DE10050287A1 - Verpolsichere Schutzeinrichtung für die Ansteuerung eines getakteten, elektromagnetischen Verbrauchers - Google Patents
Verpolsichere Schutzeinrichtung für die Ansteuerung eines getakteten, elektromagnetischen VerbrauchersInfo
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Abstract
Bisherige Schutzeinrichtungen für getaktete, elektromagnetische Verbraucher zur Verringerung der Schaltverluste weisen zumindest immer eine Leistungs-Diode auf, die gleichfalls große Leistungsverluste verursachen kann. Die neue Schutzeinrichtung soll auch diese Leistungsverluste weiter reduzieren. DOLLAR A Bei der Schutzeinrichtung werden für die Freilaufvorrichtung und den Verpolschutz Transistoren, insbesondere MOS-FETs verwendet, die den Freilauf und den Verpolschutz verlustarm bewerkstelligen. Dadurch können die Anforderungen an den Ansteuer-Transistor, der den Verbraucher mit der Energieversorgung verbindet bzw. von dieser abtrennt, reduziert werden, so dass güstigere Ansteuer-Transistoren verwendet werden können. DOLLAR A Diese Schutzeinrichtungen eignen sich vor allem für niederfrequent getaktete, unipolare Gleichstrommotoren, Vierbürstenmotoren und Magnetventilspulen im Kraftfahrzeugbereich und anderen Anwendungen die einen kostengünstigen, zuverlässigen und kleinen Aufbau begünstigen.
Description
Die Erfindung betrifft eine Schutzeinrichtung für die Ansteuerung eines getakteten,
elektromagnetischen Verbrauchers gemäß Patentanspruch 1.
Die Ansteuerungen für niederfrequent getaktete, unipolare Gleichstrommotoren,
insbesondere im Kraftfahrzeugbereich, die beispielsweise bei Taktfrequenzen im
Bereich von 25 Hz arbeiten (z. B. bei Ansteuerungen von Motoren für Pumpen,
Lüfter, etc.) erfolgt folgendermaßen: Während einer Taktperiode wird der gegen
Masse (Low-Side) geschaltete Motor über einen High-Side-Schalter mit einem
Lastzyklus von bis zu circa 90% bestromt. Die Dauer des Abschaltvorgangs liegt in
der Größenordnung von circa einer Millisekunde. Während der restlichen Zeit der
Taktperiode trennt der Schalter den Motor von der Spannungsversorgung, so dass
der Motor nicht mehr bestromt wird. Während dieser Auszeit wird am Motor die
elektromotorische Kraft gemessen und somit auf die Drehzahl geschlossen. Diese
Drehzahlmessung ist bestimmend für die Dauer der Einschaltphase der nächsten
Taktperiode.
Eine solche einfache, Drehzahl geregelte Motoransteuerung ohne Schutzeinrichtung
ist in Fig. 1 abgebildet. Hierbei besteht die Ansteuerung 9 aus einem integrierten
Schaltkreis, etwa einer PCU (Power Control Unit) 4 und einem vertikalen n-Kanal
Leistungs-MOSFET 1. Die PCU 4 ist über einen Anschluss auf Masse 7 gelegt und
über einen anderen Anschluss mit dem GATE-Anschluss des MOS-FETs 1
verbunden. Wie in der Figur dargestellt, beinhalten derartige MOS-FETs 1 neben dem
Transistor auch eine intrinsische Diode, deren Anode mit dem SOURCE-Anschluss
und die Kathode mit dem DRAIN-Anschluss auf gleichem Potential liegt. Der DRAIN-
Anschluss des MOS-FETs 1 ist an die Versorgungsspannung UKL 6 angeschlossen
und der SOURCE-Anschluss ist mit dem anzusteuernden, gegen Masse 7 liegenden
Motor M 5 verbunden. Der MOSFET 1 verbindet den Motor 5 mit der
Energieversorgung 6 oder trennt ihn von der Energieversorgung 6 ab, jeweils in
Abhängigkeit des Ansteuerungssignals von der PCU 4.
Beim Abschaltvorgang wird durch die Motorinduktivität eine Gegenkopplung
hervorgerufen, die zum einen, einen sanften Ausschaltvorgang bewirkt und zum
anderen die Streuinduktivitäten in den Zuleitungen unwirksam macht. Somit wird
effektiv verhindert, dass der MOS-FET 1 beim Abschaltvorgang in den Durchbruch
gelangt.
Die Verpolsicherheit ist dadurch gewährleistet, dass im Falle der Verpolung, der
Leistungs-MOS-FET 1 über die abgebildete Pindiode 7 der PCU 4 in den ohmschen
Inversbetrieb gelangt und den Motor 5 voll durchschaltet.
Nachteilig hierbei ist jedoch der energetische Gesichtspunkt einer solchen
Schaltung. Beim Abschalten des Motorstroms wird sowohl ein Teil der in der
Motorinduktivität gespeicherte Energie als auch Energie aus der
Betriebsspannungsquelle 6 im Ansteuer-MOS-FET 1 abgebaut. Dies macht sich
besonders nachteilig beim Blockieren des Motors bemerkbar. Hierbei muss der
Leistungs-MOS-FET 1 aufgrund des erhöhten Motorstromes und der geringen
elektromotorischen Kraft sehr viel Energie abbauen. Man schützt den Transistor vor
thermischer Überlastung, indem man seine Siliziummasse so groß dimensioniert,
dass er die beim Abschalten anfallende Energie abbauen kann, ohne dabei Schaden
zu nehmen.
Aus der WO 99/05763 ist eine Schutzeinrichtung für die Ansteuerung
elektromagnetischer Verbraucher bekannt, bei welcher der Verbraucher und ein zur
Ansteuerung gehörender Transistor eine Serienschaltung von der Batteriespannung
nach Masse bilden, und bei der des weiteren die Serienschaltung eines
Verpolschutztransistors und einer Freilaufdiode dem Verbraucher parallel geschaltet
ist.
Nachteilig bei einer solchen Schutzeinrichtung ist der relativ hohe Spannungsabfall
an der Freilaufdiode. Dieser bewirkt, dass der Transistor beim Abschalten einen
sogenannten "Tailstrom" führt; will man dies vermeiden, so muss man die
Freilaufdiode in ihrer Siliziumfläche stark überdimensionieren, um einen sehr
geringen Spannungsabfall an dieser zu erreichen. Dabei verschenkt man
Siliziumfläche, bedenkt man dass die Freilaufdiode thermisch nur sehr geringfügig
belastet wird.
Aufgabe der Erfindung ist es eine kostengünstige verpolsichere Schutzeinrichtung
für die Ansteuerung eines getakteten, elektromagnetischen Verbraucher
aufzuzeigen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, diese Schutzeinrichtung mithilfe
von zukunftsträchtigen Technologien aufzubauen, die mit hohem
Entwicklungsaufwand ständig verbessert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des
Patentanspruchs 1 gelöst. Hierbei besteht sowohl die Freilaufvorrichtung als auch
der Verpolschutz jeweils aus einem Transistor, wobei die Freilaufvorrichtung und der
Verpolschutz in Reihe geschaltet und parallel zum elektromagnetischen Verbraucher
angeordnet sind.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass der Einsatz von kleineren Ansteuer-
MOS-FETs in der Ansteuerung in einem kleineren Gehäuse ermöglicht wird. Des
weiteren können die beiden Transistoren, die für die Freilauf- und die
Verpolschutzvorrichtung benötigt werden, niederohmig und kostengünstig
zusammen in einem gemeinsamen Gehäuse bezogen werden. Auch werden die
Transistoren im Gegensatz zu Dioden technologisch ständig überarbeitet und
verbessert. Des weiteren kann der Freilauftransistor im Gegensatz zur Freilaufdiode
auch zum Schutz vor dynamischen Überspannungen verwendet werden. Dazu
schaltet man diesen bei dynamischer Überspannung durch und steuert den
Ansteuertransistor in den aktiven Bereich.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Hier werden
die Transistoren als vertikale n-Kanal Leistungs-MOS-FETs ausgebildet, welche eine
intrinsische Diode beinhalten, die parallel zum eigentlichen Transistor aufgebaut ist.
Ferner wird durch eine Nullpunktkomparatorschaltung, die zwischen dem
Freilauftransistor und dem elektromagnetischen Verbraucher angeordnet ist, die
Verlustleistungen der kompletten Schaltung weiter reduzieren. Es werden für die
Nullpunktkomparatorschaltung nur Kleinsignal-Bauelemente verwendet, deren
Platzbedarf und Kosten sehr gering ist. Des weiteren erweist sich der Einsatz einer
solchen Schaltung gerade bei Gleichstrommotoren und Magnetventilspulen im
Kraftfahrzeugbereich als besonders sparsam und effektiv.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von einem Ausführungsbeispiel das in einer
Figur dargestellt ist näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1: Motoransteuerung ohne Schutzeinrichtung
Fig. 2: Motoransteuerung mit einer Schutzeinrichtung.
Fig. 1 zeigt eine Motoransteuerung mit einer Schutzeinrichtung. Zwischen einer
Spannungsversorgung 6 mit einer Spannung UKL und einem auf Masse 7 gelegten
Motor 5 befindet sich ein MOS-FET 1. Hierbei handelt es sich um einen vertikalen n-
Kanal Leistungs-MOS-FET 1, welcher drei Anschlüssen SOURCE, DRAIN und GATE
aufweist. Der DRAIN-Anschluss des MOS-FETs 1 ist mit der Versorgungsspannung
UKL 6 verbunden. Der GATE-Anschluss ist über einen Widerstand R1 mit einer
Steuereinheit einer PCU 4 (Power Control Unit) verbunden, die das Ansteuersignal
erzeugt. Ein anderer Anschluss der PCU 4 ist auf Masse 7 gelegt. Dieser PCU 4
bildet zusammen mit dem Ansteuer-MOS-FET 1 die Ansteuerung 9 für den Motor.
Der SOURCE-Anschluss des Ansteuer-MOS-FETs 1 ist mit dem Motor 5 verbunden.
Ein andere Motoranschluss ist auf Masse 7 gelegt. Parallel zum Motor ist eine
Schutzeinrichtung 10 angeordnet, die im wesentlichen aus zwei MOS-FETs 2, 3
besteht. Auch bei diesen Bauteilen handelt es sich vertikale n-Kanal Leistungs-
MOSFETs. Der MOS-FET 2 dient als Freilaufvorrichtung und weist gleichfalls drei
Anschlüssen SOURCE, DRAIN und GATE auf. Der DRAIN-Anschluss des Freilauf-
MOS-FETs 2 ist auf gleichem Potential wie der Motor 5, an dem die veränderliche
Motorspannung UMOTOR anliegt. Der GATE-Anschluss ist mit dem Ausgang eines
Nullpunktkomparators 8 verbunden. Der Nullpunktkomparator 8 besteht im
wesentlichen aus einer Kleinsignal-Diode 11, einem npn-Kleinsignal-Transistor 12.
Hierbei ist der Kollektor des Transistors T4 zum einen über einen Widerstand R4 mit
der Versorgungsspannung 6 UKL und zum anderen über den Widerstand R5 mit dem
GATE-Anschluss des Freilauf-MOS-FETs 2 verbunden. Der Emitter des Kleinsignal-
Transistors 12 ist auf Masse 7 gelegt. Die Basis des npn-Kleinsignal-Transistors 12
ist über einen Widerstand R3 mit der Anode einer Kleinsignal-Diode 11 verbunden,
deren Kathode auf Motorpotential VMOTOR liegt. Ferner ist die Anode dieser
Kleinsignaldiode 11 über einen Widerstand R2 mit einer zusätzlichen
Versorgungsspannung U5 V verbunden Der SOURCE-Anschluss des Freilauf-MOS-
FETs 2 ist mit dem SOURCE-Anschluss eines weiteren MOS-FETs 3 verbunden. Der
MOS-FET 3 dient als Verpolschutz und weist gleichfalls drei Anschlüssen SOURCE,
DRAIN und GATE auf. Der DRAIN-Anschluss des Verpolschutz-MOS-FETs 3 ist auf
Masse 7 gelegt. Der GATE-Anschluss der Verpolschutz-MOS-FETs ist über einen
Widerstand R6 mit der Versorgungsspannung 6 UKL verbunden.
Auch können die Transistoren, anstatt eines gemeinsamen SOURCE-Anschlusses
einen gemeinsamen DRAIN-Anschluss aufweisen, so dass Freilauf-Transistor und
Verpolschutz-Transistor monolithisch aufgebaut werden können.
Die Funktionsweise der in Fig. 1 abgebildeten Schaltung beruht darauf, dass der
Freilauf-Transistor 2, in den Abschaltphasen, die von dem Nullpunktkomparator 8
erfasst werden, voll eingeschaltet ist. Beim Abschaltvorgang, sinkt das Potential
VMOTOR. Sobald es negativ wird, leitet die Kleinsignal-Diode 11 und der npn-Kleinsignal-
Bipolartransistor 12 sperrt. Seine aufgebaute Kollektorspannung bewirkt, dass der
Freilauf-Transistor 2 eingeschalten wird und während des ganzen Abschaltvorgangs
eingeschaltet bleibt. Am eingeschalteten Freilauf-Transistor 2 fällt jetzt eine
wesentlich geringere Spannung ab, als an herkömmlichen verwendeten
Freilaufdiode. Dieser geringere Spannungsabfall bewirkt zum einen, dass die
Verluste in Freilauf-MOS-FET 2 gering sind und zum anderen, dass im Ansteuer-
MOS-FET 1 kein Tailstrom beim Abschaltvorgang geführt wird. Geht am Ende des
Abschaltvorgangs das Motorpotential VMOTOR wieder gegen das Massepotential, so
wird der npn-Kleinsignal-Transistor 12 teilweise wieder geöffnet, sein
Kollektorpotential fällt und damit sinkt auch das GATE-Potential des Freilauf-
Transistors 2. Der Freilauf-Transistor 2 wirkt am Ende des Abschaltvorgangs wieder
als reine Diode. Dadurch wird ein negativer Stromfluss im Motor 5 verhindert, und
einer unerwünschten Bremswirkung im Motor 5 entgegengewirkt.
Der Verpolschutz-Transistor 3 schützt im Falle einer Verpolung der Anordnung, also
wenn Masse 7 und Versorgungsspannung 6 vertauscht werden, den Freilauf-
Transistor 2. Im Falle einer Verpolung sperrt der Verpolschutz-Transistor 3 wodurch
der Freilauf-Transistor 2 von der Versorgung abgetrennt wird.
Durch die vorgeschlagene Schaltung werden die Umschaltverluste so gut wie
eliminiert. Die Verluste bei dieser Anordnung werden dann lediglich durch die
Betriebsverluste im Ein-Zustand der Anordnung bestimmt. Durch die Verwendung
eines Transistors, anstatt einer Diode für den Freilauf, wird die Siliziumfläche des
hierfür benötigten Bauteils weiter verkleinert, bedenkt man zusätzlich, dass
Transistoren technologisch im Gegensatz zu Dioden ständig weiterentwickelt und
verbessert werden. Dadurch wird es möglich, dass der für den Freilauf benötigte
MOS-FET 2 und der für den Verpolschutz benötigte MOS-FET 3 bereits niederohmig
und kostengünstig in einem einzigen Gehäuse bezogen werden können. Bedenkt
man, dass der Ansteuerungstransistor thermisch beim Abschaltvorgang nicht mehr
belastet wird, so kann man diesen in seiner Siliziummasse geringer dimensionieren,
so dass, anstatt einem großen und teueren Ansteuer-Transistor zwei kleine günstige
Bauteile verwendet werden können, wobei das eine den Ansteuer-Transistor 1
beinhaltet und das andere den Freilauf- und Verpolschutz-Transistor 2, 3.
Die restlichen für die Schaltung benötigten Bauteile sind diskrete Kleinsignal-
Bauteile 11, 12 und Widerstände, die alle klein und kostengünstig gefertigt werden
können. Es müssen keine Änderungen am integrierten Ansteuerschaltkreis 4
vorgenommen werden.
Durch eine Erweiterung der Schaltung, ist die Einrichtung auch zum Schutz vor
dynamischen Überspannungen geeignet. Dazu muss man den Freilauftransistor bei
Auftreten einer solchen Überspannung durchschalten und den Freilauftransistor in
den aktiven Bereich steuern.
Die in der Fig. 1 dargestellte Schutzeinrichtung eignet sich zur Verringerung der
Abschaltverluste bei Ansteuerungen von niederfrequent getakteten (z. B. 25 Hz),
unipolaren Gleichstrommotoren, wie sie im Kraftfahrzeug z. B. für Pumpen und Lüfter
benötigt werden. Jedoch kann eine solche Schutzeinrichtung 10 auch für einen
Vierbürstenmotor realisiert werden, der für die zwei Ansteuer-MOS-FETs dann
beispielsweise zwei Freilauf-Transistoren 2 benötigt, die einen gemeinsamen
Verpolschutz-Transistor 1 aufweisen.
Claims (9)
1. Schutzeinrichtung für die Ansteuerung eines getakteten, elektromagnetischen
Verbrauchers (5), welche eine Freilaufvorrichtung und einen Verpolschutz
aufweist, wobei der elektromagnetische Verbraucher (5) mittels eines
Transistors (1), der Bestandteil einer Ansteuerung (9) ist, mit einer
Energieversorgung (6) verbunden oder getrennt wird, dadurch gekennzeichnet,
dass
die Freilaufvorrichtung aus einem Transistor (2) besteht,
der Verpolschutz einen weiteren Transistor (3) aufweist und
der Freilauf-Transistor (2) in Reihe zum Verpolschutz-Transistor (3) geschaltet ist.
die Freilaufvorrichtung aus einem Transistor (2) besteht,
der Verpolschutz einen weiteren Transistor (3) aufweist und
der Freilauf-Transistor (2) in Reihe zum Verpolschutz-Transistor (3) geschaltet ist.
2. Schutzeinrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der
Freilauf-Transistor (2) ein MOS-FET ist.
3. Schutzeinrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der
Verpolschutz-Transistor (3) ein MOS-FET ist.
4. Schutzeinrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass der
Freilauf- und der Verpolschutz-Transistor (2, 3) MOS-FETs sind.
5. Schutzeinrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet dass der
Freilauf- und der Verpolschutz-MOS-FETs (2, 3) in einem gemeinsamen
Gehäuse angeordnet sind.
6. Schutzeinrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Freilaufvorrichtung eine Nullpunktkomparatorschaltung (8) aufweist, die aus
Kleinsignal-Bauelementen (11, 12) aufgebaut.
7. Schutzeinrichtung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
Nullpunktkomparatorschaltung (8) den Abschaltvorgang vom Ansteuer-
Transistor (1) am elektromagnetischen Verbraucher (5) erfasst und den Freilauf-
Transistor (2) durchschaltet.
8. Schutzeinrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der
elektromagnetische Verbraucher (5) ein niederfrequent, getakteter
Gleichspannungsmotor ist.
9. Schutzeinrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet dass die
elektromagnetischen Verbraucher (5) Ventilspulen sind mit denen Ventile
bewegt werden.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2000150287 DE10050287A1 (de) | 2000-10-10 | 2000-10-10 | Verpolsichere Schutzeinrichtung für die Ansteuerung eines getakteten, elektromagnetischen Verbrauchers |
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