(57)【要約】  高電流パワー出力段（ＰＡ）は、少なくとも４つのパワートランジスタ（Ｔ）と、２つの給電線路と、少なくとも１つの溶断保護部（Ｓ）とを有する。上記少なくとも４つのパワートランジスタ（Ｔ）はそれぞれ、各パワートランジスタ（Ｔ）の通常動作時には阻止されているダイオード（Ｄ）を有する。２つの給電線路は、前記少なくとも４つのパワートランジスタ（Ｔ）と給電電位（Ｕｐ）および参照電位（Ｕｎ）とを結合することにより、該少なくとも４つのパワートランジスタのうちそれぞれ２つずつが相互に直列に配置され、しかも、給電電位（Ｕｐ）と参照電位（Ｕｎ）との間に電気的に配置される。前記少なくとも１つの溶断保護部（Ｓ）は、前記２つの給電線路のうち１つにおいて、前記少なくとも４つのパワートランジスタ（Ｔ）に対して電気的に直列に配置される。前記少なくとも１つの溶断保護部（Ｓ）は、給電電位（Ｕｐ）と参照電位（Ｕｎ）とが入れ違った場合に、少なくとも４つのパワートランジスタのそれぞれ順方向に配置されたダイオード（Ｄ）を流れる電流によってトリガされる。
2009510989.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電流パワー出力段において、
・それぞれ少なくとも１つのダイオード（Ｄ）を有する少なくとも４つのパワートランジスタ（Ｔ）と、
・該少なくとも４つのパワートランジスタ（Ｔ）を給電電位（Ｕｐ）および参照電位（Ｕｎ）に結合することにより、該少なくとも４つのパワートランジスタ（Ｔ）のそれぞれ２つずつが直列に配置され、しかも該給電電位（Ｕｐ）と該参照電位（Ｕｎ）との間に電気的に配置されるように設けられた２つの給電線路と、
・該２つの給電線路のうち少なくとも１つにおいて該少なくとも４つのパワートランジスタ（Ｔ）に対して電気的に直列に配置された少なくとも１つの溶断保護部（Ｓ）
とを有し、
該ダイオード（Ｄ）は、各パワートランジスタ（Ｔ）の通常動作時には阻止され、
該給電電位（Ｕｐ）と参照電位（Ｕｎ）とが入れ違った場合にそれぞれ順方向に配置されている該少なくとも４つのパワートランジスタ（Ｔ）のダイオード（Ｄ）を流れる電流（Ｉ）によって、該溶断保護部（Ｓ）はトリガされるように構成されていることを特徴とする、高電流パワー出力段。
【請求項２】
・前記少なくとも４つのパワートランジスタ（Ｔ）はそれぞれ半導体チップ（２）として共通の担体（１）上に直接配置されており、
・前記２つの給電線路のうち少なくとも１つは、少なくとも１つのボンディングワイヤ（Ｗ）を有する、請求項１記載の高電流パワー出力段。
【請求項３】
少なくとも１つの付加的なダイオード（ＤＺ）が、前記少なくとも４つのパワートランジスタ（Ｔ）に対して並列に配置され、かつ前記給電電位（Ｕｐ）と参照電位（Ｕｎ）との間に電気的に配置されることにより、該少なくとも１つの付加的なダイオードは前記高電流パワー出力段（ＰＡ）の通常動作時には阻止され、該給電電位（Ｕｐ）と参照電位（Ｕｎ）とが入れ違った場合には導電状態になるように構成されている、請求項１または２記載の高電流パワー出力段。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワートランジスタを有する高電流パワー出力段、とりわけＭＯＳＦＥＴパワートランジスタを有する高電流パワー出力段に関する。
【０００２】
高電流パワー出力段はたとえば、自動車の制御回路において電動機を駆動制御するために使用され、たとえば、電動パワーステアリング装置または電動ブレーキブースタ装置のために使用される。高電流パワー出力段は通常動作では、たとえば１００Ａのオーダにある電流によって動作する。必要な電気エネルギーは、ジェネレータ装置またはバッテリーによって供給される。バッテリーの交換時には、バッテリーを誤って逆の極性で、高電流パワー出力段に結合する可能性がある。このことによって高電流パワー出力段に生じる電流の流れは、該高電流パワー出力段を損傷するかまたは破壊する可能性がある。
【０００３】
ＤＥ１０２０８９８１Ａ１に、２つの車載電源網を有する自動車が開示されている。これら２つの車載電源網それぞれに対して、パワーマネージメントを備えた電流分配器が設けられている。これらの電流分配器のうち１つは、出力段およびマイクロコンピュータを有する。出力段は測定抵抗を有する。出力段の電流の流れはマイクロコンピュータによって、測定抵抗における電圧降下から求められる。出力段の電流の流れは、出力段をマイクロコンピュータによって適切に制御することによって遮断される。出力段の給電線路に溶断保護部が配置されており、これによって、短絡と同時に出力段の完全合金化とが発生した際に、火災が防止されるように構成されている。逆極性保護部としてリレーが設けられており、このリレーは、極性が逆の場合に電流の流れを遮断する。
【０００４】
ＤＥ１９５０１９８５Ａ１に、直流電圧が供給される電子回路を逆極性による損傷から保護するための逆極性保護部が開示されている。サプレッサダイオードは、バッテリーと電気的負荷とに対して並列に配置される。バッテリーとサプレッサダイオードないしは電気的負荷との間の給電線路に溶断保護部が配置される。極性が逆の場合、サプレッサダイオードは導電状態になり、溶断保護部は、これによって生じる電流によってトリガされる。
【０００５】
本発明の課題は、逆極性から保護され簡単かつ低コストの高電流パワー出力段を提供することである。
【０００６】
この課題は、独立請求項の特徴部分に記載された本発明によって解決される。従属請求項に本発明の有利な実施形態が記載されている。
【０００７】
本発明は、少なくとも４つのパワートランジスタと２つの給電線路と少なくとも１つの溶断保護部とを有する高電流パワー出力段を特徴とする。上記少なくとも４つのパワートランジスタはそれぞれ、各パワートランジスタの通常動作時には阻止されているダイオードを有する。２つの給電線路は、前記少なくとも４つのパワートランジスタと給電電位および参照電位とを結合することにより、該少なくとも４つのパワートランジスタのうちそれぞれ２つが相互に直列に配置され、しかも、給電電位と参照電位との間に電気的に配置される。前記少なくとも１つの溶断保護部は、前記２つの給電線路のうち１つにおいて、前記少なくとも４つのパワートランジスタに対して電気的に直列に配置される。前記少なくとも１つの溶断保護部は、給電電位と参照電位とが入れ違った場合に、少なくとも４つのパワートランジスタのそれぞれ順方向に配置されたダイオードを流れる電流によってトリガされる。
【０００８】
本発明は、とりわけＭＯＳＦＥＴパワートランジスタであるパワートランジスタが、それぞれダイオードを有するという認識に基づいている。このダイオードは、高電流パワー出力段の通常動作時、すなわち逆極性でない動作の際には阻止される。しかし、給電電位と参照電位とが入れ違うことによる逆極性の場合、ダイオードは導電状態になる。このことによって、逆極性時には電流がパワートランジスタのダイオードを流れ、溶断保護部を流れる。この電流は、溶断保護部が該電流によってトリガされる程度に高い。２つの給電線路は、溶断保護部のトリガ持続時間より長い負荷耐久時間にわたって電流を流すように形成される。
【０００９】
逆極性時に電流が流れるダイオードを有する少なくとも４つのパワートランジスタが設けられていることにより、発生する損失電力は該少なくとも４つのパワートランジスタに分配される。このことにより、パワートランジスタの電流容量にかかる要求が低くなる。このことの利点は、低コストのパワートランジスタを使用できることである。さらに、逆極性に対する高電流パワー出力段の保護が溶断保護部によって簡単かつ低コストで行うことができる。逆極性保護部のための別の付加的な構成要素を設けなくてもよい。とりわけ、逆極性時に電流の流れを遮断するためのリレーを省略することができる。高電流パワー出力段はたとえば、４つのパワートランジスタを有するＨブリッジとして構成されるか、または、３相電流を供給するために相応に６つのパワートランジスタを有する。また、高電流パワー出力段は６つより多くのパワートランジスタを有することもできる。
【００１０】
本発明の有利な構成では、少なくとも４つのパワートランジスタはそれぞれ半導体チップとして、共通の担体上に直接配置される。２つの給電線路のうち少なくとも１つは、少なくとも１つのボンディングワイヤを有する。その利点は、半導体チップの形態のパワートランジスタは特に低コストであり、特に良好な排熱を可能にすることである。前記少なくとも１つのボンディングワイヤの領域における給電線路の電流容量は、その時点のボンディングワイヤの太さを適切に形成するか、またはボンディングワイヤの数によって、非常に簡単に調整することができる。さらに、高電流パワー出力段の製造は、共通の担体によってコンパクトかつ低コストになる。
【００１１】
本発明の別の有利な構成では、少なくとも１つの付加的なダイオードが、前記少なくとも４つのパワートランジスタに対して電気的に並列に配置され、かつ給電電位と参照電位との間に電気的に配置されることにより、該少なくとも１つの付加的なダイオードは高電流パワー出力段の通常動作時には阻止され、給電電位と参照電位とが入れ違った場合には導電状態になるように構成される。このことの利点は、逆極性時の電流によって発生した損失電力が、前記少なくとも１つの付加的なダイオードに分配され、このことにより、前記少なくとも４つのパワートランジスタのダイオードの電流容量と該少なくとも１つの付加的なダイオードとにかかる要求がさらに低減されることである。それゆえ、パワートランジスタおよび前記少なくとも１つの付加的なダイオードを特に低コストにすることができる。
【００１２】
以下に、本発明の実施例を概略的な図面に基づき詳しく説明する。
【００１３】
図面
図１  高電流パワー出力段を有する回路構成を示す概略図である。
【００１４】
図２  バッテリーの逆極性時の回路構成の等価回路図である。
【００１５】
図３  高電流パワー出力段の実施形態を示す。
【００１６】
全図面を通して、同一の構造又は同一の機能を有する要素には同一の参照番号が付されている。
【００１７】
回路構成は、バッテリーＢａｔと、高電流パワー出力段ＰＡと、電動機Ｍとを有する（図１）。高電流パワー出力段ＰＡは、第１の給電線路Ｚ１を介してバッテリーＢａｔの給電電位Ｕｐに結合されており、第２の給電線路Ｚ２を介して参照電位Ｕｎに結合されている。バッテリーＢａｔは、高電流パワー出力段の動作のためにバッテリー電圧Ｕｂａｔを供給する。高電流パワー出力段ＰＡは、電動機Ｍに電気的に結合されている。電動機Ｍは多相電流によって動作し、高電流パワー出力段ＰＡは、バッテリー電圧Ｕｂａｔから多相電流の３つの相を該電動機Ｍの動作のために生成するように構成されている。
【００１８】
高電流パワー出力段ＰＡは、多相電流の３つの各相に対してそれぞれ、ダイオードＤをそれぞれ有する２つのパワートランジスタＴの直列回路を有する。パワートランジスタＴは有利には、ＭＯＳＦＥＴパワートランジスタとして構成されている。このようなパワートランジスタＴの各直列回路は、第１の給電線路Ｚ１および第２の給電線路Ｚ２に結合されているので、給電電位Ｕｐと参照電位Ｕｎとの間に電気的に配置されている。高電流パワー出力段ＰＡの通常動作時には、ダイオードＤはそれぞれ阻止方向に配置される。すなわち、ダイオードＤのカソードは、参照電位Ｕｎに対して正の給電電位Ｕｐに結合されており、ダイオードＤのアノードは参照電位Ｕｎに結合されている。
【００１９】
パワートランジスタＴは、図中にない制御装置によって駆動制御される。高電流パワー出力段ＰＡは、この制御装置の一部として構成することもできる。
【００２０】
第１の給電線路Ｚ１に溶断保護部Ｓが設けられている。この溶断保護部Ｓは、高電流パワー出力段ＰＡの通常動作時にはトリガされないように形成される。
【００２１】
パワートランジスタＴの３つの直列回路に対し、少なくとも１つの付加的なダイオードＤＺが並列に設けられている。この少なくとも１つの付加的なダイオードＤＺは、通常動作時にはダイオードＤに相応して、カソードでは給電電位Ｕｐに電気的に結合されており、アノードでは参照電位Ｕｎに電気的に結合されている。
【００２２】
パワートランジスタＴのダイオードＤと、場合によっては設けられている付加的なダイオードＤＺは、通常動作時には阻止されているので、電流は該パワートランジスタＴの駆動制御に依存して、溶断保護部Ｓと第１の給電線路Ｚ１および第２の給電線路Ｚ２とを流れる。
【００２３】
しかし、給電電位Ｕｐおよび参照電位ＵｎがバッテリーＢａｔの逆極性で相互に入れ違った場合、パワートランジスタＴのダイオードＤと、場合によっては設けられている付加的なダイオードＤＺは順方向に配置されることにより、導電状態になる。
【００２４】
図２は、バッテリーＢａｔの逆極性時の図１の回路構成の等価回路図である。溶断保護部Ｓと第１の給電線路Ｚ１および第２の給電線路Ｚ２とを流れる電流Ｉは、通常動作時の電流より格段に高く、たとえば約３〜１０倍高い。電流Ｉは基本的に、バッテリーＢａｔの内部抵抗によって予め決定されており、バッテリーＢａｔの負荷状態に依存する。溶断保護部Ｓは、この電流Ｉの場合にトリガされて高電流パワー出力段ＰＡをバッテリーＢａｔから電気的に分離するように形成される。こうすることにより、高電流パワー出力段ＰＡはバッテリーＢａｔの逆極性による損傷から保護される。
【００２５】
バッテリーＢａｔの逆極性時に高電流パワー出力段ＰＡを保護するための前提条件は、ダイオードＤと場合によっては設けられている付加的なダイオードＤＺとが損傷されないように、ダイオードＤにおける損失電力と、場合によっては設けられている付加的なダイオードＤＺにおける損失電力が溶断保護部Ｓのトリガまで小さく維持されることである。
【００２６】
試行によって次のことが実証された。すなわち、逆極性時にダイオードを流れる電流が数百Ａになり、ダイオードが破壊されることなくこの電流にたとえば約１０秒にわたって耐えて、溶断保護部Ｓのトリガを補償できるようにしなければならない場合、付加的なダイオードＤＺに相応して１つのダイオードのみを並列接続することにより、電気的負荷を逆極性接続から保護するのは不可能であるか、または非常に高コストであることが実証された。このことにより、このダイオードの電流容量にかかる要件と、それに相応して値段とが、非常に高くなる。
【００２７】
少なくとも４つのパワートランジスタＴないしは該パワートランジスタのダイオードＤに損失電力を分配し、第１の給電線路Ｚ１および第２の給電線路Ｚ２の適切な形成を行うことにより、各個々のパワートランジスタＴないしは該パワートランジスタのダイオードＤの電流容量にかかる要件が低減される。電流Ｉは、それぞれ２つのパワートランジスタＴの電気的に相互に並列に配置された３つの直列回路と、場合によっては設けられている付加的なダイオードＤＺとに分流される。さらに、パワートランジスタＴの３つの直列回路それぞれを流れる電流は、ダイオード電圧ＵＤに相応する各個々のダイオードＤにおける電圧降下に対してパワートランジスタＴの直列回路における電圧降下が２倍になることに起因して低減される。このことにより、バッテリー電圧Ｕｂａｔがこの２倍のダイオード電圧ＵＤに制限される場合、バッテリーＢａｔにかかる負荷は、バッテリー電圧Ｕｂａｔが１倍のダイオード電圧ＵＤに制限されるより小さくなる。すなわち、電流Ｉは小さくなる。このように小さくなった電流Ｉに相応して、各個々のダイオードＤが耐えなければならない損失電力も低減される。このことにより、ダイオードＤにかかる要求と、これに相応してパワートランジスタＴにかかる要求とが小さくなり、低コストのパワートランジスタＴを選択できるようになる。
【００２８】
付加的なダイオードＤＺは、該付加的なダイオードＤＺにおいても２倍のダイオード電圧ＵＤが降下するように構成されている。この付加的なダイオードＤＺはたとえば、ダイオード電圧ＵＤを有する２つの個別のダイオードの直列回路として構成されている。
【００２９】
図３は、高電流パワー出力段ＰＡの実施形態を示す。担体１には６つのパワートランジスタＴが、それぞれ１つの半導体チップ２の形態で設けられている。すなわち、パワートランジスタＴは有利にはケーシングを有さない。第１の給電線路Ｚ１および第２の給電線路Ｚ２はボンディングワイヤＷを有し、これを介して各半導体チップ２は、担体１上に配置された導体路に結合される。さらに、担体１の導体路はボンディングワイヤＷを介して、たとえばプリント基板上に配置された別の導体路に結合されている。導体路、別の導体路およびボンディングワイヤＷは、給電電位Ｕｐと参照電位Ｕｎとが入れ違った場合に電流Ｉを、溶断保護部Ｓのトリガ持続時間より長い耐久時間にわたって流すことができるように形成されている。
【００３０】
前記トリガ持続時間は数秒とすることができる。というのも、高電流パワー出力段ＰＡの通常動作時に流れる電流、すなわち逆極性でない動作時に流れる電流はすでに非常に高く、たとえば１００Ａのオーダにあるので、逆極性時に流れる電流Ｉはこれよりも、たとえば約３〜１０倍大きいからである。しかし溶断保護部Ｓは、高電流パワー出力段ＰＡの通常動作時には確実にトリガされないように形成される。
【００３１】
パワートランジスタＴはケーシングを有さない半導体チップ２として担体１上に配置されているので、ボンディングワイヤＷの領域における第１の給電線路Ｚ１および第２の給電線路Ｚ２の電流容量を、ボンディングワイヤＷのたとえば太さに関する選定、または相互に並列に配置されたボンディングワイヤＷの適切な数の選択によって選択することができる。たとえば、通常動作すなわち逆極性でない動作ですでに、相互に並列に配置された３つのボンディングワイヤＷだけで十分である場合に電流Ｉに耐えられるようにするためには、相互に並列に配置されたボンディングワイヤＷはそれぞれ５つ設けられる。また、電流容量にかかる要求に依存して、より多くのボンディングワイヤＷまたはより少ないボンディングワイヤＷを設けることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】高電流パワー出力段を有する回路構成を示す概略図である。
【図２】バッテリーの逆極性時の回路構成の等価回路図である。
【図３】高電流パワー出力段の実施形態を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年2月5日(2007.2.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電流パワー出力段において、
・それぞれ少なくとも１つのダイオード（Ｄ）を有する少なくとも４つのパワートランジスタ（Ｔ）と、
・該少なくとも４つのパワートランジスタ（Ｔ）を給電電位（Ｕｐ）および参照電位（Ｕｎ）に結合することにより、該少なくとも４つのパワートランジスタ（Ｔ）のそれぞれ２つずつが直列に配置され、しかも該給電電位（Ｕｐ）と該参照電位（Ｕｎ）との間に電気的に配置されるように設けられた２つの給電線路と、
・該２つの給電線路のうち少なくとも１つにおいて該少なくとも４つのパワートランジスタ（Ｔ）に対して電気的に直列に配置された少なくとも１つの溶断保護部（Ｓ）
とを有し、
該ダイオード（Ｄ）は、各パワートランジスタ（Ｔ）の通常動作時には阻止され、
該給電電位（Ｕｐ）と参照電位（Ｕｎ）とが入れ違った場合にそれぞれ順方向に配置されている該少なくとも４つのパワートランジスタ（Ｔ）のダイオード（Ｄ）を流れる電流（Ｉ）によって、該溶断保護部（Ｓ）はトリガされるように構成されており、
該少なくとも４つのパワートランジスタ（Ｔ）はそれぞれ半導体チップ（２）として、共通の担体（１）上に直接配置されており、
該２つの給電線路のうち少なくとも１つは、少なくとも１つのボンディングワイヤ（Ｗ）を有することを特徴とする、高電流パワー出力段。
【請求項２】
少なくとも１つの付加的なダイオード（ＤＺ）が、前記少なくとも４つのパワートランジスタ（Ｔ）に対して並列に配置され、かつ前記給電電位（Ｕｐ）と参照電位（Ｕｎ）との間に電気的に配置されることにより、該少なくとも１つの付加的なダイオードは前記高電流パワー出力段（ＰＡ）の通常動作時には阻止され、該給電電位（Ｕｐ）と参照電位（Ｕｎ）とが入れ違った場合には導電状態になるように構成されている、請求項１記載の高電流パワー出力段。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
ＤＥ１９５０１９８５Ａ１に、直流電圧が供給される電子回路を逆極性による損傷から保護するための逆極性保護部が開示されている。サプレッサダイオードは、バッテリーと電気的負荷とに対して並列に配置される。バッテリーとサプレッサダイオードないしは電気的負荷との間の給電線路に溶断保護部が配置される。極性が逆の場合、サプレッサダイオードは導電状態になり、溶断保護部は、これによって生じる電流によってトリガされる。
さらに、ＤＥ１９５０１９８５Ａ１、ＵＳ５４５１８４８Ａ、ＷＯ０３／０７７３２２Ａ２を挙げておく。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明は、少なくとも４つのパワートランジスタと２つの給電線路と少なくとも１つの溶断保護部とを有する高電流パワー出力段を特徴とする。上記少なくとも４つのパワートランジスタはそれぞれ、各パワートランジスタの通常動作時には阻止されているダイオードを有する。２つの給電線路は、前記少なくとも４つのパワートランジスタと給電電位および参照電位とを結合することにより、該少なくとも４つのパワートランジスタのうちそれぞれ２つが相互に直列に配置され、しかも、給電電位と参照電位との間に電気的に配置される。前記少なくとも１つの溶断保護部は、前記２つの給電線路のうち１つにおいて、前記少なくとも４つのパワートランジスタに対して電気的に直列に配置される。前記少なくとも１つの溶断保護部は、給電電位と参照電位とが入れ違った場合に、少なくとも４つのパワートランジスタのそれぞれ順方向に配置されたダイオードを流れる電流によってトリガされる。前記少なくとも４つのパワートランジスタはそれぞれ半導体チップとして、共通の担体上に直接配置される。前記２つの給電線路のうち少なくとも１つは、少なくとも１つのボンディングワイヤを有する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明の有利な構成では、少なくとも１つの付加的なダイオードが、前記少なくとも４つのパワートランジスタに対して電気的に並列に配置され、かつ給電電位と参照電位との間に電気的に配置されることにより、該少なくとも１つの付加的なダイオードは高電流パワー出力段の通常動作時には阻止され、給電電位と参照電位とが入れ違った場合には導電状態になるように構成される。このことの利点は、逆極性時の電流によって発生した損失電力が、前記少なくとも１つの付加的なダイオードに分配され、このことにより、前記少なくとも４つのパワートランジスタのダイオードの電流容量と該少なくとも１つの付加的なダイオードとにかかる要求がさらに低減されることである。それゆえ、パワートランジスタおよび前記少なくとも１つの付加的なダイオードを特に低コストにすることができる。
【国際調査報告】
2009510989.tif 000006
2009510989.tif 000007
2009510989.tif 000008
2009510989.tif 000009