DE102011088912A1

DE102011088912A1 - Schaltungsanordnung zur Detektion eines Kurzschlusses bei einer Leistungsschalteranordnung

Info

Publication number: DE102011088912A1
Application number: DE102011088912A
Authority: DE
Inventors: Andrea Barnetova
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2013-06-20
Also published as: WO2013087604A1; US20140333320A1; KR20140103166A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Detektion eines Kurzschlusses zwischen einem ersten (OUT1) und einem zweiten Anschluss (OUT2) einer Leistungsschalteranordnung zum Bestromen einer an den ersten und zweiten Anschluss (OUT1, OUT2) verbindbaren Last. Zwischen einem hohen Potential (Vbat) einer Versorgungsspannung und dem ersten Anschluss ist ein erster Leistungsschalter (HS1) und zwischen dem zweiten Anschluss (OUT2) und dem niederen Potential (GND) der Versorgungsspannung ist ein zweiten Leistungsschalter (LS1) angeordnet. Im Strompfad des ersten Leistungsschalters (HS1) ist eine erste Strommesseinrichtung und im Strompfad des zweiten Leistungsschalters (LS1) ist eine zweite Strommesseinrichtung angeordnet. Ein erster Vergleicher zum Vergleich der Messwerte der ersten Strommesseinrichtung mit einem ersten niederen und einem zweiten höheren Schwellwert und ein zweiten Vergleicher zum Vergleich der Messwerte der zweiten Strommesseinrichtung mit einem ersten niederen und einem zweiten höheren Schwellwert sind den Strommesseinrichtungen zugeordnet.

Description

In Kraftfahrzeugen müssen eine Fülle von Lasten ein- und wieder ausgeschaltet werden. Beispiele hierfür sind ohmsche Lasten wie Fahr-, Blink-, Rückfahr- und Bremsleuchten, kapazitive Lasten wie beispielsweise Piezoaktoren für Einspritzventile, induktive Lasten wie beispielsweise Magnetspulen für Einspritzventile oder sonstige Ventile in Flüssigkeitsleitungen sowie die Ansteuerung unterschiedlichster elektromotorischer Stellglieder zur Betätigung von Scheibenwischern, Fensterhebern, der Drosselklappe oder ähnliches.
Da die Spannungsversorgung in einem Kraftfahrzeug üblicherweise aus der Fahrzeugbatterie erfolgt, die bei Personenkraftwagen heutzutage üblicherweise eine Spannung von 12 Volt aufweist und bei Lastkraftwagen eine Spannung von 24 Volt, müssen für die erforderlichen Leistungen hohe Ströme fließen. Diese Ströme müssen durch entsprechend ausgelegte elektronische Schalter, meistens Leistungstransistoren, geführt werden können. Für ohmsche Lasten werden zumeist reine High-Side- oder Low-Side-Schalter verwendet, während zur Ansteuerung induktiver Lasten Halbbrücken verwendet werden, bei denen die Last sowohl über einen High-Side-Schalter mit dem positiven Anschluss der Versorgungspannung und über einen Low-Side-Schalter mit dem Masseanschluss der Versorgungsspannung verbunden ist. In bekannter Weise müssen außerdem an geeigneten Stellen Freilaufdioden vorgesehen sein. Wenn es darum geht, induktive Lasten aufzuladen und wieder entladen zu können, sind zumeist Halbbrücken in Form von in Serie geschalteten Leistungstransistoren vorgesehen, an deren Verbindungspunkt die Last gegen Masse angeschlossen ist.
Zum Ansteuern von elektromotorischen Antrieben werden häufig Vollbrücken – auch als H-Brücken bezeichnet – verwendet, um den Motor in beiden Richtungen betreiben zu können. Hierbei sind die beiden Anschlüsse des elektromotorischen Antriebs einerseits über jeweils einen High-Side-Schalter mit dem hohen Potential der Versorgungsspannung und andererseits über Low-Side-Schalter mit dem niederen Potential der Versorgungsspannung – meistens der Masseanschluss – verbunden. Die Bodydioden der verwendeten Leistungstransistoren dienen dabei zumeist als Freilaufdioden.
Die als Leistungstransistoren ausgebildeten elektronischen Schaltelemente werden zumeist in integrierten Schaltungen – häufig als Asics ausgeführt – in größerer Zahl realisiert und können durch geeignete Verschaltung zu den oben angeführten Voll- oder Halbbrücken verbunden werden. In der integrierten Schaltung sind dabei geeignete Steuerschaltungen vorgesehen, die zumeist von außen über einen Mikrocontroller gesteuert das Ein- und Ausschalten der angeschlossenen Lasten steuern können.
Bei all den genannten Schaltungstopologien können jedoch Kurzschlüsse über den Schaltern, von den Anschlüssen der Last gegen Batteriespannung oder Massepotential oder über der Last auftreten. Außerdem können auch Leitungsunterbrechungen auftreten. All diese Fehlerfälle müssen sicher detektiert und zur Anzeige gebracht werden können, um geeignete Maßnahmen zur Behebung des Fehlers ergreifen zu können.
Die DE 10 2008 018 244 B3 beschreibt am Beispiel einer Halbbrücke mit einer induktiven Last, die einerseits über einen High-Side-Schalter mit dem positiven Potential der Versorgungsspannung und über einen Low-Side-Schalter mit dem Masseanschluss verbunden ist, die Detektion von Kurzschlüssen über den Schaltern sowie von den Lastanschlüssen gegen die Potentiale der Versorgungsspannung und außerdem einen Leitungsbruch in den Verbindungsleitungen der Last. Nicht offenbart und problematisch ist jedoch die Detektion eines Kurschlusses über der Last, da dieser nur sehr aufwändig von einem Kurzschluss gegen die Versorgungsspannung oder das Massepotential unterschieden werden kann.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen solchen Kurzschluss über der Last auf einfache Weise detektieren zu können.
Die Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 3 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Demgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Schaltungsanordnung zur Detektion eines Kurzschlusses zwischen einem ersten und einem zweiten Anschluss einer Leistungsschalteranordnung zum Bestromen einer an den ersten und zweiten Anschluss verbindbaren Last, mit einem zwischen einem hohen Potential einer Versorgungsspannung und dem ersten Anschluss angeordneten ersten Leistungsschalter und einem zwischen dem zweiten Anschluss und dem niederen Potential der Versorgungsspannung angeordneten zweiten Leistungsschalter. Im Strompfad des ersten Leistungsschalters und dem Strompfad des zweiten Leistungsschalters ist eine erste bzw. zweite Strommesseinrichtung angeordnet. Die Schaltungsanordnung weist ferner einen ersten und einen zweiten Vergleicher zum Vergleich der Messwerte der ersten bzw. der zweiten Strommesseinrichtung mit jeweils einem ersten niederen und einem zweiten höheren Schwellwert auf.
Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zur Detektion eines Kurzschlusses bei einer gemäß Anspruch 1 ausgebildeten Schaltungsanordnung, bei dem ein Kurzschluss zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss, also über der Last, erkannt wird, indem der erste oder der zweite Vergleicher das Überschreiten des zweiten hohen Schwellwertes anzeigt, und der jeweils andere Vergleicher das Überschreiten zumindest des ersten niederen Schwellwerts anzeigt.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist als Halbbrücke ausgebildet, sie kann in vorteilhafter Weise aber auch zu einer Vollbrücke ergänzt werden, wobei folglich zwischen dem hohen Potential der Versorgungsspannung und dem zweiten Anschluss ein dritter Leistungsschalter und zwischen dem ersten Anschluss und dem niederen Potential der Versorgungsspannung ein vierter Leistungsschalter angeordnet ist. In vorteilhafter Weise sind sowohl dem dritten als auch dem vierten Leistungsschalter jeweils eine dritte bzw. vierte Strommesseinrichtung sowie ein dritter bzw. vierter Vergleicher zum Vergleich der Messwerte der Strommesseinrichtungen mit einem ersten niederen und einem zweiten höheren Schwellwert vorgesehen. Hierdurch kann beispielsweise ein elektromotorischer Antrieb nicht nur in die eine sondern auch in die andere Richtung betrieben werden, wobei der Kurschluss über der Last also zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss in beiden Betriebsarten während des Betriebs festgestellt werden kann, wenn im Strompfad eines der aktiven Leistungsschalter der höhere Schwellwert überschritten ist und im Strompfad des jeweils anderen Leistungsschalters zumindest der niedere Schwellwert überschritten ist.
Der niedere Schwellwert ist dabei in vorteilhafter Weise ein Schwellwert für einen Grenzstrom, der ein für die Schaltungsanordnung im Normalbetrieb maximal zulässiger Strom ist. Der zweite höhere Schwellwert ist ein Schwellwert der einen Überstrom anzeigt, also einen Strom, der einen unzulässig hohen Wert erreicht hat und folglich auf einen Kurzschluss hinweist.
Prinzipiell fließt durch beide aktive Leistungsschalter und über die Last bzw. im Falle eines Kurzschlusses über der Last über die Kurzschlussverbindung derselbe Strom, so dass im Kurschlussfall beide Vergleicher das Überschreiten des höheren Schwellwerts anzeigen sollten. Allerdings sind die Vergleicher und die die Schwellwerte bildenden Referenzstrom- bzw. Spannungsquellen aufgrund der damit verbunden Kosten nicht hochpräzise ausgeführt sondern können Abweichungen aufweisen. So kann es also vorkommen, dass der eine Vergleicher bereits das Überschreiten des höheren Schwellwerts anzeigt, während der andere Vergleicher nur das Überschreiten des niederen Schwellwerts, also des Grenzstromes anzeigt. Dies ist jedoch ausreichend für die Erkennung eines Kurzschlusses über der Last.

Nicht ausreichend ist hingegen das Anzeigen eines Überstromes nur in einem der aktiven Strompfade, da dies auch auf einen Kurzschluss des jeweiligen Anschlusses gegen das hohe oder niedere Versorgungspotential sein könnte. Die möglichen Fehlerfälle sind in nachfolgender Tabelle dargestellt:

Fehlerfälle	LSx Ithreshhold1	LSx Ithreshhold2	HSx Ithreshhold1	HSx Ithreshhold2
Kurzschluss über der Last (1)	X	X	X
Kurzschluss über der Last (2)	X		X	X
Kurzschluss über der Last (3)	X	X	X	X
Kurzschluss gegen GND am Ausgang OUTx			X	X
Kurzschluss gegen Vbat am Ausgang OUTx	X	X

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe einer Figur näher beschrieben werden. Dabei zeigt
1 eine Prinzipskizze einer Vollbrücke mit angedeutetem Kurzschluss über einer angeschlossenen Last.
In der Vollbrückenleistungsschalteranordnung der 1 ist ein erster Leistungsschalter HS1 zwischen dem positiven Potential der Versorgungsspannung Vbat und einem ersten Anschluss OUT1 angeordnet. Zwischen einem zweiten Anschluss OUT2 und dem niederen Potential der Versorgungsspannung – hier der Masseanschluss GND – ist ein zweiter Leistungsschalter LS1 angeordnet. Zwischen dem ersten und zweiten Anschluss OUT1, OUT2 ist ein Verbraucher Last angeordnet, der sowohl ein ohmscher, ein kapazitiver als auch ein induktiver Verbraucher sein kann. Über den Verbraucher Last ist ein Verbindungspfad mit einem Schalter dargestellt, der bei geschlossenem Schalter einen Kurzschluss symbolisieren soll. Ein durchgehender Strompfad KS symbolisiert einen Kurschlussstrom.
Die Leistungsschalter HS1, LS1 sind im dargestellten Beispiel der 1 als N-Kanal-MOSFETs ausgebildet und weisen eine intrinsische Diode – oft als Bodydiode bezeichnet – auf.
Diese Hälfte der in 1 dargestellten Vollbrückenschaltung würde bereits ausreichen, den Verbraucher Last mit Energie aus der Versorgungsquelle Vbat zu versorgen, indem die beiden Leistungsschalter HS1, LS1 geschlossen werden. Sie würden zu diesem Zweck durch eine geeignete Steuerschaltung (nicht dargestellt), die ihrerseits durch einen Mikroprozessor (ebenfalls nicht dargestellt) angesteuert werden kann, angesteuert werden.
Zur Ausbildung einer Vollbrückenschaltung sind in 1 außerdem ein dritter Leistungsschalter HS2 zwischen dem positiven Versorgungsspannungsanschluss Vbat und dem zweiten Anschluss OUT2 und ein vierter Leistungsschalter LS2 zwischen dem ersten Anschluss OUT1 und dem niederen Versorgungsspannungsanschluss GND angeordnet. Auch diese Leistungsschalter sind im dargestellten Beispiel als N-Kanal-MOSFETs mit intrinsischen Dioden dargestellt.
Diese intrinsischen Dioden werden beim Betrieb eines induktiven Verbrauchers beim Abschalten des Stroms als Freilaufdioden verwendet.
Zur Überwachung der Vollbrückenschaltung der 1 wird der Strom in den jeweiligen Zweigen der Schaltung detektiert. Hierzu sind nicht dargestellte Strommesseinrichtungen vorgesehen, die für einen Fachmann selbstverständlich sind. So können beispielsweise Shuntwiderstände verwendet werden, wobei die an diesen Shuntwiderständen abfallende Spannung ein Maß für den Strom in den jeweiligen Stromzweigen ist. Alternativ können auch Stromspiegel verwendet werden, deren Ausgangsstrom ein Maß für den durch den Brückenschaltungszweig fließenden Strom ist.
Die Ausgangssignale solcher bekannter Strommesseinrichtungen werden in ebenfalls bekannter Weise Vergleichern zugeführt, die diese gemessenen Signale, die sowohl Ströme als auch Spannungen, die repräsentativ für die fließenden Ströme sind, sein können, mit Schwellwerten vergleichen. Für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist ein erster niederer Schwellwert und ein zweiter höherer Schwellwert vorgesehen, wobei der erste niedere Schwellwert ein Grenzstrom ist, der einen maximal für die Schaltungsanordnung zulässigen Strom darstellt. Der zweite höhere Schwellwert ist ein Überstromschwellwert, der einen unzulässig hohen Strom darstellt, bei dem die Schaltung bereits überlastet würde.
Falls ein Kurzschluss über dem Verbraucher Last vorliegen würde, würde ein unzulässig hoher Strom fließen, so dass in jedem Fall der erste niedere Schwellwert beider in den stromdurchflossenen Zweigen angeordneter Strommesseinrichtung detektiert würde und die angeschlossenen Vergleicher entsprechend ein Signal abgeben würden. Aufgrund von Toleranzen wird in jedem Fall einer der Vergleicher auch einen Strom anzeigen, der den zweiten höheren Schwellwert überschreitet, so dass ein unzulässiger Überstrom angezeigt wird. In den meisten Fällen werden jedoch beide Vergleicher diesen unzulässigen Überstrom anzeigen.
Zur Anzeige eines Kurzschlusses über den Verbraucher Last ist es nun in erfindungsgemäßer Weise lediglich erforderlich, dass einer der in den aktiven Stromzweigen zugeordneten Vergleicher einen Überstrom anzeigt und der jeweils andere zumindest ein Überschreiten des Grenzstromes, also der ersten niederen Schwelle. Vorzugsweise wird dabei ermittelt, ob der Überstrom zumindest während einer vorgegebenen Zeit auftritt, ob also der Strom während dieser vorgegebenen Zeit über dem zweiten Schwellwert liegt. Diese Zeit wird häufig als Filterzeit bezeichnet. Dies ist erforderlich, da lediglich das Anzeigen eines Überstroms in einem der Schaltungszweige ebenfalls einen Kurzschluss des jeweiligen zugeordneten Anschlusses OUT1 bzw. OUT2 gegen das hohe oder niedere Potential der Versorgungsspannung Vbat, GND sein könnte. So würde beispielsweise die Detektion eines Überstroms in dem den ersten Leistungsschalter HS1 enthaltenden Schaltungszweig sowohl ein Kurzschluss über den Verbraucher Last als auch ein Kurschluss des ersten Ausgangs OUT1 gegen Masse GND als Ursache haben können. Zeigt jedoch der den zweiten Leistungsschalter LS1 zusätzlich ein Überschreiten zumindest der Grenzstromschwelle an, so liegt eindeutig ein Kurzschluss über den Verbraucher Last vor, da bei einem Kurzschluss des ersten Anschlusses OUT1 gegen den Masseanschluss GND kein entsprechend hoher Strom durch den zweiten Leistungsschalter LS1 fließen könnte.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008018244 B3 [0006]

Claims

Schaltungsanordnung zur Detektion eines Kurzschlusses zwischen einem ersten (OUT1) und einem zweiten Anschluss (OUT2) einer Leistungsschalteranordnung zum Bestromen einer an den ersten und zweiten Anschluss (OUT1, OUT2) verbindbaren Last, mit einem zwischen einem hohen Potential (Vbat) einer Versorgungsspannung und dem ersten Anschluss angeordneten ersten Leistungsschalter (HS1) und einem zwischen dem zweiten Anschluss (OUT2) und dem niederen Potential (GND) der Versorgungsspannung angeordneten zweiten Leistungsschalter (LS1), mit einer im Strompfad des ersten Leistungsschalters (HS1) angeordneten ersten Strommesseinrichtung und einer im Strompfad des zweiten Leistungsschalters (LS1) angeordneten zweiten Strommesseinrichtung, mit einem ersten Vergleicher zum Vergleich der Messwerte der ersten Strommesseinrichtung mit einem ersten niederen und einem zweiten höheren Schwellwert und einem zweiten Vergleicher zum Vergleich der Messwerte der zweiten Strommesseinrichtung mit einem ersten niederen und einem zweiten höheren Schwellwert.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zwischen dem hohen Potential (Vbat) der Versorgungsspannung und dem zweiten Anschluss (OUT2) angeordneten dritten Leistungsschalter (HS2) und einen zwischen dem ersten Anschluss (OUT1) und dem niederen Potential (GND) der Versorgungsspannung angeordneten vierter Leistungsschalter (LS2), wobei im Strompfad des dritten Leistungsschalters (HS2) eine dritte Strommesseinrichtung und im Strompfad des vierten Leistungsschalters (LS2) eine vierte Strommesseinrichtung angeordnet ist, und wobei ein dritter Vergleicher zum Vergleich der Messwerte der dritten Strommesseinrichtung mit einem ersten niederen und einem zweiten höheren Schwellwert und ein vierter Vergleicher zum Vergleich der Messwerte der vierten Strommesseinrichtung mit einem ersten niederen und einem zweiten höheren Schwellwert vorgesehen ist.
Verfahren zur Detektion eines Kurzschlusses zwischen einem ersten (OUT1) und einem zweiten Anschluss (OUT2) einer Leistungsschalteranordnung zum Bestromen einer an den ersten und zweiten Anschluss (OUT1, OUT2) verbindbaren Last, wobei die Leistungsschalteranordnung mit einem zwischen einem hohen Potential (Vbat) einer Versorgungsspannung und dem ersten Anschluss angeordneten ersten Leistungsschalter (HS1) und einem zwischen dem zweiten Anschluss (OUT2) und dem niederen Potential (GND) der Versorgungsspannung angeordneten zweiten Leistungsschalter (LS1) gebildet ist, wobei im Strompfad des ersten Leistungsschalters (HS1) eine erste Strommesseinrichtung und im Strompfad des zweiten Leistungsschalters (LS1) eine zweite Strommesseinrichtung angeordnet ist, wobei ein erster Vergleicher zum Vergleich der Messwerte der ersten Strommesseinrichtung mit einem ersten niederen und einem zweiten höheren Schwellwert und ein zweiter Vergleicher zum Vergleich der Messwerte der zweiten Strommesseinrichtung mit einem ersten niederen und einem zweiten höheren Schwellwert vorgesehen ist, und wobei ein Kurzschluss zwischen dem ersten (OUT1) und dem zweiten Anschluss (OUT2) erkannt wird, wenn der erste oder der zweite Vergleicher das Überschreiten des zweiten hohen Schwellwertes anzeigt und der jeweils andere Vergleicher das Überschreiten zumindest des ersten niederen Schwellwertes anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei zwischen dem hohen Potential (Vbat) der Versorgungsspannung und dem zweiten Anschluss (OUT2) ein dritter Leistungsschalter (HS2) und zwischen dem ersten Anschluss (OUT1) und dem niederen Potential (GND) der Versorgungsspannung ein vierter Leistungsschalter (LS2) angeordnet ist, wobei im Strompfad des dritten Leistungsschalters (HS2) eine dritte Strommesseinrichtung und im Strompfad des vierten Leistungsschalters (LS2) eine vierte Strommesseinrichtung angeordnet ist, wobei ein dritter Vergleicher zum Vergleich der Messwerte der dritten Strommesseinrichtung mit einem ersten niederen und einem zweiten höheren Schwellwert und ein vierter Vergleicher zum Vergleich der Messwerte der vierten Strommesseinrichtung mit einem ersten niederen und einem zweiten höheren Schwellwert vorgesehen ist, und wobei ein Kurzschluss zwischen dem ersten (OUT1) und dem zweiten Anschluss (OUT2) erkannt wird, wenn der dritte oder der vierte Vergleicher das Überschreiten des zweiten hohen Schwellwertes anzeigt und der jeweils andere Vergleicher das Überschreiten zumindest des ersten niederen Schwellwertes anzeigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste niedere Schwellwert ein Schwellwert für einen Grenzstrom ist, der ein für die Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2 maximal zulässiger Strom ist und dass der zweite höhere Schwellwert ein Schwellwert für einen Überstrom ist, der ein unzulässig hoher Strom ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überstrom detektiert wird, wenn der Strom eine vorgegebene Zeit über dem zweiten Schwellwert liegt.