DE19619120A1 - Schaltvorrichtung mit Leistungs-FET und Kurzschlußerkennung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung mit einem Leistungs-FET, der zum Schalten eines durch eine Last, die zwischen einen Betriebsspannungs­ anschluß und den Drain-Anschluß des Leistungs-FET gekoppelt ist, fließenden Stroms bestimmt ist, und vor dessen Gate-Anschluß ein Vorwiderstand ge­ schaltet ist, dessen dem Gate-Anschluß abgewandten Anschluß eine Steuer­ spannung für den Leistungs-FET zuführbar ist, mit einer Vorrichtung zum Er­ kennen eines durch den Leistungs-FET fließenden Kurzschlußstroms, die bei einem Kurzschluß ein Ausgangssignal erzeugt, das zum Abschalten des Lei­ stungs-FET bestimmt ist, wobei die Vorrichtung zum Erkennen des Kurz­ schlusses einen dem Source-Anschluß des Leistungs-FETs nachgeschalteten Shunt-Widerstand aufweist und den Spannungsabfall an dem Shunt-Wider­ stand zur Stromerfassung auswertet.

Derartige Anordnungen sind bekannt. Dabei wird das den Kurzschluß anzei­ gende Ausgangssignal einer in Analogtechnik (im Gegensatz zu Digitaltech­ nik) ausgeführten Ansteuerschaltung zugeführt, die nach dem Auftreten des genannten Ausgangssignals in kürzester Zeit den FET abschaltet, so daß Schäden am FET oder anderen Schaltungskomponenten infolge des Kurz­ schlußstroms vermieden werden können.

Es wurde vom Anmelder versucht, die Ansteuerung nicht mittels einer ana­ logen Schaltung, sondern mittels einer einen Mikroprozessor enthaltenden Schaltung auszuführen, der zwar beim Auftreten des den Kurzschluß anzei­ genden Signals, z. B. mittels eines dem Mikroprozessor zugeführten Inter­ rupt-Signals den FET schnellstmöglich abschaltet, aber nicht so schnell ab­ schalten kann wie die herkömmlichen analogen Schaltungen. Es wurde zu­ nächst angenommen, daß die Größe des im Kurzschlußfall auftretenden Überstroms durch den am Shunt-Widerstand entstehenden Spannungsabfall infolge des großen Stroms auf zulässige Werte begrenzt wird, weil ja dieser Spannungsabfall die am FET wirksame Steuerspannung zwischen Source-An­ schluß und Gate-Anschluß verringert. In einer Untersuchung konnte dies aber nicht bestätigt werden, im Gegenteil, im ersten Moment nach Anlegen des Kurzschlusses war ein extrem hoher Kurzschlußstrom zu beobachten. Ur­ sache hierfür sind die Gate-Source-Kapazität und der Gate-Vorwiderstand. Über die Kapazität werden bei schnellem Spannungsanstieg an Source, was im Kurzschlußfall ja zutrifft, Ladungen ins Gate gepumpt, die wegen des Gate-Vorwiderstandes nicht abfließen können, die Gate-Spannung erhöht sich demzufolge über die Ansteuerspannung hinaus, die strombegrenzende Wirkung des Spannungsanstieges an Source wird somit nicht wirksam.

Abhilfe könnte zum einen der Entfall oder eine Reduzierung des Gate-Vor- Widerstandes bringen, die ins Gate gepumpten Ladungsträger fließen dann - bei geeignetem Aufbau - schnell in die Ansteuerschaltung ab, die strombe­ grenzende Wirkung des Spannungsanstieges an Source wird somit wirksam. Dabei treten jedoch durch das plötzliche Einschalten und Ausschalten des Leistungs-FET elektromagnetische Störungen auf, die die Eignung der Schal­ tung unter den Gesichtspunkten der EMV (elektromagnetische Verträglich­ keit) nur mit zusätzlichen Bauelementen zur Entstörung möglich machen.

Gemäß der Erfindung kann das Ansteigen der Gate-Spannung über die An­ steuerspannung hinaus durch eine einfache Klemmschaltung verhindert werden, indem an dem Gate-Anschluß eine Klemm-Diode mit ihrem einen Anschluß angeschlossen ist, deren anderer Anschluß im Betrieb an einer konstanten Klemm-Spannung liegt, die die selbe Polarität wie die Steuer­ spannung bei vollständig leitend geschaltetem Leistungs-FET hat, und daß die Klemm-Spannung und der Shunt-Widerstand so bemessen sind, daß bei einem plötzlichen Kurzschluß zwischen dem Drain-Anschluß und dem Be­ triebsspannungsanschluß der durch den Leistungs-FET fließende Strom durch die vom Spannungsabfall an dem Shunt-Widerstand bewirkte Ände­ rung der Source-Spannung auf einen solchen Wert begrenzt wird, daß inner­ halb einer Zeitspanne, die für das Abschalten des Leistungs-FET aufgrund des Ausgangssignals der Vorrichtung zum Erkennen eines Kurzschlusses be­ nötigt wird, eine Beschädigung des Leistungs-FET und/oder anderer Schal­ tungselemente durch den Kurzschluß verhindert wird.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß auch bei sehr plötzlich auftreten­ den Kurzschlüssen eine Strombegrenzung des durch den FET fließenden Stroms infolge des plötzlich ansteigenden Spannungsabfalls an dem Shunt- Widerstand praktisch unverzögert eintritt. Dadurch kann bei geeigneter Di­ mensionierung der Strom auf solche Werte verringert werden, daß Schäden in der Zeit, bis die Ansteuerschaltung den FET durch Absenken seiner Steuerspannung abschaltet, nicht zu befürchten sind, selbst wenn diese Zeit bis zum Abschalten erheblich länger sein sollte als bei herkömmlichen An­ steuerschaltungen in Analogtechnik.

Bei der Erfindung ist weiter von Vorteil, daß der dem Gate-Anschluß vorge­ schaltete Vorwiderstand beim Steuern des FET in Sperr-Richtung ein ver­ langsamtes Abschalten des FET bewirkt, was elektromagnetische Störungen verringert. Durch die Erfindung wird sichergestellt, daß bei geeigneter Di­ mensionierung im Kurzschlußfall ein derartiges verlangsamtes Abschalten keine Zerstörungen zur Folge hat.

Bei der im Ausführungsbeispiel gezeigten Schaltung tritt auch beim Lei­ tendsteuern des FET durch den Vorwiderstand eine Verlangsamung des Übergangs vom gesperrten in den leitenden Zustand ein, dies ebenfalls aus Gründen der Verminderung von elektromagnetischen Störungen. Wenn in besonderen Fällen der Einschaltvorgang des FET besonders schnell erfolgen soll, so könnte der Vorwiderstand bei der im Ausführungsbeispiel gezeigten Schaltung mit den dort gewählten Polaritäten der verschiedenen Spannun­ gen durch eine Diode überbrückt sein, deren Kathode mit dem Gate-An­ schluß des FET verbunden ist.

Die Spannungsbegrenzung am Gate wird durch die Klemm-Spannung und die Schwellenspannung der Klemm-Diode beeinflußt.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der Leistungs-FET ein zur An­ steuerung mittels digitaler Schaltungen ausgebildeter FET. Ein solcher FET ist für eine Gate-Spannung von 5 V zum vollständigen Erreichen des leiten­ den Zustands ausgebildet, und hat beispielsweise bei 3 V Gate-Spannung be­ reits einen für die Strombegrenzung deutlich wirksamen Innenwiderstand. ln diesem Fall kann die Anordnung so getroffen sein, daß der Shunt-Wider­ stand so bemessen wird, daß an ihm beim einem erhöhten Strom, der bis zum vollständigen Abschalten des FET im Kurzschlußfall toleriert werden soll, eine Spannung von 2 V abfällt, so daß zwischen Source und Gate noch eine Spannung von 3 V wirksam ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfol­ genden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, und aus den An­ sprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu meh­ reren in beliebiger Kombination bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltung,

Fig. 2a ein Zeitdiagramm der zwischen Gate und Source wirksamen Steuerspannung im leitenden Zustand und bei einem auftre­ tenden Kurzschluß, mit und ohne Klemm-Diode,

Fig. 2b den durch den Shunt-Widerstand fließenden Strom in Abhän­ gigkeit von der Zeit in einer der Fig. 2a entsprechenden Dar­ stellung.

Die in Fig. 1 gezeigte Schaltung ist zur Verwendung in der Kraftfahrzeug­ elektrik oder Kraftfahrzeugelektronik vorgesehen und arbeitet daher im Beispiel mit einer Betriebsspannung von 12 V. Die Schaltung weist einen Lei­ stungs-Feldeffekttransistor auf, nachfolgend FET 1 genannt. Zwischen des­ sen Source-Anschluß S und Masse ist ein Shunt-Widerstand 3. Der Drain-An­ schluß D des FET 1 ist über eine mittels des FET 1 mit Strom zu versorgende Last 5 mit einer Klemme UB verbunden, die im Betrieb an der positiven Be­ triebsspannung von 12 V liegt. Die Last 5 ist durch einen ohmschen Wider­ stand mit dem Wert von 10 Ohm symbolisiert. Es kann sich hierbei tatsäch­ lich um eine Lampe oder um einen anderen elektrischen Verbraucher han­ deln. Der Einfachheit halber ist ein Verbraucher mit ohmschem Widerstand angenommen, die Anordnung könnte aber auch einen Verbraucher mit in­ duktivem Widerstand betreiben, z. B. eine Magnetspule. Es versteht sich, daß es im Fall einer induktiven Last zweckmäßig sein kann, weitere Schaltungs­ maßnahmen vorzusehen, beispielsweise in bekannter Weise eine der Last parallel geschaltete Freilaufdiode vorzusehen.

Am Gate-Anschluß G des FET 1 ist einerseits einen Klemm-Diode 7 mit ihrer Anode angeschlossen, deren Kathode an einer Spannung von 5 V liegt, an­ dererseits ein Vorwiderstand 9, dessen anderer Anschluß den Eingang für eine Steuerspannung bildet, die von einer Ansteuerschaltung zu liefern ist. Am Source-Anschluß S ist eine Schwellenwertschaltung angeschlossen, die dann, wenn die Spannung am Source-Anschluß S den Wert von 0,5 V über­ schreitet, an einem Ausgang INT ein negatives Signal abgibt, das dafür ge­ dacht ist, einer Ansteuerschaltung zugeführt zu werden, die den FET durch Änderung der Steuerspannung abschaltet.

Die Schwellenwertschaltung weist einen Operationsverstärker 15 auf. Sein invertierender Eingang ist über einen Widerstand 17 mit dem Verbindungs­ punkt zwischen dem Source-Anschluß S des FET 1 und dem Shunt-Wider­ stand 3 verbunden. Dessen nicht-invertierendem Eingang wird über einen Widerstand 25 eine Schwellenspannung von 0,5 V zugeführt und anderer­ seits über einen Mitkopplungswiderstand 19 mit dem Ausgang des Opera­ tionsverstärkers 15 verbunden, der auch der Ausgang der Schwellenwert­ schaltung ist. An diesem ist über einen Widerstand 21 eine Spannung von 5 V angeschlossen. Der Mitkopplungswiderstand 19 bewirkt zusammen mit dem Widerstand 25 eine Hysterese der Schwellenwertschaltung.

Im Ausführungsbeispiel ist der FET 1 vom TYP IRLR024, die Klemm-Diode 7 vom TYP IN4148, der Operationsverstärker 15 vom Typ LM2901; der Shunt­ widerstand 3 hat einen Wert von 0,22 Ohm, der Vorwiderstand 9 hat einen Wert von 10 Kiloohm, der Widerstand 17 hat 10 Kiloohm, der Widerstand 19 hat 330 Kiloohm, der Widerstand 21 hat 1 Kiloohm. Der Operationsverstärker 15 liegt an einer Versorgungsspannung von 10 V, der Widerstand 25 hat 1 Kiloohm.

Das Ansteuersignal, das dem Vorwiderstand 9 zum Schalten des FET 1 zuge­ führt wird, wird von einem Mikroprozessor geliefert und beträgt für den Sperrzustand des FET 1 0 V und für den leitenden Zustand 5 V. Unter Be­ rücksichtigung der Schwellenspannung von etwa 0,5 V (wegen der sehr ge­ ringen Ströme) der Klemm-Diode 7 wird die am Gate G des FET 1 wirksame Spannung gegenüber Masse auf etwa maximal 5,5 V (im Falle eines Kurz­ schlusses) begrenzt.

Die Schwellenwertschaltung spricht bei einem durch den Shunt-Widerstand 3 fließenden Strom von etwa (0,5 V/0,22 Ohm =) 2,3 A an.

Der Strom im Falle eines Kurzschlusses wird auf 10 A begrenzt. Dann beträgt die am Shunt-Widerstand 3 abfallende Spannung 2,2 V und die maximale Gate-Source-Spannung beträgt 5,5 V - 2,2 V = 3,3 V.

Fig. 2a zeigt den prinzipiellen Verlauf der Spannung am Gate gegenüber Masse einmal ohne Klemm-Diode (Kurve a) und einmal mit Klemm-Diode (Kurve b). Man erkennt, daß im Fall ohne Klemm-Diode die zunächst 5 V be­ tragende Gate-Spannung beim Auftreten eines Kurzschlusses auf 8,5 V an­ steigt, entsprechend einem Anstieg der Source-Spannung gegenüber Masse um 4 V bei einem Kurzschlußstrom von etwa 20 A (siehe hierzu auch Fig. 2b). Dagegen ist mit Klemm-Diode nur ein ganz geringfügiger Spannungsanstieg am Gate bei dem auftretenden Kurzschluß vorhanden und dementspre­ chend fließt gemäß Fig. 2b gegenüber dem normalen leitenden Zustand des FET 1 von 1 A nur ein erhöhter Strom in Kurzschlußfall von etwa 10 A. t1 ist der Zeitpunkt des Kurzschlusses, t2 der Zeitpunkt der Abschaltung des FET 1. Halbierter Kurzschlußstrom entspricht halbierter Verlustleistung im Fet (P = U · I) bzw. 1/4 im Shunt (P = I²· R). Das ermöglicht kostengünstigere Bauteile.

Zur Erfindung gehören auch Ausführungsformen, bei denen die Begren­ zung der Gate-Spannung auf Ansteuerpotential durch ein anderes Begren­ zungselement, z. B. eine geeignet gewählte Zenerdiode, die von Gate nach Masse geschaltet ist, erfolgt.

Claims (2)

1. Schaltvorrichtung mit einem Leistungs-FET, der zum Schalten eines durch eine Last, die zwischen einen Betriebsspannungsanschluß und den Drain-An­ schluß des Leistungs-FET gekoppelt ist, fließenden Stroms bestimmt ist, und vor dessen Gate-Anschluß ein Vorwiderstand geschaltet ist, dessen dem Gate-Anschluß abgewandten Anschluß eine Steuerspannung für den Lei­ stungs-FET zuführbar ist, mit einer Vorrichtung zum Erkennen eines durch den Leistungs-FET fließenden Kurzschlußstroms, die bei einem Kurzschluß ein Ausgangssignal erzeugt, das zum Abschalten des Leistungs-FET bestimmt ist, wobei die Vorrichtung zum Erkennen des Kurzschlusses einen dem Source-Anschluß des Leistungs-FETs nachgeschalteten Shunt-Widerstand auf­ weist und den Spannungsabfall an dem Shunt-Widerstand zur Stromerfas­ sung auswertet, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Gateanschluß eine Klemm-Diode (7) mit ihrem einen Anschluß angeschlossen ist, deren anderer Anschluß im Betrieb an einer konstanten Klemm-Spannung liegt, die die selbe Polarität wie die Steuerspannung bei vollständig leitend geschaltetem Leistungs-FET (1) hat, und daß die Klemm-Spannung und der Shunt-Wider­ stand (3) so bemessen sind, daß bei einem plötzlichen Kurzschluß zwischen dem Drain-Anschluß und dem Betriebsspannungsanschluß der durch den Leistungs-FET (1) fließende Strom durch die vom Spannungsabfall an dem Shunt-Widerstand (3) bewirkte Änderung der Source-Spannung auf einen solchen Wert begrenzt wird, daß innerhalb einer Zeitspanne, die für das Ab­ schalten des Leistungs-FET (1) aufgrund des Ausgangssignals der Vorrichtung zum Erkennen eines Kurzschlusses benötigt wird, eine Beschädigung des Leistungs-FET und/oder anderer Schaltungselemente durch den Kurzschluß verhindert wird.

2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lei­ stungs-FET (1) zur Ansteuerung mittels digitaler Schaltungen ausgebildet ist.