DE102011002674A1

DE102011002674A1 - Schaltung und Verfahren zum Entregen einer Erregerspule

Info

Publication number: DE102011002674A1
Application number: DE102011002674A
Authority: DE
Inventors: Frank 85244 Auer; Benno 85229 Koeppl; Michael 81829 Scheffer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2011-01-13
Publication date: 2011-08-11
Anticipated expiration: 2031-01-14
Also published as: US20110193533A1; DE102011002674B4; US20130293176A1; US8749206B2; US8487592B2

Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung beschrieben. Die Schaltungsanordnung umfasst eine erste Halbbrücke mit einem ersten Steuerbaren Halbleiterschalter und einer ersten Diode. Der erste steuerbare Halbleiterschalter ist zwischen ein erstes konstantes Versorgungspotential und einem Mittelabgriff der ersten Halbbrücke geschaltet. Die erste Diode ist zwischen den Mittelabgriff und einem konstanten Referenzpotential geschaltet. Eine zweite Halbbrücke umfasste eine zweite Diode und einen zweiten steuerbaren Halbleiterschalter. Die zweite Diode ist zwischen ein zweites konstantes Potential, welches höher ist als das erste Potential, und einen Mittelabgriff der zweiten Halbbrücke geschaltet. Der zweite steuerbare Halbleiterschalter ist zwischen den Mittelabgriff und dem konstanten Referenzpotential geschaltet. Eine Treiberschaltungsanordnung steuert den Leitungszustand des ersten und des zweiten Halbleiterschalters, wodurch der Stromfluss durch eine Erregerspule gesteuert wird, welche zwischen die beiden Mittelabgriffe geschaltet werden kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Treiberschaltung zum Ansteuern einer Erregerspule eines Generators, insbesondere auf einen elektrischen Generator (Lichtmaschine) für Anwendungen im Automobil.
Während des Betriebs von Generatoren in Automobilen treten Spannungsspitzen als Reaktion auf einen Lastabfall (auch als ”Load Dump” bezeichnet) auf, da die magnetomotorische Kraft bzw. die in der Erregerspule gespeicherte magnetische Energie des Generators nur mit einer endlichen Rate abgebaut werden kann. In üblichen Generatorsteuerschaltungen wird die Erregerspule eines Generators mit Hilfe von aufwändigen und teuren Komponenten entregt wie zum Beispiel mit Leistungszenerdioden, um so zu verhindern, dass die Ausgangsspannung des Generators auf derart hohe Werte ansteigt, welche Schaden an unterschiedlichen elektrischen Komponenten, die mit dem Generator verbunden sind, bewirken können.
Unterschiedliche Schaltungen zum Entregen von Erregerspulen, um die darin gespeicherte magnetische Energie zu reduzieren, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Obwohl derartige Schaltungen das Problem der Spannungsspitzen, welche insbesondere als Reaktion auf einen Lastabfall (Load Dump) auftreten, mildern können, besteht dennoch ein Bedarf an verbesserten Schaltungen, welche eine schnelle und zuverlässige Entregung der Erregerspulen gewährleisten.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht also darin, eine Schaltung zum schnellen und zuverlässigen Entregen von Erregerspulen bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch die Schaltung gemäß Anspruch 1 oder 6 sowie durch das Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Unterschiedliche Ausführungsformen und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Es wird eine Schaltungsanordnung beschrieben. Die Schaltungsanordnung umfasst eine erste Halbbrücke mit einem ersten steuerbaren Halbleiterschalter und einer ersten Diode. Der erste steuerbare Halbleiterschalter ist zwischen ein erstes konstantes Versorgungspotential und einem Mittelabgriff der ersten Halbbrücke geschaltet. Die erste Diode ist zwischen den Mittelabgriff und ein konstantes Referenzpotential geschaltet. Eine zweite Halbbrücke umfasst eine zweite Diode und einen zweiten steuerbaren Halbleiterschalter. Die zweite Diode ist zwischen ein zweites konstantes Potential, welches höher ist als das erste Versorgungspotential, und einen Mittelabgriff der zweiten Halbbrücke geschaltet. Der zweite steuerbare Halbleiterschalter ist zwischen den Mittelabgriff der zweiten Halbbrücke und das konstante Referenzpotential geschaltet. Eine Treiberschaltungsanordnung steuert den Leitungszustand des ersten und des zweiten Halbleiterschalters, wodurch der Stromfluss durch eine Erregerspule gesteuert wird, welche zwischen die beiden Mittelabgriffe geschaltet werden kann.
Des Weiteren ist ein Verfahren zum Steuern der magnetischen Energie, die in einer Erregerspule eines Generators gespeichert ist, beschrieben. Während des normalen Betriebs wird der Erregerspule Strom zugeführt, wodurch ein erwünschtes magnetisches Feld (Sollmagnetfeld) erzeugt wird. Der Strom fließt von einem ersten Schaltungsknoten, welcher auf einem ersten Versorgungspotential liegt, über die Erregerspule zu einem Anschluss, welcher auf einem konstanten Referenzpotential liegt. Ein Lastabfall (load dump) an dem Generator wird detektiert. Wenn ein Lastabfall detektiert wurde, wird die Stromzufuhr zur Erregerspule gestoppt und ein Strompfad von dem Anschluss, der auf konstantem Referenzpotential liegt, über die Erregerspule zu einem Knoten, der auf einem zweiten Potential liegt, welches höher ist als das erste Potential, wird bereitgestellt.
Die Erfindung kann anhand der vorliegenden Zeichnungen und der folgenden Beschreibung besser verstanden werden. Die in den Abbildungen dargestellten Komponenten sind nicht einschränkend zu verstehen, vielmehr wird Wert darauf gelegt, das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip zu illustrieren. In den Abbildungen zeigen:
1 anhand eines Schaltplans eine H-Brücke zum Steuern der in einer Erregerspule gespeicherten magnetischen Energie;
2 anhand eines Schaltplans ein erstes Beispiel der vorliegenden Erfindung, wobei zur Entregung der Spule eine Gegenspannung an diese angelegt wird, welche dem Betrag nach höher ist als die Systemspannung (Versorgungsspannung, z. B. Batteriespannung);
3 anhand eines Schaltplans das Beispiel aus 2 detaillierter; und
4 anhand eines Schaltplans eine Alternative zu der Schaltung aus 3.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten bzw. Signale mit gleicher oder ähnlicher Bedeutung.
Wie zuvor erwähnt können plötzliche Spannungsspitzen während des Betriebs von Generatoren als Reaktion auf einen Lastabfall auftreten. Dies geschieht aufgrund der magnetomotorischen Kräfte, d. h. aufgrund der magnetischen Energie, die in der Erregerspule des Generators gespeichert ist. Aus diesem Grund umfassen Steuereinheiten für Generatoren Schaltungen zum Entregen der Erregerspule, wodurch die Amplitude und die Dauer der Spannungsspitze signifikant reduziert wird.
In 1 ist eine so genannte H-Brückenschaltung zur Reduzierung der in einer Erregerspule L_F gespeicherten magnetischen Energie dargestellt. Die Schaltung umfasst zwei Leistungsschalter M₁, M₂, welche beispielsweise als MOSFETs ausgeführt sind, aber auch mit Hilfe anderer Transistortypen implementiert werden können. Während des normalen Betriebs der Schaltung (und des Generators) sind beide Schalter M₁, M₂ geschlossen und gewährleisten so die Bestromung der Erregerspule L_F aus der Spannungsversorgung des Systems (Spannung V_B, z. B. Autobatterie), wodurch ein Erregermagnetfeld erzeugt wird. Dabei wird eine gewisse magnetische Energie in der Spule L_F gespeichert. Die MOSFETs M₁, M₂ werden üblicherweise durch Steuersignale mit vorgebbarer Pulsform angesteuert wie zum Beispiel mit Hilfe von pulsweitenmodulierten Signalen (PWM-Signalen) zum Steuern des durchschnittlichen Stromes durch die Erregerspule L_F. Solange die Transistoren M₁, M₂ in einem leitenden Zustand sind fließt Strom aus der Spannungsversorgung des Systems (Spannung V_B) über den Leistungsschalter M₁, die Erregerspule L_F und den Leistungsschalter M₂ hin zum Massepotential GND (Referenzpotential).
Während eines nicht leitenden Zustandes des Transistors M₁ (wenn der Transistor M₁ sperrend angesteuert wird, während der Transistor M₂ nach wie vor eingeschaltet ist, z. B. während der Ausschaltzeit einer PWM-Taktperiode) ist der Strompfad V_B-M₁-L_F-M₂-GND unterbrochen und die Spule entlädt sich über die Freilaufdiode D₁. Die effektive Gegenspannung, die an der Erregerspule L_F während dieser Freilaufphase auftritt ist die Vorwärtsspannung der Freilaufdiode D₁, z. B. ungefähr 0,7 V (den Spannungsabfall am eingeschalteten Transistor M₂ vernachlässigend).
Im Falle eines Lastabfalls (Load Dump) muss die in der Erregerspule gespeicherte magnetische Energie jedoch schneller abgebaut werden als dies in der oben erwähnten Freilaufphase während des Normalbetriebs möglich ist. Für eine schnelle Entregung der Erregerspule L_F werden beide Leistungsschalter M₁ und M₂ sperrend angesteuert, so dass diese einen nicht leitenden Zustand (AUS-Zustand) einnehmen. In diesem Fall fließt der Strom über die Diode D₁, die Erregerspule L_F und die Diode D₂. Dabei fließt der Strom durch die Dioden D₁ und D₂ in einer Vorwärtsrichtung (d. h. in Durchlassrichtung der Dioden). Folglich fließt der Strom gegen die Richtung der Spannung V_B (z. B. 14 V) der Spannungsversorgung des Systems zuzüglich der Summe der Flussspannung der Dioden D₁ und D₂, d. h. insgesamt rund 15,4 V (bei 0.7 V Flussspannung pro Diode). Die dazu notwendige Gegenspannung (rund 15,4 V im vorliegenden Beispiel) wird durch die Selbstinduktivität der Erregerspule L_F erzeugt.
2 ist ein Blockdiagramm einer verbesserten Schaltung zum Steuern der in einer Erregerspule L_F gespeicherten magnetischen Energie. Ähnlich wie in der Schaltung gemäß 1 ist die Erregerspule L_F (z. B. zum Erzeugen eines Erregerfeldes eines Generators) zwischen die Mittelabgriffe von zwei Halbbrücken geschaltet, wodurch eine H-Brücke gebildet wird.
Eine erste Halbbrücke ist zwischen einen Anschluss, der ein konstantes erstes Versorgungspotential V_B bereitstellt (z. B. von einer Autobatterie), und einen Anschluss, der ein konstantes Referenzpotential GND bereitstellt, geschaltet. Die erste Halbbrücke umfasst eine Serienschaltung eines ersten steuerbaren Halbleiterschalters M₁ und einer Diode D₁. Dabei ist der erste Halbleiterschalter M₁ zwischen jenen Anschluss, der das konstante erste Versorgungspotential V_B bereitstellt, und den Mittelabgriff geschaltet, wohingegen die Diode D₁ zwischen den Mittelabgriff und jenem Anschluss, der das konstante Referenzpotential GND bereitstellt, geschaltet ist.
In ähnlicher Weise ist die zweite Halbbrücke zwischen einen Anschluss, der ein konstantes zweites Potential V_D bereitstellt, welches höher ist als das erste Potential V_B, und jenen Anschluss, der das konstante Referenzpotential bereitstellt, geschaltet. Die zweite Halbbrücke umfasste eine Serienschaltung einer zweiten Diode D₂ und eines zweiten Halbleiterschalters M₂. Dabei ist die zweite Diode D₂ zwischen jenen Anschluss, der auf dem konstanten zweiten Potential V_D liegt, und den Mittelabgriff geschaltet, wohingegen der zweite Halbleiterschalter M₂ zwischen den Mittelabgriff der zweiten Halbbrücke und jenen Anschluss, der das konstante Referenzpotential bereitstellt, geschaltet ist.
Für einen Fachmann ist erkennbar, dass die Dioden D₁, D₂ durch andere geeignete Schaltelemente ersetzt werden können, welche die gleiche Funktion gewährleisten. Des Weiteren können die gesteuerten Halbleiterschalter zum Beispiel als MOSFETs, Bipolartransistoren (BJTs), IGBTs oder andere Transistortypen implementiert werden.
In dem in 2 gezeigten Beispiel wird der Schaltzustand (ein oder aus) des ersten Halbleiterschalters M₁ durch eine erste Treiberschaltung 10 gesteuert, welche den Stromfluss durch den ersten Halbleiterschalter M₁ steuert und somit auch das Magnetfeld, das von der Erregerspule L_F erzeugt wird. Während des normalen Betriebes wird die Stärke des Erregerfelds durch eine Modulation des Treibersignals, welches einem Steueranschluss (z. B. Gate-Elektrode) des ersten Halbleiterschalters M₁ zugeführt ist, gesteuert. In vielen Anwendungen ist diese Modulation eine Pulsweitenmodulation. Jedoch können auch andere Modulationsarten (Pulsfrequenzmodulation, Pulsdichtemodulation, etc.) gleichermaßen geeignet sein. Während des normalen Betriebs ist der zweite Halbleiterschalter M₂ leitend angesteuert. Eine zweite Treiberschaltung 20 ist mit einem Steueranschluss des zweiten Halbleiterschalters M₂ verbunden und steuert so den Stromfluss durch diesen. Folglich nimmt während des normalen Betriebs der Strom durch die Erregerspule L_F den Strompfad V_B-M₁-L_F-M₂-GND oder GND-D₁-L_F-M₂-GND, abhängig von dem Leitungszustand des ersten Halbleiterschalters M₁ (z. B. während des PWM Betriebs der Treiberschaltung 10).
Im Fall eines Lastabfalls (Load Dump), d. h. wenn die elektrische Last des Generators, welcher durch die Spule L_F erregt wird, von diesem getrennt wird, werden beide Halbleiterschalter M₁ und M₂ sperrend angesteuert. Daher ist die zweite Steuerschaltung 20 dazu ausgebildet, einen derartigen Lastabfall (Load Dump) zu detektieren, beispielsweise durch Überwachen des gesamten Laststromes, der von dem Generator zur Verfügung gestellt wird. Während dieses Betriebsmodus des Entregens der Erregerspule des Generators nimmt der Strom durch die Erregerspule L den Strompfad GND-D₁-L_F-D₂-V_D, wobei V_D ein konstantes Potential ist, welches höher ist als das Versorgungspotential V_B des Gesamtsystems. Daher beträgt die resultierende Gegenspannung an der Erregerspule V_D + 2·V_F, wobei V_F die Flussspannung der Dioden D₁ und D₂ bezeichnet. Da in dem vorliegenden Beispiel die Erregerspule L_F bei einer höheren Gegenspannung entregt (entmagnetisiert) wird als in dem Beispiel aus 1, wird die Geschwindigkeit der Entregung verbessert (da das konstante Potential V_D größer ist als das Versorgungspotential V_B).
Das in dem Schaltplan gemäß 3 dargestellte Beispiel ist ähnlich zu dem Beispiel aus 2. Das Beispiel aus 3 inkludiert jedoch eine Möglichkeit der Bereitstellung des hohen Potentials V_D. In dem vorliegenden Beispiel ist ein DC/DC-Wandler 30 zwischen jenen Anschluss, der das Versorgungspotential V_B des Gesamtsystems bereitstellt, und jenen Anschluss, der das konstante Potential V_D bereitstellt, geschaltet. Da das Potential V_D höher ist als das Versorgungspotential V_D, umfasst der DC/DC-Wandler einen sogenannten Boost-Konverter (Hochsetzsteller).
Eine Alternative zu dem Beispiel aus 3 ist in 4 anhand eines weiteren Schaltplans dargestellt. In diesem Beispiel ist der Boost-Konverter 30 durch eine Zenerdiode D_Z ersetzt, welche zwischen jenen Anschluss, der das konstante Versorgungspotential V_B bereitstellt, und jenen Anschluss, der auf dem konstanten Potential V_D liegt, geschaltet ist. Daher ist in dem Betriebszustand der Entregung (siehe obige Beschreibung unter Bezugnahme auf die 1 und 2) das konstante Potential V_D gleich der Summe der Versorgungsspannung V_B und der Zenerspannung V_Z. Folglich nimmt in diesem Betriebszustand der Entregung der Strom durch die Erregerspule L_F den Strompfad GND-D₁-L_F-D₂-D_Z-V_B, wobei das Potential V_D, welches an den gemeinsamen Knoten zwischen der Diode D₂ und der Zeneriode D_Z anliegt gleich V_B plus V_Z ist (V_D = V_B + V_Z).

Claims

Eine Schaltung, die aufweist: eine erste Halbbrücke umfassend einen ersten steuerbaren Halbleiterschalter (M₁) und eine erste Diode (D₁), wobei der erste steuerbare Halbleiterschalter (M₁) zwischen ein erstes konstantes Versorgungspotential (V_B) und einen Mittelabgriff der ersten Halbbrücke geschaltet ist, und wobei die erste Diode (D₁) zwischen den Mittelabgriff und ein konstantes Referenzpotential (GND) geschaltet ist; eine zweite Halbbrücke umfassend eine zweite Diode (D₂) und einen zweiten steuerbaren Halbleiterschalter (M₂), wobei die zweite Diode (D₂) zwischen ein zweites konstantes Potential (V_D), welches höher ist als das konstante Versorgungspotential (V_B), und einen Mittelabgriff der zweiten Halbbrücke geschaltet ist, und wobei der zweite steuerbare Halbleiterschalter (M₂) zwischen den Mittelabgriff und das konstante Referenzpotential (GND) geschaltet ist; und eine Treiberschaltungsanordnung (10, 20) zum Steuern des Leitungszustandes des ersten Halbleiterschalters (M₁) und des zweiten Halbleiterschalters (M₂), um so den Stromfluss durch eine zwischen die Mittelabgriffe schaltbare Erregerspule (L_F) zu steuern.
Die Schaltung gemäß Anspruch 1, die weiter aufweist: eine Erregerspule (L_F) eines Generators, die zwischen den Mittelabgriff der ersten Halbbrücke (M₁; D₁) und den Mittelabriff der zweiten Halbbrücke (M₁; D₁) geschaltet ist; wobei die Treiberschaltungsanordnung (10, 20) dazu ausgebildet ist, ein Erregerfeld für den Generator dadurch zu steuern, dass während eines normalen Betriebes dem ersten Halbleiterschalter (M₁) ein moduliertes Treibersignal zugeführt wird, und wobei die Treiberschaltungsanordnung (10, 20) weiter dazu ausgebildet ist, ein Lastabfall am Generator zu detektieren und den ersten und den zweiten Halbleiterschalter (M₁; M₂) sperrend anzusteuern für den Fall, dass ein Lastabfall detektiert wurde.
Die Schaltung gemäß Anspruch 1 oder 2, die weiter einen DC/DC Wandler (30) aufweist, der mit der zweiten Halbbrücke (M₂; D₂) verbunden ist und das zweite konstante Potential (V_D) bereitstellt.
Die Schaltung gemäß Anspruch 3, wobei der DC/DC-Wandler (30) zwischen das zweite konstante Potential (V_D) und das erste konstante Versorgungspotential (V_B) geschaltet ist.
Die Schaltung gemäß Anspruch 1 oder 2, die weiter eine Zenerdiode (D_Z) aufweist, die zwischen einen Anschluss, der das erste konstante Versorgungspotential (V_B) bereitstellt, und einen zweiten Anschluss, der das zweite konstante Potential (V_D) bereitstellt, geschaltet ist, so dass das zweite konstante Potential (V_D) der Summe des ersten konstanten Versorgungspotential (V_B) und einer Zenerspannung (V_Z) der Zenerdiode entspricht.
Eine Schaltung, die aufweist einen ersten Spannungsknoten zum Bereitstellen einer ersten Versorgungsspannung (V_B); einen zweiten Spannungsknoten zum Bereitstellen einer zweiten Spannung (V_D), wobei die zweite Spannung (V_D) größer ist als die erste Versorgungsspannung (V_B); eine Spule (L_F) mit einem ersten und einem zweiten Anschluss; einen ersten Schalter (M₁), der zwischen den ersten Spannungsknoten und dem ersten Anschluss der Spule (L_F) geschaltet ist; eine erste Diode (D₁), die zwischen den ersten Anschluss der Spule (L_F) und einem Referenzspannungsknoten (GND) geschaltet ist; eine zweite Diode (D₂), die zwischen den zweiten Spannungsknoten und den zweiten Anschluss der Spule (L_F) geschaltet ist; und einen zweiten Schalter (M₂), der zwischen den zweiten Anschluss der Spule (L_F) und den Referenzspannungsknoten (GND) geschaltet ist.
Die Schaltung gemäß Anspruch 6, die weiter entweder einen DC/DC-Wandler (30) oder eine Zenerdiode (D_Z) aufweist, der/die zwischen den ersten Spannungsknoten und den zweiten Spannungsknoten geschaltet ist.
Die Schaltung gemäß Anspruch 6 oder 7, die weiter eine Treiberschaltungsanordnung (10, 20) aufweist, die an einen Steueranschluss des ersten Schalters (M₁) und an einen Steueranschluss des zweiten Schalters (M₂) gekoppelt ist, wobei die Treiberschaltungsanordnung (10, 20) dazu ausgebildet ist, während eines normalen Betriebs ein moduliertes Treibersignal dem ersten Halbleiterschalter (M) zuzuführen und wobei die Treiberschaltung (10, 20) weiter dazu ausgebildet ist, beide Schalter (M₁, M₂) sperrend anzusteuern für den Fall, dass ein Lastabfall detektiert wurde.
Ein Verfahren zum Steuern der in einer Erregerspule (L_F) eines Generators gespeicherten magnetischen Energie, das Verfahren weißt auf: während eines Normalbetriebs: Bestromen der Erregerspule (L_F) um so ein gewünschtes Erregermagnetfeld zu erzeugen, wobei der Strom von einem Schaltungsknoten, der ein erstes konstantes Versorgungspotential (V_B) bereitstellt, über die Erregerspule (L_F) zu einem Anschluss, fließt, der ein konstantes Referenzpotential (GND) bereitstellt; Detektieren eines Lastabfalls an dem Generator; und wenn ein Lastabfall detektiert wurde: Stoppen des Bestromens der Erregerspule (L_F) und Bereitstellen eines Strompfades von dem Anschluss, der das konstante Referenzpotential (GND) bereitstellt, über die Erregerspule (L_F) zu einem Schaltungsknoten, der ein zweites konstantes Potential (V_D) bereitstellt, welches höher ist als das erste konstante Versorgungspotential (V_B).
Das Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem das zweites konstantes Potential (V_D) durch einen DC/DC-Wandler (30) bereitgestellt wird oder mit Hilfe einer Zenerdiode (D_Z), die zwischen den Schaltungsknoten, der das erste konstante Versorgungspotential (V_B) bereitstellt, und den Schaltungsknoten, der das zweite konstante Potential (V_D) bereitstellt, geschaltet ist.