Endstufe mit Zenerspannungs-Symmetrierung

Die Erfindung betrifft eine Endstufe bzw. eine Schalt- Endstufe zum Schalten induktiver Lasten mit wenigstens zwei parallel geschalteten Einzelendstufen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Stand der Technik

Moderne Fahrzeuge sind mit einer Vielzahl von Relais, Ventilen und anderen Bauelementen ausgestattet, die bezüglich ihrer elektrischen Eigenschaften ohmsch- induktive Lasten darstellen. Zum Schalten dieser Elemente sind sogenannte Schalt-Endstufen vorgesehen, deren Transistoren je nach zu schaltender Leistung unterschiedlich groß ausgelegt sind. Die Transistoren sind in Spannungsgegenkopplung (als Dioden) geschaltet, wobei im Gegenkopplungspfad ein Bauelement angeschlossen ist, das die Zenerspannung der Transistoren bestimmt. Beim Abschalten der induktiven Last wirken die Transistoren als Zenerdioden, die den Abschaltstrom ableiten.

Zur Erhöhung der Schaltleistung können Schalt-Endstufen prinzipiell beliebig parallel geschaltet werden. Der zulässige Schaltstrom ergibt sich dann aus der Summe der Einzel-Schaltströme der parallel geschalteten Schalt- Endstufen. Beim Abschalten erhöht sich die Abschaltenergie bzw. die Abschaltleistung jedoch nicht entsprechend der erwarteten Werte auf Grund der Parallelschaltung. Es wird also nicht die Summe der Einzel -Abschaltenergien der parallel geschalteten Einzel-Endstufen erhalten.

Dies gilt in besonders extremer Weise für eine

Parallelschaltung von Schalt-Endstufen bzw. Endstufen mit unterschiedlicher Schaltleistung oder unterschiedlicher ZenerSpannung, die beispielsweise auch toleranzbedingt auftreten kann. Bei solchen Parallelschaltungen kann zwar der zulässige Schaltstrom bzw. die zulässige Schaltleistung gesteigert werden, jedoch nicht die zulässige Abschaltleistung bzw. Abschaltenergie. Vielmehr liegt die zulässige Abschaltenergie nur in der Größenordnung der schwächsten Endstufe. Durch diese Tatsache wird der Einsatzbereich der Endstufen stark eingeschränkt und es werden heute zum Schalten von ohmsch- induktiven Lasten nur Endstufen bzw. Endstufentransistoren gleicher Leistungsklasse parallel geschaltet.

Aber selbst bei der Parallelschaltung von Endstufen gleicher Leistungsklasse können toleranzbedingte Probleme auftreten, denn heute eingesetzte Endstufen bzw. Endstufenbausteine haben auf einem monolithischen integrierten Endstufen-Chip fertigungsbedingte Toleranzen in der Zenerspannung von +/- 1.5 Volt bei gleich spezifiziertem Zenerspannungswert .

Integrierte Endstufenbausteine enthalten zur Zeit bis zu 18 Einzel-Endstufen, die zum Schalten unterschiedlicher Schaltströme ausgelegt sind. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die Belastung einzelner Transistoren der parallel geschalteten Einzel-Endstufen bzw. Einzel-Schalt- Endstufen bei einem Abschaltvorgang zu reduzieren und eine möglichst gleichmäßige Stromverteilung auf alle Transistoren der Einzel -Endstufen zu bewirken und so zu erreichen, dass die Summe der Abschaltenergie im Wesentlichen der Summe der Einzelabschaltenergien entspricht .

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale, die eine Symmetrierung der Endstufenlöschspannung bewirken.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Endstufe bzw. Schalt-Endstufe zum Schalten induktiver Lasten mit wenigstens zwei parallel geschalteten Einzel-Endstufen hat den Vorteil, dass beliebige Einzel -Endstufen, auch aus unterschiedlichen Leistungsklassen parallel geschaltet werden können, ohne dass die Einschränkung einer verminderten Abschaltenergie hinzunehmen ist. Erzielt wird dieser Vorteil, indem eine Symmetrieren der Endstufen-ZenerSpannung erfolgt. Dabei muss beim Symmetrieren die Zenerspannung unter Last und/oder Temperatur höher werden, d.h. einen positiven Last- und/oder Temperaturkoeffizienten aufweisen. In einem solchen Fall steigt die Zenerspannung so hoch, dass sie die die Höhe der Zenerspannung der parallel geschalteten Endstufe erreicht und somit diese Einzel-Endstufe ebenfalls Abschaltenergie übernehmen wird.

In besonders vorteilhafter Weise kann die ohnehin vorhandene Zenerdiode oder auch eine vorhandene Zenerkaskade ausgenutzt werden und diese in die Endstufenfläche des Chips integriert werden. Da die in Endstufen eingesetzten Zenerdioden mit den benötigten Zenerspannungen üblicher Weise ohnehin einen positiven Temperatureffekt aufweisen, erhöht sich die Zenerspannung automatisch bei heißer werdendem Transistor. Dies kann erfindungsgemäß durch entsprechende räumliche

Zuordnung von Zenerdiode und Transistor bzw. Schalttransistor ausgenutzt werden.

Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, die im Gegenkopplungspfad der Schalttransistoren vorhandenen Bauelemente, z. B. Zenerdioden in oder nahe der Halbleiter- Struktur der Schalttransistoren anzuordnen, so dass sie thermisch an die Transistoren gekoppelt sind. Dies hat

folgenden Effekt: Wenn durch einen der Transistoren ein hoher Strom fließt, wird dieser heiß und erwärmt dadurch auch die Zenerdiode . Bei Bauelementen mit positivem Temperaturkoeffizient (d.h. der Widerstand bzw. bei Zenerdioden die Durchbruchschwelle steigt mit zunehmender Temperatur) steigt dadurch ebenfalls die Zenerspannung der Endstufe. Wenn die Zenerspannung das Niveau einer anderen Endstufe, die noch nicht in den Zenerbetrieb übergegangen ist, erreicht, kann die andere Endsstufe somit ebenfalls Abschaltenergie übernehmen, wodurch diese wiederum heiß wird, usw.. Durch die thermische Kopplung der Zenerdioden an die Schalttransistoren ist es daher möglich, die Zenerspannungen der einzelnen Transistorstufen schnell aneinander anzugleichen und somit die Abschaltenergie gleichmäßig auf alle Transistoren der Schalt-Endstufe zu verteilen, ohne einzelne Transistoren zu überlasten.

Bei den im Gegenkopplungspfad angeordneten Bauelementen oder ohnehin vorhandenen Komponenten handelt es sich vorzugsweise um Zenerdioden oder thermische Widerstände.

Vorzugsweise werden Bauelemente mit einem sehr hohen Temperaturkoeffizienten, insbesondere einem exponentiellen Temperaturkoeffizienten gewählt. Dadurch gleichen sich die Zenerspannungen besonders schnell aneinander an.

In vorteilhafter Weise lasst sich die Erfindung auf eine Parallelschaltung einer Vielzahl von Einzel-Endstufen ausdehnen, wobei dann ein Transistor nach dem anderen bzw. eine Endstufe nach der anderen aufgrund der durch Erwärmung steigenden Zenerspannung Abschaltenergie übernimmt.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Figuren der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Endstufenprinzipschaltbild bei Parallelschaltung zweier Endstufen;

Fig. 2 eine Endstufe bzw. Schalt-Endstufe bei Parallelschaltung zweier Endstufen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 den Strom- und Spannungsverlauf an den Transistoren der erfindungsgemäßen Endstufenschaltung; und

Fig. 4 einen Ausschnitt eines Halbleiterchips mit einer erfindungsgemäßen Endstufe bzw. Schalt-Endstufe .

Beschreibung

Fig. 1 zeigt beispielhaft ein Endstufenprinzipschaltbild bei Parallelschaltung zweier Einzel -Endstufen, die insbesondere als IC realisiert ist. Jede der Endstufen umfasst einen Schalttransistor und eine zugehörige Diodenanordnung. Die Parallelschaltung 10 der zwei Einzel-Endstufen 10a, 10b umfasst dabei die parallel geschalteten Transistoren Ia und Ib. Im Gegenkopplungspfad der Transistoren Ia bzw. Ib ist eine Diodenanordnung 2a, 3a bzw. 2b, 3b vorhanden, die zwischen den Steueranschluß (Gate) und einen Leistungsanschluß (Drain) des Transistors Ia bzw. Ib liegt. Die Diodenanordnung 2a ,3a bzw. 2b, 3b umfasst jeweils eine in Sperrichtung geschaltete Zenerdiode 2a, 2b und eine in Flussrichtung geschaltete Diode 3a bzw. 3b.

Die Transistoren Ia, Ib werden von einem nicht dargestellten Steuergerät mittels eines Steuersignals S angesteuert, um die ohmsch- induktive Last 4 zu schalten. Die Zuführung des Signales S erfolgt über die Widerstände 6a bzw. 6b. Im eingeschalteten Zustand verteilt sich der durch die Last 4 fließende Strom I widerstandsabhängig auf die Transistoren Ia, Ib der Einzel-Endstufen 10a bzw. 10b.

Beim Abschalten der ohmsch- induktiven Last 4 muss die gespeicherte magnetische Energie der Last abgebaut werden kommt es an den Transistoren Ia, Ib zu hohen Spannungen, wodurch die Zenerdioden 2a, 2b in Sperrichtung durchbrechen. Die Transistoren Ia, Ib gehen dabei in den Zenerbetrieb über, d.h. sie wirken selbst als Zenerdioden und leiten den Strom gegen Masse GND ab, wobei die gesamte elektrische Leistung in den Transistoren Ia, Ib in Wärme umgesetzt wird.

Die Zenerdioden 2a, 2b einer Parallelschaltung 10 zweier (Schalt) -Endstufen sind üblicherweise identisch ausgelegt. Aufgrund von Diffusionsunterschieden, Materialunterschieden, Temperaturdriften, etc. können die ZenerSpannungen, also die Spannungen, bei denen die betreffende Zenerdiode 2a, 2b durchbricht, aber erheblich voneinander abweichen. In den Abschaltphasen bricht dann diejenige Zenerdiode 2a bzw. 2b mit der geringsten Zenerspannung zuerst durch. Dies führt zu einer erheblichen Belastung des zugehörigen Transistors Ia bzw. Ib, der zumindest kurzfristig die gesamte elektrische Leistung aufnehmen muss, bis der nächste Transistor in den Zenerbetrieb übergeht. Der erste Transistor Ia bzw. Ib kann dadurch geschädigt oder zerstört werden.

Fig. 2 zeigt eine Parallelschaltung 10 zweier (Schalt) - Endstufen, die im wesentlichen identisch aufgebaut ist wie im Beispiel nach Fig. 1. Bezüglich der Erläuterung der identischen Elemente wird auf die Beschreibung der Figur 1 verwiesen. Im Unterschied zur Schaltung nach Fig. 1 sind die Zenerdioden 2a bzw. 2b hier thermisch an die zugehörigen Schalttransistoren Ia bzw. Ib, beispielsweise MOSFETs gekoppelt. Die Zenerdioden 2a, 2b sind dabei nahe am zugehörigen Transistor Ia, Ib angeordnet oder Bestandteil einer entsprechenden Transistorstufe bzw. eines Chips. Die thermische Kopplung ist in Figur 2 durch gestrichelte Bereiche 13a bzw. 13b angedeutet.

Beim Abschalten der induktiven bzw. ohmsch- induktiven Last 4, also wenn das Steuersignal S auf low schaltet, muss die gespeicherte magnetische Energie bzw. die Abschaltenergie der Last abgebaut werden. Dazu wird der verwendete Schalttransistor der Endstufe als Zenerelemet benutzt. Bei mehreren parallel geschalteten Endstufen geht dabei die

Endstufe mit der geringeren ZenerSpannung, z.B. die Endstufe mit dem Schalttransistor Ia, und den Dioden 2a und 3a zuerst in den Zenerbetrieb über. Der andere Transistor Ib befindet sich dann noch im Sperrzustand, so dass der Transistor Ia kurzfristig die gesamte Verlustleistung bzw. Abschaltenergie aufnehmen muss. Aufgrund der thermischen Kopplung von Zenerdiode 2a und Schalttransistor Ia heizt sich die Zenerdiode 2a sehr schnell auf, wobei deren Zenerspannung steigt . Dadurch steigt die Zenerspannung der ersten Transistorstufe Ia, 2a, 3a. Wenn die Zenerspannung der zweiten Transistorstufe Ib, 2b, 3b erreicht ist, übernimmt diese einen Teil der Abschaltenergie. Da die Angleichung der Zenerspannungen der Transistorstufen relativ schnell geschieht, wird die zuerst durchbrechende Transistorstufe nicht überlastet und es findet eine Symmetrierung der Zenerspannung statt .

Fig. 3 zeigt den Strom- und Spannungsverlauf an Transistoren Ia bzw. Ib mit unterschiedlicher Zenerspannung (Drain-Gate- Spannung) während eines Abschaltvorgangs, in Figur 3 ist der zugehörige Bereich mit A bezeichnet. Das Bezugszeichen 9 bezeichnet den Stromverlauf I und die Bezugszeichen 6 und 7 die Spannungsverläufe an den zwei parallel geschalteten Transistoren Ia bzw. Ib mit unterschiedlicher Zenerspannung. Beispiele für unterschiedliche Zenerspannungen bei gleicher Temperatur der beiden Zenerdioden 2a und 2b sind eingetragen als U _z2a und U _z2b .

Im vorliegenden Beispiel nach Figur 2 und 3 wird die induktive Last 4 zum Zeitpunkt t ₀ abgeschaltet, wodurch der

Strom I exponentiell gegen Null sinkt. Die Spannung U steigt

sprungartig an, bis die Zenerspannung U _z:La erreicht ist, und die Zenerdiode (in diesem Beispiel mit U _{z2a <} U _z2b also die Zenerdiode 2a) durchbricht.

Die zugehörige Endstufe leitet dann den Strom I gegen Masse GND ab. Dabei erwärmt sich der Transistor Ia und damit auch die Zenerdiode 2a, wodurch deren Zenerspannung U _z2a steigt.

Die Zunahme der mit steigendender Temperatur wird durch die

Richtung des Pfeils 14 dargestellt. Die höhere Zenerspannung

U _z2a - ist dabei durch eine gestrichelte Linie 8 angedeutet. Erreicht die Zenerspannung U _z2a - den Wert U _z2a und die nächste parallel geschaltete Endstufe kann ebenfalls Abschaltenergie übernehmen .

Diese Vorgehensweise, die einem Symmetrieren der Endstufen- Zenerspannung entspricht, ist dann möglich, wenn die

Zenerspannung unter Last und/oder Temperatur höher wird, also einen positiven Last- und/oder Temperaturkoeffizienten aufweist. Damit kann eine positive Zenerspannungsausprägung bei Parallelschaltung mehrerer Endstufen erzielt werden.

Fig. 4 zeigt eine Aufsicht auf einen flächigen Halbleiterchip 11, z.B. aus Silizium, mit einer Transistor-Struktur, die hier schematisch als ein Bereich 12 dargestellt ist und beispielsweise dem Schalttransistor Ia der Endstufe 10a entspricht. Die zugehörige, ohnehin vorhandene Zenerdiode 2a kann innerhalb dieses Bereichs oder nahe des Bereichs 12 angeordnet sein und insbesondere in die Endstufenfläche integriert sein und ist damit thermisch möglichst gut an den Schalttransistor Transistor gekoppelt.

Falls die Zenerdiode 2a eine niedrige Zenerspannung U _z hat, wird sich der zugehörige Transistor Ia bei einem Abschaltvorgang relativ schnell erwärmen, da er einen Großteil der abzubauenden elektrischen Leistung als Abschaltstrom führt und in Wärme umsetzt. Dabei erwärmt sich die Zenerdiode 2a in gleichem Maße, wodurch die

Zenerspannung U _z ansteigt. Sobald sich die Zenerspannung U _z2a auf gleichem Niveau wie die Zenerspannung U _z2b befindet, übernimmt auch der andere Schalttransistor Ib (nicht gezeigt) einen Teil der abzubauenden elektrischen Energie. Die gesamte elektrische Leistung bzw. elektrische Energie, die beim Abschalten einer ohmsch- induktiven Last zu bewältigen ist, kann somit auf mehrere parallel geschaltete Transistoren Ia, Ib bzw. mehrere parallel geschaltete Endstufen gleichmäßig 10a, 10b verteilt werden.

Anstelle der Zenerdioden 2a bzw. 2b kann beispielsweise auch ein thermischer Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten oder eine sonstige geeignete Komponente mit positivem Temperaturkoeffizienten eingesetzt werden.

Bezugszeichenliste

1 Transistoren

2a, 2b Zenerdioden

3a, 3b Dioden

4 Induktive Last

5 Erregerkreis

6,7 Spannungskurven

8 Spannungskurve bei höherer Temperatur

9 Stromkurve

10 Schalt-Endstufe

11 Chip

12 Transistor-Struktur

13 Thermische Kopplung

14 Erhöhung der Zenerspannung to AbschaltZeitpunkt u _z2 Zenerspannung