DE102009057587B4

DE102009057587B4 - Verpolungsschutz für Mosfets

Info

Publication number: DE102009057587B4
Application number: DE200910057587
Authority: DE
Inventors: Frank Auer; Benno Köppl; Karl-Dieter Hein
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2008-12-11
Filing date: 2009-12-09
Publication date: 2012-09-20
Anticipated expiration: 2029-12-10
Also published as: US8067859B2; DE102009057587A1; US20100148733A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Steuerschaltung und g den MOSFET so steuert, dass er eine Last an eine Energiequelle koppelt, wobei das Verfahren den Schritt des Steuerns des MOSFETs umfasst, derart, dass er im Falle einer Versorgung mit umgekehrter Polarität in den leitenden Zustand schaltet, wobei die Steuerschaltung von einer Energiespeichereinrichtung versorgt wird, die ursprünglich für den Betrieb im Falle der Versorgung mit nicht umgekehrter Polarität vorgesehen war, wobei der MOSFET im Falle einer Versorgung mit umgekehrter Polarität nur dann in den leitenden Zustand geschaltet wird, wenn eine Stromamplitude durch den MOSFET einen vordefinierten Schwellenwert überschreitet.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Steuerschaltung und wenigstens eines MOSFETs, und auf eine Vorrichtung mit einer Steuerschaltung zum Steuern wenigstens eines MOSFETs, insbesondere zum Steuern von MOSFETs, die als Schalter für eine elektrische Last oder Leistungsquelle verwendet werden, insbesondere für MOSFETs, die als Schalter für Elektromotoren oder Aktuatoren oder Generatoren verwendet werden.
MOSFETs und insbesondere sogenannte Leistungs-MOSFETs können als Schalter zum Koppeln einer elektrischen Last an eine Stromversorgung verwendet werden. Eine zweipolige Last kann beispielsweise mittels eines ersten MOSFETs an Masse und mittels eines zweiten MOSFETs an eine Spannungs- oder Stromquelle gekoppelt werden. Wenn beide MOSFETs in den leitenden Zustand geschaltet werden, wird Spannung an die Last angelegt, wodurch ein Stromfluss durch die Last ermöglicht wird. Bei einem anderen Beispiel kann die Last vier oder mehr Anschlussverbindungen zur Stromversorgung aufweisen, so dass vier oder mehr MOSFETs verwendet werden, um die Last mit einer Stromversorgung zu verbinden. Jeder Stromversorgungs- oder Masse-Anschluss der Last wird durch einen MOSFET an eine Stromversorgung oder an Masse gekoppelt.
Bei herkömmlichen Systemen können die MOSFETs nicht nur zum Versorgen einer Last mit Gleichstrom verwendet werden, sondern auch zum Versorgen einer verbundenen Last mit geschaltetem Strom. Falls die Last beispielsweise ein Wechselstrommotor und die Stromversorgung ein Gleichstromsystem ist, beispielsweise eine Batterie, dann können die MOSFETs so gesteuert werden, dass sie nach Bedarf Wechselstrom liefern.
Auf diese Weise werden MOSFETs herkömmlicherweise in Fahrzeugen als Schalter zum Koppeln einer Last an die Stromversorgung verwendet, wobei die Stromversorgung als Batterie angesehen werden kann. In Fahrzeugen werden beispielsweise eine Batterie und ein Generator, der von dem Fahrzeugmotor angetrieben wird, verwendet, um das elektrische System in dem Fahrzeug zu versorgen. Demgemäß ist das elektrische System ein Gleichstromsystem, und MOSFETs, die von Steuerschaltungen gesteuert werden, werden als Schalter verwendet, wobei die MOSFETs paarweise oder in einer Brückenkonfiguration mit vier oder sechs oder auch mehr MOSFETs angeordnet werden können. Eine Anordnung von MOSFETs zum Versorgen der Last wird herkömmlicherweise von einer entsprechenden Steuerschaltung gesteuert, die als integrierte Schaltung implementiert sein kann. Zum Steuern der MOSFETs ist ein vergleichsweise geringer Strom erforderlich, so dass alle Elemente einer Steuerschaltung in einer einzigen integrierten Schaltung integriert werden können. Die Steuerschaltung kann wiederum an eine andere Steuerschaltung gekoppelt werden, um Signale zum An- oder Abschalten der Last zu empfangen.
Jeder MOSFET weist eine intrinsische Diode auf. Insbesondere weisen die am häufigsten verwendeten N-MOSFETs eine intrinsische antiparallele Diode auf. Wenn aus irgendeinem Grund eine Spannung umgekehrter Polarität an einen abgeschalteten N-MOSFET angelegt wird, d. h., wenn keine Vorspannung an das Gate des N-MOSFETs angelegt wird, wird die intrinsische Diode leitend, wenn die Schwellenspannung der intrinsischen Diode überschritten wird. Der durch die intrinsische Diode im Zusammenhang mit der Spannung über der Diode fließende Strom kann zu einem nicht vernachlässigbaren Energieverbrauch führen, der den MOSFET erhitzt, und kann schließlich den MOSFET zerstören. Insbesondere wird die intrinsische Diode mit steigender Temperatur leitender, so dass eine höhere Temperatur einen stärkeren Strom durch die intrinsische Diode aufbaut, was wiederum einen stärkeren Strom bewirkt. Folglich kann ein Pfad einer Brückenkonfiguration nahezu den gesamten Strom anziehen, so dass die MOSFETs in diesem Pfad schnell zerstört werden.
Bei herkömmlichen Systemen sind mehrere Vorkehrungen getroffen worden, um zu verhindern, dass MOSFETs im Falle umgekehrter Polarität zerstört werden. Bei einer herkömmlichen Lösung wird ein zusätzlicher MOSFET in der Stromversorgungsleitung angeordnet, wobei der MOSFET so angeordnet wird, dass seine intrinsische Diode der des zu schützenden MOSFETs gegenüberliegt. Dieser zusätzliche MOSFET ist im Normalbetrieb angeschaltet und verhindert einen Stromfluss durch die zu schützenden MOSFETs im Falle umgekehrter Polarität. Bei einer alternativen Vorkehrung wird wenigstens eine Diode in die Stromversorgungsleitung integriert, was einen Stromfluss durch die intrinsischen Dioden der zu schützenden MOSFETs verhindert.
Eine Diode in der Versorgungsleitung verursacht jedoch einen wesentlichen Energieverlust während des Normalbetriebs. Eine Lösung, die einen MOSFET in einer Versorgungsleitung umfasst, benötigt zumindest eine Schaltung zum Steuern des MOSFETs. Des Weiteren muss ein derartiger MOSFET, der Leistungs-MOSFETs schützen soll, selbst als Leistungs-MOSFET ausgelegt sein, was ihn teuer macht. Demgemäß besteht ein Bedarf an einer alternativen Lösung.
In der US 2006/0126 245 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Steuerschaltung und wenigstens eines MOSFETs beschrieben, wobei die Steuerschaltung den MOSFET so steuert, dass er eine Last an eine Energiequelle koppelt, wobei der MOSFET im Falle einer Versorgung mit umgekehrter Polarität in den leitenden Zustand schaltet.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein neuartiges Verfahren und eine neuartige Vorrichtung mit einer Steuerschaltung zum Steuern eines MOSFETS bereitzustellen, insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei denen ein Verpolungsschutz nur bei tatsächlich gefährlichen Situationen eingeschaltet wird.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zum Betreiben einer Steuerschaltung und wenigstens eines MOSFETs, wobei die Steuerschaltung den MOSFET so steuert, dass er eine Last an eine Energiequelle koppelt, wobei das Verfahren den Schritt des Steuerns des MOSFETs umfasst, derart, dass er im Falle einer Versorgung mit umgekehrter Polarität in den leitenden Zustand schaltet, wobei die Steuerschaltung von einer Energiespeichereinrichtung versorgt wird, die ursprünglich für den Betrieb im Falle der Versorgung mit nicht umgekehrter Polarität vorgesehen war, wobei der MOSFET im Falle einer Versorgung mit umgekehrter Polarität nur dann in den leitenden Zustand geschaltet wird, wenn eine Stromamplitude durch den MOSFET einen vordefinierten Schwellenwert überschreitet.
Vorteilhaft ist die Energiespeichereinrichtung ein Glättungskondensator oder ein Bootstrap Kondensator oder ein Pufferkondensator, der in Bezug zu einer Ladungspumpe steht, oder eine Kombination davon.
Vorteilhaft weist die Steuerschaltung eine Batterie als Notstromversorgung im Falle einer Versorgung mit umgekehrter Polarität auf.
Vorteilhaft puffert die Steuerschaltung die Energieversorgungseinrichtung, während sie den MOSFET nicht steuert.
Vorteilhaft tritt die Steuerschaltung im Falle einer Versorgung mit umgekehrter Polarität in einen Energiesparmodus ein.
Vorteilhaft umfasst das Verfahren des Weiteren den Schritt des Ladens eines Bootstrap Kondensators aus einem Energiespeicher im Falle einer Versorgung mit umgekehrter Polarität.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung mit einer Steuerschaltung zum Steuern wenigstens eines MOSFETs bereitgestellt, wobei die Steuerschaltung so ausgelegt und konfiguriert ist, dass sie den wenigstens einen MOSFET so steuert, dass er im Fall einer Versorgung mit umgekehrter Polarität in den leitenden Zustand schaltet, wobei die Steuerschaltung von einer Energiespeichereinrichtung versorgt wird, die ursprünglich für den Betrieb im Fall einer Versorgung mit nicht umgekehrter Polarität vorgesehen war, und wobei der MOSFET im Fall einer Versorgung mit umgekehrter Polarität nur dann in den leitenden Zustand geschaltet wird, wenn eine Stromamplitude durch den MOSFET einen vordefinierten Schwellenwert überschreitet.
Vorteilhaft weist die Steuerschaltung des Weiteren eine Einrichtung zum Bestimmen einer Amplitude eines Stroms durch den MOSFET im Falle einer Versorgung mit umgekehrter Polarität auf.
Vorteilhaft ist die Energiespeichereinrichtung ein Glättungskondensator oder ein Bootstrap Kondensator oder ein Pufferkondensator, der in Bezug zu einer Ladungspumpe steht, oder eine Kombination davon.
Vorteilhaft weist die Steuerschaltung eine Puffereinrichtung zum Puffern der Energiespeichereinrichtung auf, während sie den MOSFET nicht steuert.
Vorteilhaft weist die Steuerschaltung des Weiteren eine Batterie als Notstromversorgung im Falle einer Versorgung mit umgekehrter Polarität auf.
Vorteilhaft ist die Steuerschaltung so ausgelegt und konfiguriert, dass sie in einen Energiesparmodus eintritt, wenn sie eine umgekehrte Polarität ermittelt.
Vorteilhaft werden die MOSFETs im Falle einer Versorgung mit umgekehrter Polarität nur dann in den leitenden Zustand geschaltet, wenn eine Stromamplitude durch einen der MOSFETs einen vordefinierten Schwellenwert überschreitet.
Vorteilhaft ist die Energiespeichereinrichtung ein Glättungskondensator oder ein Bootstrap Kondensator oder ein Pufferkondensator, der in Bezug zu einer Ladungspumpe steht, oder eine Kombination davon.
Vorteilhaft puffert die Steuerschaltung die Energiespeichereinrichtung, während sie den Gleichrichter nicht steuert.
Vorteilhaft tritt die Steuerschaltung im Falle umgekehrter Polarität in einen Energiesparmodus ein.
Vorteilhaft weist das Verfahren des Weiteren den Schritt des Ladens eines Bootstrap Kondensators aus einem Energiespeicher auf.
Vorteilhaft weist die Steuerschaltung des Weiteren eine Einrichtung zum Bestimmen der Amplitude eines Stroms durch einen MOSFET auf, wenn der Gleichrichter an umgekehrte Polarität gekoppelt wird.
Vorteilhaft ist die Energiespeichereinrichtung ein Glättungskondensator oder ein Bootstrap Kondensator oder ein Pufferkondensator, der in Bezug zu einer Ladungspumpe steht, oder eine Kombination davon.
Vorteilhaft weist die Steuerschaltung eine Puffereinrichtung zum Puffern der Energiespeichereinrichtung auf, während sie den Gleichrichter nicht steuert.
Vorteilhaft ist die Steuerschaltung so ausgelegt und konfiguriert, dass sie in einen Energiesparmodus eintritt, wenn der Gleichrichter an umgekehrte Polarität gekoppelt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER MEHREREN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
Die beigefügten Zeichnungen werden einbezogen, um ein weitergehendes Verständnis der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen, und sind in diese Schrift aufgenommen und stellen einen Teil davon dar. Die Zeichnungen zeigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern der Grundgedanken der Erfindung. Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und viele der angestrebten Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ohne weiteres geschätzt werden, wenn sie unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung besser verstanden werden.
1 zeigt eine schematische Steuerschaltung, die an MOSFETs in Brückenkonfiguration gekoppelt ist;
2 zeigt eine schematische Schaltung einer alternativen Steuerschaltung;
3 zeigt eine schematische Schaltung einer Schaltung, die einen Gleichrichter steuert, der an einen Generator gekoppelt ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen zur Erläuterung bestimmte Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. Es ist selbstverständlich, dass andere Ausführungsformen verwendet und strukturelle oder anderweitige Änderungen vorgenommen werden können, ohne dass vom Umfang der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Beispielsweise können elektrische Schaltungen wie z. B. Verstärker in unterschiedlichen Auslegungen implementiert werden. Insbesondere bezieht sich die folgende Beschreibung auf eine Ausführungsform, die beispielsweise in einem Fahrzeug verwendet wird, wobei die Steuerschaltung eine Brücke von Leistungs-MOSFETs zur Versorgung eines Wechselstrom-Elektromotors oder -Aktuators steuert. In der Vergangenheit wurde in der Automobilbranche festgestellt, dass diese Motoren bei vielen Anwendungen Vorteile gegenüber anderen herkömmlichen Aktuatoren aufweisen, da beispielsweise bürstenlose Wechselstrommotoren eine längere Lebensdauer haben und hydraulische Aktuatoren ersetzen können, so dass die Verwendung dieser Motoren in der Automobilbranche weit verbreitet ist. Die im folgenden beschriebene Erfindung kann jedoch auch auf andere technische Gebiete angewendet werden, in denen MOSFETs vor umgekehrter Polarität geschützt werden müssen. Die folgende detaillierte Beschreibung ist daher nicht in einschränkendem Sinne zu verstehen, und der Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die beigefügten Patentansprüche definiert.
1 zeigt eine schematische Schaltung 100, die eine Steuerschaltung 110 aufweist, die an eine Stromversorgung 120 gekoppelt ist. Die Stromversorgung ist bei dieser Ausführungsform eine Batterie, was für Anwendungen in der Automobilbranche typisch ist. Die Schaltung 110 ist über eine Diode 121 und einen Kondensator 122 an die Batteriespannung V_bat gekoppelt, wobei die Diode und der Kondensator als Filter dienen, um für die Schaltung 110 eine stabile Versorgungsspannung V_s bereitzustellen.
Ebenso kann die Steuerschaltung 110 beispielsweise kommunikativ an einen Mikrocontroller 130 (μctrl) gekoppelt sein. Der Mikrocontroller 130 kann wiederum kommunikativ an ein Bussystem 131 gekoppelt sein, womit der Mikrocontroller ein Busknoten ist. Der Mikrocontroller 130 kann beispielsweise Informationen über das Bussystem 131 empfangen, wie die Last 150 zu steuern ist, die der Mikrocontroller an die Steuerschaltung 110 weiterleitet, d. h. insbesondere an den Steuerblock 111. Die Steuerschaltung 110 kann wiederum Informationen an den Mikrocontroller weiterleiten, beispielsweise, um Fehler über das Bussystem 131 an eine zentrale Steuereinheit des Fahrzeugs zu berichten. Der Mikrocontroller 130 kann ein herkömmlicher Controller sein, der an ein herkömmliches Bussystem, beispielsweise das CAN Busprotokoll oder das I2C- oder LIN-System, gekoppelt ist.
Bei dieser Ausführungsform kann die Last 150 ein Gleichstrom-Elektromotor sein. Demgemäß kann die Stromversorgung, d. h. die Batteriespannung, direkt an den Motor geliefert werden, wobei die Spannung an verschiedene Anschlüsse an dem Motor gekoppelt werden kann, um verschiedene Drehrichtungen zu ermöglichen. Der Strom wird durch vier MOSFETs 140a–140d bereitgestellt, die in Brückenkonfiguration vorliegen und von der Steuerschaltung 110 gesteuert werden. Das heißt, die Steueranschlüsse der MOSFETs, d. h. die Gate-Anschlüsse, sind an die Steuerschaltung 110 gekoppelt, die die MOSFETs an- und abschaltet, um die Anschlüsse der Last 150 an die Batteriespannung V_bat oder an Masse, d. h. Referenzpotential, zu koppeln. Das Bereitstellen von Strom für die verschiedenen Anschlüsse der Last wird durch entsprechendes Öffnen und Schließen der MOSFETs erreicht, d. h. durch Öffnen der MOSFETs 140a und 140c gleichzeitig mit dem Schließen der MOSFETs 140b und 140d, oder umgekehrt. Es wird angemerkt, dass die Erfindung analog für Schaltungen angewendet werden kann, die weniger oder mehr MOSFETs verwenden, z. B. sechs oder zwölf MOSFETs in Brückenkonfiguration zum Versorgen von dreiphasigen Motoren oder anderen Aktuatoren.
Die Steuerschaltung 110 weist einen Steuerblock 111 und Ausgangstreiber 112a bis 112d auf, wobei eine Ausgangsstufe an einen Gate-Anschluss eines MOSFETs 140 gekoppelt ist. Der Steuerblock 111 ist an die Stromversorgungs-Anschlüsse der Schaltung 110 sowie an den Mikrocontroller 130 zum Empfangen und Senden von Steuerinformationen gekoppelt. Des Weiteren ist der Steuerblock 111 an die Ausgangstreiber 112a bis 112d gekoppelt, um zu steuern, welcher der MOSFETs 140a–140d zu öffnen oder zu schließen ist.
Außer der Funktionalität, Informationen von dem Mikrocontroller zu empfangen oder Informationen an ihn zu senden, ist der Steuerblock 111 so konfiguriert und ausgelegt, dass er weitere Funktionalitäten bereitstellt, wie sie von herkömmlichen Steuerschaltungen bekannt sind. Bei einer Ausführungsform kann der Block 111 eine Ladungspumpe zum Laden eines Bootstrap Kondensators 160 aufweisen, eine Logik zum Bereitstellen von Shoot-Through-Schutz (Durchschuss-Schutz) oder Kurzschluss-Schutz. Außer diesen Merkmalen ist der Block 111 so ausgelegt und konfiguriert, dass er Situationen umgekehrter Polarität ermittelt und entsprechend reagiert, wie unten im Einzelnen beschrieben werden wird.
Im Normalbetrieb prüft die Steuerschaltung 110 in einem ersten Schritt die Polarität der Versorgungsspannung, um eine umgekehrte Polarität zu ermitteln. Wenn die Prüfung ergibt, dass die Versorgungsbedingungen normal sind, kann der Steuerblock 111 eine Prüfung hinsichtlich niedriger Spannungsbedingungen durchführen, und wenn die Spannungsbedingungen normal sind, mit dem Normalbetrieb fortfahren. Das heißt, der Steuerblock 111 steuert die Treiber 112a bis 112d, die wiederum die MOSFETs 140a bis 140d steuern, um die Last 150, d. h. bei dieser Ausführungsform den Gleichstrommotor, mit Strom zu versorgen, wie beispielsweise durch den Mikrocontroller 130 instruiert. Das heißt, die Steuerschaltung 110 führt in einem ersten Betriebsschritt eine Prüfung hinsichtlich umgekehrter Polarität durch und fährt, wenn die Prüfung normale Betriebsbedingungen ergibt, mit dem Normalbetrieb fort.
Die Ermittlung der Versorgung mit umgekehrter Polarität kann beispielsweise durch den Steuerblock 111 auf eine Vielzahl von Arten stattfinden. Bei einer Ausführungsform wird nur die Spannung des High Side Drains mit Masse (ground; GND), d. h. dem Referenzpotential, verglichen. Eine Situation der Versorgung mit umgekehrter Polarität liegt vor, wenn die Spannung der Drain-Anschlüsse der High Side MOSFETs 140a, 140b, d. h. die Spannung der Anschlüsse DH1, 2 unter Masse liegt.
Bei einer alternativen Ausführungsform werden die Spannungen der Source-Anschlüsse der High Side MOSFETs 140a oder 140b mit dem Bezugspotential verglichen, und die Polarität der Spannungen der High Side MOSFETs wird betrachtet. Hier liegt eine Situation der Versorgung mit umgekehrter Polarität vor, wenn die Spannung der Source-Anschlüsse der High Side MOSFETs unter dem Referenzpotential liegt, und die Spannung an den Source-Anschlüssen der High Side MOSFETs unter der Spannung an den Source-Anschlüssen dieser High Side MOSFETs liegt.
Bei einer anderen Ausführungsform werden die Spannungen der Source- und Drain-Anschlüsse der High Side MOSFETs 140a und 140b betrachtet. Eine Situation der Versorgung mit umgekehrter Polarität wird ermittelt, wenn sowohl die Spannungen der Source-Anschlüsse als auch der Drain-Anschlüsse der High Side MOSFETs 140a und 140b unter Massepotential liegen.
Es wird angemerkt, dass umgekehrte Polarität durch ein zufälliges Vertauschen der Anschlüsse der Batterie eines Fahrzeugs verursacht werden kann. Dies kann beispielsweise insbesondere im Winter vorkommen, wenn eine schwache Batterie eines Fahrzeugs zusammenbricht und das Fahrzeug durch Koppeln der schwachen Batterie an die Batterie-Anschlüsse eines anderen Fahrzeugs fremdgestartet wird, wobei die Anschlüsse falsch gekoppelt werden. Diese Situation führt zu einer undefinierten Versorgungsspannung ungefähr irgendwo zwischen –4 V und +4 V, abhängig von den Reststärken der schwachen Batterie und der elektrischen Stärke des gekoppelten Systems. Auf jeden Fall stellt das gekoppelte System keine Versorgungsspannung bereit, die zum Normalbetrieb oder zum Betrieb bei reduzierter Spannung ausreichend ist. Es ist außerdem wahrscheinlich, dass eine Spannung umgekehrter Polarität an die Anschlüsse der Steuerschaltung 110 und an die Anschlüsse des MOSFETs 140 gekoppelt wird.
Sobald eine Situation der Versorgung mit umgekehrter Polarität entdeckt worden ist, schützt der Steuerblock 111 die MOSFETs 140a–140d vor Zerstörung. Um einen Stromfluss durch die intrinsischen Dioden der MOSFETs 140a bis 140d zu verhindern, legt die Steuerschaltung 110 sofort eine geeignete Gate-Spannung an alle gekoppelten MOSFETs an und schaltet sie in den leitenden Zustand. Das heißt, sowohl die High Side MOSFETs 140a und 140b als auch die Low Side MOSFETs 140c und 104d sind zur gleichen Zeit leitend, wodurch ein sogenanntes Durchschießen (Shoot Through) und eine effektives Kurzschließen der Stromversorgung 120 auf Massepegel ermöglicht wird. Demgemäß fließt in dieser Situation der umgekehrten Spannung Strom durch jeden MOSFET 140 von der Source zu dem Drain, d. h. in der „falschen” Richtung. Das Schalten der MOSFETs in den leitenden Zustand führt bei dieser Situation der umgekehrten Polarität dazu, dass nur ein vernachlässigbarer Stromfluss durch die intrinsischen Dioden der MOSFETs stattfindet, aber es fließt ein starker Strom durch die leitenden Kanäle der MOSFETs. Dies führt wiederum dazu, dass in jedem der MOSFETs ein geringer Leistungsverlust vorliegt, da es nur einen kleinen Spannungsabfall über dem leitenden Kanal eines MOSFETs gibt. Aufgrund des geringen Leistungsverlusts erwärmt sich jeder MOSFET nur in geringem Maße, so dass der MOSFET nicht zerstört wird. Da die Leitfähigkeit eines MOSFETs mit zunehmender Temperatur abnimmt, teilt sich der Strom gleichmäßig über parallele MOSFETs auf, so dass die MOSFETs gleichmäßig erwärmt werden. Auf diese Weise öffnet die Steuerschaltung 110 alle gekoppelten MOSFETs, wenn eine Situation der Versorgung mit umgekehrter Polarität ermittelt wird, so dass ein massiver Stromfluss über der intrinsischen Diode jedes MOSFETs 140 verhindert wird.
Ein weiterer Effekt des Schaltens aller MOSFETs 140 in den leitenden Zustand ist eine wesentliche Reduzierung der von der Stromversorgung bereitgestellten Spannungsamplitude. Durch das effektive Kurzschließen der Stromversorgung wird die Spannung der Stromversorgung auf diejenige über den leitenden MOSFETs reduziert, was – abhängig von den bestimmten Eigenschaften der eingesetzten MOSFETs – zu einer Restspannung von –1 V bis –2 V anstelle der vollen Spannung der umgekehrten Stromversorgung führt. Auf diese Weise kann die Schaltung 100 als zentraler Verpolungsschutz für andere Schaltungen dienen, die an die Stromversorgung gekoppelt sind.
Die MOSFETs werden nur dann in den leitenden Zustand geschaltet, wenn eine Situation der Versorgung mit umgekehrter Polarität vorliegt und wenn der Strom durch die MOSFETs eine vordefinierte Schwellenamplitude überschreitet, wobei aufgrund der umgekehrten Polarität der Strom von dem Drain zu der Source und durch die intrinsischen Dioden in jedem MOSFET fließt. Das Schalten der MOSFETs in den leitenden Zustand nur dann, wenn der Strom durch die intrinsischen Dioden die vorgegebene Schwellenamplitude überschreitet, kann Situationen des Durchschießens während des Normalbetriebs der MOSFETs verhindern. Wenn beispielsweise während des Normalbetriebs der Steuerblock 111 eine Situation der Versorgung mit umgekehrter Polarität aus beliebigem Grund ermittelt, wobei jedoch der resultierende Strom durch die intrinsischen Dioden eines MOSFETs den MOSFET nicht beschädigt, kann der geringe Strom toleriert werden.
Zum Beurteilen, ob ein Strom durch einen MOSFET eine vorgegebene Schwellenamplitude überschreitet, kann die Schaltung 100 Messeinrichtungen zum Ermitteln der Stromamplitude aufweisen. Bei einer Ausführungsform können diese Messeinrichtungen durch herkömmliche Messeinrichtungen 170 implementiert werden, die den Strom durch eine Leitung, die an einen Source- oder Drain-Anschluss eines MOSFETs angeschlossen ist, direkt abfühlen. Diese Einrichtung kann beispielsweise einen Shunt wie in der Figur dargestellt aufweisen, der ein Spannungssignal für den Steuerblock 111 bereitstellt.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Einrichtung zum Ermitteln der Amplitude eines Stroms durch die MOSFETs in der Steuerschaltung 110 enthalten sein, d. h. die Einrichtung kann in der integrierten Schaltung enthalten sein, die die Steuerschaltung 110 implementiert. Die Steuerschaltung 110 weist demgemäß zwei Dioden 180a, 180b auf, die zwischen dem Masse-Anschluss, d. h. GND in der Figur, und der besagten Spannung, d. h. der Spannung, die an den Drain der High Side MOSFETs 140a und 140b gekoppelt ist, in Reihe geschaltet sind. Die Dioden 180a, 180b sind Nachbildungen der intrinsischen Dioden der MOSFETs 140 und sind parallel zu diesen Dioden geschaltet, so dass sie sich soweit wie möglich wie die intrinsischen Dioden verhalten. Somit reflektiert im Falle der umgekehrten Polarität der Strom durch die nachgebildeten Dioden 180a, 180b den Storm durch die MOSFETs. Des Weiteren kann die Schaltung 110 einen Stromsensor 181 aufweisen, der ein Signal bereitstellt, das die Amplitude eines Stroms durch die nachgebildeten Dioden für den Steuerblock 111 anzeigt. Auf diese Weise kann der Steuerblock 111 ein Signal bewerten, das den Strom durch die intrinsischen Dioden der MOSFETs reflektiert, ohne einen Stromsensor in einem Pfad zu oder von einem MOSFET zu enthalten. Es wird angemerkt, dass unten beschriebene Ausführungsformen ähnlich zum Abfühlen und Verarbeiten der Amplitude eines Stroms im Fall einer Situation mit umgekehrter Polarität konfiguriert und ausgelegt sein können.
Falls eine Situation umgekehrter Polarität an den Versorgungsanschlüssen der Steuerschaltung 110 ermittelt wird, verwendet die Schaltung 110 interne Energiespeicher, um sich selbst mit Energie zu versorgen, um den Schritt des Schaltens der gekoppelten MOSFETs in den leitenden Zustand durchzuführen. Gleichzeitig, d. h. sobald die Situation ermittelt worden ist, tritt die Schaltung 110 in einen Energiespar-Betriebsmodus ein, um die Steuer-, d. h. die Gate-, Spannungen so lange wie möglich an die MOSFETs anzulegen, um zu ermöglichen, dass so lange wie möglich Strom durch die MOSFETs fließt. Idealerweise wird der Stromfluss durch die MOSFETs auf diese Weise so lange ermöglicht wie die Situation der umgekehrten Versorgungsspannung anhält.
Bei einer Ausführungsform kann die Steuerschaltung 110 bestehende Energiespeicher benutzen, um sich selbst mit elektrischer Energie zu versorgen. Diese bestehenden Energiespeicher können diejenigen sein, zum Betreiben der Steuerschaltung und der MOSFETs unter normalen Betriebsbedingungen vorgesehen sind, und die im Falle der Versorgung mit umgekehrter Polarität für einen anderen Zweck verwendet werden. Bei einer Ausführungsform verwendet die Steuerschaltung 110 den Kondensator 122 zur Energieversorgung. Die Diode 121 verhindert, dass der Kondensator 122 entladen wird, falls die Versorgungsspannung unter die tatsächliche Spannung über dem Kondensator fällt, so dass die Diode auch verhindert, dass der Kondensator im Falle der Versorgung mit umgekehrter Polarität entladen wird. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Diode 122 durch einen Schalter ersetzt werden, beispielsweise einen MOSFET, der durch die Steuerschaltung 110 betrieben wird, wobei der Schalter im Normalbetrieb auf leitend und sonst auf nicht leitend eingestellt ist, um ein Entladen des Kondensators 122 zu verhindern. Der Kondensator 122 kann des Weiteren so ausgelegt sein, dass er fähig ist, genügend Energie zum Versorgen der Steuerschaltung 110 wenigstens für einige Sekunden bereitzustellen.
Alternativ oder zusätzlich zu der Verwendung des Kondensators 122 als Energieversorgung kann die Steuerschaltung 110 den Bootstrap Kondensator 160 verwenden, um sich selbst mit Energie zu versorgen. Zu diesem Zweck ist die Steuerschaltung 110 so ausgelegt und konfiguriert, das sie den Kondensator 160 an der Entladung hindert, während die Steuerschaltung 110 ausgeschaltet ist, oder falls eine Situation umgekehrter Polarität ermittelt wird. Bei einem Beispiel kann dies dadurch erreicht werden, dass der Kondensator nur bei normalen Betriebsbedingungen, d. h. im Falle der nicht umgekehrten Spannungsversorgung, an den Source-Anschluss des High Side MOSFETs gekoppelt wird.
Die Steuerschaltung 110 kann des Weiteren so ausgelegt sein, dass sie sicherstellt, dass der Kondensator 112 und/oder der Bootstrap Kondensator 160 ihre Ladung beibehalten, während die Steuerschaltung 110 nicht arbeitet. Das heißt, die Steuerschaltung weist eine Schaltung zum Zwischenspeichern der Ladung der Kondensatoren auf, während die Steuerschaltung nicht aktiv betrieben wird, beispielsweise, während das Fahrzeug abgeschaltet ist, so dass sich die Schaltung 110 in einem Schlafmodus befindet. Allgemeiner ausgedrückt kann die Steuerschaltung 110 so ausgelegt und konfiguriert sein, dass sie bestehende Energiespeicher mit Energie puffert, während die Schaltung die MOSFETs nicht steuert, so dass diese Energiespeicher im Falle der Versorgung mit umgekehrter Polarität verwendet werden können.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Schaltung 100 eine kleine Batterie als Notstromversorgung aufweisen, beispielsweise eine – in den Zeichnungen nicht gezeigte – Knopfzelle, die in der Schaltung enthalten und daran gekoppelt ist. Es wird angemerkt, dass eine ähnliche Absicherung der Stromversorgung in den unten beschriebenen Ausführungsformen enthalten sein kann.
Des Weiteren kann die Steuerschaltung 110 in einen Energiesparmodus eintreten, wenn eine Versorgung mit umgekehrter Polarität ermittelt wird, so dass der zum Betreiben der Steuerschaltung verwendete Energiespeicher es ermöglicht, die MOSFETs so lange wie möglich zu öffnen. Bei einer Ausführungsform kann der Controller davon absehen, ein Fehlersignal oder eine Fehlernachricht an einen gekoppelten Mikrocontroller 130 herauszugeben, der in dieser Situation höchstwahrscheinlich nicht richtig arbeiten und die Nachricht verarbeiten kann.
Ein Betriebsverfahren der Steuerschaltung, die wenigstens einen MOSFET steuert, umfasst demgemäß den Schritt des Steuerns des MOSFETs, um im Falle der umgekehrten Stromversorgung in den leitenden Zustand zu schalten, wobei die Steuerschaltung von einem Energiespeicher beliefert wird, der ursprünglich für den Betrieb im Falle einer Versorgung mit nicht umgekehrter Polarität vorgesehen war. Die Steuerschaltung kann beispielsweise hinsichtlich einer Versorgungssituation mit umgekehrter Polarität prüfen, wenn die Schaltung hochgefahren wird. Energiespeicher können ein Glättungskondensator in der Versorgungsleitung der Steuerschaltung und/oder ein Bootstrap Kondensator sein.
Die Steuerschaltung 110 ist demgemäß so ausgelegt und konfiguriert, dass sie wenigstens einen MOSFET steuert, damit er im Fall einer Versorgung mit umgekehrter Polarität in den leitenden Zustand schaltet, wobei die Steuerschaltung von einer Energiespeichereinrichtung versorgt wird, die ursprünglich zum Betrieb im Fall einer Versorgung mit nicht umgekehrter Polarität vorgesehen war.
2 zeigt eine andere Ausführungsform 200 einer Steuerschaltung 210 zum Steuern der MOSFET Transistoren 240a und 240b, wobei die MOSFETs eine Last an eine Energiequelle koppeln können. Ähnlich wie oben beschrieben ist die Steuerschaltung 210 an eine Spannungsversorgung 220 gekoppelt, die bei dieser Ausführungsform die Batterie eines Fahrzeugs sein kann, und die zum Versorgen der Last ebenfalls an den High Side MOSFET 240a gekoppelt ist. Es wird angemerkt, dass bei dieser Ausführungsform die Steuerschaltung 210 zwei MOSFETs wie gezeigt, oder eine Vielzahl von MOSFETs paarweise steuern kann, wobei jedes Paar einen High Side MOSFET, d. h. ähnlich dem MOSFET 240a, aufweist, der zwischen die Stromversorgung 210 und die Last geschaltet ist, und einen Low Side MOSFET, d. h. ähnlich dem MOSFET 240b, der zwischen die Last und die Bezugsmasse geschaltet ist. Die Steuerschaltung 210 kann beispielsweise nur ein Paar von MOSFETs steuern, z. B. wie durch die MOSFETs 240a und 240b gezeigt, um eine einfache Last zu versorgen, die unidirektionalen Gleichstrom benötigt, oder die Last kann ein Motor sein, der drei MOSFET-Halbbrücken zum Versorgen von drei Phasen von Strom benötigt. Des Weiteren kann die Steuerschaltung 210 kommunikativ an einen Mikrocontroller 230 gekoppelt sein, der wiederum an ein herkömmliches Bussystem 231 gekoppelt sein kann, von dem der Mikrocontroller 230 und nachfolgend die Steuerschaltung 210 Steuerinformationen empfangen, die angeben, wie die Last im Normalbetrieb zu steuern ist.
Der Energieversorgungspfad der Steuerschaltung 210 kann eine Diode 221 und einen Glättungskondensator 222 zum Filtern und Glätten der Versorgungsspannung, die für die Schaltung 210 bereitgestellt wird, aufweisen.
Die Steuerschaltung 210 weist einen Steuerblock 211, MOSFET Treiberschaltungen 212a und 212b und Spannungsstabilisatoren 213a und 213b auf. Außer an die Spannungsversorgung ist der Versorgungsblock 211 an den Mikrocontroller 230 und an die Spannungsstabilisatoren und die Treiberschaltungen zum Steuern derselben und somit der MOSFETs gekoppelt.
Die Steuerschaltung 210 unterscheidet sich von der in 1 gezeigten durch die Spannungen zum Steuern der MOSFETs. Jeder MOSFET wird durch eine individuelle Treiberschaltung 212a bzw. 212b getrieben, die wiederum von einem Spannungsstabilisator 213a bzw. 213b angetrieben wird. Die Spannungsstabilisatoren 213a, 213b und die Treiberschaltungen 212a, 212b werden jeweils durch den Steuerblock 211 gesteuert.
Zum Treiben des High Side MOSFETs 240a, d. h. der MOSFETs, die mit einem Anschluss an die Versorgungsspannung gekoppelt sind, stellt die Schaltung eine Ladungspumpe bereit, die einen Pumpenkondensator 250a und einen Pufferkondensator 260a verwendet. Im Normalbetrieb wird der Pumpenkondensator 250a so gesteuert, dass er den Pufferkondensator 260a lädt, so dass die Spannung des Kondensators 260a der Versorgungsspannung zum Treiben der Treiberschaltung 212a hinzugefügt werden kann, so dass die Treiberschaltung zu einer Spannung fähig ist, die hoch genug ist, um den High Side MOSFET 240a zu öffnen. Es wird angemerkt, dass der Spannungsstabilisator 213a optional ist, um eine gesteuertere Spannung bereitzustellen. Das heißt, zum Bereitstellen einer Steuerspannung zum Steuern eines High Side MOSFETs verwendet diese Ausführungsform eine Ladungspumpe zum Laden des Pufferkondensators 260a.
Auf ähnliche Weise stellt die Steuerschaltung 210 eine weitere Ladungspumpe bereit, die den Pumpenkondensator 250b und den Pufferkondensator 260b verwendet, um eine Steuerspannung an den Low Side Treiber 212b zu liefern. Es wird angemerkt, dass der Ausgang des Pufferkondensators 260b durch den optionalen Spannungsstabilisator 213b gesteuert/stabilisiert werden kann.
Der Steuerblock 221 in der Steuerschaltung 210 weist eine Einrichtung zum Ermitteln einer umgekehrten Polarität an den Stromversorgungs-Anschlüssen auf, die ähnlich wie oben beschrieben sein kann. Ebenfalls ähnlich wie oben beschrieben steuert, falls eine Situation umgekehrter Polarität ermittelt wird, der Steuerblock 210 alle MOSFET Treiberschaltungen 212, um die gekoppelten MOSFETs in den leitenden Zustand zu schalten, wodurch ein Stromfluss durch die intrinsischen Dioden der MOSFETs verhindert wird, so dass die MOSFETs geschützt sind.
Die Stromversorgung zum Versorgen des Steuerblocks 211 und auch zum Versorgen der Spannungsstabilisatoren 213 und zum Schalten der MOSFETs 212 in den leitenden Zustand kann durch den Glättungskondensator 222 und durch die Pufferkondensatoren 260a und 260b bereitgestellt werden. Es wird angemerkt, dass, falls mehrere MOSFET-Halbbrücken in der Schaltung 200 angeordnet sind, die Schaltung mehrere Pufferkondensatoren aufweist, nämlich einen Pufferkondensator für jeden der gekoppelten MOSFETs. Bei einer Ausführungsform kann der Glättungskondensator 222 den Steuerblock 211 versorgen, und die Pufferkondensatoren 260a, 260b können die Spannungsstabilisatoren 213a, 213b mit Strom versorgen und somit die Treiberschaltungen 212a, 212b betreiben, um die gekoppelten MOSFETs leitend zu schalten. Falls jedoch die Spannung oder Ladung eines der Pufferkondensatoren 260a oder 260b zu niedrig ist, um eine ausreichende Betriebsspannung bereitzustellen, kann der Steuerblock 211 eine Ladungspumpe verwenden, die von dem Glättungskondensator 222 versorgt wird, um den Kondensator zu laden, damit das Schalten der MOSFETs ermöglicht wird. Das heißt, der Steuerblock 211 kann eine Ladungspumpe zum Laden jedes Pufferkondensators aus dem Glättungskondensator aufweisen, oder er kann die entsprechende Ladungspumpe steuern, die dazu vorgesehen ist, den Kondensator entsprechend zu laden, wobei der Glättungskondensator zum Bereitstellen der Ladungsoperation verwendet wird.
Der Steuerblock 211 kann des Weiteren in einen Energiespar-Betriebsmodus eintreten, um die von dem Glättungskondensator und den Pufferkondensatoren bereitgestellte Energie am effektivsten zu verwenden. Das heißt, der Steuerblock gibt keine Nachricht oder kein Signal an den Mikrocontroller 130 heraus, die/das die ermittelte Situation der Versorgung mit umgekehrter Polarität anzeigt.
Um es der Steuerschaltung 210 zu ermöglichen, eine Situation umgekehrter Polarität zu ermitteln und dann entsprechend zu reagieren, ist die gezeigte Anordnung so ausgelegt und konfiguriert, dass sie den Glättungskondensator 222 und die Pufferkondensatoren 260a und 260b puffert, so dass sie bei Bedarf als Stromversorgung verwendet werden können. Das heißt, die Steuerschaltung 210 ist auch dann an die Stromversorgung gekoppelt, wenn die gekoppelten MOSFETs nicht betrieben werden, z. B. wenn das Fahrzeug ausgeschaltet ist.
Bei einer anderen Ausführungsform wird eine Steuerschaltung der oben beschriebenen Art, die wenigstens eine MOSFET-Halbbrücke aufweist, verwendet, um den Ausgang eines Generators gleichzurichten, wobei zwei oder drei oder auch mehr MOSFET-Halbbrücken verwendet werden können. Gleichrichter, die gesteuerte MOSFETs aufweisen, sind bei Gleichrichtern günstig, da sie im leitenden Zustand geringere Verluste haben. Die MOSFETs müssen jedoch so gesteuert werden, dass sie zwischen leitend und nicht leitend gemäß dem Ausgang eines gekoppelten Generators schalten. Insbesondere in der Automobilbranche, d. h. in Fahrzeugen, sind Gleichrichter, die MOSFETs aufweisen, vorteilhaft, da sie dazu beitragen, Energie zu sparen, d. h. den Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeugs zu reduzieren. Die MOSFETs sind jedoch sehr empfindlich gegenüber umgekehrter Polarität, wenn sie ausgeschaltet sind, da nur Sekundenbruchteile nötig sind, um einen Gleichrichter, der Leistungs-MOSFETs aufweist, zu zerstören. Demgemäß müssen die MOSFETs in dem Gleichrichter vor umgekehrter Polarität geschützt werden.
3 zeigt eine schematische Ausführungsform 300 einer Steuerschaltung 310 zum Steuern eines Gleichrichters 320 zum Koppeln des Ausgangs eines Generators 330 an das elektrische System eines Fahrzeugs. Die Steuerschaltung 310 ist des Weiteren an den Mikrocontroller 340 gekoppelt, der wiederum an ein Bussystem 341 gekoppelt ist, z. B. um Steuernachrichten von einer anderen elektrischen Steuereinheit zu empfangen, die den Mikrocontroller 340 darüber instruieren, wie die Steuerschaltung 310 zu betreiben ist.
Die Steuerschaltung 310 weist einen Steuerblock 311 und MOSFET Treiber 312 auf. Der Steuerblock 311 ist so ausgelegt und konfiguriert, dass er mit dem Mikrocontroller 340 kommuniziert und die MOSFET Treiber 312 steuert. Die MOSFET Treiber 312 sind wiederum an die Leistungs-MOSFETs außerhalb der Steuerschaltung 310 gekoppelt.
Bei dieser Ausführungsform weist der Gleichrichter 320 drei MOSFET-Halbbrücken auf, wobei jede Halbbrücke einen High Side MOSFET und einen Low Side MOSFET aufweist. Es wird angemerkt, dass alternative Ausführungsformen mehr oder weniger MOSFET-Halbbrücken aufweisen können, wobei die Anzahl der Halbbrücken sich auf die spezifische Ausgestaltung des gekoppelten Generators 330 bezieht.
Der Generator 330 kann mechanisch an den Verbrennungsmotor des Fahrzeugs gekoppelt werden, so dass der Generator elektrische Energie erzeugen kann, wenn er den Verbrennungsmotor treibt. Da der Generator Wechselstrom erzeugt und das elektrische System eines herkömmlichen Fahrzeugs ein Gleichstromsystem ist, muss der Ausgang des Generators 330 gleichgerichtet werden, bevor er an das elektrische System gekoppelt wird. Da der Ausgang des Generators vorzugsweise möglichst effizient in Gleichstrom umgewandelt werden sollte, weist der Gleichrichter Leistungs-MOSFETs auf, die so gesteuert werden müssen, dass sie eine Phase des Generators gemäß ihrer tatsächlichen Spannung an das elektrische System koppeln. Diese Steuerung wird durch die Steuerschaltung 310 mittels der Treiberschaltungen 312 zum Treiben der Leistungs-MOSFETs in dem Gleichrichter 320 bereitgestellt.
Der Gleichrichter 320 weist drei MOSFET-Halbbrücken 321, 322 und 323 auf, wobei jede Halbbrücke einen High Side MOSFET, d. h. die MOSFETs 321a bzw. 322a bzw. 323a, aufweist, und einen Low Side MOSFET, d. h. die MOSFETs 321b bzw. 322b bzw. 323b. Jeder der MOSFETs ist an einen Treiber 312 gekoppelt und wird von ihm getrieben. Die MOSFET-Halbbrücken sind an die Phasen des Generators 330 gekoppelt, um die Phase an das elektrische System zu koppeln.
Obwohl dies in der Zeichnung nicht dargestellt ist, ist die Steuerschaltung 310 an externe Elemente zur Stromversorgung gekoppelt, d. h. beispielsweise eine Diode und einen Glättungskondensator, wie in 1 und 2 gezeigt ist. Auch die Steuerschaltung 310 verwendet entweder einen Bootstrap Kondensator analog zu dem in 1 gezeigten, oder wenigstens eine Ladungspumpenanordnung, die einen Pufferkondensator aufweist, um zu ermöglichen, dass die High Side MOSFET Treiber 312a eine geeignete Steuerspannung für die Gate-Anschlüsse der gekoppelten High Side MOSFETs 321a bis 323a bereitstellen.
Wenn das elektrische System des Fahrzeugs betrieben wird, d. h. beispielsweise, wenn der Verbrennungsmotor gestartet wird, um das Fahrzeug zu bewegen, prüft die Steuerschaltung 310 permanent, ob der Generator 330 eine Spannung umgekehrter Polarität an den Gleichrichter 320 liefert.
Die Prüfung hinsichtlich umgekehrter Polarität kann beispielsweise durch Prüfen der Polarität der von dem Generator an den Gleichrichter gelieferten Spannungen durchgeführt werden. Wenn die Steuerschaltung 310 erkennt, dass der Generator 330 umgekehrte Spannungen an den Gleichrichter liefert, handelt der Steuerblock ähnlich wie oben für die Steuerblöcke beschrieben. Das heißt, der Steuerblock steuert sofort die Treiber 312, damit sie die gekoppelten MOSFETs in dem Gleichrichter 320 zum Schutz in den leitenden Zustand schalten und tritt in einen Energiespar-Betriebsmodus ein. Sobald die MOSFETs in den leitenden Zustand geschaltet sind, werden die Spannung und der Strom, die von dem Generator erzeugt worden sind, an die Batterie gekoppelt, so dass die Stromversorgung des elektrischen Systems und ebenso der Steuerschaltung sehr wahrscheinlich zusammenbrechen wird. Demgemäß gibt es, falls der Generator eine Spannung umgekehrter Polarität erzeugt, keine Stromversorgung für die Steuerschaltung 310. Aus diesem Grund verwendet die Steuerschaltung 310 wenigstens einen der gekoppelten Energiespeicher wie oben erwähnt, während sie die Treiber so steuert, dass sie die MOSFETs öffnen. Demgemäß kann die Steuerschaltung zur Versorgung einen Glättungskondensator verwenden, der in der Spannungsversorgungsleitung enthalten ist, oder einen Bootstrap Kondensator oder einen Ladungspumpen-Pufferkondensator oder einen Kombination davon. Des Weiteren kann der Steuerblock 311 auch eine Ladungspumpe zum Laden eines Kondensators aufweisen, um eine Gate-Spannung bereitzustellen, die ausreichend hoch ist, um die High Side MOSFETs so zu steuern, dass sie in den leitenden Zustand schalten.
Die Steuerschaltung 310 kann des Weiteren so ausgelegt und konfiguriert sein, dass sie die gekoppelten Energiespeicher mit elektrischer Energie puffert, während die Steuerschaltung nicht aktiv instruiert wird, den Gleichrichter im Normalbetrieb zu betreiben.
Obwohl hier bestimmte Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurden, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass eine Reihe von alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen statt der dargestellten und beschriebenen bestimmten Ausführungsformen verwendet werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die vorliegende Anmeldung soll jegliche Adaptionen oder Varianten der hier erörterten bestimmten Ausführungsformen abdecken. Daher soll die Erfindung nur durch die Patentansprüche und deren Äquivalente beschränkt sein.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Steuerschaltung und wenigstens eines MOSFETs, wobei die Steuerschaltung den MOSFET so steuert, dass er eine Last an eine Energiequelle koppelt, wobei das Verfahren den Schritt des Steuerns des MOSFETs umfasst, derart, dass er im Falle einer Versorgung mit umgekehrter Polarität in den leitenden Zustand schaltet, wobei die Steuerschaltung von einer Energiespeichereinrichtung versorgt wird, die ursprünglich für den Betrieb im Falle der Versorgung mit nicht umgekehrter Polarität vorgesehen war, wobei der MOSFET im Falle einer Versorgung mit umgekehrter Polarität nur dann in den leitenden Zustand geschaltet wird, wenn eine Stromamplitude durch den MOSFET einen vordefinierten Schwellenwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Energiespeichereinrichtung ein Glättungskondensator oder ein Bootstrap Kondensator oder ein Pufferkondensator ist, der in Bezug zu einer Ladungspumpe steht, oder eine Kombination davon.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerschaltung eine Batterie als Notstromversorgung im Falle einer Versorgung mit umgekehrter Polarität aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerschaltung die Energieversorgungseinrichtung puffert, während sie den MOSFET nicht steuert.
Vorrichtung mit einer Steuerschaltung zum Steuern wenigstens eines MOSFETs, wobei die Steuerschaltung so ausgelegt und konfiguriert ist, dass sie den wenigstens einen MOSFET so steuert, dass er im Fall einer Versorgung mit umgekehrter Polarität in den leitenden Zustand schaltet, wobei die Steuerschaltung von einer Energiespeichereinrichtung versorgt wird, die ursprünglich für den Betrieb im Fall einer Versorgung mit nicht umgekehrter Polarität vorgesehen war, und wobei der MOSFET im Fall einer Versorgung mit umgekehrter Polarität nur dann in den leitenden Zustand geschaltet wird, wenn eine Stromamplitude durch den MOSFET einen vordefinierten Schwellenwert überschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 5, die des Weiteren eine Einrichtung zum Bestimmen einer Amplitude eines Stroms durch den MOSFET im Falle einer Versorgung mit umgekehrter Polarität aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Energiespeichereinrichtung ein Glättungskondensator oder ein Bootstrap Kondensator oder ein Pufferkondensator ist, der in Bezug zu einer Ladungspumpe steht, oder eine Kombination davon.