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Infineon

Als Schaltelemente für die Außen- und Innenbeleuchtung im Automobil müssen Leistungshalbleiter einerseits die Schutz- und Diagnosefunktion des Systems erfüllen sowie andererseits auch die Lasten möglichst effizient und zuverlässig schalten. Gleichzeitig müssen diese Halbleiter ständig preisgünstiger werden.

Ein maßgebliches Feature von Highside-Schaltern (HSS) ist das sichere Einschalten der angebundenen Last. Viele HSS müssen während des Schaltvorgangs einen sehr hohen Stromfluss, den sogenannten Einschaltstrom, erlauben. Der Halbleiter sollte dieser Belastung, die einem Kurzschluss ähnlich ist, für eine gewisse Zeit standhalten können. Bei Schaltern mit größerer Toleranz (hohem Stromlimit) ist die Kurzschlussfestigkeit geringer, wenn nicht zusätzliche Schutzvorkehrungen getroffen werden. Die Kunst eines guten Highside-Schalterentwurfs besteht in der richtigen Balance zwischen Kurzschlussfestigkeit und Stromlimitierung, ohne die Herstellungskosten massiv zu erhöhen. Diese Vorgabe erfüllen die Highside-Schalter des Typs PROFET+ sehr gut.

Bei der Produktfamilie PROFET+ handelt es sich um die neueste Generation von Highside-Treibern von Infineon. Die Bausteine sind für Anwendungen im Automobil nach AEC-Q100 qualifiziert und können für das Schalten von Glühlampen, LEDs, kapazitiven, induktiven Lasten sowie als Ersatz für Relais und Schutzsicherungen in 12- und 24-V-Bordnetzen zum Einsatz kommen. Die Pin-Kompatibilität zwischen den einzelnen Bausteinen ermöglicht es, mit nur einem Footprint je nach Anforderung PROFET+ mit unterschiedlichem RDS(on) zu verwenden. Die thermische Schutzstrategie verhindert, dass eine abrupte Temperaturänderung oder Übertemperatur die Lebensdauer verkürzt.

Konfiguration im Fahrzeug

Der maximale Strom, der theoretisch fließen kann, ist primär durch die Last definiert. Dieser Strom hat einen großen Einfluss auf die Systemkosten, da hiervon die Strom- und Energiedichte abhängt. Es ist daher sehr nützlich, die Randbedingungen in einem realistischen System zu analysieren und damit den tatsächlichen Maximalwert während der Einschaltphase zu bestimmen.

Der Maximalstrom wird durch die Leitungsimpedanzen entlang
des hin- und rückführenden Kabels beeinflusst.

Bild 1: Kabelverlauf einer Frontlichtanwendung.

Bild 1: Kabelverlauf einer Frontlichtanwendung.Infineon

Gemäß Bild 1 bestehen diese Leitungsimpedanzen für eine typische Frontlichtanwendung aus Batterie, Sicherungskasten, Kabelimpedanzen, Steckerverbindungen, Body Control Module (BCM) und schließlich dem Sockel der der Glühlampe.

Alle auftretenden Impedanzen innerhalb dieser Kette lassen sich zu einer äquivalenten Impedanz zusammenfassen, deren Realteil minimal 65 mΩ und deren Imaginärteil 2 µH beträgt.

Einschaltverhalten der Glühlampen

Im Auto kommen für Beleuchtungsanwendungen derzeit noch primär Glühlampen zum Einsatz. Glühlampen sind sogenannte Temperaturstrahler, die Licht durch Wärmeenergie erzeugen und dadurch auch relativ geringe Wirkungsgrade von weniger als 10% aufweisen.

Der Widerstand des Glühfadens bestimmt die kapazitiven Eigenschaften einer Glühlampe, wobei Parameter wie Umgebungstemperatur, Versorgungsspannung und externe Beschaltung die Kapazität beeinflussen. Dabei bestimmen im Wesentlichen die induktiven Leitungsanteile die Steilheit der Einschalt-Stromkurve, während die charakteristische Stromspitze durch den Ohm‘schen Widerstand entsteht. Ursache für die hohen Stromspitzen ist die anfangs kühle Glühwendel. Da sich die Glühwendel schnell erwärmt, nimmt diese Stromspitze exponentiell ab, so dass nach ungefähr 120 ms ein statischer Wert erreicht ist, der oft weniger als 1/15 der Stromspitze betragen kann.  Für den Highside-Schalter ist besonders die Einschaltphase der Last kritisch, da hier die höchsten Ströme fließen und damit auch mehr Verlustleistung im Schalter selbst auftritt.

Diese Phase wird maßgeblich von der Versorgungsspannung, der Umgebungstemperatur sowie der primären und sekundären Leitungsimpedanz bestimmt (Bild 1).

Bauteile, die für den Automobilbereich qualifiziert sind, müssen im Temperaturbereich von -40 °C bis +150 °C funktionstüchtig bleiben. Während bei geringer Temperatur die anfängliche Stromaufnahme der Glühlampen deutlich höher ist, steigt bei hoher Temperatur die Gefahr einer Überhitzung des Highside-Schalters.

Eine wichtige Variable ist die Länge des Kabelbaums, die in Bild 2 als primäre und sekundäre Leitungsimpedanz dargestellt ist. Leider ist sie in der frühen Designphase meist unbekannt und muss approximiert werden. Alle genannten Faktoren können eine Änderung des Laststroms um mehrere Ampere bewirken und verursachen damit variierende Anforderungsprofile. Das in PROFET+ integrierte Restart-Konzept ermöglicht ein sicheres Einschalten der Last auch unter Worst-Case-Bedingungen.

Einschaltstrategie von PROFET+

Bild 2: Reale Einschaltvorgänge mit Überlast an PROFET+.

Bild 2: Reale Einschaltvorgänge mit Überlast an PROFET+.Infineon

Für Highside-Schalter gibt es mehrere Möglichkeiten, eine Überbelastung durch zu hohen Strom und damit eine Schädigung zu verhindern. Eine aktive Limitierung des Stroms hat den großen Vorteil, dass im Kurzschlussfall weder die Schmelzsicherungen noch der Kabelstrang im Übermaß belastet werden.

Die Konzepte „Latch mit Strom-Tripping“ und „Restart mit Stromlimitierung“ sind am häufigsten in Highside-Schaltern zu finden. Bausteine, die nach Erreichen des Stromgrenzwerts abschalten (Latch) und erst nach einem Reset wieder einschalten, haben den großen Vorteil, dass sie sehr robust bei Kurzschlüssen sind. Für Lasten, die sich kapazitiv verhalten, wie zum Beispiel Glühlampen, bringt diese Lösung allerdings Nachteile mit sich. Der Minimalwert der Strombegrenzung muss dann nämlich so hoch gewählt werden, dass auch unter den schwierigsten Bedingungen beim ersten Versuch (ohne Reset) das Einschalten möglich ist. Damit hohe Stromspitzen keinen Schaden am Chip verursachen, muss die Siliziumfläche entsprechend groß sein, was einen wichtigen Kostenfaktor darstellt.

PROFET+

Die Implementierung eines automatischen Restarts im Leistungshalbleiter erhöht die Flexibilität bei der Bedienung der Lasten und bietet mehr Freiheitsgrade in der Partitionierung. Die PROFET+-Bausteine wurden so entworfen, dass sie auch unter schwierigen Bedingungen innerhalb des Kfz die Lampenlasten einschalten.

Beim Restart-Konzept, das auch in PROFET+ implementiert ist, schaltet sich der Baustein nach Erreichen der Maximaltemperatur oder großem Temperaturhub aus und aktiviert sich nach einer Auskühlphase wieder selbstständig.

Bild 2 zeigt an PROFET+ gemessene Einschaltvorgänge von Glühlampen unter Normalbedingung sowie unter Extrembedingungen. Die Umgebungstemperatur der Last betrug im Extremfall -40 °C, während +20% der Nominallast anlagen. Obwohl die Last die vorgesehene Belastung überschreitet, lässt sich bereits nach 6 ms die Glühfadentemperatur so weit anheben, dass ein dauerhafter Betrieb möglich ist. Das Timing für die Aktivierung und Deaktivierung ist so implementiert, dass der Temperaturhub beziehungsweise die Maximaltemperatur tolerabel bleiben.

Fazit

Die Implementierung eines automatischen Restarts im Leistungshalbleiter erlaubt mehr Flexibilität in der Bedienung der Lasten und mehr Freiheitsgrade in der Partitionierung.

Die PROFET+-Bausteine wurden so entworfen, dass sie auch unter schwierigen Bedingungen innerhalb des Kfz die Lampenlasten einschalten. Manche Faktoren, wie die resistiven Anteile der Kabelimpedanz, haben einen positiven Einfluss, da sie den Einschaltstrom und die Höhe der Schaltflanken verringern. Die Kehrseite ist dabei die Erhöhung der Induktivität mit steigender Leiterlänge, was zu einer zusätzlichen Belastung beim Ausschalten der Last führt. Das minimale Stromlimit des HSS bestimmt wesentlich die Kosten des Halbleiters. Mit 12-V-Bausteinen des Typs PROFET+, die das Konzept von automatischen Restarts und hohen Stromlimits verfolgen, wird auch im Extremfall ein sicheres Einschalten der Lasten garantiert. Durch die adäquate Balance zwischen Maximalstrom und thermischem Schutz ergibt sich eine Kurzschlussfestigkeit von 100.000 Zyklen nach AEC Q100-012.