开关装置以及开关装置的运行方法

技术领域

本发明涉及一种开关装置以及这种开关装置的运行方法，用于与半导体开关元件的安全断开。

背景技术

当今，半导体开关、尤其是晶体管作为电子开关元件几乎用在每个电子电路中。所述半导体开关基于其不同的构造，例如在其切换时间和/或其相对于待切换的(电子)功率的切换性能方面被证实为有利的。

半导体开关也被用在机动车领域，例如用在机动车的汽车电路中。通常在这种情况下使用场效应晶体管(FET)并且尤其使用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。MOSFET具有漏极连接部、源极连接部以及栅极连接部。借助于栅极连接部、尤其借助于在运行中作用于栅极连接部与源极连接部之间的电压(也称作栅极电压)，可控制在漏极连接部与源极连接部之间流通的电流。就是说在超过所述栅极电压的电压阈值的情况下，在半导体材料内部、在漏极连接部与源极连接部之间形成“通道”并开始有电流流通。此外，借助于所述栅极电压的数值大小能使在漏极连接部与源极连接部之间流通的电流在其数值方面做出变化。基本上在此适用的是：所述栅极电压越高，在漏极连接部与源极连接部之间流通的电流就越大。因此，借助于MOSFET例如不仅能实现(电流)开关，也能实现(电流)调节器。

在文献DE19619467C2中介绍了一种开关装置，借助于所述开关装置，通过在漏极连接部与栅极连接部之间布置额外的晶体管使功率MOSFET免遭漏极连接部超压。

发明内容

由此出发，本发明的任务在于确保半导体开关元件的可靠切换。

所述任务按照本发明通过具有权利要求1的特征的开关装置来完成。有利的设计方案、进一步方案和变型方案是从属权利要求的主题。

所述开关装置用于可靠地断开半导体开关元件、尤其是MOSFET。所述半导体开关元件具有栅极连接部(简称：栅极)、源极连接部(简称：源极)以及漏极连接部(简称：漏极)。

在运行中，借助于所述栅极，在漏极与源极之间的电流路径能可逆地断开。所谓可逆地断开在此应理解为，在漏极与源极之间的电流路径借助于栅极、尤其借助于在栅极与源极之间施加的电压(栅极电压)，在超过电压阈值的情况下接通并且在未超出电压阈值的情况下断开。

此外，所述栅极连接部具有栅极电势，并且上述源极连接部具有源极电势。

在所述栅极与源极之间布置有保险单元。所述保险单元这样设置，与所述栅极电势与源极电势之间的(电压)电势差相关地，在所述电流路径断开之后，也就是在所述半导体开关元件关断之后，使栅极与源极电连接。通过所述电连接，所述栅极电势与源极电势以同一数值达到均衡。在此优选地，所述栅极电势的数值由起始值与源极电势的数值达到均衡。换言之，栅极电势的数值“被拉到”源极电势的数值。

所述电势差的概念在本申请的意义上就是电压差。所述(电压)电势差尤其对应于施加在所述栅极连接部与源极连接部之间的电压(栅极电压)。

所述使半导体开关元件切换(亦即在漏极连接部与源极之间形成导通连接)的电势差，尤其与所使用的掺杂材料相关。例如，在掺硅的半导体开关元件的情况下，所述电势差通常(在数值上)约为高于0.7伏。所述电压或电势差也称作击穿电压，并且是半导体开关元件的半导体掺杂物已知的特征参数。

通过所述栅极连接部与源极连接部之间的电连接，所述两个连接部优选具有相同的(电压)电势或至少尽量相同的(电压)电势。就是说，在关断所述半导体开关元件之后出现电势差的情况下，尤其是在与导线的固有电感有关而使源极电势为负的情况下，所述源极电势对于栅极电势为负，所述电势差通过栅极与源极的上述电连接达到均衡。因此，非期望的重新切换所述半导体开关元件得以避免。所述“均衡”在此应理解为，所述两个电势基本上具有相同数值。所述“基本上”在此应理解为，所述两个电势在达到均衡之后的电压差例如为小于0.5伏、尤其小于0.2伏。

这种设计基于下述考虑，即，在切换过程中、尤其MOSFET的关断过程中，在漏极连接部和源极连接部出现呈电压峰值形式的(额外的)电势，所述MOSFET位于电路内、例如位于机动车的汽车电路内。这种不同的电势是由布置在各连接部上的导线的固有电感引起的。

通常，在漏极连接部出现正的电势，而在源极连接部出现负的电势。在此，若源极连接部的电势比为了所述切换所设置的栅极电势(大多数为接地电势，即0伏)具有数值更大的负值，那么MOSFET面临大多数是非期望的重新切换(接通)。这基于下述原因，即，相对于所述栅极电势，在源极连接部的更负的电势在数值上超过所述栅极电压的电压阈值。

这可导致过载并且进而导致MOSFET运转故障。

按照优选的设计方案，所述保险单元具有晶体管、尤其是双极型晶体管。所述晶体管具有基极侧的基极连接部、发射极侧的发射极连接部以及集电极侧的集电极连接部。由此，在栅极与源极之间能够形成与(电压)电势差相关的电连接。就是说，从为了切换所述半导体开关元件所需的电势差(例如0.7伏)开始，所述保险元件、尤其是所述晶体管切换到导通状态，并且因此使所述半导体开关元件的栅极连接部与源极连接部连接。由此，所述电势差达到均衡，从而所述半导体开关元件不会切换。

按照优选的设计方案，所述晶体管在发射极侧与所述半导体开关元件的源极连接部连接，在集电极侧与所述半导体开关元件的栅极连接部连接。由此，在所述半导体开关元件的栅极连接部与源极连接部之间实现电导通的连接，所述连接可通过晶体管切换为导通的或阻断的。优选地，在所述晶体管的发射极与半导体开关元件的源极连接部之间不布置其它元件，就是说，所述晶体管在发射极侧直接与半导体开关元件的源极连接部连接。然而，上述切换、尤其是在所述晶体管的发射极与半导体开关元件的源极连接部之间的电导通的连接的切换在其它布置方式下也能实现。就是说，例如在所述发射极与源极连接部之间的直接连接不是强制性的，并且因此也可在所述发射极与源极连接部之间形成间接连接。所述“间接连接”在此应理解为下述电连接，其中，在所述发射极与源极连接部之间还布置有至少一个其它电气或电子构件。

合乎目的地，所述晶体管在基极侧与接地电势连接。优选地，所述接地电势涉及与半导体开关元件的源极连接部间接或直接相连的相同的接地电势。

因此，所述晶体管根据基极电路的类型进行布置和连接在所述保险单元内。

合乎目的地，所述保险单元具有用于限制电流的电阻元件、例如欧姆电阻。为此，所述电阻元件优选在集电极侧与集电极连接部预接。

此外，所述保险元件优选具有以下述方式设置的结构元件，即，在栅极连接部与集电极连接部之间形成并且尤其实现单向电流。在最简单的情况下，所述结构元件涉及单独的电气或电子构件。替代地，所述构件具有多个构件或者由多个构件形成，所述多个构件在配电技术上以形成单向电流的方式相互连接。在此，所述“单向电流”应理解为沿电流路径的仅在一个方向上的电流。

优选地，所述结构元件实现从栅极连接部至集电极连接部的单向电流。换言之，所述构件阻断从集电极连接部至栅极连接部的电流。由此，避免在半导体开关元件的关断状态(即非导通状态)下由源极电势引起栅极电势增加，并且避免使所述半导体开关元件接通。

优选地，所述结构元件与半导体开关元件的栅极连接部连接，其中优选地，在所述栅极连接部与二极管之间无其它元件接通。所述电阻元件优选布置在所述结构元件与晶体管的集电极连接部之间。

按照优选的设计方案，所述结构元件涉及二极管，其在阻断方向上与栅极连接部连接，即，阻断朝向栅极连接部的电流。原则上，所有能形成单向电流的半导体结构元件可考虑用于构造所述结构元件。作为替代方案，单向电流也可通过半导体结构元件直接连接在发射极之后来形成。

由此，结合所述晶体管在发射极侧与源极连接部的连接所实现的是，在所施加的源极电势为负并且所述负的源极电势可能导致使半导体开关元件切换的电势差情况下，所述电势差也施加在所述晶体管上，优选施加在与接地电势连接的基极连接部和与源极连接部连接的发射极连接部之间。由此，在由于所述电势差使半导体开关元件(不期望地)重新切换之前，所述晶体管切换所述导通状态并且使栅极连接部与源极连接部连接。在此优选地，所述晶体管的击穿电压对应于所述半导体开关元件的击穿电压。

为了保护在栅极连接部与源极连接部之间发生过压，在半导体开关元件的栅极连接部与源极连接部之间与所述保险单元并联地布置有过压保护元件。所述过压保护元件在此可以是所述保险单元的部件。

按照优选的设计方案，所述过压保护元件具有两个反向连接的保护二极管。所述两个二极管例如为抑制二极管。

优选地，所述开关装置布置在机动车中。尤其地，所述开关装置构造用于可靠断开半导体开关元件，所述半导体开关元件布置在这种机动车的汽车电路中。然而替代地，所述开关装置也可不受技术领域的限制、普遍地用于保护半导体开关元件。

所述半导体开关元件优选构造用于机动车中消耗器的切换并且尤其构造为功率半导体开关元件，并且例如适于电流的切换，所述电流的数值范围为优选大于1A且尤其大于10A。

针对所述方法的任务按照本发明通过具有权利要求11的特征的开关装置的运行方法来完成。

所述开关装置尤其涉及前文已述的开关装置。

考虑到所述开关装置所提及的优点和优选的设计方案也应在所述方法中体现，反之亦然。

附图说明

本发明的实施例将在下文中根据附图进一步阐述。所述附图以简化方式示出：

图1示出用于安全断开半导体开关的开关装置的电路图。

具体实施方式

在图1中示出的开关装置2尤其构造为用于机动车的汽车电路(未示出)的开关装置2。

开关装置2用于半导体开关元件4的安全关断。半导体开关元件4在本实施例中构造为MOSFET，具有栅极连接部G、源极连接部S以及漏极连接部D。在运行中，借助于半导体开关元件4，电流路径6能够可逆地被断开。为此，半导体开关元件4以漏极连接部D和源极连接部S与电流路径6连接。而且在本实施例中，源极连接部S连接于接地电势M。电消耗器8通过电流路径6与电压源10、例如机动车电池连接并且由此在运行中被供以电功率。电压源10具有数值在10V至50V范围内的工作电压。

所述半导体开关元件4涉及受电压控制的半导体开关元件4，从而借助于所施加的电压接通或关断半导体开关元件4，就是说使半导体开关元件导通或阻断。

对此，呈电压U形式的控制信号S

此外，栅极连接部G以及源极连接部S在运行中具有栅极电势U

尤其在电流路径6断开的情况下、亦即在半导体开关元件4关断的情况下，由于电流路径6的导体材料的固有电感，在半导体开关元件4的各级D、G、S上、尤其是在漏极连接部D和源极连接部S上出现不同的(额外的)电压峰值。

通常，由于所述电压峰值，在源极连接部S上出现负的电势。通常，由于所述电压峰值，在漏极连接部D上出现正的电势。

若源极连接部S的负的电势在数值上超过为了切换半导体开关元件4所需的电压阈值(例如0.7伏)，那么半导体开关元件4非期望地重新切换到导通状态。换言之：若由于所述电压峰值，源极电势U

这种非期望的重新切换可导致对半导体开关元件4的损坏或毁坏。

为了避免半导体开关元件4的这种重接，开关装置2具有保险单元12。保险单元12设置为，与栅极连接部G和源极连接部S之间的(电压)电势差ΔU相关地，在断开(切换到阻断状态)所述半导体开关元件4之后，使栅极连接部G与源极连接部S电连接。由此，栅极电势U

保险单元12具有晶体管14、尤其是双极型晶体管，其具有基极侧的基极连接部B、发射极侧的发射极连接部E以及集电极侧的集电极连接部C。

晶体管14在集电极侧与半导体开关元件4的栅极连接部G连接。晶体管14在发射极侧与半导体开关元件4的源极连接部S连接。因此在本实施例中，晶体管14基本上构成在栅极连接部G与源极连接部S之间的实际电连接。进一步地，通过晶体管14的切换功能，这种电连接能可逆地断开，以使栅极连接部G和源极连接部S不会持久地连接。就是说优选地，仅在关断之后并且在(电压)电势差ΔU超过所述电压阈值的情况下，晶体管14切换到导通状态并且使栅极连接部G与源极连接部S连接。

在晶体管14的集电极连接部C上连接有用于限制电流的电阻元件16a。此外在本实施例中，与电阻元件16a串联地，在晶体管14的集电极侧连接有构造为二极管的构件18a。在本实施例中，电阻元件16a和构件18a是保险单元12的部件。

此外，晶体管14在基极侧与接地电势M连接。此外在本实施例中，电阻元件16b以及与电阻元件16b串联的二极管18b与晶体管14的基极连接部B连接。优选地，除了前述元件16b、18b不再有其它元件布置在基极连接部B与接地电势M之间。

通过晶体管14以基极连接部B与接地电势M连接并且以发射极连接部E与源极连接部S连接，控制晶体管14的切换。对此，充分利用在关断半导体开关元件4之后出现的、实际上要避免的源极连接部S的负的电势。所述负的电势由于上述连接也施加在发射极连接部E上。为了接通、以及切换到导通状态，晶体管14需要从基极连接部B流至发射极连接部E的电流。例如在掺硅的双极型晶体管中，当基极连接部B与发射极连接部E之间具有数值约为0.7伏范围内的电压差(也称作基极-发射极-电压)时，出现所述电流。

因此，粗略简化地讲，一旦发射极连接部E的电势并且进而还有用于切换晶体管14所需的源极电势U

优选地，晶体管14以如下方式设置，即，所述电压差对应于其使晶体管14切换到导通状态中，并且所述电压阈值对应于其使半导体开关元件4切换到导通状态。

为了过压保护，与保险单元12并联地布置有过压保护元件20。过压保护元件20具有两个双向连接的保护二极管22、例如抑制二极管。作为另一种方式，过压保护元件20也是保险单元12的部件。

本发明不应受限于本文所描述的实施例。更确切地说，本领域技术人员由本文也能得出本发明的其它变型，而不背离本发明的主题。此外，尤其所有结合所述实施例描述的单个特征也能以其它方式相互组合，而不背离本发明的主题。

附图标记列表

2 开关装置

4 半导体开关元件

6 电流路径

8 消耗器

10 电压源

12 保险单元

14 晶体管

16a、16b 电阻元件

18a、18b 构件

20 过压保护元件

22 保护二极管

B 基极连接部

C 集电极连接部

D 漏极连接部

E 发射极连接部

G 栅极连接部

S 源极连接部

S

M 接地电势

U 电压

U

U

ΔU 电压电势差