutz-Halbleiters auftreten­ de Spannung kann in einem Komperator mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen werden, so dass das Ausgangssignal des Komperators als digitales Signal einen Übertemperaturzu­ stand des Verpolschutz-Halbleiters anzeigt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Last ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Be­ schreibung.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungs­ anordnung zum Betreiben einer Last ist in der Figur gezeigt.

Die Figur zeigt eine Last 10, die in der Diagonale 11 einer Brückenschaltung 12 angeordnet ist. Die Brückenschaltung 12 liegt zwischen einer Plusleitung 13 und einer Minusleitung 14. Die Plusleitung 13 führt zu einer Plusklemme 15 und die Minusleitung 14 zu einer Minusklemme 16. An der Plusklemme 15 und an der Minusklemme 16 ist eine Energiequelle 17 ange­ schlossen.

Die Brückenschaltung 12 enthält Endstufen-Halbleiter 18- 21, die jeweils parasitäre Dioden 22-25 aufweisen. Die Endstufen-Halbleiter 18-21 werden von einer Ansteuerschal­ tung 26 mit Steuersignalen 27-30 angesteuert. Die Ansteu­ erschaltung 26 legt die Steuersignale 27-30 in Abhängig­ keit von einem Eingangssignal 31 fest.

Vorgesehen ist ein Verpolschutz 32, der eine Stromquelle 33 sowie einen Verpolschutz-Halbleiter 34 enthält. Der Verpol­ schutz-Halbleiter 34 enthält einen integrierten Übertempera­ turschutz 35 sowie eine parasitäre Diode 36.

Die Stromquelle 33 ist am Steueranschluß 37 des Verpol­ schutz-Halbleiters 34 angeschlossen. Dort ebenfalls ange­ schlossen ist ein Komparator 38, der ein Abschaltsignal 39 an die Ansteuerschaltung 26 abgibt. Der Komparator 38 vergleicht die Spannung am Steueranschluß 37 mit der Spannung an der Minusleitung 14.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Last 10 arbeitet folgendermaßen:
Die Endstufen-Halbleiter 18-21 sind in der Brückenschal­ tung 12 angeordnet, in deren Diagonale 11 die Last 10 liegt. Die Last 10 kann in Abhängigkeit von den Steuersignalen 27- 30 zwischen die Plusleitung 13 und die Minusleitung 14 ge­ schaltet werden. Als Endstufen-Halbleiter 18-21 sind bei­ spielsweise Feldeffekttransistoren vorgesehen, die von ihrem inneren Aufbau bedingt parasitäre Dioden 22-25 enthalten. Bei einem Defekt in der Last 10, beispielsweise einem Kurz­ schluß, kann in jeweils zwei der Endstufen-Halbleiter 18- 21 ein Überstrom auftreten, der nach kurzer Zeit zu einem thermischen Zerstören der betroffenen Endstufen-Halbleiter 18-21 führen kann. Auf dem Markt erhältlich sind Endstu­ fen-Halbleiter 18-21 mit einer integrierten Schutzschal­ tung, die neben einer Strombegrenzung und einem Überspan­ nungsschutz insbesondere einen integrierten Übertemperatur­ schutz enthalten. Bei der im Ausführungsbeispiel gezeigten Brückenschaltung 12 müßten zumindest zwei Endstufen- Halbleiter 18-21 mit der integrierten Schutzschaltung aus­ gestattet sein, um einen Schutz gegen Übertemperatur zu ge­ währleisten. Nachteilig sind die erhöhten Kosten derartiger Halbleiterbauelemente gegenüber solchen Endstufen- Halbleitern 18-21, die die integrierte Schutzschaltung nicht enthalten.

Zu berücksichtigen ist ferner, dass die als Endstufen- Halbleiter 18-21 konzipierten Feldeffekttransistoren mit integrierter Schutzschaltung aufgrund ihrer parasitären Dioden 22-25 keinen Schutz gegenüber Verpolung bieten. Ein Vertauschen der Plusklemme 15 mit der Minusklemme 16 an der Energiequelle 17 würde die parasitären Dioden 22-25 in den leitenden Zustand bringen, der auch durch eine integrierte Schutzschaltung nicht beseitigt werden kann. Ein Schutz ge­ gen Verpolung ist deshalb nur mit einem zusätzlichen Verpol­ schutz 32 möglich. Der Verpolschutz-Halbleiter 34 ist bei­ spielsweise in der Minusleitung 14 angeordnet. Verwendung findet bevorzugt ein Feldeffekttransistor, der bei der An­ ordnung in der Minusleitung 14 als n-Kanal- Feldeffekttransistor realisiert sein kann. Gegenüber dem Source-Anschluß eines solchen Feldeffekttransistors steht eine positive Spannung an der Plusleitung 13 zum Durchschal­ ten des Verpolschutz-Halbleiters 34 zur Verfügung. Im ge­ zeigten Ausführungsbeispiel ist die Stromquelle 33 vorgese­ hen, welche die Plusleitung 13 mit dem Steuer-Anschluß 37 des Verpolschutz-Halbleiters 34 verbindet.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Verpolschutz- Halbleiter 34 einen integrierten Übertemperaturschutz 35 enthält. Mit dieser Maßnahme übernimmt der Verpolschutz- Halbleiter 34 neben dem Schutz gegenüber Verpolung auch den Schutz gegenüber Übertemperatur. Die Endstufen-Halbleiter 18 -21 können deshalb ohne integrierten Übertemperaturschutz auskommen. Kosteneinsparungen ergeben sich insbesondere dann, wenn mehrere Endstufen-Halbleiter 18-21 vorhanden sind, die gegenüber Übertemperatur mit einem einzigen Ver­ polschutz-Halbleiter 34 gegenüber Übertemperatur geschützt werden können. Die erhöhten Kosten eines Verpolschutz- Halbleiters 34 mit einem integrierten Übertemperaturschutz 35 und der höhere Durchlaßwiderstand im leitenden Zustand des Verpolschutz-Halbleiters 34 mit integriertem Übertempe­ raturschutz 35 gegenüber einem Verpolschutz-Halbleiter ohne den integrierten Übertemperaturschutz 35 treten nur einmal auf und können hinsichtlich des erhöhten Durchlaßwiderstands bei vergleichbarer Bauform durch eine entsprechende Schal­ tungsauslegung berücksichtigt werden.

Der integrierte Übertemperaturschutz 35 benötigt im einge­ schalteten Zustand einen Betriebsstrom, der von der Strom­ quelle 33 zur Verfügung gestellt wird. Die Stromquelle 33 kann im einfachsten Fall als ohmscher Widerstand realisiert sein. Die auf dem Markt erhältlichen Feldeffekttransistoren mit integriertem Übertemperaturschutz 35, die als Verpol­ schutz-Halbleiter 34 geeignet sind, werden beispielsweise als TEMPFET, MITFET oder OMNIFET bezeichnet. Der TEMPFET 34 benötigt bei Temperaturen unterhalb der vom integrierten Übertemperaturschutz 35 festgelegten Grenztemperatur einen Betriebsstrom, der beispielsweise im µA-Bereich liegt. Wird dagegen die Grenztemperatur vom integrierten Übertemperatur­ schutz 35 überschritten, kann dieser Zustand vom TEMPFET nach außen signalsiert werden durch ein Niederohmigwerden des integrierten Übertemperaturschutzes 35, der zu einem er­ höhten Stromfluß am Steueranschluß 37 führt. Der erhöhte Strom kann im mA-Bereich liegen. Anstelle der Detektion des Stromes, die gleichfalls möglich ist, wird im Ausführungs­ beispiel anstelle des Stroms am Steueranschluß 37 aufgrund der Stromquelle 33 eine Spannung bereitgestellt, die der Komparator 38 bewertet. Die Schaltschwelle des Komparators 38 ist auf die zu erwartenden Spannungsänderungen abzustim­ men.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel vergleicht der Komparator die Spannung am Steueranschluß 37 mit der Spannung an der Minusleitung 14, an der die Source des TEMPFET angeschlossen ist.

Der Komparator 38 kann beispielsweise auch als Transistor realisiert sein, wobei die Schwellenspannung von der Basis- Emitter-Spannung für ein Durchschalten des Transistors fest­ gelegt ist. Eine Anpassung ist mittels ohmscher Widerstände ohne weiteres möglich. Eine besonders einfache Realisierung wird erhalten bei der Verwendung eines pnp-Transistors, des­ sen Emitter an der Plusleitung 13 angeschlossen ist.

Das Abschaltsignal 39 des Komparators 38 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel der Ansteuerschaltung 26 zugeführt. Bei einem auftretenden Abschaltsignal 39 legt die Ansteuerschal­ tung 26 unabhängig von ihrem Eingangssignal 31, mit dem die Steuersignale 27-30 der Endstufen-Halbleiter 18-21 an sich festgelegt werden, die Steuersignale 27-30 auf Werte fest, bei denen die Endstufen-Halbleiter 18-21 abgeschal­ tet sind. Das Abschaltsignal 39 kann anstelle des Eingriffs innerhalb der Ansteuerschaltung 26 auch unmittelbar zum Be­ einflussen der Steuersignale 27-30 herangezogen werden. Eine mögliche Realisierung kann ein Kurzschliessen der Steu­ ersignale 27-30 gegen die Minusleitung 14 mittels Schalt­ transistoren vorsehen.

Die im TEMPFET 34 enthaltene parasitäre Diode 36 stört die Verpolschutzwirkung nicht. Bei einem verpolten Anschliessen der Plusklemme 15 und der Minusklemme 16 an die Energiequel­ le 17 führt dazu, dass die parasitäre Diode 36 sperrt. Bei einem polrichtigen Anschluß leitet die parasitäre Diode 36 und ermöglicht eine Inbetriebnahme der Last 10. Bei einem polrichtigen Anschluß wird die parasitäre Diode 36 über­ brückt durch ein vollständiges Durchschalten des TEMPFET's 34, der im durchgeschalteten Zustand einen erheblich gerin­ geren Durchlaßwiderstand als die parasitäre Diode 36 auf­ weist.

Claims (10)

1. Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Last (10), mit mindestens einem Endstufen-Halbleiter (18-21) und mit einem Verpolschutz (32), dadurch gekennzeichnet, dass der Verpolschutz (32) einen Verpolschutz-Halbleiter (34) mit integriertem Übertemperaturschutz (35) enthält.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass als Verpolschutz-Halbleiter (34) mit integrier­ tem Übertemperaturschutz ein Feldeffekttransistor vorge­ sehen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass als Verpolschutz-Halbleiter (34) ein in einer Minusleitung (14) der Schaltungsanordnung ange­ ordneter n-Kanal-Feldeffekttransistor vorgesehen ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Steueranschluß (37) des Verpol­ schutz-Halbleiters (34) über eine Stromquelle (33) mit elektrischer Energie versorgt ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, dass die Stromquelle (33) ein ohmscher Widerstand ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass der Steueranschluß (37) des Verpolschutz-Halbleiters (34) mit einem Komparator (38) verbunden ist, der ein Abschaltsignal (39) bereit­ stellt.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, dass der Komparator (38) als ein Transistor reali­ siert ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, dass ein pnp-Transistor als Komparator (38) vorgese­ hen ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Abschaltsignal (39) einer Ansteu­ erschaltung (26) der Endstufen-Halbleiter (18-21) zuge­ führt ist und dass das Abschaltsignal (39) die Ansteuer­ schaltung (26) zum Abschalten der Steuersignale (27-30) der Endstufen-Halbleiter (18-21) veranlaßt.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Abschaltsignal (39) unmittelbar zum Abschalten der Steuersignale (27-30) der Endstufen- Halbleiter (18-21) herangezogen ist.