DE10150752B4

DE10150752B4 - valve driver

Info

Publication number: DE10150752B4
Application number: DE2001150752
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Goecke Matthias
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2001-10-13
Filing date: 2001-10-13
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2021-10-14
Also published as: DE10150752A1

Abstract

Ventiltreiber zur Betätigung eines Ventils von einer Grundstellung in eine Arbeitsstellung oder umgekehrt, bestehend aus – eher Ventilspule (4), die bei Zufuhr von elektrischer Energie das Ventil von der Grundstellung in eine Arbeitsstellung bewegt, – einer Schaltvorrichtung (1), welche die Ventilspule mit einer elektrischen Energiequelle (5) verbindet und von einer solchen abtrennt, – einer Freilaufvorrichtung (2), welche die Energie in der Ventilspule speichert, während das Ventil in einer Arbeitsstellung gehalten wird und – einer Abklemmvorrichtung (3), welche die in der Ventilspule gespeicherte Energie schnell abführt, um das Ventil von einer Arbeitsstellung in eine Grundstellung zurückzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass – die Abklemmvorrichtung (3) seriell zwischen der Ventilspule (4) und der Schaltvorrichtung (1) und – die Freilaufvorrichtung (2) parallel zur Ventilspule (4) und zur Abklemmvorrichtung (3) angeordnet ist.Valve driver for actuating a valve from a basic position to a working position or vice versa, consisting of - rather valve spool (4), which moves the valve from the basic position to a working position when electrical energy is supplied, - a switching device (1) that also carries the valve spool an electrical energy source (5) and disconnects from such, - a freewheeling device (2), which stores the energy in the valve spool while the valve is held in a working position and - a disconnecting device (3), which stores the energy stored in the valve spool Quickly dissipates energy in order to return the valve from a working position to a basic position, characterized in that - the clamping device (3) in series between the valve spool (4) and the switching device (1) and - the freewheeling device (2) parallel to the valve spool (4 ) and is arranged for the clamping device (3).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ventiltreiber zur Betätigung eines Ventils gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a valve driver for actuating a valve according to the preamble of patent claim 1.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Systeme zur Steuerung von Ventilen insbesondere im Kraftfahrzeugbereich bekannt.Various systems for controlling valves, in particular in the automotive sector, are known from the prior art.

Die DE 44 31 965 zeigt beispielsweise eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung der Hydraulikventile eines hydraulischen Systems, z. B der Ventile einer elektronisch geregelten Kraftfahrzeug-Bremsanlage, mit einem Ventiltreiber zum Ein- und Ausschalten des Ventilerregerstroms und mit einer Load-Dump-Diode zur Begrenzung von Überspannungen und Abrissspannungen, die bei Verwendung eines Generator-Batterie-Aggregats als Gleichstromquelle auftreten. Nach dem Umschalten des Ventils wird der Ventilerregerstrom für die Dauer einer Haltephase auf einen Haltestrom reduziert. Der Haltestrom wird durch getaktetes Ansteuern des Ventiltreibers während der Haltephase und Aufrechterhaltung des Haltestroms während der Sperrintervalle des Ventiltreibers über einen zusätzlichen Stromweg aufgebracht. Zum schnellen Zurückschalten des Hydraulikventils in die Ruhestellung wird die in der Ventilspule gespeicherte Energie durch Stromfluss über die Load-Dump-Diode abgebaut.The DE 44 31 965 shows, for example, a circuit arrangement for controlling the hydraulic valves of a hydraulic system, for. B of the valves of an electronically controlled automotive brake system, with a valve driver for switching on and off of the Ventililerregerstroms and with a load-dump diode to limit overvoltages and breakdown voltages that occur when using a generator-battery unit as a DC power source. After switching the valve, the valve excitation current is reduced to a holding current for the duration of a holding phase. The holding current is applied by pulsed driving of the valve driver during the holding phase and maintaining the holding current during the blocking intervals of the valve driver via an additional current path. For fast switching back of the hydraulic valve to the rest position, the energy stored in the valve spool is dissipated by current flow through the load-dump diode.

Aus der DE 199 44 181 A1 ist zudem eine Schaltungsanordnung bekannt zur Leckstromüberwachung eines Schaltkreises, der eine Vielzahl von parallel an eine Versorgungsleitung angeschlossenen, über Einzelschalter an den zweiten Pol einer Versorgungsspannungsquelle bzw. an Masse anschaltbare Spulen oder andere induktive Lasten enthält und bei dem die Versorgungsleitung über einen Hauptschalter an die Versorgungsspannungsquelle bzw. an den ersten Pol der Versorgungsspannungsquelle sowie zur Leckstromüberprüfung an eine Hilfsquelle oder Prüfsignalquelle anschaltbar ist, die eine zur Leckstromerkennung auswertbare Potentialänderung auf der Versorgungsleitung hervorruft. In der DE 199 44 181 A1 wird dabei insbesondere ein Schaltkreis zur Ansteuerung der Ventilspulen einer geregelten Bremsanlage offenbart.From the DE 199 44 181 A1 In addition, a circuit arrangement is known for leakage current monitoring of a circuit which includes a plurality of parallel connected to a supply line via individual switch to the second pole of a supply voltage source or ground connectable to coils or other inductive loads and wherein the supply line via a main switch to the supply voltage source or to the first pole of the supply voltage source and for leakage current check to an auxiliary source or test signal source can be connected, which causes a evaluable for leakage current detection potential change on the supply line. In the DE 199 44 181 A1 In particular, a circuit for controlling the valve coils of a controlled brake system is disclosed.

Insbesondere hydraulische Systeme mit elektronischer Regelung enthalten als wesentliche Komponenten Ventiltreiber für Ventile, mit denen der hydraulische Druck in der gewünschten Weise elektronisch gesteuert oder geregelt wird. Zu diesen hydraulischen Systemen gehören z. B. elektrohydraulische Bremsanlagen (EHB), insbesondere Blockierschutzregelung (ABS), Antriebsschlupfregelungssysteme (ASR), elektronische Systeme zur Bremskraftverteilung (EBV) und elektronische Stabilisierungssysteme (ESP). In diesen Systemen werden die Ventile oder Teile davon in elektromagnetischen Ventilspulen angeordnet. Bei der Bestromung der Spulen werden Magnetfelder erzeugt, mit denen die Ventile betätigt werden. Die Stromzufuhr der Spulen wird über Transistoren geregelt. Bei den oben genannten Systemen wird die elektrische Energie dem Bordnetz, das heißt einer Gleichspannungsquelle entnommen und mittels der Ventilspule in magnetische Energie umgewandelt, die dann dazu verwendet wird, ein Ventil von einer Grundstellung, das heißt die Lage des Ventils ohne Einwirkung eines Magnetfeldes, in mindestens eine gewünschte Arbeitsstellung, bei Einwirkung eines Magnetfeldes zu bewegen.In particular, hydraulic systems with electronic control contain as essential components valve drivers for valves with which the hydraulic pressure in the desired manner is electronically controlled or regulated. These hydraulic systems include z. B. Electro-hydraulic brake systems (EHB), in particular anti-lock control (ABS), traction control systems (ASR), electronic braking force distribution (EBV) and electronic stabilization systems (ESP). In these systems, the valves or parts thereof are placed in solenoid valve coils. When energizing the coils magnetic fields are generated with which the valves are actuated. The power supply of the coils is controlled by transistors. In the above systems, the electrical energy from the electrical system, that is taken from a DC voltage source and converted by the valve coil into magnetic energy, which is then used to a valve from a basic position, that is, the position of the valve without the action of a magnetic field at least one desired working position, to move when exposed to a magnetic field.

Ein solcher Ventiltreiber für ein 14 V Bord-Netz ist in 1 abgebildet. Dieser befindet sich beispielsweise in heutigen EHB-Systemen für Kraftfahrzeuge. Hierbei wird beim Bremsen die Energiezufuhr von der Gleichspannungsquelle 5, mit der Spannung U_Bat = 14 V, zur Ventilspule 4 über eine Puls-Weiten-Modulation (PWM) gesteuert. Diese PWM erfolgt mithilfe einer Schaltvorrichtung 1, beispielsweise eines Transistors T₁. Bei diesem Transistor T₁ handelt es sich um einen n-Kanal MOS-FET, dessen DRAIN-Anschluss mit der Spule 4 verbunden ist und dessen SOURCE-Anschluss auf Masse liegt, so dass im PWM-Betrieb beim kurzen EIN- und AUS-Schalten (z. B.: t_PWMein ≈ t_PWMaus ≈ 0,2 ms) des MOS-FETs, das Ventil in der Ventilspule 4 bedingt durch die Trägheit des Aufbaus auf einer bestimmten Arbeitsstellung gehalten werden kann. Um die in der Ventilspule 4 befindliche Energie zu erhalten, ist parallel zur Ventilspule 4 eine Freilaufvorrichtung 2, insbesondere ein Freilauftransistor T₂, geschaltet, dessen DRAIN-Abschluss mit dem +14 V-Potential der Gleichspannungsquelle 5 verbunden ist und der den Stromfluss bei der PWM-Ansteuerung in der Ventilspule 4 aufrechterhält. Antiseriell zu diesem Freilauftransistor T₂ ist mit dessen SOURCE-Anschluss der SOURCE-Anschluss einer Abklemmvorrichtung 3, insbesondere eines Lösch- oder Abklemmtransistor T₃, verbunden. Beim langandauernden AB-Schalten des Magnetfeldes t_AB (t_AB >> t_PWMaus, t_AB ≈ 1–2 ms) zieht der Lösch- oder Abklemmtransistor T₃ den Strom schnell aus der Ventilspule 4, so dass sich das Ventil von der Arbeitsstellung in die Grundstellung zurückbewegt. Dieser Abklemmtransistor T₃ wirkt während des Abschaltvorgangs wie eine Zenerdiode, die mit Hilfe des antiseriellen Diodenpaars 11, die im Abklemmtransistor T₃ beinhaltet sind, realisiert wird. Hierbei wird beispielsweise während des Brems-Betriebes der Spulenstrom schnell abgezogen. Der DRAIN-Anschluss des Abklemmtransistors T₃ ist hierbei mit der Ventilspule 4 verbunden. Im Standard-Bremsbetrieb ist dieser Transistor T₃ ständig eingeschaltet. Die Dauer des Abschaltvorgangs t_AB wird durch die Spannung U_T3 des Abklemmtransistors T₃ bestimmt. Um eine Abschaltzeit t_AB von t_AB ≈ 1–2 ms zu erreichen, sollte diese bei einem 14 V-Bordnetz ca. U_T3 = 20 V betragen. Um die Verluste im Ventiltreiber möglichst gering zu halten, sollte der Widerstand der beiden Transistoren T₂ und T₃ im gesamten Freilaufpfad genauso hoch sein wie der Widerstand von dem Schalttransistor T₁: R_DSonT1 = R_DSonT2 + R_DSonT3. Sind die Widerstände von T₂ und T₃ gleich groß mit R_DSonT2 = R_DsonT3 = R_DSon, dann gilt: R_DSonT1 = 2 × R_DSon. Such a valve driver for a 14 V on-board network is in 1 displayed. This is for example in today's EHB systems for motor vehicles. During braking, the power supply from the DC voltage source 5 , with the voltage U _Bat = 14 V, to the valve spool 4 controlled by pulse width modulation (PWM). This PWM is done using a switching device 1 , For example, a transistor T ₁ . This transistor T ₁ is an n-channel MOS-FET whose DRAIN terminal is connected to the coil 4 is connected and whose SOURCE terminal is grounded so that in PWM operation with short ON and OFF switching (eg: t _PWMin≈t _{PWMoff =} 0.2 ms) of the MOS-FET, the valve in the valve spool 4 can be maintained due to the inertia of the structure at a certain working position. To those in the valve spool 4 energy is parallel to the valve coil 4 a freewheel device 2 , In particular, a freewheeling transistor T ₂ , whose DRAIN termination with the +14 V potential of the DC voltage source 5 is connected and the current flow in the PWM control in the valve spool 4 maintains. Antiserially to this freewheeling transistor T ₂ is connected to its source terminal, the source terminal of a Abklemmvorrichtung 3 , in particular a deletion or Abklemmtransistor T ₃ , connected. During long-lasting switching off of the magnetic field t _AB (t _AB >> t _PWMout , t _AB ≈ 1-2 ms), the clearing or clamping transistor T ₃ quickly draws the current from the valve coil 4 , so that the valve moves back from the working position to the basic position. This Abklemmtransistor T ₃ acts during the shutdown as a Zener diode, using the antiserial diode pair 11 , which are included in the Abklemmtransistor T ₃ , is realized. In this case, for example, the coil current is rapidly drawn off during the braking operation. The DRAIN terminal of the Abklemmtransistors T ₃ is here with the valve coil 4 connected. In standard braking mode, this transistor T _{3 is} always on. The duration of the switch-off process t _AB is determined by the voltage U _{T3 of} the clamping transistor T ₃ . In order to achieve a switch-off time t _AB of t _AB ≈ 1-2 ms, this should be approx. U _T3 = 20 V for a 14 V vehicle electrical system. To minimize the losses in the valve driver low, the resistance of the two transistors T ₂ and T ₃ in the entire freewheeling _path should be as high as the resistance of the switching transistor T ₁ : R _DSonT1 = R _DSonT2 + R _DSonT3 . If the resistance of T ₂ and T ₃ equal to R = R _DSonT2 _DsonT3 = _R.sub.DSon, then: R _DSonT1 = 2 × R _DSon .

Für die Spannungsfestigkeit U_DS(BR) der Transistoren T₁, T₂ und T₃ werden in diesem Anwendungsbeispiel die folgenden Werte festgesetzt: U_DS(BR)T2 = U_DS(BR)T3 = 25 V und U_DS(BR)T1 = 50 V For the dielectric strength U _{DS (BR) of} the transistors T ₁ , T ₂ and T ₃ , the following values are set in this application example: U _{DS (BR) T2} = U _{DS (BR) T3} = 25 V and U _{DS (BR) T1} = 50 V

Der Wert für U_DS(BR)T2 = U_DS(BR)T3 von 25 V ergibt sich aus der maximal zulässigen Betriebsspannung und einem beliebig wählbaren Sicherheitsfaktor.The value for U _{DS (BR) T2} = U _{DS (BR) T3} of 25 V results from the maximum permissible operating voltage and a freely selectable safety factor.

Der Wert für U_DS(BR)T1 von 50 V ergibt sich aus der Summe der maximal zulässigen Betriebsspannung, der Spannung U_T3 des Abklemmtransistors und einem beliebig wählbaren Sicherheitsfaktor.The value for U _{DS (BR) T1} of 50 V results from the sum of the maximum permissible operating voltage, the voltage U _{T3 of} the clamping transistor and an arbitrarily selectable safety factor.

Nachteilig bei einem so aufgebauten Ventiltreiber ist es jedoch, dass ein solcher Ventiltreiber für Bordnetze mit einer höheren Versorgungsspannung U_Bat > 14 V nicht mehr verwendet werden kann, da der hierfür benötigte Transistor T₁ nicht mehr mit einem Standardhalbleiterprozess hergestellt werden kann. Würde sich beispielsweise die Versorgungsspannung U_Bat von 14 V auf 42 V verdreifachen, so würde man zur Reduzierung des Spulenstroms I_SP die Windungszahl der Spulenanordnung verdreifachen und bei gleichem Gewicht der Spulenanordnung den Drahtquerschnitt der Windungen dritteln. Dadurch wäre gewährleistet, dass man die gleiche Amperewindungszahl bei dreifacher Spannung erreicht. Der Spulenstrom I_SP würde gedrittelt und damit die Belastung für die Elektronik und deren Komponenten deutlich vermindert. Jedoch müsste dann zur Erreichung der bereits beschriebenen Abschaltzeit, die Spannung U_T3 am Abklemmtransistor T₃ U_T3 = 60 V betragen. Dies hätte dann wiederum zur Folge, dass die Spannungsfestigkeit U_DS(BR) der Transistoren T₁, T₂ und T₃ in diesem Anwendungsbeispiel folgende Werte aufweisen müsste: U_DS(BR)T2 = U_DS(BR)T3 = 75 V und U_DS(BR)T1 = 150 V A disadvantage of a valve driver constructed in this way, however, is that such a valve driver for on-board systems with a higher supply voltage U _Bat > 14 V can no longer be used, since the transistor T ₁ required for this purpose can no longer be produced with a standard semiconductor process. The supply voltage U _Bat of 14 V would, for example, triple to 42 V, it would triple the number of turns of the coil arrangement for reducing the coil current I and _SP-thirds of the wire cross section of the turns at the same weight of the coil assembly. This would ensure that you reach the same Amperewindungszahl triple voltage. The coil current I _SP would be divided into three, thus significantly reducing the load on the electronics and their components. However, in order to achieve the shutdown time already described, the voltage U _T3 at the clamping transistor T ₃ U would then have to be _T3 = 60 V. This in turn would mean that the dielectric strength U _{DS (BR) of} the transistors T ₁ , T ₂ and T ₃ would have the following values in this example of application: U _{DS (BR) T2} = U _{DS (BR) T3} = 75V and U _{DS (BR) T1} = 150V

Aufgrund der dreifach höheren Betriebsspannung ergeben sich ca. dreifach höhere Werte für die Durchbruchsspannungen der entsprechenden Transistoren.Due to the threefold higher operating voltage, approximately three times higher values for the breakdown voltages of the corresponding transistors result.

Eine Spannungsfestigkeit von U_DS(BR)T1 = 150 V ist mit einem Standard-Halbleiterprozess nur schwer zu realisieren. Die für eine solche Spannungsfestigkeit benötigte Halbleiterfläche wäre zu groß für einen Standardherstellungsprozess.A dielectric strength of U _{DS (BR) T1} = 150 V is difficult to realize with a standard semiconductor process. The semiconductor area needed for such withstand voltage would be too large for a standard manufacturing process.

Aufgabe der Erfindung ist es einen Ventiltreiber aufzuzeigen, der sich für höhere Bordnetzspannungen eignet und mit Standardkomponenten aufgebaut werden kann.The object of the invention is to show a valve driver, which is suitable for higher vehicle electrical system voltages and can be constructed with standard components.

Diese Aufgabe wird durch einen Ventiltreiber mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Hierbei wird die Abklemmvorrichtung, die den gespeicherten Spulenstrom schnell abführt, seriell zwischen der Ventilspule und der Schaltvorrichtung angeordnet und die Freilaufvorrichtung wird parallel zur dieser Abklemmvorrichtung und zur Ventilspule eingebaut.This object is achieved by a valve driver with the features of claim 1. Here, the Abklemmvorrichtung which dissipates the stored coil current quickly, serially disposed between the valve spool and the switching device and the freewheel device is installed parallel to this Abklemmvorrichtung and the valve spool.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass derartige Ventiltreiber kostengünstig aufgebaut werden können, da beispielsweise für das 42 V-Bordnetz 20% der Transistorfläche eingespart werden kann. Ferner kann mit einem solchen Aufbau eine zusätzliche Schaltfunktion genutzt werden.The advantages of the invention are that such valve drivers can be constructed inexpensively, since 20% of the transistor area can be saved, for example, for the 42 V vehicle electrical system. Furthermore, with such a structure, an additional switching function can be used.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Hierbei können die Halbbrücken bestehend aus dem Freilauf- und dem Schalttransistor für mehrere Spulen, die nicht gleichzeitig angesteuert werden müssen, zusammengefasst werden. Auch ergeben sich zusätzliche Vorteile, wenn es sich bei den Transistoren um MOS-FETs handelt, die pulsweitenmoduliert betrieben werden.Advantageous developments emerge from the subclaims. Here, the half-bridges consisting of the freewheeling and the switching transistor for a plurality of coils, which need not be controlled simultaneously, can be summarized. There are also additional benefits when the transistors are MOS FETs that operate in pulse width modulation.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mithilfe der Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:The invention will be explained in more detail using exemplary embodiments with reference to the figures. Show it:

1: Herkömmlicher Ventiltreiber 1 : Conventional valve driver

2: Ventiltreiber mit Halbbrücke 2 : Valve driver with half bridge

3: Ventiltreiber mit Ansteuerschaltung 3 : Valve driver with control circuit

4: Diagramm der Ein-, Aus- und Abschaltzeiten 4 : Diagram of the switch-on, switch-off and switch-off times

2 zeigt einen Ventiltreiber mit einer Halbbrücke. Die Halbbrücke besteht aus der Schalt- und der Freilaufvorrichtung 1 und 2, die in diesem Ausführungsbeispiel von den zwei Transistoren T₁ und T₂ gebildet werden, die seriell zwischen der Versorgungsspannung U_Bat 5 und dem Masseanschluss angeordnet sind. In diesem Anwendungsbeispiel ist der DRAIN-Anschluss eines n-Kanal MOS-FET T₂, der den Freilauftransistor 2 ausbildet, mit der Versorgungsspannung U_Bat 5 verbunden. Der SOURCE-Anschluss von T₂ ist mit dem DRAIN-Anschluss eines n-Kanal MOS-FET T₁, der den Schalttransistor 2 ausbildet, verbunden. Der SOURCE-Anschluss von T₁ ist auf Masse gelegt. Parallel zum Freilauftransistor T₂ ist die Ventilspule 4 angeordnet, wobei sich seriell zur Ventilspule 4 ein dritter n-Kanal MOS-FET 3, der als Lösch- oder Abklemmtransistor T₃ dient, befindet. Dieser Abklemmtransistor T₃ arbeitet wie eine Zenerdiode, aufgrund des antiseriellen Diodenpaars 11, die im Abklemmtransistor T₃ beinhaltet sind. Dadurch wird beim Abschaltvorgang die Energie schnell aus der Ventilspule 4 gezogen. Der DRAIN-Anschluss des Abklemmtransistors T₃ ist hierbei mit einem Anschluss der Spule 4 verbunden, während der andere Anschluss der Spule 4 mit der Versorgungsspannung U_Bat 5 in Verbindung steht. Weiter ist die Schaltung so aufgebaut, dass der Abklemmtransistor T₃ und der Freilauftransistor T₂ einen gemeinsamen SOURCE-Anschluss aufweisen. Alternativ dazu können die beiden Transistoren T₂ und T₃ auch einen gemeinsamen DRAIN-Anschluss aufweisen. 2 shows a valve driver with a half-bridge. The half bridge consists of the switching and the freewheel device 1 and 2 , which are formed in this embodiment of the two transistors T ₁ and T ₂ , the series between the supply voltage U _Bat 5 and the ground terminal are arranged. In this application example, the DRAIN terminal of an n-channel MOS-FET T _{2 is} the freewheeling transistor 2 forms, with the supply voltage U _Bat 5 connected. The SOURCE terminal of T ₂ is connected to the DRAIN terminal of an n-channel MOS-FET T ₁ , which is the switching transistor 2 trains, connected. The SOURCE terminal of T ₁ is grounded. Parallel to the freewheeling transistor T ₂ is the valve coil 4 arranged, being serially to the valve spool 4 a third n-channel MOS-FET 3 , The T ₃ serves as erase or Abklemmtransistor, located. This Abklemmtransistor T ₃ operates as a Zener diode, due to the antiserial diode pair 11 which are included in the clamping transistor T ₃ . As a result, the energy is quickly from the valve coil during the shutdown 4 drawn. The DRAIN terminal of the Abklemmtransistors T ₃ is in this case with a connection of the coil 4 connected while the other terminal of the coil 4 with the supply voltage U _Bat 5 communicates. Further, the circuit is constructed so that the Abklemmtransistor T ₃ and the freewheeling transistor T _{2 have} a common SOURCE terminal. Alternatively, the two transistors T ₂ and T _{3 may} also have a common DRAIN connection.

Bei dieser Anordnung wird die Energiezufuhr von der Gleichspannungsquelle 5 zur Ventilspule 4 über eine Puls-Weiten-Modulation (PWM) mit dem Schalttransistor T₁ gesteuert. Jedoch bewirkt dieser Ventiltreiber, dass beim ABS-Betrieb der Abklemmtransistor T₃ immer gleichzeitig mit dem Schalttransistor T₁ ausgeschaltet wird und nicht, wie bisher üblich, die ganze Zeit eingeschaltet bleibt.In this arrangement, the power supply from the DC power source 5 to the valve spool 4 controlled by a pulse-width modulation (PWM) with the switching transistor T ₁ . However, this valve driver causes that in the ABS operation of the clamping transistor T _{3 is} always switched off simultaneously with the switching transistor T ₁ and not, as usual, the whole time remains switched on.

Beim PWM-Betrieb wird während des kurzen EIN- und AUS-Schaltens (z. B.: t_PWMein ≈ t_PWMaus ≈ 0,2 ms) des Schalttransistors T₁ das Ventil in der Ventilspule 4 bedingt durch die Trägheit des Aufbaus auf einer bestimmten Position gehalten. Um die in der Ventilspule 4 befindliche Energie zu erhalten, ist parallel zur Ventilspule 4 der Freilauftransistor T₂ geschaltet, dessen DRAIN-Abschluss mit dem U_Bat-Potential, das beispielsweise für neuere Bordnetzsysteme U_Bat = 42 V beträgt, der Gleichspannungsquelle verbunden ist und der den Stromfluss bei der PWM-Ansteuerung in der Ventilspule 4 aufrechterhält. Antiseriell zu diesem Freilauftransistor 2 ist der Abklemmtransistor T₃ angeordnet, der beim langandauernden AB-Schalten des Magnetfeldes t_AB (t_AB >> t_PWMaus, t_AB ≈ 1–2 ms) den Strom schnell aus der Ventilspule 4 zieht, so dass sich das Ventil von der Arbeitsstellung in die Grundstellung zurückbewegt. Dieser Abklemmtransistor T₃ wirkt während des Abschaltvorgangs wie eine Zenerdiode. Dieser Effekt wird durch das antiserielle Diodenpaar 11, realisiert, das im Abklemmtransistor T₃ beinhaltet ist. Hierbei wird beispielsweise während des Brems-Betriebes der Spulenstrom schnell abgezogen. Der DRAIN-Anschluss des Abklemmtransistors T₃ ist hierbei mit der Spule 4 verbunden. Die Dauer des Abschaltvorgangs t_AB wird durch die Spannung des Abklemmtransistors bestimmt. Um eine Abschaltzeit t_AB von t_AB ≈ 1–2 ms zu erreichen, sollte diese bei einem 42 V-Bordnetz ca. U_T3 = 60 V betragen. Um die Verluste im Ventiltreiber möglichst gering zu halten, sind die Widerstände der drei Transistoren T₁, T₂ und T₃ alle gleich groß und betragen: R_DSonT1 = R_DSonT2 = R_DSonT3 = R_DSon. Im Ausführungsbeispiel können für die Spannungsfestigkeit U_DS(BR) der einzelnen Transistoren T₁, T₂ und T₃ gleich große Werte gewählt werden: U_DS(BR)T1 = U_DS(BR)T2 = U_DS(BR)T3 = 75 V. When the PWM operation of the valve in the valve spool during the short ON and OFF switching (z. B .: _PWMein t ≈ t _PWMaus ≈ 0.2 ms) of the switching transistor T ₁ 4 held by the inertia of the structure at a certain position. To those in the valve spool 4 energy is parallel to the valve coil 4 connected to the freewheeling transistor T ₂ whose DRAIN termination with the U _Bat potential, which is for example for newer wiring systems U _Bat = 42 V, the DC voltage source is connected and the current flow in the PWM control in the valve coil 4 maintains. Antiserial to this freewheeling transistor 2 the Abklemmtransistor T _{3 is} arranged, the current from the valve _coil at the long-lasting AB-switching of the magnetic field t _AB (t _AB >> t _PWMaus , t _AB ≈ 1-2 ms) quickly 4 pulls, so that the valve moves back from the working position to the normal position. This Abklemmtransistor T ₃ acts during the shutdown as a Zener diode. This effect is achieved by the antiserial diode pair 11 , realized in the clamping transistor T ₃ . In this case, for example, the coil current is rapidly drawn off during the braking operation. The DRAIN terminal of the Abklemmtransistors T ₃ is in this case with the coil 4 connected. The duration of the turn-off process t _AB is determined by the voltage of the clamping transistor. To achieve a switch-off time t _AB of t _AB ≈ 1-2 ms, this should be approx. U _T3 = 60 V for a 42 V vehicle electrical system. In order to keep the losses in the valve driver as low as possible, the resistances of the three transistors T _1, T ₂ and T ₃ are all the same size and are: R = R _DSonT1 _DSonT2 = R _DSonT3 = R _DSon. In the exemplary embodiment, equal values can be selected for the voltage resistance U _{DS (BR) of} the individual transistors T ₁ , T ₂ and T ₃ : U _{DS (BR) T1} = U _{DS (BR) T2} = U _{DS (BR) T3} = 75 V.

Dieser Wert von 75 V ergibt sich aus der Spannung am Abklemmtransistor U_T3 zuzüglich eines frei wählbaren Sicherheitsfaktors oder der maximalen Betriebsspannung zuzüglich eines frei wählbaren Sicherheitsfaktors.This value of 75 V is derived from the voltage at Abklemmtransistor U _T3 plus an arbitrary safety factor or the maximum operating voltage plus an arbitrary safety factor.

Bei einem so aufgebauten Ventiltreiber können, insbesondere bei Bordnetzen mit einer höheren Versorgungsspannung U_Bat ≥ 14 V, Transistoren verwendet werden, die mit einem Standardhalbleiterprozess hergestellt werden. Die für den Schalttransistor T₁ benötigte Fläche ist gegenüber der herkömmlichen Lösung stark verkleinert. Bei einem 42 V-Bordnetz können dann ca. 20% der Transistorfläche eingespart werden.In a valve driver constructed in this way, in particular in on-board networks with a higher supply voltage U _Bat ≥ 14 V, it is possible to use transistors which are produced using a standard semiconductor process. The area required for the switching transistor T ₁ is greatly reduced compared to the conventional solution. With a 42 V vehicle electrical system, approximately 20% of the transistor area can be saved.

Auch ist es bei den dargestellten Ausführungen nicht relevant, ob die antiseriell angeordneten Transistoren T₂, T₃ einen gemeinsamen SOURCE- oder einen gemeinsamen DRAIN-Anschluss aufweisen.It is also not relevant in the illustrated embodiments whether the antiserially arranged transistors T ₂ , T _{3 have} a common SOURCE connection or a common DRAIN connection.

Ferner lässt sich bei einem solchen Ventiltreiber eine zusätzliche Schaltfunktion realisieren. Tritt beispielsweise eine Fehlfunktion in einem Ventilbereich auf, so muss nicht der Schalter für den gesamten Ventilblock abgeschaltet werden. Die Funktionsfähigkeit der anderen Ventile kann dadurch erhalten bleiben.Furthermore, an additional switching function can be realized with such a valve driver. For example, if a malfunction occurs in a valve area, then the switch for the entire valve block does not have to be switched off. The functionality of the other valves can be maintained.

Ein solcher Aufbau ermöglicht auch die Zusammenfassung der Halbbrücken mehrerer Ventiltreiber, wobei die Spulen nie gleichzeitig über PWM angesteuert werden sollten. Dadurch können bei Aufbauten, die mehrere Ventile beinhalten, mehrere Transistoren eingespart werden. Der Abklemmtransistor T₃ dient dann auch als Entkoppeltransistor.Such a construction also allows the combination of the half bridges of several valve drivers, wherein the coils should never be driven simultaneously via PWM. This can be saved in structures that contain multiple valves, several transistors. The Abklemmtransistor T ₃ then also serves as a decoupling transistor.

3 zeigt einen Ventiltreiber, wie in 2 bereits erläutert. Jedoch wird in diesem Ausführungsbeispiel eine vereinfachte Ansteuerschaltung gezeigt, die darstellt, wie die GATE-Anschlüsse der einzelnen Transistoren angesteuert werden. Der Freilauftransistor T₃ ist zur Vereinfachung zwischen GATE und SOURCE kurzgeschlossen, so dass nur die intrinsische Diode des Transistors T₃ als Freilaufdiode wirkt. Der GATE-Anschluss des Abklemmtransistors T₂ ist mit einem Monoflop 7 verbunden, das beispielsweise beim ABS-Betrieb ein bremsabhängiges Signal erzeugt. Dieses Signal wird in einem Synchronisierer 8 mit dem Signal eines Frequenzgenerators 6 synchronisiert, der die PWM erzeugt und der über einen ersten Verstärker 10 mit dem GATE des Schalttransistors T₁ verbunden ist. Ein anderer Eingang dieses Verstärkers 10 ist mit dem Ausgang des Synchronisierers 8 verbunden. Dieses Ausgangssignal dient auch als Eingangssignal eines weiteren Verstärkers 9, dessen Ausgangssignal das GATE des Abklemmtransistors T₂ steuert. Der bei einem solchen Aufbau im ABS-Betrieb durch die Ventilspule 4 fließenden Strom I_SP und die an der Ventilspule 4 anliegenden Spannung U_SP ist in 4 dargestellt. 3 shows a valve driver, as in 2 already explained. However, in this embodiment, a simplified drive circuit is shown, which illustrates how the GATE terminals of the individual transistors are driven. Of the freewheel transistor _T3 is short-circuited to simplify between gate and source, so that only the intrinsic diode of the transistor T ₃ acts as a freewheeling diode. The GATE terminal of the Abklemmtransistors T ₂ is a monoflop 7 connected, for example, generates a brake-dependent signal in ABS operation. This signal is in a synchronizer 8th with the signal of a frequency generator 6 synchronized, which generates the PWM and that via a first amplifier 10 is connected to the GATE of the switching transistor T ₁ . Another input of this amplifier 10 is with the output of the synchronizer 8th connected. This output signal also serves as input to another amplifier 9 whose output signal controls the GATE of the clamping transistor T ₂ . The in such a structure in ABS operation by the valve spool 4 flowing current I _SP and those at the valve spool 4 applied voltage U _SP is in 4 shown.

4 zeigt ein Diagramm mit dem zeitabhängigen Stromverlauf I_SP(t) 12 und Spannungsverlauf U_SP(t) 13 während des PWM-Betriebs, bei dem kurzzeitig der Schalttransistor T₁ die Ventilspule 4 EIN und AUS schaltet, wodurch ein Ventil in einer Arbeitsstellung gebracht und gehalten wird und während des Abschaltvorgangs, bei dem die Spule langfristig AB geschaltet wird, wodurch das Ventil in seine Grundstellung zurückkehren kann. Während den ersten 800 μsec wird die Ventilspule 4 gepulst betrieben. Hierbei wird der Schalttransistor T₁ aus 3 kurzzeitig ein und ausgeschaltet, das heißt kurzzeitig an die Spannungsquelle U_Bat angeschlossen und abgetrennt. Die Zeitdauer des Ein- und Ausschaltvorgangs beträgt ca. t_PWMein ≈ t_PWMaus ≈ 0,2 msec. Während des Pulsbetriebs dient der Freilauftransistor T₂ dazu, den Strom und damit die Energie in der Schaltung zu behalten, so dass sie der Ventilspule 4 nach dem erneuten Einschalten wieder zur Verfügung gestellt werden kann. Beim kurzzeitigen Ausschalten im PWM-Betrieb wird die Spannung U_SP von 40 V Betriebsspannung auf ca. 0,6 V herabgesetzt. Hierbei stellt sich ein Strom I_SP von ca. 330 mA ein, der sägezahnförmig um ca. 5% hin und her schwankt. Beim langfristigen Abschalten der Ventilspule, die das Ventil von einer Arbeitsstellung in eine Grundstellung zurückbewegt, sinkt die Spannung U_SP auf einen Wert von ca. –56 V (Dieser Wert ist relevant für die Spannungsfestigkeit). Gleichzeitig fängt der Spulenstrom I_SP an abzufließen. Bis der Spulenstrom I_SP auf I_SP = 0 A abgesunken ist, vergehen t_AB = 2 msec. Sobald kein Strom mehr in der Ventilspule fließt, sinkt die Spulenspannung U_SP asymptotisch von U_SP = –56 V gegen –12 V. 4 shows a diagram with the time-dependent current profile I _SP (t) 12 and voltage curve U _SP (t) 13 during the PWM operation, in which the switching transistor T _{1 is} the valve coil for a short time 4 ON and OFF switch, which places and holds a valve in a working position, and during shutdown, which turns the coil OFF in the long term, allowing the valve to return to its home position. During the first 800 μsec the valve spool will turn 4 operated pulsed. Here, the switching transistor T ₁ is from 3 briefly on and off, that is briefly connected to the voltage source U _Bat and disconnected. The duration of the switch-on and switch-off process is approximately t _PWMein≈ _PWMfrom ≈ 0.2 msec. During the pulsed operation, the freewheeling transistor T ₂ serves to retain the current and thus the energy in the circuit, so that it is the valve coil 4 can be made available again after switching on again. When briefly switching off during PWM operation, the voltage U _{SP is} reduced from 40 V operating voltage to approx. 0.6 V. In this case, a current I _SP of about 330 mA sets in, which varies in a sawtooth manner by about 5%. When the valve spool is switched off for a long time, which returns the valve from a working position to a normal position, the voltage U _SP drops to a value of approx. -56 V (this value is relevant for the dielectric strength). At the same time starts the coil current I _SP to drain. Until the coil current I _SP has dropped to I _SP = 0 A, t _AB = 2 msec. As soon as no current flows in the valve coil, the coil voltage U _SP decreases asymptotically from U _SP = -56 V towards -12 V.

Würde das System jetzt wieder eingeschaltet, so würde die Spannung wieder auf +40 V und der Strom auf ca. 330 mA ansteigen.If the system were now switched on again, the voltage would rise again to +40 V and the current to approx. 330 mA.

Claims

Valve driver for actuating a valve from a basic position to a working position or vice versa, consisting of - valve spool (more 4 ), which moves the valve from the initial position to a working position upon supply of electrical energy, - a switching device ( 1 ), which supplies the valve coil with an electrical energy source ( 5 ) and disconnects from such, - a freewheel device ( 2 ), which stores the energy in the valve spool, while the valve is held in a working position and - a Abklemmvorrichtung ( 3 ) which quickly dissipates the energy stored in the valve spool to return the valve from a working position to a home position, characterized in that - the clamping device ( 3 ) serially between the valve spool ( 4 ) and the switching device ( 1 ) and - the freewheel device ( 2 ) parallel to the valve spool ( 4 ) and the clamping device ( 3 ) is arranged.

Valve driver according to claim 1, characterized in that the energy source ( 5 ) is a DC voltage source whose voltage (U _Bat ) is greater than 12V.

Valve driver according to claim 1, characterized in that the switching device ( 1 ) is a transistor (T ₁ ), in particular a MOS-FET.

Valve driver according to claim 2 and 3, characterized in that the valve driver pulse-width modulated control of the switching device ( 1 ) which causes the valve to be held in a working position.

Valve driver according to claim 1, characterized in that the Abklemmvorrichtung ( 3 ) is a transistor (T ₃ ), in particular a MOS-FET, which acts like a Zener diode and accelerates the energy dissipation.

Valve driver according to claim 1, characterized in that the freewheel device ( 2 ) is a transistor (T ₂ ), in particular a MOS-FET.

Valve driver according to claim 1, characterized in that a plurality of valve coils ( 4 ) a common switching device ( 1 ) exhibit.

Valve driver according to claim 1, characterized in that a plurality of valve coils ( 4 ) a common freewheel device ( 2 ) exhibit.