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Optimierte Zenerung fuer das Abkommutieren der maximal moeglichen Energie einer Induktivitaet

IP.com Disclosure Number: IPCOM000022712D
Published in the IP.com Journal: Volume 4 Issue 4 (2004-04-25)
Included in the Prior Art Database: 2004-Apr-25
Document File: 2 page(s) / 47K

Publishing Venue

Siemens

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Abstract

Halbleiterschalter auf der Basis von MOSFETs (Metal Oxide Silicon Field Effect Transistors) verfuegen heute ueber eine integrierte aktive Zenerschaltung, mit deren Hilfe geschaltete Induktivitaeten abkommutiert werden.Die Zenerspannungen werden dabei entweder in Bezug auf die Batteriespannung Vbb oder auf das Potenzial der Masse (GND) vorgegeben. Zusaetzlich koennen noch veraenderliche Zenerspannungen in Abhaengigkeit von Strom oder Zeit eingestellt werden. Hierfuer verwendet man Zenerdioden, die in verschiedenen Kombinationen die gewuenschte Zenerspannung umsetzen. Alle heutigen aktiven Zenerschaltungen sind in ihrem Aufbau so dimensioniert, dass sie ihrer Funktion entweder nur fuer genau festgelegte Parameter gerecht werden oder aber zusaetzlich fuer bestimmte Randbedingungen (gegebene Batteriespannung, gegebene Induktivitaet, gegebener Strom) ein Optimum umzusetzender Energie EAL erreichen. Die Hoehe dieser Energie wird nur durch die Induktivitaet und den sie durchfliessenden Strom bestimmt:

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S

Optimierte Zenerung fuer das Abkommutieren der maximal moeglichen Energie einer Induktivitaet

Idea: Christian Arndt, DE-Muenchen

Halbleiterschalter auf der Basis von MOSFETs (Metal Oxide Silicon Field Effect Transistors) verfuegen heute ueber eine integrierte aktive Zenerschaltung, mit deren Hilfe geschaltete Induktivitaeten abkommutiert werden.Die Zenerspannungen werden dabei entweder in Bezug auf die Batteriespannung Vbb oder auf das Potenzial der Masse (GND) vorgegeben. Zusaetzlich koennen

noch veraenderliche Zenerspannungen in Abhaengigkeit von Strom oder Zeit eingestellt werden. Hierfuer verwendet man Zenerdioden, die in verschiedenen Kombinationen die gewuenschte Zenerspannung umsetzen.

Alle heutigen aktiven Zenerschaltungen sind in ihrem Aufbau so dimensioniert, dass sie ihrer Funktion entweder nur fuer genau festgelegte Parameter gerecht werden oder aber zusaetzlich fuer bestimmte Randbedingungen (gegebene Batteriespannung, gegebene Induktivitaet, gegebener Strom) ein Optimum umzusetzender Energie EAL erreichen. Die Hoehe dieser Energie wird nur durch die

Induktivitaet und den sie durchfliessenden Strom bestimmt:

2

    2 1 I L =EAL ⋅ (1)

Jeder Abkommutiervorgang einer gespeicherten induktiven Energie stellt fuer den Halbleiterschalter eine Belastung dar, die in einer Temperaturerhoehung resultiert. Dabei rufen hoehere Energien auch hoehere Temperaturerhoehungen hervor. Die Faehigkeit, eine induktive Energie abzukommutieren, erreicht daher je nach kritischer Temperatur des Bauteils eine Grenze.

Die hier vorgestellte Idee beschreibt demnach eine aktive Zenerschaltung, die bei gegebener abzukommutierender Energie ein Minimum an Temperaturerhoehung erzeugt. Umgekehrt kann mit dieser Schaltung die maximal moegliche Energie von einem gegebenen Bauteil abkommutiert werden. Zusaetzlich kann eine vorschlagsgemaesse Zenerung die maximale Energie unabhaengig von allen bestehenden Randbedingungen, wie Batteriespannung, Starttemperatur, Ausgangsstrom oder Induktivitaet, schalten. Die Grundlage hierfuer bildet die Ueberlegung, dass das thermische Impedanzverhalten heutiger Bauelemente in einem Zeitbereich von einigen Millisekunden wurzelfoermig ist, d. h. dass sich die thermische Impedanz wurzelfoermig ueber die Zeit erhoeht. In diesem Zeitbereich spielen sich auch alle Abkommutiervorgaenge von induktiven Lasten ab. Fuer alle Vorgaenge gilt daher bis zu einer zeitlichen Grenze:

t

Zth ~ (2)

Es laesst sich ebenfalls zeigen, dass der Baustein in Abhaengigkeit des Verhaeltnisses von Klemmspannung VAZ zur Batteriespannung Vbb eine zeitlich veraenderliche Leistung beim

Abkommutieren erfaehrt. Diese Leistung erzeugt dann die Erhoehung der Temperatur. Weiterhin VAZVlaesst sich zeigen, dass es ein Optimum des Verhaeltnisses bb gibt, bei dem der Temperaturhub

minimal ausfaellt. In dieses Optimum geht jedoch weder die nominelle Induktivitaet noch der vor dem Abkommutieren fliessende Strom ein. Aus (2) erhaelt man fuer die Temperaturbelastung de...