Überstrom sicher begegnen Intelligente Leistungshalbleiter für funktionale Sicherheit

Im Gegensatz zu herkömmlichen Sicherungen müssen IPDs nach einem Fall von Überstrom nicht ausgetauscht oder ersetzt werden. Sie ermöglichen damit den Aufbau von wartungsfreien Systemen.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Sicherungen müssen IPDs nach einem Fall von Überstrom nicht ausgetauscht oder ersetzt werden. Sie ermöglichen damit den Aufbau von wartungsfreien Systemen.

Sicherheit im Auto bedeutet nicht nur, ob der Fahrer angeschnallt ist. Auch die vielseitige und weiter wachsende automobile Elektronik muss gut geschützt sein. Neuartige High-Side-Schalter schützen vor Überströmen und gewährleisten hohe Systemzuverlässigkeit.

Die fortschreitende Elektrifizierung sowie technologische Innovationen im Automobilbereich wie Elektrofahrzeuge und autonomes Fahren erfordern ein Konzept der funktionalen Sicherheit, das im Notfall das Risiko und die Schwere von Unfällen verringern kann. Die funktionale Sicherheit umfasst Sicherheitsmaßnahmen, die das Risiko durch zusätzliche Funktionen wie Überwachung und Schutzvorrichtungen minimieren. Für Automobilanwendungen bedeutet das, das Risiko auf ein vertretbares Maß zu senken, damit bei einer Fehlfunktion aufgrund des Ausfalls eines elektronischen Systems niemand verletzt wird.

Um die funktionale Sicherheit in Fahrzeugsystemen zu gewährleisten, werden Kfz-Steuergeräte mithilfe von Sicherungen vor Überströmen bei Systemausfall geschützt. Mögliche Probleme bei der Instandhaltung nach dem Schmelzen einer Sicherung und alterungsbedingte Beeinträchtigungen erfordern jedoch den verstärkten Einsatz von Halbleiterbauelementen wie »Intelligent Power Devices«, IPDs.

IPDs können als Halbleitersicherungen elektronische Schaltkreise vor Ausfall, also vor Überstrom bei Anomalien, schützen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Sicherungen müssen IPDs nach einem Fall von Überstrom nicht ausgetauscht oder ersetzt werden. Sie ermöglichen damit den Aufbau von wartungsfreien Systemen, insbesondere für Steuergeräte in Motor- und Getriebesteuerungen von Fahrzeugen.

Schutz vor Überstrom

Als Referenz für solche IPDs wird im Folgenden die BV2Hx045EFU-C-Serie von ROHM verwendet. Die Serie bietet zweikanalige High-Side-IPDs, die Systeme mit einer Spannungsfestigkeit von 41 V vor Überstrom schützen. Der Hersteller gilt als sehr erfahren, etwa durch die Integration fortschrittlicher Technologien einschließlich spezieller IPD-Prozesse, Schutzschaltungen, Gehäuse für Automobilanwendungen und auch verbesserte Die-Bond-Materialien.

Im wettbewerbsintensiven Automobilumfeld ist es wichtig, einen Schritt voraus zu sein. Eine integrierte Überstromschutzfunktion ist die wichtigste Funktion von IPDs, sie bietet einen eigenständigen Schutz gegen erhöhte Einschalt- und Dauerströme und ermöglicht den Aufbau sehr zuverlässiger Systeme.

Standardmäßige High-Side-IPDs schützen nur gegen den Einschaltstromstoß beim Start. Für den Überstromschutz bei Dauerströmen werden MCUs und Überstromerkennungs-ICs benötigt. Sobald beim Dauerstrom eine Überstromlast erkannt wird, steuert die MCU über ein Freigabesignal den IPD-Ausgang (On/Off). Je nach Kapazitätswert des an den IPD-Ausgang angeschlossenen Folgekreises kann der Einschaltstromstoß dazu führen, dass der Überstromschutz wiederholt erkannt und zurückgesetzt wird, was eine Oszillation zur Folge hätte.

Für neue automobile Entwicklungsprojekte sollten IPSs eine proprietäre Funktion besitzen, die einen eigenständigen Schutz sowohl vor Einschalt- als auch vor Dauerüberstrom bietet und darüber hinaus beim Erkennen einer Anomalie, also eines Überstroms, ein Fehlersignal an die MCU sendet. Beide Funktionen gewährleisten einen stabilen Betrieb und verbessern die Zuverlässigkeit des gesamten Systems.

Schützt ECUs in unterschiedlichen Systemen

Bei diesen fortschrittlichen IPDs lassen sich die Zeit zum Schutz des Einschaltstromstoßes und die anormale Stromschwelle des Dauerstroms beim Überstromschutz frei einstellen. Um Steuergeräte in einer Vielzahl von Systemen vor hohen Strömen zu schützen, sind Einschaltstrom und Dauerstrom wichtige Parameter. Hierbei handelt es sich meist um Anwendungen mit Sicherungen. Als Last dienen Elektrolytkondensator und Treiberschaltung. Wenn der Kondensator leer oder entladen ist, entsteht bei Einschalten des Systems ein hoher Einschaltstrom. Das System lässt sich schützen, indem man den Einschaltstrom für eine gewisse Zeitspanne begrenzt. Sobald der Einschaltstrom nicht mehr fließt, wird der Schutzmodus abgeschaltet und das System geht in den normalen Dauermodus über (Bild 1).

Für den Einschaltstromstoß ist der Überstromerkennungswert auf 30 A (typisch) festgelegt. Die Schutzzeit wird mit einem externen Kondensator eingestellt. Je höher die Kapazität des externen Kondensators ist, desto länger ist die Schutzzeit für den Einschaltstrom. Bild 2 zeigt auf der linken Seite wie der Laststrom, wenn er die von konventionellen IPDs festgelegte obere Grenze erreicht, aufgrund der Inkompatibilität mit der nachfolgenden Schaltung leicht außer Kon­trolle geraten kann. Dies führt zu In­­stabilität und kann sich ungünstigauf das System auswirken. Wenn jedoch der Schutzmodus gegen einen Einschaltstrom beim Start aktiviert ist, werden Startfehler vermieden, die oberen Werte des zulässigen Stromwerts begrenzt und die Stabilität des Systems verbessert.

Bild 2 zeigt auf der rechten Seite, dass der Laststrom während des
Einschaltstroms durch eine Stromschutzzeit nach oben begrenzt wird und reibungslos in den Schutz des Dauerstroms übergeht. Für den Dauerstrom lässt sich der anormale Stromwert mit einem externen Widerstand zwischen 1 A und 10 A einstellen. Dies gewährleistet Kompatibilität mit einer Vielzahl von Systemen.

Optimierte BOM

Integriert aufgebaute IPDs der beschriebenen neuen Generation reduzieren die Anzahl der benötigten externen Bauelemente und somit auch die Montagefläche. Wie bereits erwähnt, erfordern herkömmliche Lösungen zum Schutz des Dauerstroms zusätzlich zum IPD ein Überstromerkennungs-IC und weitere Komponenten. Bei Verwendung moderner IPDs kann die Anzahl der Bauteile von zehn auf nur drei reduziert werden – Widerstand, Kondensator und IPD. Dadurch lässt sich die Montagefläche um 70% reduzieren. Der Grund dafür sind die zwei Arten von Überstromschutz: Einschaltstrom und Dauerstrom. Herkömmliche IPDs schützen nur den Einschaltstrom, sie erfordern zusätzliche Schaltkreise für den Schutz gegen Dauerstrom. Dank zweier Schutzmodi und der Möglichkeit, die Einschaltstromzeit und die anormale Stromeinstellung für den Dauerstrom zu definieren, ermög­lichen die neuartigen IPDs eine einfache Konfiguration (Bild 3).

Bei der herkömmlichen Stromlösung befindet sich der Überstromerkennungs-IC gesondert im nahen IPD. Die Shunt-Widerstände zur Erkennung des Überstroms befinden sich ebenfalls zwischen IPD und Überstrom­erkennungs-IC. Außerdem werden Paare von Bypass-/Phasenkontroll-Kondensatoren benötigt. Diese komplexen Systeme verursachen hohe Designkosten sowie eine unnötige Systemgröße.

Schutz und Sicherheit im Auto

Hochzuverlässige High-Side-IPDs bieten die Integration von Überstrom- und Anlaufstromschutz mit nur zwei externen Bauteilen und sehr geringem Platzbedarf auf der Leiterplatte, sie können zu weiter minimalisierten Systemen beitragen. Zusätzliche Funktionalitäten wie etwa mehrere Kanäle oder ein niedriger Einschaltwiderstand für Energieeinsparung sind weitere Vorteile zum zweifachen Überstromschutz. Die neuartige IPD-Generation kann damit zu mehr Sicherheit und Schutz im Auto beitragen und gleichzeitig die Umweltbelastung im Automobil- und Industriebereich minimieren.

… ist Application Engineer im Application and Technical Solution Center von Rohm Semiconductor, wo er AC/DC-ICs, Standard-ICs und Motorsteuerungen betreut. An verfügt über einen Bachelor in Elektrotechnik der Unversität von Seoul in Südkorea. Seine berufliche Laufbahn startete er bei Panasonic Semiconductor als FAE für AC/DC-Anwendungen, im Anschluss arbeitete er bei Shindengen mit diskreten MOSFETs und Leistungsmodulen sowie mit Hochleistungs-DC/DC-Wandlern und OBCs für Automobilanwendungen.