DE10044388A1

DE10044388A1 - Schaltungsanordnung zum Ein- und Ausschalten eines an einem Gleichspannungsnetz betriebenen induktiven Verbrauchers

Info

Publication number: DE10044388A1
Application number: DE2000144388
Authority: DE
Inventors: Frank Bauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-09-08
Filing date: 2000-09-08
Publication date: 2002-04-04
Also published as: WO2002021692A1; WO2002021690A2

Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung zum Ein- und Ausschalten eines an einem Gleichspannungsnetz (10) betriebenen, induktiven Verbrauchers, insbesondere eines Gleichstrommotors (11) mit großer Motorleistung in Fahrzeugen, angegeben, der einen im Stromkreis des Verbrauchers angeordneten Halbleiterschalter (12) und eine diesen ansteuernde Steuereinheit (16) aufweist. Zur Einsparung von Kühlkörpern mit großer Oberfläche für den vorzugsweise als MOS-FET ausgebildeten Halbleiterschalter (12) ist letzterem der Schaltkontakt (13) eines Schaltrelais (14) parallelgeschaltet. Zum Einschalten des Verbrauchers werden Halbleiterschalter (12) und Schaltrelais (14) von der Steuereinheit (16) so gesteuert, daß bei offenem Schaltkontakt (13) zunächst der Halbleiterschalter (12) leitend wird und nach Abklingen des Einschaltstroms der Schaltkontakt (13) schließt und anschließend der Halbleiterschalter (12) sperrt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zum Ein- und Ausschalten eines an einem Gleichspannungsnetz betriebenen, induktiven Verbrauchers, insbesondere eines Gleichstrommotors mit großer Motorleistung in Fahrzeugen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei üblicherweise in der Kraftfahrzeugelektrik verwendeten Schaltungsanordnungen zum Ein- und Ausschalten von Gleichstrommotoren mit hoher Nennleistung werden zum Schalten des Motorstroms Halbleiterendstufen, insbesondere Feldeffekttransistoren, verwendet, da der gegenüber dem Nennstrom um ein Vielfaches höhere Anlaufstrom des Gleichstommotors nicht mehr von den Schaltkontakten eines Schaltrelais ohne Schaltkontaktschädigungen geschaltet werden kann. Damit müssen die Halbleiterendstufen aber auch den Dauerstrom des Motors führen, der in den Halbleiterendstufen eine hohe Verlustleistung verursacht, die mittels voluminöser Kühlkörper mit großer Oberfläche abgeführt werden muß.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß der hohe Einschalt- oder Anlaufstrom des induktiven Verbrauchers von dem vorzugsweise als Feldeffekttransistor ausgebildeten Halbleiterschalter geschaltet wird, und der Schaltkontakt des Schaltrelais nur den Nennstrom nach Abklingen des Einschalt- oder Anlaufstrom zu schalten hat und dann nach Sperren des Halbleiterschalters die Stromführung übernimmt. Da damit der Halbleiterschalter nur für die Abklingzeit des Einschaltstromes und nicht während des Dauerbetriebs des Verbrauchers Strom führt, entsteht im Halbleiterschalter eine nur geringe Verlustleistung, die zu einer kaum nennenswerten Erwärmung des Halbleiterschalters führt, so daß auf einen Kühlkörper für den Halbleiterschalter verzichtet werden kann. Der Wegfall des Kühlkörpers spart Bauraum, erleichtert die Montage in der Fertigung und läßt ungeachtet des zusätzlich benötigten Schaltrelais insgesamt die Fertigungskosten sinken.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Schaltungsanordnung möglich.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Schaltkontakt des Schaltrelais als Arbeitskontakt ausgebildet, der bei stromlosem Relais offen ist, und die Steuereinheit ist so ausgebildet, daß sie nach einer der Abklingzeit des Einschaltstroms entsprechenden, fest vorgegebenen Verzögerungszeit nach Leitendwerden des Halbleiterschalters das Schaltrelais bestromt und unmittelbar anschließend den Halbleiterschalter sperrt. Die Verzögerungszeit läßt sich anhand der Daten des Verbrauchers leicht errechnen, so daß in der Steuereinheit ein Zeitglied mit fest vorgegebener Verzögerungszeit zum Aktivieren des Schaltrelais und zum Sperren des Halbleiterschalters verwendet werden kann.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist dem Halbleiterschalter ein Verpolschutz vorgeschaltet, der verhindert, daß bei nicht eingeschaltetem Verbraucher an dem Halbleiterschalter eine Gleichspannung liegt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Verpolschutz mittels eines weiteren Schaltrelais realisiert, dessen Schaltkontakt in Reihe mit dem Verbraucher und dem Halbleiterschalter angeordnet ist. Dieses Schaltrelais wird zum Einschalten des Verbrauchers so gesteuert, daß der Schaltkontakt unmittelbar vor Durchschalten des Halbleiterschalters schließt. Auf diese Weise wird der Schaltkontakt stromlos geschaltet. Ein stromloses Öffnen des Schaltkontakts ist auch beim Abschalten des Verbrauchers sichergestellt, da das Abschalten des Verbrauchers über das dem Halbleiterschalter parallel geschaltete erste Schaltrelais erfolgt und erst danach das Schaltrelais des Verpolschutzes abfällt. Wegen der geringen Anforderung an die zu schaltende Leistung kann das Schaltrelais des Verpolschutzes sehr kostengünstig hergestellt werden.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand, eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Dabei zeigt die Zeichnung ein Schaltbild eines an einem Gleichspannungsnetz betriebenen Gleichstrommotors mit einer Schaltungsanordnung zum Ein- und Ausschalten.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die in der Zeichnung dargestellte Schaltungsanordnung zum Ein- und Ausschalten eines an einem Gleichspannungsnetz 10 eines Fahrzeugs betriebenen Gleichstrommotors 11 mit großer Motorleistung als Ausführungsbeispiel für einen allgemeinen induktiven Verbraucher weist einen im Stromkreis des Motors 11 angeordneten Halbleiterschalter 12 auf, der hier als Low- Side-MOS-FET ausgebildet ist. Dem Halbleiterschalter 12 ist der Schaltkontakt 13 eines ersten Schaltrelais 14 parallelgeschaltet, der als Arbeitskontakt ausgebildet und daher bei stromlosem Schaltrelais 14 offen ist. Die Bestromung des Schaltrelais 14 erfolgt über einen Transistor 15, der von einer Steuereinheit 16 angesteuert wird und die Erregerwicklung des Schaltrelais 14 an Gleichspannung legt. Der in Reihe mit dem Motor 11 liegende Halbleiterschalter 12 wird ebenfalls von der Steuereinheit 16 gesteuert.

Dem Halbleiterschalter 12 ist ein Verpolschutz 17 vorgeschaltet, der verhindert, daß bei nicht eingeschaltetem Motor 11 Spannung an dem Halbleiterschalter 12 liegt. Dieser Verpolschutz 17 wird durch ein Schaltrelais 18 realisiert, dessen als Arbeitskontakt ausgebildeter Schaltkontakt 19 zwischen dem Motor 11 und dem Halbleiterschalter 12 angeordnet ist. Die Bestromung des zweiten Schaltrelais 18 erfolgt mittels eines von der Steuereinheit 16 gesteuerten zweiten Transistors 20, der im leitenden Zustand die Erregerwicklung des Schaltrelais 18 an das Gleichspannungsnetz 10 anschließt.

Die Steuereinheit 16 ist nunmehr so ausgebildet, daß zum Einschalten des Gleichstrommotors folgende Funktionen ausgesteuert werden:
Mit Anlegen eines Einschaltbefehls an den Steuereingang 21 der Steuereinheit 16, der beispielsweise über eine Einschalttaste manuell ausgelöst wird, wird der Transistor 20 des Verpolschutzes 17 angesteuert. Dieser wird leitend, und die Erregerwicklung des Schaltrelais 18 wird bestromt, so daß der Schaltkontakt 19 schließt. Unmittelbar nach Schließen des Schaltkontaktes 19 wird der Halbleiterschalter 12 angesteuert, also der Low-Side-MOS-FET leitend geschaltet, so daß nunmehr der Motor 11 eingeschaltet ist und anläuft. Nach einer Verzögerungszeit, die wenig größer bemessen ist als die Zeit, in der der beim Einschalten und während des Hochlaufs des Motors 11 auftretende Einschalt- oder Anlaufstrom auf Nennstrom abgeklungen ist, wird der Transistor 15 leitend geschaltet, so daß nunmehr auch das Schaltrelais 14 bestromt wird und dessen Schaltkontakt 13 schließt. Damit fließt der Motor-Nennstrom teilweise über den geschlossenen Schaltkontakt 13 und teilweise über den geschlossenen Halbleiterschalter 12. Unmittelbar nach Schließen des Schaltkontaktes 13 des Schaltrelais 14 fällt die Ansteuerung des Halbleiterschalters 12 weg, und dieser sperrt. Damit übernimmt der Schaltkontakt 13 des Schaltrelais 14 den Nennstrom des Motors für die Dauer der Motoreinschaltung. Die beiden Schaltrelais 14 und 18 bleiben während des Betriebs des Motors 11 bestromt.

Wird über den Steuereingang 21 der Steuereinheit 16 ein Abschaltbefehl zugeführt, so wird zunächst der Transistor 15 für das Schaltrelais 14 gesperrt, das Schaltrelais 14 fällt ab, und der Schaltkontakt 13 öffnet. Der Motor 11 ist abgeschaltet. Unmittelbar anschließend wird von der Steuereinheit 16 auch der Transistor 20 für das Schaltrelais 18 des Verpolschutzes 17 gesperrt, das Schaltrelais 18 fällt ab und der Schaltkontakt 19 öffnet.

Alternativ kann die Steuereinheit 16 so ausgeführt werden, daß mit Zuführen eines Abschaltbefehls zunächst der Halbleiterschalter 12 auf Durchlaß gesteuert und anschließend der Transistor 15 gesperrt wird. Das Schaltrelais 14 fällt ab, und der Schaltkontakt 13 öffnet. Unmittelbar nach Öffnen des Schaltkontakts 13 wird der Halbleiterschalter 12 wieder gesperrt, wodurch der Motor 10 abgeschaltet wird. Anschließend wird der Transistor 20 gesperrt, so daß das Schaltrelais 18 für den Verpolschutz 17 abfällt und der Schaltkontakt 19 öffnet.

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Ein- und Ausschalten eines an einem Gleichspannungsnetz betriebenen, induktiven Verbrauchers, insbesondere eines Gleichstrommotors (11) mit großer Motorleistung in Fahrzeugen, mit einem im Stromkreis des Verbrauchers angeordneten Halbleiterschalter (12) und einer Steuereinheit (16) zum Ansteuern des Halbleiterschalters (12), dadurch gekennzeichnet, daß dem Halbleiterschalter (12) der Schaltkontakt (13) eines von der Steuereinheit (16) gesteuerten Schaltrelais (14) parallelgeschaltet ist und daß zum Einschalten des Verbrauchers Halbleiterschalter (12) und Schaltrelais (14) von der Steuereinheit (16) so gesteuert werden, daß bei offenem Schaltkontakt (13) des Schaltrelais (14) zunächst der Halbleiterschalter (12) leitend wird und nach Abklingen des Einschaltstroms der Schaltkontakt (13) des Schaltrelais (14) schließt und anschließend der Halbleiterschalter (12) sperrt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkontakt (13) des Schaltrelais (14) als Arbeitskontakt ausgebildet ist, der bei stromlosem Schaltrelais (14) offen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (16) nach einer der Abklingzeit des Einschaltstroms entsprechenden, fest vorgegebenen Verzögerungszeit nach Leitendwerden des Halbleiterschalters (12) das Schaltrelais (14) bestromt und unmittelbar anschließend den Halbleiterschalter (12) sperrt.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Halbleiterschalter (12) ein Verpolschutz (17) vorgeschaltet ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verpolschutz (17) ein zweites Schaltrelais (18) aufweist, dessen Schaltkontakt (19) in der Reihenschaltung von Verbraucher und Halbleiterschalter (12) angeordnet ist, und daß zum Einschalten des Verbrauchers das Schaltrelais (18) von der Steuereinheit (16) zeitlich vor dem Halbleiterschalter (12) angesteuert wird.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkontakt (19) des zweiten Schaltrelais (18) als Arbeitskontakt ausgebildet ist, der bei stromlosem Schaltrelais (18) offen ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abschalten des Verbrauchers von der Steuereinheit (16) die Bestromung erst des ersten Schaltrelais (14) und dann des zweiten Schaltrelais (18) beendet wird.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abschalten des Verbrauchers von der Steuereinheit (16) zunächst der Halbleiterschalter (12) leitend gesteuert, dann die Bestromung des ersten Schaltrelais (14) beendet und danach der Halbleiterschalter (12) wieder gesperrt und die Bestromung des zweiten Schaltrelais (18) beendet wird.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter (12) als Feldeffekttransistor, vorzugsweise als Low-Side- MOSFET, ausgebildet ist.