DE102006006878A1

DE102006006878A1 - Schaltungsanordnung mit Rückspeiseschutz zum Schalten in Leistungsanwendungen

Info

Publication number: DE102006006878A1
Application number: DE102006006878A
Authority: DE
Inventors: Mario Engelmann; René TRAPP
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2006-01-20
Filing date: 2006-02-15
Publication date: 2007-07-26
Also published as: EP1980019A1; WO2007096219A1; US20100134174A1

Abstract

Schaltungsanordnung mit Rückspeiseschutz zum Schalten des Stromflusses in Leistunganwendungen, wobei die Schaltungsanordnung auf dem zu schaltenden Leitungszweig zwei Mosfets (1), (2) in Reihe aufweist, wobei diese so angeschlossen sind, dass ihre Inversdioden bezüglich ihres PN-Übergangs zueinander entgegengesetzt angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 und die Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Steuerung oder Regelung der elektrischen Signale und Größen auf den Kanälen der Sensoren und/oder der Sensorsysteme in Kraftfahrzeugen.

Es ist bekannt Halbleiterbauelemente als Schalter für Leistungsanwendungen zu verwenden. Dabei wird der Stromfluss in der entsprechenden Versorgungsleitung bzw. dem Leitungszweig durch ein Halbleiterbauelement unterbrochen, indem dieses Halbleiterbauelement durch äußere Beschaltung in einen Sperrzustand bzw. in einen hochohmigen Zustand versetzt wird.

Im Bereich von Leistungsanwendungen werden häufig Metalloxid-Halbleiter-Feldeffektransistoren (Mosfets) verwendet. Diese weisen im Allgemeinen parallel zur Drain-Source-Strecke eine Inversdiode auf. Diese Inversdiode ergibt sich aus der üblichen inneren Verschaltung des Substratanschlusses (Bulk) mit dem Sourceanschluss, wobei sich die Inversdiode als der PN-Übergang zwischen Bulk und Drain darstellt. Außerdem weisen auch im Speziellen DMOS-Fets (doppelt diffundierte Mosfets) Inversdioden auf. Dies liegt an ihrem speziellen Aufbau, wobei sich eine Inversdiode als parasitäres Element parallel zur Drain-Source-Strecke ausprägt.

Es ist besonders in Schaltungen für Leistungsanwendungen üblich, einen gewissen Schutz gegen Fehlerströme zu implementieren, welche zu Betriebsfehlern und zur Zerstörung empfindlicher Hardware führen können. Ein spezieller Fall solcher Fehlerströme sind Rückspeisungen, bei denen ein zum normalen Arbeitsstrom umgekehrter Stromfluss auftritt. Dieser wird häufig durch eine ungewollte Einkopplung der Energieversorgung, zum Beispiel durch Isolationsdefekte oder Schaltfehler, hervorgerufen.

Im Fall einer Rückspeisung reicht ein einzelner Mosfet als Schalter nicht aus. Eine Rückspeisung kann durch das Sperren des Mosfets nicht verhindert werden, da die Inversdiode einen Stromfluss in umgekehrter Richtung ermöglicht. Um hier Abhilfe zu schaffen ist es üblich eine Diode in Reihe zum Mosfet zu Schalten, wobei die Diode mit ihrer Polung umgekehrt zur Inversdiode des Mosfets verschaltet sein muss. Durch diese zusätzliche Diode wird eine mögliche Rückspeisung verhindert. Allerdings fällt bei durchgeschaltetem Mosfet eine Spannung von ungefähr 0,7 V an dieser Diode ab, wodurch die verfügbare Spannung um diesen Wert sinkt.

Es ist technisch wenig sinnvoll Sperrschicht-Fets (Jfets) zu verwenden, obwohl diese in beide Richtungen sperren können, da sie speziell für Leistungsanwendungen wenig geeignet sind. Auch der Einsatz von Bipolaren Transistoren und Insulated-Gate-Transistoren (IGBTs) ist wenig sinnvoll, da diese aufgrund des Avalanche-Effektes in Inversrichtung höchstens eine Sperrspannung von 7–8 V aufnehmen können. Für Leis tungsanwendungen mit Strömen ab einer Größenordnung von hundert Ampere werden häufig Thyristoren zum Schalten verwendet. Diese haben jedoch den generellen Nachteil, dass sie deutlich höhere Schaltzeiten aufweisen als Mosfets und deswegen für viele Anwendungen nicht in Frage kommen. Darüber hinaus weisen Thyristoren im Allgemeinen ein problematisches Abschaltverhalten auf.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zu Grunde eine Schaltungsanordnung für Leistungsanwendungen zu beschreiben, die unabhängig von der Polung der anliegenden Spannung das Schalten des Stromflusses in einem Leitungszweig ermöglicht und die im leitenden Zustand ohne merklichen Spannungsverlust innerhalb der Schaltungsanordnung selber auskommt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1.

Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, den Stromfluss in einem Leitungszweig mit Hilfe einer Schaltungsanordnung zu schalten, welche durch zwei in Reihe und in Bezug auf die PN-Übergänge ihrer Inversdioden entgegengesetzt verschalteten Mosfets im Fall, dass beide Mosfets leiten, kein nennenswerter interner Spannungsabfall aufweist und im Fall, dass beide Mosfets sperren, ein Stromfluss in beide Richtungen unterbindet.

Unter dem Begriff Leitungszweig wird der Strompfad verstanden, der geschaltet werden soll und welcher gegebenenfalls die Anbindung zu einer zu schaltenden Last realisiert. Dabei kann es sich auch um einen allgemeinen elektrischen Versorgungskanal handeln.

Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat den Vorteil, dass sie mit geringem Aufwand realisierbar ist und außerdem in bestehende Systeme leicht zu integrieren ist. Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann diskret, integriert auf einem separaten Chip oder integriert in ein umfassenderes System auf einem Chip ausgebildet werden.

Es ist zweckmäßig, dass der Leitungszweig eine Einrichtung zur Strommessung, insbesondere einen Widerstand über dem der Spannungsabfall gemessen wird, aufweist. Dadurch kann eine Rückspeisung und andere Fehlerströme erkannt werden.

Es ist bevorzugt die über dem Leitungszweig abfallende Spannung an einen Komparator anzulegen, welchem insbesondere eine Offsetspannung vorgegeben ist. Durch den Vergleich mit einer definierten Offsetspannung kann eine bevorstehende, mögliche Rückspeisung erkannt werden.

Vorzugsweise wird mindestens eine Mosfet-Treiberstufe durch eine elektronischen Kontrolllogik angesteuert und die elektronische Kontrolllogik ist mit den Messelementen verknüpft. Durch die elektronische Kontrolllogik ist eine variable Ansteuerung der Mosfets möglich.

Bevorzugt wird der im Leitungszweig gemessene Strom der elektronischen Kontrolllogik zugeführt. Diese bewertet dann den Strom in Bezug auf definierte Schwellwerte oder mit Hil fe eines Algorithmus, wobei entsprechend der Auswertung mindestens eine Mosfet-Treiberstufe angesteuert wird. Durch den Einsatz der Kontrolllogik lassen sich auch spezielle und komplexe Bewertungs- oder Regelungsverfahren umsetzen.

Es ist zweckmäßig, dass der gemessene Strom vor der Bewertung durch die elektronische Kontrolllogik einen elektronischen Filter durchläuft. Mit Hilfe des elektronischen Filters lassen sich unbedenkliche Stromschwankungen und Stromimpulse herausfiltern, so dass durch Reaktionen auf diese nicht der reguläre Schaltungsbetrieb gestört wird.

Erfindungsgemäße Ausführungsformen der Schaltungsanordnung lassen sich prinzipiell sowohl mit n-Kanal-, als auch mit p-Kanal-Mosfets, sowie mit selbstsperrenden und selbstleitenden Mosfets, realisieren.

Eine erfindungsgemäße, oben beschriebene Schaltungsanordnung kann in unterschiedlichen Bereichen von Leistungsanwendungen zum Einsatz kommen. Dabei ist besonders ein Einsatz in dem Sensorkanal eines Kraftfahrzeugregelungssystems sinnvoll. Es können allerdings auch beliebige andere Sensorkanäle vor Rückspeisung geschützt werden. Die Schaltungsanordnung ist auch besonders geeignet zur Integration in integrierte Schaltungen, die eine energieversorgende Ansteuerung von Lasten realisieren. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung der Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 9 zur Steuerung oder Regelung der elektrischen Signale und Größen auf den Kanälen der Sensoren und/oder der Sensorsysteme in Kraftfahrzeugen.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand von Figuren.
Es zeigen in schematischer Darstellung
1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Schalten des Stromflusses in einem Leitungszweig mit einer Einrichtung zur Strommessung und einer Einrichtung zur Spannungsmessung, welche ihre Daten an eine elektronische Kontrolllogik übermitteln, die über jeweils eine Treiberstufe zwei erfindungsgemäß verschaltete Mosfets ansteuert,
2 eine weitere Erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, die einen Raddrehzahlsensorkanal schaltet eine Einrichtung zur Strommessung und Auswertung aufweist und
3 den zeitlichen Verlauf des Stroms eines Raddrehzahlsignals im Fehlerfall.
Die in 1 dargestellte Schaltungsanordnung enthält zwei schaltungstechnisch realisierte Ansätze zum Erkennen einer Rückspeisung bzw. dem möglichen Beginn einer Rückspeisung. Anhand dieser Schaltungsanordnung werden beide Ansätze veranschaulicht und erläutert, wobei für die technische Umsetzung meist ein Ansatz ausreicht. Zum Ersten wird der Spannungsabfall über dem Leitungszweig abgegriffen und einem Komparator 7 zugeführt. Dabei wird sowohl die Polung der Spannung, als auch ihr Wert erfasst. In Folge eines Fehlerfalls, der zu einer Spannungsverpolung und damit zu einer Rückspeisung führen kann, ist dies bereits im Vorfeld durch ein deutliches, schnelles Absinken des Spannungswertes kenntlich. Da eine gewisse Reaktionsgeschwindigkeit bis zum Sperren des Rückspeisestroms zu berücksichtigen ist, ist es empfehlenswert nicht erst eine verpolte Spannung gewisser Höhe zu erkennen, sondern schon das Absinken der ursprünglichen Spannung unter einen definierten Wert. Zu diesem Zweck kann dem Komparator 7 bereits eine Offsetspannung vorgegeben sein. In dem in 1 veranschaulichten Beispiel wird der Ausgang des Komparators der elektronischen Kontrolllogik 5 zugeführt, welche eine weitergehende Bewertung, insbesondere eine Bewertung des zeitlichen Spannungsverlaufs, vornimmt. Dafür können spezielle Algorithmen verwendet werden. Die elektronische Kontrolllogik 5 steuert die beiden Treiberstufen 3, 4 der jeweiligen Mosfets 1, 2 an, wodurch im Fall einer Rückspeisung oder eines anders gearteten Fehlers, eine Sperrung des Leitungszweiges in beide oder eine Richtung veranlasst wird. Dies ist dadurch möglich, dass die beiden selbstsperrenden n-Kanal-Mosfets 1, 2 bezüglich der PN-Übergänge ihrer Dioden entgegengesetzt zueinander in Reihe geschaltet sind. Zum Zweiten wird der Strom durch den Leitungszweig gemessen, bzw. überwacht. Die geschieht mit Hilfe des Spannungsabfalls über dem Widerstand 9 und der daran angeschlossenen Auswerteeinheit 6. Der Stromwert wird über ein Filter 8 an die elektronische Kontrolllogik 5 gesendet. Das Filter 8 hat die Aufgabe Stromschwankungen in einem definierten Rahmen aus der folgenden Auswertung herauszufiltern, da gewisse Schwankungen des Signals normal sind und nicht in die Beurteilung einer möglichen Abschaltung, bzw. Sperrung mit einfließen sollen. Die elektronische Kontrolllogik 5 bietet weitergehende Algorithmen zur Bewertung an, z.B. des zeitlichen Verlaufs des Stroms oder weist definierte Stromschwellen auf.
2 zeigt eine Schaltungsanordnung, die den Raddrehzahlsensorkanal eines Kraftfahrzeugregelungssystems beinhaltet. Über den Leitungszweig, der eine erfindungsgemäße Reihenschaltung von zwei selbstsperrenden n-Kanal-Mosfets aufweist, wird die Energieversorgung des Raddrehzahlsensorsystems ASI (Active Sensor Interface) realisiert. Im normalen Betriebszustand fließt ein Versorgungsstrom von Klemme 30B in den ASI-Pin. Das Potential von Klemme 30B liegt aufgrund des Spannungsabfalls in einer vorgeschalteten Schutzschaltung unter dem der Hauptenergieversorgung. Nun kann z.B. durch das Zusammenwirken von Isolierungsmängeln und der leitenden Fahrzeugkarosserie der Fall auftreten, dass im Bereich der Sensorschnittstelle die Versorgungsspannung anliegt. Dadurch liegt das Potential des ASI-pins über dem der Klemme 30B. In diesem Fall würde sich eine Rückspeisung in die Klemme 30B ergeben, welche gegebenenfalls empfindliche Elektronik im Signalweg beschädigen könnte. Eine bevorstehende oder beginnende Rückspeisung wird allerdings durch die Stromüberwachung 6 am Widerstand R_sense 9 erkannt. Mit Hilfe der Stromüberwachung 6 können verschiedene Stromschwellen THRs (Thresholds) erkannt werden. Insbesondere ist eine vom Wert her niedrige Schwelle 1 hinterlegt, über die der Beginn einer bevorstehenden Rückspeisung THRreflow erkannt werden kann. Die Auswertung dieser Schwelle 1 geschieht über ein Entstörfilter 8, welches zulässige Stromschwankungen, besonders kurze negative Stromimpulse, herausfiltert. Der Ausgang des Filters ist mit der Treiberstufe 4 des Mosfets 2 verbunden. Wird dieser im Fall einer sich abzeichnenden Rückspeisung gesperrt, kann eine Rückspeisung in die Klemme 30B wirksam verhindert werden. In Folge eines von der Stromüberwachung 6 erfassten Fehlerstroms, z.B. eines zu großen Stromwertes in Richtung von KL 30B zum ASI-pin, kann direkt die Treiberstufe 3 des Mosfets 1 angesteuert werden und der Stromfluss abgeschaltet werden. Über eine On/Off-Funktionalität kann das Kraftfahrzeugregelungssystem auch beide Mosfets 1, 2 sperren und somit einen Stromfluss in beide Richtungen unterbinden.
In 3 wird der zeitliche Stromverlauf des Raddrehzahlsensorkanals veranschaulicht. Nach einer gewissen Zeit t₁, tritt ein Fehlerfall ein. In Folge dessen fällt der Strom rapide ab, bis unter die Schwelle 1. Zu diesem Zeitpunkt erkennt die Stromüberwachung, dass ein Fehler vorliegt und möglicherweise eine Rückspeisung bevorsteht. Deshalb reagiert die elektronische Kontrolllogik 5 mit dem Sperren von Mosfet 2, wodurch nach einer gewissen Verzögerungszeit t_lat der Stromfluss unterbrochen wird. Die Dauer der Verzögerungszeit und somit auch der maximal erreichte Fehlerstromwert und die durch ihn übertragene Energie, hängen maßgeblich von der Höhe der kritischen Stromschwelle (Schwelle 1) und der Filterung ab. Dabei ist es zu beachten, dass ein übermäßiger Ansatz, der auch bei sehr kleinen Störungen wirksam wird, wahrscheinlich ungewollt das Sensorsignal beein flusst. Die Funktion des Filters bzw. eines in der elektronischen Kontrolllogik 5 abgelegten Algorithmus ist es, kritische Fehlerstromwerte zu vermeiden, aber dabei möglichst wenig Einfluss auf den Sensorbetrieb zu nehmen.

Claims

Schaltungsanordnung mit Rückspeiseschutz zum Schalten des Stromflusses in Leistungsanwendungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung auf dem zu schaltenden Leitungszweig zwei Mosfets (1), (2) in Reihe aufweist, wobei diese so angeschlossen sind, dass ihre Inversdioden bezüglich ihres PN-Übergangs zueinander entgegengesetzt angeordnet sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Mosfets (1), (2) zu Ihrer Ansteuerung jeweils eine Treiberstufe (3), (4) aufweisen und dass der Leitungszweig eine Einrichtung zur Strommessung (6) aufweist, insbesondere einen Widerstand (9) über dem der Spannungsabfall gemessen wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die über dem Leitungszweig abfallende Spannung an einen Komparator (7) angelegt wird und dass diesem insbesondere eine definierte Offsetspannung vorgegeben ist.
Schaltungsanordnung nach mindestens Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Komparators (7) an mindestens eine der Mosfet-Treiberstufen (3), (4) gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung nach mindestens Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Kontrolllogik (5) mindestens eine Mosfet-Treiberstufe (3), (4) ansteuert und dass die elektronische Kontrolllogik (5) mit den Messelementen (6), (7) verknüpft ist.
Schaltungsanordnung nach mindestens Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der im Leitungszweig gemessene Strom der elektronischen Kontrolllogik (5) zugeführt wird und von dieser unter Bezug auf definierte Schwellwerte oder mit Hilfe eines Algorithmus bewertet wird und dass die elektronische Kontrolllogik (5) entsprechend der Auswertung des Stroms mindestens eine Mosfet-Treiberstufe (3), (4) ansteuert.
Schaltungsanordnung nach mindestens Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der gemessene Strom vor der Bewertung durch die elektronische Kontrolllogik (5) einen elektronischen Filter (8) durchläuft.
Schaltungsanordnung nach mindestens Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass über den Leitungszweig mindestens ein Verbraucher geschaltet wird.
Schaltungsanordnung nach mindestens Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese in ein Kraftfahrzeugregelungssystem und/oder in einem Signalkanal eines Kfz-Sensorsystems integriert ist.
Verwendung der Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 9 zur Steuerung oder Regelung der elektrischen Signale und Größen auf den Kanälen der Sensoren und/oder der Sensorsysteme in Kraftfahrzeugen.