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Dokumentenidentifikation DE102006047243A1 22.11.2007
Titel Bordnetz mit mindestens einem Leistungstransistor und Verfahren zum Schutz eines Bordnetzes
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Graf, Alfons, Dr.-Ing., 86916 Kaufering, DE;
Arndt, Christian, Dipl.-Ing., 81477 München, DE
Vertreter Schweiger & Partner, 80333 München
DE-Anmeldedatum 04.10.2006
DE-Aktenzeichen 102006047243
Offenlegungstag 22.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.11.2007
IPC-Hauptklasse H02H 9/04(2006.01)A, F, I, 20061004, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B60R 16/03(2006.01)A, L, I, 20061004, B, H, DE   H03K 17/082(2006.01)A, L, I, 20061004, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Bordnetz (1) mit mindestens einem feldeffektgesteuertem Leistungstransistor (2), der eine Bordnetzversorgungsspannung VBB bei Ansteuerung durch eine Logikschaltung (3) an eine Last (4) legt. Der Leistungstransistor (2) weist dazu eine Drain-Source-Durchbruchspannung VDS mit einem positiven Temperaturkoeffizienten TKDS auf und ist mit einem Klemmmittel zum Schutz vor im Bordnetz auftretenden Überspannungen VÜ versehen. Das Klemmmittel weist eine Klemmspannung VCLAMP mit einem positiven Temperaturkoeffizienten TKCLAMP ≈ TKDS auf, wobei die Klemmspannung VCLAMP kleiner oder gleich einer zu erwartenden maximalen Überspannung VÜmax in dem Bordnetz (1) ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Bordnetz, insbesondere ein Kfz-Bordnetz, mit mindestens einem feldeffektgesteuerten Leistungstransistor, der eine Bordnetzversorgungsspannung VBB bei Ansteuerung durch eine Logikschaltung an eine Last legt, wobei der Leistungstransistor eine Drain-Source-Durchbruchspannung VDS mit einem positivem Temperaturkoeffizienten TKDS aufweist. Ferner ist der Leistungstransistor mit einem Klemmmittel zum Schutz vor im Bordnetz auftretenden Überspannungen VÜ versehen.

Insbesondere im Kfz-Bordnetzen spielt der so genannte Loaddump-Fall (nachfolgend Lastabwurf genannt) eine wichtige Rolle bei der Spezifikation der Anforderungen an die im Bordnetz eingesetzten Leistungstransistoren.

Dieser Lastabwurf tritt dann ein, wenn im Kraftfahrzeug die Verbindung zur Autobatterie ausfällt. Der von der Lichtmaschine bereit gestellte Ladestrom fließt über eine Zeit von einigen hundert Millisekunden weiter und muss von der Automobilelektronik abgefangen bzw. aufgenommen werden, bis eine Regelung anspricht und den Ladestrom von der Lichtmaschine des Kraftfahrzeugs voll regelt.

In dieser Zeit fließt jedoch ein mittels Lastwiderständen auf eine typische Stromdichte von beispielsweise 50 A/cm2 stabilisierter Laststrom über die Leistungstransistoren, wie sie in den 1A und 1B dargestellt wird. Dazu ist aus dem Stand der Technik eine Zenerdiodenanordnung ZDAZ wie in 1A gezeigt und für eine Zenerspannung VZ1 wie in 1B gezeigt zwischen dem Gateanschluss G und dem Drainanschluss D vorgesehen.

Dazu weist der in 1A gezeigte Teil des herkömmlichen Bordnetzes 10 drei Eingänge und Ausgänge einer Logikschaltung 3 mit IN für eine Eingangsspannung, IS für einen Sensorausgangsstrom und SEN für eine Sensorenablespannung auf. Der über IN eingespeiste Strom in die Logikschaltung 3 wird durch einen Eingangswiderstand RIN und der Eingangsstrom vom Eingang SEN wird durch einen Sensorenablewiderstand RSEN begrenzt. Ferner sind die Eingänge IN und SEN der Logikschaltung vor Überspannungen durch eine Zenerdiodenanordnung ZDESD geschützt, die bei Überspannung die durch RIN und RSEN begrenzten Ströme zu einer internen Erdung GNDi ableiten. Außerdem kann ein durch einen Erdungswiderstand RGND begrenzter Strom beim Auftreten von Überspannungen am Bordnetzversorgungsspannungsanschluss VBB über die Zenerdiodenanordnung ZDL zur Erdung GND hin über den Erdungswiderstand RGND abgeleitet werden.

Bei einem Lastabwurf baut ein in den 1A und 1B nicht gezeigter Generator zunächst eine hohe Sperrspannung am Leistungstransistor 2 auf, wobei bei Überschreiten der in 1B gezeigten Zenerspannung VZ1 die dort gezeigte Zeneranordnung elektrisch leitend wird, so dass eine weitere Erhöhung der Sperrspannung das Gate G aufsteuert, d. h. ein Durchlassstrom durch den Leistungstransistor 2 von der Source-Leistungselektrode zu der Drain-Leistungselektrode oder umgekehrt, abhängig vom Leitungstyp des Leistungstransistors 2, fließen kann. Dieser von dem Generator getriebene Strom muss einige Zeit (beispielsweise einige 100 ms) bei hoher Spannung von dem Leistungstransistor 2 als Durchlassstrom über den Ausgangsanschluss VOUT und die Last 4 abgeführt werden und heizt dabei den Leistungstransistor 2 auf.

Um bei den maximal auftretenden Loaddump-Spannungen von ca. 40 V im Pkw-Bordnetz und ca. 58 V im Lkw-Bordnetz nicht in eine Zenerklemmung zu gehen, werden die minimalen Zenerklemmspannungen von den Leistungstransistoren im Pkw-Bordnetz mit z. B. typisch 42 V und im Lkw-Bordnetz mit z. B. typisch 60 V gewählt. Das Konzept der aktiven Zenerklemmung, wie es in den 1A und 1B gezeigt wird, hat jedoch folgende entscheidende Nachteile:

  • 1. Alle übrigen am Spannungsnetz angeschlossene Komponenten müssen ebenfalls diesen hohen Spannungsanforderungen standhalten, da der Überspannungsimpuls nicht gedämpft wird;
  • 2. Beim Auftreten einer Loaddump-Überspannung erfolgt im Pkw bis ca. 40 V kein Stromfluss, d. h. dem Überspannungsimpuls wird keine Energie entzogen, so dass die Überspannung über eine lange Zeitdauer anliegt;
  • 3. Die Durchbruchspannung VDS der verwendeten Halbleitertechnologie muss deutlich höher gewählt werden als die minimal garantierte Zenerklemmspannung unter Berücksichtigung von Streuungen, Temperaturdrifts usw. Das hat einen negativen Einfluss auf die Chipkosten. Notwendige Technologiespannungen ergeben sich somit für Pkw-Anwendungen mit 60 V und für Lkw-Anwendungen mit 80 V, was deutlich über den typischen maximal auftretenden Loaddump-Spannungen von 40 V im Pkw-Bordnetz bzw. 58 V im Lkw-Bordnetz liegt;
  • 4. Je höher die aktive Zenerklemmspannung desto höher wird auch die aufgenommene Leistung, wenn der Leistungsschalter doch in die Klemmung geht. Das führt zu einer rascheren Temperaturerhöhung und zu einer früheren Zerstörung der Leistungstransistoren.

Aus den Druckschriften US 5,115,369 und US 5,365,099 ist eine solche aktive Zenerung bekannt, bei der eine Mehrzahl von Zenerdioden monolithisch auf dem Halbleitermaterial des Leistungstransistors integriert wird. Diese Lösung hat den Nachteil, dass die benötigte Chipfläche deutlich vergrößert wird und somit die Fertigungskosten beträchtlich erhöht werden. Damit wird auch das Bauvolumen der Leistungstransistoren nachteilig vergrößert. Auch die Zuverlässigkeit von derartig hoch integrierten Leistungstransistoren erfordert einen erhöhten Analyseaufwand, wie es aus der Druckschrift von A. Castellazzi at al "Reliability Analysis and Modeling of Power MOSFETs in the 42-V PowerNet", IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 21, No. 3, Mai 2006, Seiten 603-612 bekannt ist.

Dabei sind sowohl der Logikteil als auch das Leistungshalbleiterbauelement bisher mittels der aktiven Zenerklemmung geschützt, d. h. ab einer bestimmten Zenerklemmspannung beginnt die Schutzstruktur mit einem niedrigeren Innenwiderstand zu leiten, so dass ein weiterer Spannungsanstieg am Halbleiterbauteil unterbunden wird. Die Höhe der Zenerklemmung wird dabei so gewählt, dass nur die hohen und kurzen dynamischen Überspannungen limitiert werden, nicht jedoch die statischen Überspannungsüberhöhungen, wie sie bei dem oben erwähnten Loaddump-Impuls in der Kfz-Elektronik auftreten.

Eine Klemmung im statischen Zustand bedeutet eine hohe Verlustleistung, nämlich das Produkt aus Klemmspannung mal Stromfluss, und würde die Schutzstrukturen unter Umständen thermisch zerstören. Dies ist besonders kritisch für die Klemmung des Leistungshalbleiterbauteils, weil hier der Stromfluss im Wesentlichen durch die angekoppelte Last 4, wie in 1A gezeigt, bestimmt wird. Die Klemmung des Logikteils ist relativ unkritisch, weil sie in Verbindung mit einem relativ hochohmigen strombegrenzenden Widerstand RGND, wie es 1A zeigt, erfolgt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Bordnetz mit mindestens einem Leistungstransistor anzugeben, das über eine effizientere Klemmung der Leistungstransistoren verfügt. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Schutz eines Bordnetzes unter Einsatz eines entsprechend konzipierten Leistungstransistors zu schaffen.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß wird ein Bordnetz mit mindestens einem feldeffektgesteuerten Leistungstransistor, der eine Bordnetzversorgungsspannung VBB bei Ansteuerung durch eine Logikschaltung an eine Last legt, geschaffen. Die Leistungstransistoren des Bordnetzes weisen eine Drain-Source-Durchbruchspannung VDS mit einem positiven Temperaturkoeffizienten TKDS auf und sind mit einem Klemmmittel zum Schutz vor im Bordnetz auftretenden Überspannungen VÜ versehen. Das Klemmmittel weist eine Klemmspannung VCLAMP mit einem positiven Temperaturkoeffizienten TKCLAMP auf, wobei die Klemmspannung VCLAMP kleiner oder gleich einer zu erwartenden maximalen Überspannung VÜmax in dem Bordnetz ist, und der Temperaturkoeffizient TKCLAMP ≈ TKDS, idealerweise TKCLAMP = TKDS ist.

Mit dieser Ausgestaltung ist der Vorteil verbunden, dass die Durchbruchspannung VDS des Leistungstransistors deutlich herabgesetzt werden kann. Dadurch vermindern sich die Kosten für die Herstellung des Bordnetzes drastisch, da Leistungstransistoren einer preiswerteren niedrigeren Sperrspannungsklasse und mit einem damit verbunden niedrigeren Einschaltwiderstand eingesetzt werden können. Ferner können kleinere Gehäuse für die Leistungstransistoren zum Einsatz kommen und der Raumbedarf für die Bordnetzschaltungen vermindert werden. Wie überschlägige Berechnungen, Simulationen und Demonstratoraufbauten gezeigt haben, kann der Halbleiterbedarf in Bezug auf benötigte Halbleiterfläche und Volumina um 50 % bis 70 % reduziert werden.

In einer ersten Ausführungsform der Erfindung weist der feldeffektgesteuerte Leistungstransistor als Klemmmittel Zenerdioden auf, dass sowohl die Drain-Source-Durchbruchspannung VDS als auch die Klemmspannung VCLAMP des Klemmmittels, mit der Temperaturzunahme der Betriebstemperatur steigt und den Strom durch den Leistungstransistor und durch die Last vermindert und sogar auf Null setzen kann. Die Zenerdioden sind im Gegensatz zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Zenerdiodenanordnungen nicht temperaturkompensiert, sondern deren Zenerdurchbruch ist auf den Temperaturkoeffizienten TKDS abgestimmt. Bei der inhärenten Klemmung wird der Leistungstransistor über seinen inhärenter Avalanche-Durchbruch geklemmt, d. h. der Leistungstransistor wird so dimensioniert, dass er bei Erreichen der Bedingung VCLAMP< VÜ in einen reversiblen Avalanche Betrieb übergeht.

In einer weiteren Ausführungsform ist als Klemmmittel eine auf einem Avalanche-Durchbruch basierende inhärente Klemmstruktur vorgesehen, deren Temperaturkoeffizient TKCLAMP dem Temperaturkoeffizienten TKDS des feldeffektgesteuerten Leistungstransistors entspricht, sodass in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die positiven Temperaturkoeffizienten TKCLAMP und TKDS der Klemmspannung VCLAMP und der Drain-Sourcespannung VDS mit TKCLAMP = TKDS identisch sind und die Klemmspannung VCLAMP und mit der Drain-Sourcespannung VDS synchron im Betriebstempertatturbereich ansteigen.

Dazu weist der Leistungstransistor einen positiven Temperaturkoeffizienten TKDS für eine Avalanchespannung auf, um ihn vor Überlast zu schützen. Die Avalanchespannung zur Auslösung des Avalancheeffekts im Leistungstransistor ist kleiner oder gleich der zu erwartende maximale Überspannung VÜmax in dem zu schützenden Bordnetz, so dass ein Überlaststrom sowohl durch den sich selbst schützenden Leistungstransistor mit inhärentem Klemmmittel als auch durch die mit dem Leistungstransistor gekoppelte Last abgeleitet werden kann.

Da bei der bisherigen Bordnetzstrukturierung darauf geachtet wurde, dass die Avalanchespannung auch im Lastabwurffall für den Leistungstransistor nicht erreicht wird, und da nach bisherigem Verständnis der Avalanche-Durchbruch in jedem Fall zu vermeiden war, wurden Leistungstransistoren eingesetzt, welche die kritische Stromdichte des Avalanchefalles erst bei überhöhten Spannungen erreichen, die deutlich über den maximalen Überspannungen VÜmax eines Lastabwurfs liegen, oder es wurde herkömmlich durch aktive Zenerung dafür gesorgt, dass die Klemmspannung VCLAMP kleiner als die Avalanchespannung gehalten wurde.

Außerdem kann durch Vorsehen eines inhärenten Klemmmittels im Leistungshalbleiterbauelement dafür gesorgt werden, dass der Avalanchefall dafür genutzt wird, um Überlastströme sowohl durch den sich selbst mit Hilfe des inhärenten Klemmmittels schützenden Leistungstransistor als auch durch die mit dem Leistungstransistor gekoppelte Last abzuleiten. Dazu wurden Leistungshalbleiterbauelemente entwickelt, bei denen das Auftreten von "Hot Spots" im Avalanchefall vermieden wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Bordnetz mehrere Leistungstransistoren auf, die unterschiedliche Lasten im Sperrfall abschalten und im Durchlassfall zuschalten, wobei die Leistungstransistoren mit ihrem inhärenten Klemmmittel zwischen Last und Bordnetzbetriebsspannung VBB angeordnet sind und im Überspannungsfall eines Bordnetzes bei Überschreiten der Avalanchespannung des Leistungstransistors das inhärente Klemmmittel bezüglich der Drain-Source-Spannung aktivieren und die Überspannung VÜ abbauen.

Als herausragende Applikation werden die überlastgeschützten Leistungstransistoren als Schalter und/oder als schaltende Halbleiterelemente in Highside- oder Lowsideschaltern oder in Halbbrückenschaltungen, in Vollbrückenschaltungen, in Phasenbrückenschaltungen und/oder in DC/DC-wandlern eingesetzt.

Vorzugsweise werden die überlastgeschützten Leistungstransistoren zum Starten und Generieren einer Stromversorgung des Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs eingesetzt und dienen als elektrisch unterstützte Lenkhilfen sowie der Ansteuerung verschiedener Gleichstrommotoren wie etwa Kühlerlüfter oder Fensterheber, aber auch dem Schalten einfacher Heizwiderstände, Blinkleuchten, Fernlichter, Abblendlichter, Standlichter, Klimaanlagefunktionen, Glühkerzen, Generatoren, Hydraulikventile usw. die auf einfache und raumsparende Weise über einen Leistungstransistor mit inhärentem Klemmmittel auch noch bei Überspannungen VÜ von 60 V bis 70 V versorgt werden können.

Mit Erreichen des Avalanchefalls, der erfindungsgemäß mit einer geringeren Spannung erreicht werden soll als die zu erwartenden Überspannungen VÜ ist auch die thermische Belastbarkeit der Leistungstransistoren an Temperaturschwankungen im Bordnetz zwischen –40 °C bis 350 °C angepasst. Diese hohe Temperatursicherheit zwischen –40 °C und 350 °C ist für kurzzeitige dynamisch auftretende Überbelastungen wie Kurzschluss oder Überspannungsimpulse vorgesehen. Für sonstige Temperaturbelastungen ist die thermische Belastbarkeit der Leistungstransistoren des Bordnetzes an Betriebstemperaturschwankungen zwischen –40 °C bis 150 °C angepasst.

Da die Klemmspannung VCLAMP in Form der Avalanchespannung und die Technologiespannung in Form der Durchbruchspannung VDS des Leistungstransistors in einem Leistungshalbleiterbauelement verwirklicht sind, zeigen beide Effekte, nämlich die Durchbruchspannung VDS und die Avalanchespannung, gleiches thermisches Verhalten und basieren auf einem positiven Temperaturkoeffizienten TKDS = TKCLAMP, d. h. mit zunehmender Temperatur steigt sowohl die Durchbruchspannung VDS als auch die Avalanchespannung.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Spannungsniveau der Avalanchespannung des inerten Klemmmittels des Leistungstransistors kleiner als die auftretende Loaddump-Überspannung im Lastabwurffall und größer als die maximale statische Betriebsspannung VBB. Diese maximale statische Betriebsspannung VBB kann einen Bereich bis 28 V bei Pkw-Bordnetzen und bis 34 V bei Lkw-Bordnetzen aufweisen.

Als Klemmmittel können Zenerdioden vorgesehen werden, wenn sie einen entsprechenden positiven Temperaturkoeffizienten TKCLAMP ihrer Klemmspannung VCLAMP aufweisen.

Bei einer weiteren Verfahrenvariante wird ein inhärentes Klemmmittel des Leistungstransistors eingesetzt. Dabei kann der Aufbau des Leistungstransistors derart gestaltet werden, dass mit zunehmender Temperatur auch die Drain-Source-Durchbruchspannung VDS wächst, sodass Drain-Source-Durchbruchspannung VDS und die Klemmspannung VCLAMP mit TKDS = TKCLAMP identische positive Temperaturkoeffizienten aufweisen.

Ferner kann für das Verfahren zum Schutz eines Bordnetzes ein zenereffektfreier Gate-Steuerkreis und das auf einem Avalanche-Durchbruch basierende inhärente Klemmmittel des feldeffektgesteuerten Leistungstransistors durch Bereitstellen eines Leistungstransistors mit einem positiven Temperaturkoeffizienten TKDS = TKCLAMP für eine Avalanchespannung vorgesehen werden. Damit verlaufen die temperaturabhängigen Kurven für die Durchbruchspannung VDS bzw. für die Technologiespannung und für die Avalanchespannung bzw. für die Klemmspannung VCLAMP vorzugsweise synchron und linear oder nichtlinear positiv in Abhängigkeit von der Temperatur.

Mit einem weiteren Schritt wird die Avalanchespannung derart eingestellt, dass die Avalanchespannung kleiner ist als eine zu erwartende maximale Überspannung VÜmx in dem zu schützenden Bordnetz. Das kann durch entsprechende Dotierstoffkonzentrations- und/oder Flächenanpassung des Leistungshalbleitertransistors erfolgen. In einem weiteren Anpassungsschritt wird die Drain-Source-Durchbruchspannung VDS derart angepasst, dass die Drain-Source-Durchbruchspannung VDS größer oder gleich der Avalanchespannung des inhärenten Klemmmittels in den auftretenden Betriebstemperaturintervallen ist.

Bei gleichem Verlauf von Avalanchespannung und Durchbruchspannung VDS erhöhen sich diese Spannungen synchron miteinander, wenn die Temperatur steigt, andererseits ist es auch möglich, die Drain-Source-Durchbruchspannung VDS derart anzupassen, dass sie etwas höher und größer ist als die Avalanchespannung. Ein Nebeneffekt dieses Verfahrens ist zusätzlich, dass bei den hohen Sperrströmen die Überspannungssicherung des Leistungstransistors flinker bzw. schneller wird.

Weiterhin ist es vorgesehen, dass zur Auslösung des Avalancheeffekts durch Überschreiten einer kritischen Stromdichte im Leistungstransistor die Avalanchespannung kleiner ist als eine zu erwartende maximale Überspannung VÜmax in einem der zu schützenden Bordnetze. Der Vorteil dieser Verfahrensvariante wurde bereits ausführlich besprochen und liegt im Wesentlichen darin, dass die Halbleiterchipfläche eines Leistungstransistors mit lateraler Driftstrecke bzw. die Epitaxiedicke eines Leistungstransistors mit vertikaler Driftstrecke auf die kritische Spannung für den Avalancheeffekt minimiert werden kann.

Die im Avalanchefall auftretende Verlustwärme aufgrund der Überlastströme an dem inhärenten Klemmmittel innerhalb des Leistungstransistors kann einerseits über Außenflächen der Leistungselektroden abgegeben werden, so dass der Leistungstransistor thermisch nicht überlastet wird. Andererseits ist es auch möglich, dass der Leistungstransistor mit Kühlfahnen zur Wärmeabgabe ausgestattet wird, die mit den Leistungselektroden thermisch und elektrisch gekoppelt werden.

Ferner ist bei dem Verfahren vorgesehen, dass das inhärente Klemmmittel und die thermische Leitfähigkeit des Leistungstransistors derart aufeinander abgestimmt werden, dass die Verlustenergie eines Loaddump-Vorfalls in einem Kfz-Bordnetz über den Leistungstransistor im Avalanchezustand in Zusammenwirken mit einer externen gekoppelten Last abgeleitet wird. Wie bereits oben erwähnt, kann bei diesem Verfahren der Leistungstransistor mit seiner Durchbruchspannung VDS und seiner Avalanchespannung an unterschiedliche Bordnetzspannungen VBB derart angepasst sein, dass Durchbruchspannung VDS und Avalanchespannung den Bordnetzspannungen VBB entsprechen und geringer sind als eine zu erwartende maximale Überspannung VÜmax im Bordnetz. Die möglichen Bordnetzspannungen VBB wurden bereits oben diskutiert und werden an dieser Stelle nicht wiederholt. Auch die Temperaturbereiche mit ihren thermischen Belastungen für den Leistungstransistor wurden bereits oben erwähnt und werden hier nicht noch einmal aufgeführt.

Für die unterschiedlichen Spannungsbereiche beim Pkw-Bordnetz sowie beim Lkw-Bordnetz werden die entsprechenden Spannungsniveaus der Avalanchespannung des inhärenten Klemmmittels des Leistungstransistors entsprechend derart eingestellt, dass die Avalanchespannung kleiner oder gleich der auftretende Loaddump-Überspannungen ist, um diese über den Leistungstransistor und über die nachgeschaltete Last abzuleiten.

Eine Reihe derartiger Anwendungen ist z. B. die Kraftstoffdirekteinspritzung, bei der mit Hilfe von hohen Spannungen ein schnelles Ansprechen der Einspritzventile erreicht wird. Hierzu werden Leistungstransistoren mit einer Spannungsfestigkeit über 80 V eingesetzt. Ähnliches gilt auch für Anwendungen, wo eine höhere Spannungsfestigkeit von Leistungstransistoren ausschließlich dazu benötigt wird, um Induktivitäten bei höherer Überspannung schneller zu entmagnetisieren. Hier besteht der Wunsch, dass die Avalanchespannungen der Leistungstransistoren einen Bereich von größer 60 V erreichen. Der Vollständigkeit halber kann noch erwähnt werden, dass auch zahlreiche Industriebordnetze mit Betriebsspannungen VBB von 24 V bzw. 48 V und entsprechend angepassten Leistungsschaltern mit einer entsprechenden Spannungsfestigkeit arbeiten.

Ein Vorteil angepasster Klemmspannungen VCLAMP für ein Bordnetz liegt darin, dass die Chipfläche für den Leistungstransistor von der Bordnetzbetriebsspannung VBB abhängig ist und bei unveränderter Schaltleistung mit zunehmender Betriebspannung VBB abnimmt, zumal die notwendige Leitfähigkeit eines Leistungstransistors quadratisch mit der Bordnetzbetriebsspannung VBB abnimmt, weshalb die resultierende Halbleiterchipfläche des Leistungstransistors drastisch reduziert werden kann.

Da durch die neue Halbleiterlösung der Aufwand für eine überlastgeschützte Ansteuerschaltung gemindert werden kann und aktive Zenerklemmungen für viele der Leistungstransistoren eines Bordnetzes in einer Ausführungsform der Erfindung entfallen können, sind im Allgemeinen auch Einsparungen bei den Verbindungsleitungen im Bordnetz möglich. Zudem bieten die Bordnetze mit derartigen Leistungsschaltern mehr Funktionalität in Richtung der Diagnose. Durch die Möglichkeit der hier erörterten Erfindung, kleinere Chipflächen in kleineren Gehäusen anzuwenden, kann die Schaltungsplatine für das Bordnetz deutlich kompaktiert werden.

Durch die Selbstschutzmaßnahmen des Leistungstransistors auch bei energiearmen dynamischen Überspannungen, wie z. B. beim Schalten von Induktivitäten, ist der Betrieb des Leistungstransistors im Avalanchebereich ein großer Vorteil, wenn gleichzeitig auch die technologiebedingte Durchbruchspannung VDS reduziert wird.

Mit diesem Verfahren wird im Bordnetz erreicht, dass beim Auftreten einer Überspannung VÜ die Last für kurze Zeit teilweise oder vollständig eingeschaltet wird. Für die meisten Lasten wie Motoren, Heizwiderstände oder größere Lampeneinheiten ist dies im Allgemeinen von Vorteil oder ohne gravierenden Nachteil. Allerdings verbietet sich diese Vorgehensweise bei sicherheitsrelevanten Anwendungen wie ABS-Ventilen.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.

1A zeigt eine Prinzipskizze eines Teils eines herkömmlichen Kfz-Bordnetzes mit einem Leistungstransistor und typischer aktiver Zenerklemmung;

1B zeigt eine typische aktive Zenerklemmung eines Smart-Leistungsschalters PROFET eines herkömmlichen Kfz-Bordnetzes gemäß 1A;

2 zeigt ein schematisches Diagramm eines linearen temperaturabhängigen Verlaufs einer Durchbruchspannung VDS eines Leistungstransistors und einer Avalanchespannung eines inhärenten Klemmmittels des Leistungstransistors für ein Kfz-Bordnetz;

3 zeigt ein schematisches Diagramm eines linearen temperaturabhängigen synchronen Verlaufs einer Durchbruchspannung VDS eines Leistungstransistors und einer Avalanchespannung eines inhärenten Klemmmittels des Leistungstransistors für ein Kfz-Bordnetz, wobei Durchbruchspannung VDS und Klemmspannung VCLAMP synchron miteinander verlaufen;

4 zeigt eine Prinzipskizze eines Teils eines erfindungsgemäßen Bordnetzes mit einem Leistungstransistor mit inhärentem Klemmmittel.

1A zeigt eine Prinzipskizze eines Teils eines herkömmlichen Kfz-Bordnetzes 10 mit einem Leistungstransistor 2 und typischer aktiver Zenerklemmung gemäß dem Stand der Technik, wie er bereits einleitend erörtert wurde.

1B zeigt eine typische aktive Zenerklemmung eines mit einem Logikteil 3, wie in 1A gezeigt, zusammenwirkenden Leistungstransistors eines herkömmlichen Kfz-Bordnetzes 10, wie sie bereits eingangs erörtert wurde.

2 zeigt ein schematisches Diagramm eines linearen temperaturabhängigen Verlaufs einer Durchbruchspannung VDS eines Leistungstransistors und einer Avalanchespannung eines inhärenten Klemmmittels des Leistungstransistors für ein erfindungsgemäßes Kfz-Bordnetz. Dazu ist auf der Ordinate die Betriebsspannung U in Volt V aufgetragen und auf der Abszisse die Temperatur T in °C, wobei ein Temperaturintervall von –40 °C bis +150 °C bzw. 350 °C auf der Abszisse aufgetragen ist und ein Intervall einer Spannung zwischen etwa 28 V und 40 V.

Dabei ist bei dieser erfindungsgemäßen Variante die Durchbruchspannung VDS, welche im Diagramm als Technologiespannung gekennzeichnet ist, da sie technologisch durch die Länge der Driftstrecke definiert werden kann, höher als die Avalanchespannung eines inhärenten Klemmmittels des Leistungstransistors, die in diesem Diagramm Klemmspannung VCLAMP genannt wird, wobei die Avalanchespannung einsetzt, wenn eine kritische Spannung an dem Leistungstransistor überschritten wird. Diese Avalanchespannung zeigt in diesem Diagramm eine lineare Abhängigkeit von der Temperatur T in dem Bereich von –40 °C bis 150 °C zwischen 28 V und 40 V, während die Technologiespannung bzw. die Drain-Source-Durchbruchspannung VDS darüber liegt und von etwa 35 V bei –40 °C auf etwa 45 V bei 150 °C bzw. 350 °C ansteigt.

Der in 2 zu sehende Abstand zwischen der Technologiespannung und der Klemmspannung VCLAMP bietet keinen unmittelbaren Vorteil für die Applikation in einem Kfz-Bordnetz, sondern erzeugt vielmehr zusätzliche Kosten aufgrund der Notwendigkeit einer größeren Chipfläche, um die höhere Technologiespannung zu erreichen. Die niedrigsten Kosten ergeben sich, wenn Klemmspannung VCLAMP und Technologiespannung synchron und mit minimalem Abstand verlaufen. Dies kann durch Angleichen der Technologiespannung an die Klemmspannung VCLAMP oder umgekehrt erreicht werden, indem die Halbleitertechnologie, die entsprechend angepasst wird, oder die Geometrie oder das Layout oder auch die Schaltungstechnik entsprechend variiert wird. Ferner kann der Verlauf der Technologiespannung und der Klemmspannung VCLAMP miteinander gekoppelt sein, indem z. B. eine inhärente Avalanche-Klemmung des Leistungsschalters genutzt wird.

3 zeigt ein schematisches Diagramm eines linearen temperaturabhängigen synchronen Verlaufs einer Durchbruchspannung VDS eines Leistungstransistors und einer Avalanchespannung eines inhärenten Klemmmittels des Leistungstransistors für ein Kfz-Bordnetz. Durch den synchron verlaufenden Bereich zwischen 28 V und 40 V für die Klemmspannung VCLAMP und die Technologiespannung des Leistungstransistors ist dieser für die Kfz-Anwendung optimiert. Um die Chipkosten noch weiter zu reduzieren, kann speziell in der Kfz-Anwendung die Klemmspannung VCLAMP bei –40 °C Bauteiltemperatur nicht wie in 3 gezeigt größer als 28 V eingestellt werden, sondern wird beispielsweise niedriger auf etwa 20 V gehalten. Der Hintergrund hierfür ist, dass eine Kfz-Bordnetz-Spannung von 20 V beliebig lange anliegen kann, während der sogenannte Jumpstart mit 28 V jedoch nur für ein bis zwei Minuten anliegt.

Der positive Temperaturkoeffizient TKCLAMP der Klemmspannung VCLAMP bzw. Avalanchespannung muss dann so gewählt sein, dass bei Auftreten eines für 1–2 Min. auftretenden Jumpstartimpulses von 28 V sowohl der Leistungstransistor nicht mehr als erlaubt erhitzt wird, z. B. 25 °C bzw. 150 °C bzw. 350 °C, als auch die Last nicht mehr als erlaubt mit Strom belastet wird, zumal sonst eine Zerstörung der Lampen oder ein unerwünschtes Anlaufen der Motoren auftreten kann. Der zeitliche Verlauf der Erwärmung des Leistungstransistors wird in diesen Fällen speziell auf die Applikationsanforderungen abgestimmt.

4 zeigt eine Prinzipskizze eines Teils eines erfindungsgemäßen Bordnetzes 1 mit einem Leistungstransistor 2 mit inhärentem Klemmmittel. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den 1A und 1B werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Der deutliche Unterschied zu der Prinzipskizze gemäß 1A liegt darin, dass auf jede aktive Zenerabsicherung im Gate-Steuerkreis des Leistungstransistors 2 verzichtet wird und zwischen Drain und Gate keine Kombination aus Zenerdioden und Diode parallel zum Leistungstransistor 2 geschaltet ist und somit einerseits ein zenereffektfreier Gate-Steuerkreis 5 für den Leistungstransistor 2 vorgesehen werden kann. Andererseits ist mit dem gestrichelt gezeichneten Schaltungszusatz eine Möglichkeit angedeutet, die Zenerdiode ZDL, die der aktiven Zenerung des Logik IC's dient, beizubehalten und nur die Avalanchespannung des Leistungstransistors zu reduzieren.

Damit werden nicht nur diskrete Bauelemente sondern auch die gemäß US 5,115,369 bekannten monolithisch integrierten Zenerdioden eingespart. Ferner wird von vornherein durch Ausnutzung des Avalanchefalls für den Leistungstransistor 2 ein Einsetzen des Avalanchefalls zur Ableitung einer durch Überspannung VÜ eingeprägten Energie diese über den Leistungstransistor 2 und die nachgeschaltete Last 4 abgeleitet, ohne den Leistungstransistor zu überhitzen.

1
Bordnetz (gemäß Erfindung)
2
Leistungstransistor
3
Logikschaltung
4
Last
5
Steuerkreis
10
Bordnetz (gemäß Stand der Technik)
D
Drain-Leistungselektrode
G
Gate-Leistungselektrode
GND
Erdung
GNDi
interne Erdung
IN
Eingangsspannung zur Logikschaltung
IS
Sensorspannung
RGND
Erdungswiderstand
RIN
Eingangswiderstand
RSEN
Sensorenablewiderstand
S
Source-Steuerelektrode
SEN
Sensorenablespannung
TKDS
Temperaturkoeffizient der Drain-Soursespannung
TKCLAMP
Temperaturkoeffizient der Klemmspannung
VBB
Bordnetzversorgungsspannung
VDS
Drain-Soursespannung
VOUT
Ausgangsspannung
VCLAMP
Klemmspannung
Überspannung
VÜmax
maximale Überspannung
VZ1
Zenerspannung zwischen Source und Gate
ZDL
Zenerdioden zur Klemmung der Spannung des Logik Ics
ZDAZ
Zenerdiode einer aktiven Zenerung
ZDESD
Zenerdioden für Eingangs- und Sensorspannung

  • VÜ TKDS VBB VDS VÜmax VCLAMP TKCLAMP ≈ TKDS.


Anspruch[de]
Bordnetz mit mindestens einem feldeffektgesteuerten Leistungstransistor, der eine Bordnetzversorgungsspannung VBB bei Ansteuerung durch eine Logikschaltung an eine Last legt, mit folgenden Merkmalen:

der Leistungstransistor weist eine Drain-Source-Durchbruchspannung VDS mit einem positivem Temperaturkoeffizienten TKDS auf,

der Leistungstransistor ist mit einem Klemmmittel zum Schutz vor im Bordnetz auftretenden Überspannungen VÜ versehen, wobei das Klemmmittel eine Klemmspannung VCLAMP mit einem positiven Temperaturkoeffizienten TKCLAMP ≈ TKDS aufweist und die Klemmspannung VCLAMP kleiner oder gleich einer zu erwartenden maximalen Überspannung VÜmx in dem Bordnetz ist.
Bordnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Klemmmittel eine Klemmspannung VCLAMP mit dem gleichen positiven Temperaturkoeffizienten TKCLAMP wie die Drain-Source-Durchbruchspannung VDS aufweist, sodass die Temperaturkoeffizienten TKCLAMP und TKDS mit TKCLAMP = TKDs identisch sind. Bordnetz nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Klemmmittel zumindest eine Zenerdiode vorgesehen ist. Bordnetz nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Klemmmittel ein auf einem Avalanche-Durchbruch basierende inhärente Klemmstruktur des feldeffektgesteuerten Leistungstransistors (2) vorgesehen ist. Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungstransistor einen positiven Temperaturkoeffizienten TKDS = TKCLAMP für eine Avalanchespannung aufweist, um ihn vor Überlast zu schützen, und wobei die Avalanchespannung zur Auslösung des Avalancheeffekts im Leistungstransistor kleiner oder gleich der zu erwartende maximale Überspannung VÜmx in dem zu schützenden Bordnetz (1) ist, so dass ein Überlaststrom sowohl durch den sich selbst schützenden Leistungstransistor (2) mit inhärentem Klemmmittel als auch durch die mit dem Leistungstransistor (2) gekoppelte Last (4) abgeleitet werden kann. Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bordnetz (1) mehrere Leistungstransistoren (2) aufweist, die unterschiedliche Lasten (4) im Sperrfall abschalten und im Durchlassfall zuschalten, wobei die Leistungstransistoren (2) mit ihrem inhärenten Klemmmittel zwischen Last (4) und Bordnetz (1) angeordnet sind und im Überspannungsfall eines Bordnetzes (1) bei Überschreiten der Avalanchespannung des Leistungstransistors (2) das inhärente Klemmmittel aktivieren und eine Überspannung VÜ abbauen. Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bordnetz überlastgeschützte Leistungstransistoren als Schalter und/oder als schaltende Halbleiterelemente in Halbbrückenschaltungen, in Vollbrückenschaltungen, in Phasenbrückenschaltungen und/oder in DC/DC-Wandlern aufweist. Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bordnetz (1) als Lasten (4), Blinkleuchten, Fernlicht, Abblendlicht, Standlicht, Klimaanlage, Heizwiderstände, Glühkerzen, Generatoren, Gleichstrommotoren, Hydraulikventile, aufweist. Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Belastbarkeit der Leistungstransistoren (2) an Betriebstemperaturschwankungen im Bordnetz zwischen –40 °C bis 350 °C angepasst ist. Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Belastbarkeit der Leistungstransistoren (2) an Betriebstemperaturschwankungen im Bordnetz zwischen –40 °C bis 150 °C angepasst ist. Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungsniveau der Avalanchespannung des inhärenten Klemmmittels des Leistungstransistors (2) kleiner oder gleich der auftretenden Loaddump-Überspannung und größer als die maximale statische Bordnetzversorgungsspannung VBB ist. Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Temperaturbereich von –40 °C bis 25 °C die Avalanchespannung kleiner als die maximale statische Bordnetzspannung VBB sein kann und bei 25 °C und höheren Temperaturen größer als VBB ist. Bordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungstransistor (2) derart strukturiert ist, dass bei Loaddump-Überspannung im Bordnetz ein inhärent kontrollierter Strom über den geklemmten Leistungstransistor (2) und über die Last (4) fließt. Verfahren zum Schutz eines Bordnetzes (1) unter Einsatz eines Leistungstransistors (2) mit folgenden Verfahrensschritten:

– Bereitstellen eines feldeffektgesteuerten Leistungstransistors (2) mit positivem Temperaturkoeffizienten TKDS seiner Drain-Source-Durchbruchspannung VDS, der eine Bordnetz-Versorgungsspannung VBB bei Ansteuerung durch eine Logikschaltung (3) an eine Last (4) legt,

– Vorsehen eines Klemmmittels mit positivem Temperaturkoeffizienten TKCLAMP der Klemmspannung VCLAMP als Überlastschutz des Leistungstransistors bei maximalen Überspannungen VÜmax;

– Anpassen der Klemmspannung VCLAMP, so dass bei allen Betriebstemperaturschwankungen TKCLAMP ≈ TKDS ist und die Beziehung VCLAMP ≤ VÜmax erfüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Klemmmittel Zehnerdioden vorgesehen werden. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Klemmmittel der Avalanche-Effekt eines inhärenten Klemmmittels des feldeffektgesteuerten Leistungstransistors (2) mit einem positiven Temperaturkoeffizienten und TKDS = TKCLAMP für eine Avalanchespannung genutzt wird. Verfahren nach Anspruch 14 oder Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leistungstransistors eingesetzt wird, dessen Avalanchespannung kleiner oder gleich der zu erwartende maximalen Überspannung VÜmax in dem zu schützenden Bordnetz (1) ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 14, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Drain-Source-Durchbruchspannung VDS synchron mit der Avalanchespannung in den auftretenden Betriebstemperaturintervallen bei zunehmender Betriebstemperatur zunimmt. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die im Überlastfall an dem Leistungstransistor (2) auftretende Verlustwärme innerhalb des Leistungstransistors über Außenflächen der Leistungselektroden (S, D) abgegeben wird, wobei der Leistungstransistor (2) thermisch nicht überlastet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungstransistor (2) mit Kühlfahnen zur Wärmeabgabe ausgestattet wird, die mit den Leistungselektroden (S, D) thermisch und elektrisch gekoppelt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das inhärente Klemmmittel und die thermische Leitfähigkeit des Leistungstransistor (2) derart aufeinander abgestimmt werden, dass die Überspannungsenergie eines Loaddump-Vorfalls in einem Kfz-Bordnetz über den Leistungstransistor (2) im Avalanchezustand in Zusammenwirken mit einer externen Last (4) abgeleitet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Belastbarkeit des Leistungstransistors (2) an Betriebstemperaturschwankungen im Bordnetz zwischen –40 °C bis 350 °C angepasst wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Belastbarkeit des Leistungstransistors (2) an Betriebstemperaturschwankungen im Bordnetz zwischen –40 °C bis 150 °C des Bordnetzes angepasst wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 14, 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungsniveau der Avalanchespannung des inhärenten Klemmmittels des Leistungstransistors (2) kleiner als die auftretende Loaddump-Überspannung und größer als die maximale statische Bordnetzversorgungsspannung VBB vorgesehen wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 14, 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungstransistor (2) derart strukturiert wird, dass bei Loaddump-Überspannung im Bordnetz ein inhärent kontrollierter Strom über den gesperrten Leistungstransistor (2) und über eine nachgeschaltete Last (4) fließt. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Überspannung VÜ größer als die inhärente Klemmspannung VCLAMP ein Stromfluss über Leistungstransistor und Last stattfindet, wodurch sich der Leistungstransistor erwärmt und die Klemmspannung steigt, was zu einer Reduzierung des Stroms führt, wodurch die weitere Erwärmung verlangsamt wird bis die Klemmspannung die maximale Überspannung VÜmax erreicht, und der Stromfluss zu null wird, sodass keine weitere Erwärmung mehr stattfindet, und sich ein Selbstschutz des Halbleiters einstellt.






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