WO2009030691A1

WO2009030691A1 - Schaltungsanordnung zum schalten einer induktiven last

Info

Publication number: WO2009030691A1
Application number: PCT/EP2008/061579
Authority: WO
Inventors: Johann Falter; Franz Laberer; Dieter Sass
Original assignee: Continental Automotive Gmbh
Priority date: 2007-09-03
Filing date: 2008-09-02
Publication date: 2009-03-12
Also published as: DE102007041784B4; DE102007041784A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (10) zum Schalten einer induktiven Last (L1), die in Reihenschaltung mit einem ansteuerbaren Schaltelement (T) an den Polen einer Spannungsquelle (Vbat) liegt, wobei eine Schutzbeschaltung (14) zum Schutz des Schaltelements (T) vor zu hohen Abschaltspannungen vorgesehen ist, welche im Falle einer Überschreitung einer vorbestimmten Schutzschwelle durch die Abschaltspannung das Schaltelement (T) zwangsweise in einen leitenden Zustand steuert. Um eine solche Schaltungsanordnung (10) hinsichtlich der Wahl der Schutzschwelle zu verbessern, ist die Erfindung gekennzeichnet durch einen Temperatursensor (16) zur Erfassung einer Temperatur im Bereich des Schaltelements (T) und eine Steuereinrichtung (18) zur Absenkung der Schutzschwelle im Falle einer übermässigen Temperatur. Damit werden z. B. besonders rasche Abschaltvorgänge ermöglicht, ohne hierbei die Gefahr einer Schädigung des Schaltelements zu vergrößern.

Description

Beschreibung

Schaltungsanordnung zum Schalten einer induktiven Last

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem O- berbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist beispielsweise aus der DE 198 41 227 Cl bekannt. Die bekannte Schaltungsanordnung dient zum Schalten einer induktiven Last, die in Reihenschaltung mit einem ansteuerbaren Schaltelement an den Polen einer Spannungsquelle liegt, wobei eine Schutzbeschaltung zum Schutz des Schaltelements vor zu hohen Abschaltspannungen vorgesehen ist, welche im Falle einer Überschreitung einer vorbestimmten Schutzschwelle durch die Abschaltspannung das

Schaltelement zwangsweise in einen leitenden Zustand steuert.

Zum Schutz vor zu hohen Abschaltspannungen am Drain des als FET ausgebildeten Schaltelements ist als Schutzbeschaltung zwischen dem Gate und dem Drain des FET eine Reihenschaltung einer zum Drain hin stromleitenden Zenerdiode, einer zum Gate hin stromleitenden Sperrdiode und eines Widerstandes angeordnet. Wenn beim Abschalten des FET eine im Wesentlichen durch die Zenerspannung der Zenerdiode bestimmte Schutzschwelle durch die Abschaltspannung überschritten wird, so bricht die Zenerdiode durch und es fließt ein Strom vom Drain zum Gate, so dass der FET zwangsweise wieder in einen leitenden Zustand gesteuert wird, bis die gespeicherte Energie in der induktiven Last nennenswert abgebaut ist (so genanntes "clamping" der Abschaltspannung) .

Problematisch ist bei diesem Stand der Technik in vielen Anwendungsfällen die "richtige Wahl" der Schutzschwelle (Zenerspannung) , die einerseits nicht zu klein sein sollte, um ein möglichst rasches Abschalten der induktiven Last zu ermöglichen, und andererseits nicht zu groß sein sollte, um eine Schädigung oder gar Zerstörung des ansteuerbaren Schaltelements zuverlässig zu verhindern. In der Praxis muss daher eine Schutzschwelle gewählt werden, die mit einem gewissen Sicherheitsabstand unterhalb der eigentlich optimalen Schutzschwelle liegt.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art hinsichtlich der Wahl der Schutzschwelle zu verbessern. Insbesondere soll die Erfindung besonders rasche Abschaltvorgänge ermöglichen, ohne hierbei jedoch die Gefahr einer Schädigung des Schaltelements zu vergrößern.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist gekennzeichnet durch einen Temperatursensor zur Erfassung einer Temperatur im Bereich des Schaltelements und eine Steuereinrichtung zur Absenkung der Schutzschwelle im Falle einer übermäßigen Tem- peratur.

Die Grundidee der Erfindung besteht somit darin, die Schutzschwelle bedarfsweise abzusenken, nämlich in Abhängigkeit von einem Parameter (Temperatur des Schaltelements) , welcher e- benso wie der Wert der Abschaltspannung selbst die Gefahr einer Schädigung des Schaltelements beeinflusst.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Schutzbeschaltung eine Zenerdiodenanordnung zwischen einem Steueranschluss des Schaltelements und dem mit der Last verbundenen Anschluss des Schaltelements umfasst. Zu der oder den betreffenden Zenerdioden kann in Reihenschaltung in an sich bekannter Weise z. B. ein Widerstand und/oder eine Sperrdiode angeordnet sein. Im Normalfall (bei nicht abge- senkter Schutzschwelle) kann die Schutzschwelle dann z. B. im Wesentlichen der Zenerspannung bzw. der Summe der Zenerspan- nungen entsprechen. Bei Verwendung der vorstehend erwähnten Zenerdiodenanordnung für die Schutzbeschaltung ergeben sich vielfältige Möglichkeiten zur Realisierung der Absenkung der Schutzschwelle im Falle einer übermäßigen Temperatur. Gemäß einer schaltungs- technisch besonders einfachen und somit sehr vorteilhaften

Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Zenerdiodenanordnung mehrere, in Reihenschaltung angeordnete Zenerdioden umfasst und die Absenkung der Schutzschwelle durch eine Überbrückung eines Teils dieser Zenerdioden bewerkstelligt wird. Im ein- fachsten Fall umfasst die Schutzbeschaltung wenigstens einen Überbrückungsschalter, welcher der bzw. den zu überbrückenden Zenerdioden parallel geschaltet ist, um diesen Teil der Zenerdioden zu überbrücken. Die Überbrückung ist bevorzugt nie- derohmig vorgesehen. Es soll jedoch nicht ausgeschlossen sein, dass ein bedarfsweise mittels eines Überbrückungsschal- ters aktivierter "Bypass-Strompfad" noch weitere Komponenten wie z. B. einen Widerstand enthält.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Temperatur- sensor als Halbleitersensor auf dem selben Substrat wie das Schaltelement ausgebildet ist. In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass noch weitere Komponenten der Schaltungsanordnung als integrierte Schaltung auf dem selben Substrat ausgebildet sind.

In einer bevorzugten Weiterbildung ist beispielsweise vorgesehen, dass alle wesentlichen Komponenten der Schaltungsanordnung in einer integrierten Schaltung zusammengefasst sind. Dabei kann es sich insbesondere um eine integrierte Leis- tungsendstufe zum Schalten der induktiven Last handeln, wobei das ansteuerbare Schaltelement, der Temperatursensor, die Steuereinrichtung, die Schutzbeschaltung sowie die Mittel zur bedarfsweisen Absenkung der Schutzschwelle auf dem selben Substrat ausgebildet sind.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens eine Temperaturschwelle vorgesehen ist, bei deren Überschreitung die Steuereinrichtung die Absenkung der Schutzschwelle be- wirkt. In einer Weiterbildung ist die Temperaturschwelle mit einer Hysterese (im Hinblick auf deren Über-/Unterschreitung) vorgesehen. In diesem Fall erfolgt also die Anhebung der zuvor abgesenkten Schutzschwelle bei Unterschreitung einer Tem- peraturschwelle, die etwas niedriger als die für die Absenkung der Schutzschwelle maßgebliche Temperaturschwelle liegt.

Auch können mehrere verschiedene Temperaturschwellen vorgesehen sein, deren sukzessive Überschreitung eine entsprechende sukzessive Absenkung der Schutzschwelle bewirkt. Mit anderen Worten kann die Absenkung der Schutzschwelle auch in mehreren diskreten Stufen erfolgen. Mit einer solchen Weiterbildung ist es vorteilhaft möglich, die Schutzschwelle noch genauer den momentanen Erfordernissen anzupassen.

Eine besonders bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht für eine Leistungsendstufe zum Schalten einer oder mehrerer induktiver Lasten im Bereich einer Automobilelektronik. Insbesondere kann die Schaltungsan- Ordnung in einem Motorsteuergerät zur Steuerung von Funktionen einer Brennkraftmaschine vorgesehen sein.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die induktive Last eine Erregerwicklung eines Magnetaktors, insbesondere die Erregerwicklung eines Magnetventils darstellt. Im Bereich der Automobilelektronik kann die induktive Last beispielsweise die Erregerwicklung eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine darstellen. Insbesondere in einem derartigen Anwendungsfall müssen die einzelnen Lasten mit möglichst exakt einzuhaltenden Schaltzeiten angesteuert werden, wofür die Realisierbarkeit von raschen Abschaltvorgängen von besonderem Vorteil ist.

Was die Ausbildung des ansteuerbaren Schaltelements anbe- langt, so kann vorteilhaft auf an sich bekannte Gestaltungen aus dem Bereich von Schaltungsanordnungen der hier interessierenden Art zurückgegriffen werden. Bevorzugt ist ein ansteuerbares Halbleiterschaltelement wie ein Transistor vorge- sehen. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein solcher Transistor in DMOS (="doppelt dotiert MOS") -Technologie (z. B. als DMOS-FET) ausgebildet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung weiter beschrieben. Es stellt dar:

Fig. 1 ist ein Schaltbild einer Leistungsendstufe zum Schalten einer induktiven Last.

Fig. 1 zeigt eine Endstufe 10 zum Schalten einer induktiven Last Ll (z. B. Erregerwicklung eines Kraftstoffeinspritzven- tils) , die in Reihenschaltung mit einem Schalttransistor T an den Polen einer Spannungsquelle Vbat liegt, bei welcher es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel z. B. um die Batterie eines Kraftfahrzeuges handelt.

Der in der Figur eingezeichnete Widerstand R2 symbolisiert den in der Praxis stets vorhandenen ohmschen Anteil der betreffenden Lastimpedanz.

Das Einschalten und Ausschalten des hier als FET ausgebildeten Schalttransistors T wird durch eine Steuerspannung Us ge- steuert, welche durch einen (nicht dargestellten) Schaltungsteil der Endstufe 10 erzeugt wird und an einem Steuereingang 12 anliegt, der über einen Widerstand Rl mit dem Steueran- schluss (hier: Gate) des Schalttransistors T verbunden ist. Das Potenzial am Gate bzw. einem Schaltungsknoten Kl bestimmt den Zustand des Transistors T. Der Transistor T beginnt zu leiten, wenn dessen Gate-Source-Spannung die betreffende Schwellenspannung des Transistors übersteigt.

Beim Einschalten des Transistors T kommt es in an sich be- kannter Weise zu einem Anstieg des durch die induktive Last

Ll fließenden Laststromes bis maximal auf einen Wert, der dem Quotienten aus der Versorgungsspannung (Spannungsquelle Vbat) und dem ohmschen Widerstandsanteil R2 entspricht. Beim Ausschalten des Transistors T, z. B. durch Anlegen eines Potenzials "0" an dem Steuereingang 12, welches der elektrischen Masse GND entspricht) , baut sich auf Grund der Selbst- induktion in der induktiven Last Ll eine mehr oder weniger große Abschaltspannung zwischen dem Drain und der Source des Transistors T auf, die in der Praxis zumeist auf einen Wert ansteigt, der ein Vielfaches der Versorgungsspannung darstellt. Da der Transistor T auch in seinem ausgeschalteten Zustand keinen unendlich großen Widerstand besitzt, fließt in dieser Abschaltphase ein gewisser Strom durch den Transistor T, der zu einer unter Umständen gefährlich großen Verlustleistung im Transistor führt. Insbesondere besteht in dieser Abschaltphase aufgrund des erhöhten Stroms und/oder der er- höhten Spannung die Gefahr einer Schädigung wenn nicht sogar Zerstörung des Transistors T bzw. eines diesen Transistor enthaltenden elektronischen Bausteins.

Um diese Gefahr zu beseitigen, ist zwischen dem mit der Last Ll verbundenen Anschluss (Drain) des Transistors T bzw. einem Schaltungsknoten K2 und dem Steueranschluss (Gate) des Transistors T bzw. dem Schaltungsknoten Kl eine Schutzbeschaltung 14 vorgesehen, welche im Falle einer Überschreitung einer vorbestimmten Schutzschwelle durch die Abschaltspannung den Transistor T zwangsweise in einen leitenden Zustand steuert.

Die Schutzbeschaltung 14 besteht wie dargestellt aus einer Reihenschaltung von 8 Zenerdioden D2 bis D9 sowie einer Sperrdiode Dl. In diesem Beispiel ergibt sich die Schutz- schwelle im Wesentlichen durch die Summe der einzelnen Ze- nerspannungen (die Flussspannung der Sperrdiode Dl und die Gate-Source-Spannung des Transistors T sind demgegenüber in erster Näherung vernachlässigbar) . Wenn die Abschaltspannung diese Schutzschwelle überschreitet, so brechen die Zenerdio- den D2 bis D9 durch und es fließt ein das Potenzial am Schaltungsknoten Kl erhöhender Strom über die Dioden Dl bis D9, so dass auf Grund eines leitenden Zustands des Transistors T eine Verringerung bzw. Begrenzung der Abschaltspannung auf ein unbedenkliches Maß bewirkt wird. Dieses Maß entspricht etwa der Summe der 8 Zenerspannungen .

Eine Besonderheit der Endstufe 10 besteht darin, dass außer- dem ein Temperatursensor 16 zur Erfassung der Temperatur des Transistors T und eine Steuereinrichtung 18 zur Absenkung der Schutzschwelle im Falle Einer Erfassung einer übermäßigen Temperatur vorgesehen sind.

Diese bedarfsweise Absenkung der Schutzschwelle funktioniert im dargestellten Ausführungsbeispiel wie folgt:

Wenn der z. B. als Halbleitersensor in der Nähe des Transistors T ausgebildete Temperatursensor 16 erfasst, dass die Temperatur eine z. B. fest vorgegebene Temperaturschwelle ü- berschreitet, so bewirkt die Steuereinrichtung 18 das Schließen eines ansteuerbaren Schaltelements Ul. Ein Ausgangssignal st des Temperatursensors 16 wird hierzu der Steuereinrichtung 18 zugeführt. Der Schalter Ul ist bevorzugt als Transistor, insbesondere FET ausgebildet und im dargestellten Ausführungsbeispiel in Reihenschaltung mit einem Widerstand RIO zwischen dem Schaltungsknoten K2 und einem Schaltungsknoten K3 angeordnet, der sich zwischen den Zenerdioden D4 und D5 befindet .

Beim Schließen des Schalters Ul wird somit ein Teil der in Reihenschaltung angeordneten Zenerdioden D2 bis D9 (nämlich der Teil D5 bis D9) überbrückt. Dies hat zur Folge, dass der Schutzmechanismus (Durchbrechen der Zenerdioden) empfindli- eher reagiert bzw. die Schutzschwelle abgesenkt wird. Die abgesenkte Schutzschwelle entspricht dann der Summe nurmehr der Zenerspannungen der Zenerdioden D2 bis D4. Der Spannungsabfall an dem Widerstand RIO wie auch die Flussspannung der in Durchlassrichtung gepolten Sperrdiode Dl sind gegenüber die- ser Summe der verbleibenden Zenerspannungen praktisch vernachlässigbar. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Zenerdioden D2 bis D9 identisch ausgebildet und besitzen folglich identische Zenerspannungen . In diesem Fall ergibt sich durch das temperaturabhängige Schließen des Schalters bzw. Schalttransistors Ul eine abgesenkte Schutzschwelle von etwa 3/8 des ursprünglichen Werts der Schutzschwelle. Ganz allgemein ist eine Absenkung um wenigstens 30% bevorzugt (im dargestellten Ausführungsbeispiel: ca. 60%) .

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist folgende, selbstverständlich lediglich beispielhaft zu verstehende Bauelement- Dimensionierung vorgesehen:

Vbat: 14 V Ll: 13 mH R2: 13 Ω

Zenerspannungen der Zenerdioden D2 bis D9: jeweils 6 V RIO: 1 kΩ Rl : 1 kΩ

Die Absenkung der Schutzschwelle im Falle der übermäßigen Temperatur des Schalttransistors T wird in der Praxis dazu führen, dass bei nachfolgenden Abschaltvorgängen die Schutz- beschaltung 14 entsprechend empfindlicher bzw. bei einem kleineren Überspannungswert reagiert. Dementsprechend verringert sich die Verlustleistung im Schalttransistor T, so dass dessen Temperatur sich wieder normalisiert.

Eine fest vorgegebene Temperaturschwelle, bei deren Über- schreitung die Steuereinrichtung 18 das Schließen des Schalters Ul bewirkt, kann beispielsweise einen Wert besitzen, der 50 bis 100⁰C über einer im "Normalbetrieb" zu erwartenden Temperatur im Bereich des Schaltelements T liegt.

Wenn die von dem Temperatursensor 16 erfasste Temperatur wieder dieselbe (oder eine andere) vorbestimmte Temperaturschwelle unterschreitet, so bewirkt die Steuereinrichtung 18 das Ausschalten des Schalters Ul und somit wieder eine Anhebung der Schutzschwelle auf den ursprünglichen Schwellenwert.

Zusammenfassend wird mit der beschriebenen Endstufe und deren Schutzbeschaltung eine Temperatur des die induktive Last schaltenden Schaltelements überwacht und bei der Festlegung der Schutzschwelle berücksichtigt. Ein besonderer Vorteil ergibt sich bei der Ausbildung der Schaltung als integrierte Schaltung, weil in diesem Fall durch einen "flächenmäßig knapp bemessenen" und somit kostengünstigen Schalttransistor (z. B. DMOS-FET) dennoch ein zuverlässiger und den Betriebsbedingungen angepasster Schutzmechanismus bereitgestellt wird. Der Schutzmechanismus passt sich dynamisch den aktuellen Erfordernissen an.

Wenngleich die Erfindung beispielhaft anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert wurde, so können in der Praxis zahlreiche Modifikationen vorgenommen werden.

Eine solche Modifikation könnte beispielsweise darin bestehen, die Anordnung des Schaltelements im Laststrompfad anstatt masseseitig ("low side", wie z. B. in Fig. 1 dargestellt) versorgungsseitig ("high side") vorzusehen.

Eine andere Modifikation könnte z. B. darin bestehen, eine Mehrzahl von Überbrückungsschaltern (wie den dargestellten Überbrückungsschalter Ul) vorzusehen und mittels der Steuereinrichtung anzusteuern, um wahlweise verschiedene Teile der in Reihe geschalteten Zenerdioden zu überbrücken. Solche wei- teren Überbrückungspfade könnten z. B. ausgehend von dem

Schaltungsknoten K2 über einen jeweiligen Schalter (und gegebenenfalls Widerstand) zu anderen Schaltungsknoten zwischen zwei benachbarten der Zenerdioden D2 bis D9 verlaufen.

Auch die Anzahl von Zenerdioden lässt sich selbstverständlich auch abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel modifizieren .

Claims

Patentansprüche

1. Schaltungsanordnung zum Schalten einer induktiven Last (Ll), die in Reihenschaltung mit einem ansteuerbaren Schaltelement (T) an den Polen einer Spannungsquelle (Vbat) liegt, wobei eine Schutzbeschaltung (14) zum Schutz des Schaltelements (T) vor zu hohen Abschaltspannungen vorgesehen ist, welche im Falle einer Überschreitung einer vorbestimmten Schutzschwelle durch die Ab- schaltspannung das Schaltelement (T) zwangsweise in einen leitenden Zustand steuert,

g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen Temperatursensor (16) zur Erfassung einer Temperatur im Bereich des Schaltelements (T) und eine Steuereinrichtung (18) zur Absenkung der Schutzschwelle im Falle einer übermäßigen Temperatur .

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Schutzbe- Schaltung (14) eine Zenerdiodenanordnung (D2-D9) zwischen einem Steueranschluss des Schaltelements (T) und dem mit der Last (Ll) verbundenen Anschluss des Schaltelements (T) umfasst.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, wobei die Zenerdiodenanordnung (D2-D9) mehrere, in Reihenschaltung angeordnete Zenerdioden umfasst und die Absenkung der Schutzschwelle durch eine Überbrückung eines Teils (D5-D9) dieser Zenerdioden (D2-D9) bewerkstelligt wird.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Temperatursensor (16) als Halbleitersensor auf dem selben Substrat wie das Schaltelement (T) ausgebildet ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine Temperaturschwelle vorgesehen ist, bei deren Überschreitung die Steuereinrichtung (18) die Absenkung der Schutzschwelle bewirkt.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die induktive Last (Ll) eine Erregerwicklung eines Magnetaktors, insbesondere die Erregerwicklung eines Magnetventils darstellt.