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Dokumentenidentifikation DE102005003682A1 24.08.2006
Titel Schutzschaltung in einem Stromversorgungseingang einer elektrischen Einrichtung und Verwendung einer Schutzschaltung
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Bahr, Michael, 12101 Berlin, DE;
Siebert, Christian, 13629 Berlin, DE
DE-Anmeldedatum 26.01.2005
DE-Aktenzeichen 102005003682
Offenlegungstag 24.08.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.08.2006
IPC-Hauptklasse H02H 11/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02H 9/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H02H 7/20(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H02H 3/18(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H02H 3/20(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für einen Stromversorgungseingang einer elektrischen Einrichtung, mit einem ersten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor, wobei die Schutzschaltung zumindest einen zweiten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor sowie ein Schaltungselement aufweist. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Schutzschaltung.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für einen Stromversorgungseingang einer elektrischen Einrichtung, mit einem ersten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer Schutzschaltung in dem Stromversorgungseingang einer elektrischen Einrichtung.

Stromversorgungseingänge von elektrischen Einrichtungen müssen vor Verpolung und Überspannungen geschützt werden. Hierzu werden in den Stromversorgungseingängen der elektrischen Einrichtungen Schutzschaltungen vorgesehen. Bisher werden diese Schutzschaltungen mit diskreten Leistungsbauelementen in verschiedenen Schaltungsteilen realisiert. Diese sind teuer, aufwendig und verursachen erhebliche Verlustleistungen.

So ist es bekannt, den Verpolungsschutz durch einen Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor, einen sogenannten MOSFET (MOS = Metal-Oxide-Semicondutor), zu realisieren. Dieser MOSFET arbeitet mit entsprechender Beschaltung als leitungslose Diode und dient somit als Verpolschutz. Verpolungsschutz bedeutet dabei einer unbeabsichtigten Verdrehung der Anschlusspolarität entgegenzuwirken.

MOSFET-Transistoren werden in der Analogtechnik hauptsächlich für Verstärker und Schaltstufen verwendet. Ihr besonderer Vorteil gegenüber bipolaren Transistoren liegt in der Möglichkeit der leistungslosen Steuerung. Man erreicht mit MOSFET kleine Schaltzeiten und hohe Grenzfrequenzen. Das Eigenrauschen ist gering und liegt unter dem Wert bipolarer Transistoren. Ein MOSFET zeichnet sich gegenüber Bipolartransistoren durch seine Leistungselektronik aus, d.h. durch die leistungslose Steuerung und seinen sehr niedrigen Einschaltwiderstand.

In der Digitaltechnik werden MOSFET-Transistoren als Schalter eingesetzt. Die MOSFET-Transistoren erlauben Schaltungen mit geringer Verlustleistung, da nur während des Umschaltvorgangs ein erwähnenswerter Strom fließt.

Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistoren dienen mit entsprechender Beschaltung ferner als leitungslose Dioden. D.h., diese Schaltungen sperren den Elektronenfluss in einer Richtung, während sie ihn in der anderen Richtung durchlassen. In Durchlassrichtung ergibt sich dabei ein wesentlich geringerer Spannungsabfall als an einer herkömmlichen Diode (Laststrom x Einschaltwiderstand des MOSFET). Eine Diode besteht aus zwei Schichten, einem n-dotierten und einem p-dotierten Halbleitermaterial, die sich berühren. Aufgrund von Abstoßung bzw. Anziehung von gleichen Ladungen findet abhängig von der Polung einer externen Spannungsquelle entweder ein Stromfluss statt oder wird komplett unterbunden. Somit leitet eine Diode nur in eine Richtung.

Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistoren bestehen aus einem p-leitenden Kristall, dem Substrat. In das Substrat sind zwei n-leitende Inseln eindotiert. Der Kristall ist in der Regel mit Siliziumdioxid (SiO2) abgedeckt und bildet eine Isolierschicht. Die n-leitenden Inseln sind aber noch freigelegt und über Kontakte nach außen geführt. Diese Kontakte werden mit S (Source) und D (Drain) bezeichnet. Auf dem Siliziumdioxid ist eine Aluminiumschicht als Gateelektrode G aufgedampft.

Um die elektrischen Einrichtungen zusätzlich vor Überspannungen zu schützen werden beispielsweise Überspannungsableiter eingesetzt. Überspannungsschutz bedeutet Schutz einer Schaltung oder eines Bauteils gegen die Folgen von Anlegen einer zu hohen Versorgungsspannung oder Fremdspannung. Überspannungsableiter bestehen beispielsweise aus einem Glas- oder Keramikkörper, der an den Außenseiten mit zwei Anschlussdrähten ausgestattet ist. Innerhalb des Gehäuses befinden sich Elektroden. Der Raum dazwischen ist die Gasentladungsstrecke, die aus einem Edelgas, wie Argon oder Neon, besteht. Die elektrischen Eigenschaften eines derartigen Überspannungsableiters werden durch Gasart, Gasdruck, Werkstoffe, Elektrodenbeschichtung und Zusatzstoffen bestimmt.

Nachteilig bei den bekannten Lösungen ist, dass eine Vielzahl unterschiedlicher Schutzschaltungen für die verschiedenen Zwecke, d.h., für die Verpolung, die leitungslose Diode und den Überspannungsschutz benötigt werden. Die Verwendung der Vielzahl der unterschiedlichen Schutzschaltungen ist teuer, aufwendig und verursacht erhebliche Verlustleistungen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schutzschaltung für den Stromversorgungseingang einer elektrischen Einrichtung zu schaffen, die einfach zu realisieren, kostengünstig ist und nur geringe Verlustleistungen verursacht, wobei diese sowohl als leitungslose Diode gegen Verpolung, und als Überspannungsschutz einsetzbar sein soll. Ferner soll eine Schutzschaltung für den Stromversorgungseingang einer elektrischen Einrichtung geschaffen werden, die sowohl als Verpolung, als leitungslose Diode und als Überspannungsschutz einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Schutzschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch die Verwendung einer derartigen Schutzschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.

Eine Schutzschaltung für einen Stromversorgungseingang einer elektrischen Einrichtung, mit einem ersten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor, wobei die Schutzschaltung zumindest einen zweiten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor sowie ein Schaltungselement aufweist, stellt eine einfach zu realisierende und kostengünstige Schutzschaltung dar, die nur geringe Verlustleistungen verursacht.

Eine derartige erfindungsgemäße Schutzschaltung kann in zwei Betriebsarten eingesetzt werden, d.h., als leitungslose Diode ein Schutzschaltung gegen Verpolung bilden und als Überspannungsschutz einsetzbar. Bei Verpolung der Eingangsspannung sperrt der erste Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor, so dass es zu keinem Stromfluss und somit auch zu keiner Zerstörung der nachgeschalteten elektrischen Einrichtungen kommt. Die maximale Sperrspannung wird dabei durch den ersten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor bestimmt. D.h., bei einer negativen Eingangsspannung an dem D-Kontakt D (Drain) ist die Substratdiode des ersten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistors in Sperrrichtung. Da sich mit dieser Polarität keine Gate-Source-Spannung aufbauen kann, ist der erste Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor gesperrt. Es kann kein Strom fließen und die nachgeschaltete elektrische Einrichtung am Ausgang der Schutzschaltung ist vor Verpolung geschützt.

Vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Schutzschaltung ist ferner, dass bei dem Anliegen einer positiven Eingangsspannung an dem D-Kontakt D (Drain) auch der S-Kontakt S (Source) des ersten und des zweiten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistors positiv ist, da die Schutzdiode des ersten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistors in Flussrichtung liegt. Die beiden Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistoren sind in dem Stromversorgungseingang der elektrischen Einrichtung nacheinander angeordnet. Mit ansteigender Eingangsspannung am Eingang D-Kontakt D (Drain) des ersten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistors wird der S-Kontakt S (Source) gegenüber der Gateelektrode G positiver, bis die beiden Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistoren leitend werden und die elektrische Einrichtung am Ausgang des zweiten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistors mit Strom versorgt wird. Die Verlustleistung an den beiden Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistoren ist sehr gering, da nur der ohmsche Widerstand wirkt.

Vorteilhaft ist ferner bei der erfindungsgemäßen Schutzschaltung, dass bei einer weiter ansteigenden Eingangsspannung bzw. bei Erreichen des maximalen Wertes der Ausgangsspannung, der zweite Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor durch das erfindungsgemäße Schaltungselement, das zwischen dem ersten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor und dem zweiten ersten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor vorgesehen ist, die Ausgangsspannung auf den maximalen zulässigen Wert begrenzt und die nachfolgende elektrische Einrichtung, insbesondere eine Schaltung, schützt. D.h., wenn die maximal zulässige Spannung für die elektrische Einrichtung am Ausgang der erfindungsgemäßen Schutzschaltung überschritten wird, wird die Gate-Source-Spannung durch das Schaltungselement reduziert und somit die Ausgangsspannung durch den zweiten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor begrenzt.

Der zweite Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor arbeitet in diesem Zustand als Längsregler. Der erste Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor wird durch seine Schutzdiode überbrückt.

Durch diese Schutzschaltung mit zumindest zwei nacheinander angeordneten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistoren, wobei ein Schaltelement zur Steuerung der maximalen Ausgangsspannung vorgesehen ist, wird eine Schutzschaltung für eine Stromversorgungseingang einer elektrischen Einrichtung geschaffen, die konstruktiv einfach, kostengünstig und platzsparend einsetzbar ist.

Bevorzugt ist eine Schutzschaltung, bei der der erste Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor und der zweite Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor nacheinander angeordnet sind, wobei zwischen beiden Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistoren eine Verbindung über die jeweiligen Source-Kontakte der Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistoren und eine weitere Verbindung über die jeweiligen Gateelektroden der Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistoren erfolgt. D.h., die beiden Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistoren sind unterschiedlich in dem Stromversorgungseingang eingebaut. Der erste Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor ist derart in dem Stromversorgungseingang angeordnet, dass die Eingangsspannung an dem D-Kontakt D (Drain) anliegt. Der zweite Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor ist derart in dem Stromversorgungseingang angeordnet, dass die von dem S-Kontakt S (Source) des ersten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistors ausgehende Ausgangsspannung an dem S-Kontakt S (Source) des zweiten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistors als Eingangsspannung anliegt.

Vorteilhaft ist ferner eine Schutzschaltung, bei der das Schaltungselement eine Steuereinheit aufweist. Bei Überschreiten eines maximal zulässigen Wertes der Ausgangsspannung am Ausgang des zweiten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistors reduziert die Steuereinheit die Gate-Source-Spannung und verringert so die ausgehende Ausgangsspannung.

Vorteilhaft ist weiterhin eine Schutzschaltung, bei der das Schaltungselement die Verbindung der beiden Source-Kontakte und die Verbindung der beiden Gateelektroden der Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistoren sowie die Verbindung zwischen dem zweiten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor zur elektrischen Einrichtung über jeweilige Leitungen kontaktiert. Das Messen und das Reduzierung der Ausgangsspannung am Ausgang des zweiten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistors sowie das Überbrücken der Schutzdiode des ersten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistors werden durch die Steuereinheit gesteuert.

Die Aufgabe wird ferner durch die Verwendung der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Schutzschaltung als Verpolungsschutz, als leitungslose Diode und als Überspannungsschutz für einen Stromversorgungseingang einer elektrischen Einrichtung, gelöst. Durch die Verwendung einer derartigen Schutzschaltung als Verpolungsschutz, als leitungslose Diode und als Überspannungsschutz für den Stromversorgungseingang einer elektrischen Einrichtung, werden Kosten an Bauelementen und Platz auf einer Leiterplatte, auf der die elektrischen Einrichtung, insbesondere Schaltungen, sitzen, eingespart.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

1. eine erfindungsgemäße Schutzschaltung.

In der 1 ist eine erfindungsgemäße Schutzschaltung 1 dargestellt. Die Schutzschaltung 1 weist einen ersten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor 2, einen zweiten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor 3 sowie ein Schaltungselement 4 auf. Die Schutzschaltung 1 ist in dem Stromversorgungseingang 5 einer elektrischen Einrichtung 6 angeordnet als Verpolungsschutz, als leitungslose Diode und als Überspannungsschutz für den Stromversorgungseingang 5 der elektrischen Einrichtung 6. Der erste Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor 2 und der zweite Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor 3 sind zum einen über die S-Kontakte S (Source) sowie über die Gateelektroden G miteinander verbunden. Die Ausgangsspannung die an dem S-Kontakt des ersten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistors 2 anliegt stellt die Eingangsspannung an dem D-Kontakt D (Drain) des zweiten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistors 3 dar. Die elektrische Einrichtung 6 ist dem zweiten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor 3 nachgeschaltet, d.h. mit dem D-Kontakt D (Drain) des zweiten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistors 3 verbunden. Die Steuereinheit 4 kontaktiert über Leitungen beide Verbindungen zwischen den beiden Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor 2, 3 sowie die Verbindung zwischen dem zweiten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor 3 und der elektrischen Einrichtung 6. Eine derartige Schutzschaltung kann als

Das Schaltungselement 4 ist eine Steuereinheit. Diese Steuereinheit auf einfache und kostengünstige Weise als Verpolungsschutz, als leitungslose Diode und als Überspannungsschutz für einen Stromversorgungseingang 5 einer elektrischen Einrichtung 6 verwendet werden.

An dem ersten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor 2 liegt an dem D-Kontakt (Drain) eine Eingangsspannung an. Ist diese Eingangsspannung negativ, sperrt der erste Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor 2, so dass kein Stromfluss erfolgt und eine Zerstörung der nachgeschalteten elektrischen Einrichtung 6 verhindert wird. Bei einer positiven Eingangsspannung an dem D-Kontakt (Drain) des ersten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistors 2, kommt es zu einem Stromfluss zur elektrischen Einrichtung 6. Die Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistoren 2, 3 dienen als leitungslose Dioden. Die Steuereinheit 4 misst die Ausgangsspannung, die von dem zweiten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor 3 an die elektrischen Einrichtung 6 abgegeben wird. Dies erfolgt über die Kontaktierungen bzw. die Leitungen zu der Verbindung zwischen dem zweiten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor 3 und der elektrischen Einrichtung 6. Bei Überschreitung eines maximal zulässigen Wertes wird der zweite Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor 3 durch die Steuereinheit 4 zu einem Längsregler umfunktioniert, der die Ausgangsspannung auf den maximal zulässigen Wert begrenzt und dadurch die nachfolgende Schaltung schützt.


Anspruch[de]
  1. Schutzschaltung (1) für einen Stromversorgungseingang (5) einer elektrischen Einrichtung (6), mit einem ersten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung zumindest einen zweiten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor (3) sowie ein Schaltungselement (4) aufweist.
  2. Schutzschaltung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor (2) und der zweite Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor (3) nacheinander angeordnet sind, wobei zwischen beiden Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistoren (2, 3) eine Verbindung über die jeweiligen Source-Kontakte (S) der Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistoren (2, 3) und eine weitere Verbindung über die jeweiligen Gateelektroden (G) der Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistoren (2, 3) erfolgt.
  3. Schutzschaltung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltungselement (4) eine Steuereinheit aufweist.
  4. Schutzschaltung (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltungselement (4) die Verbindung der beiden Source-Kontakte (S) und die Verbindung der beiden Gateelektroden (G) der Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistoren (2, 3) sowie die Verbindung zwischen dem zweiten Metall-Oxid-Halbleiterbauteil-Feldeffekttransistor (3) zur elektrischen Einrichtung (6) über jeweilige Leitungen kontaktiert.
  5. Verwendung einer Schutzschaltung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4 als Verpolungsschutz, als leitungslose Diode und als Überspannungsschutz für einen Stromversorgungseingang (5) einer elektrischen Einrichtung (6).
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






IPC
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B Arbeitsverfahren; Transportieren
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