DE102011090193A1

DE102011090193A1 - Schaltungsanordnung mit einer induktiven Last und einem als Low-Side-Schalter fungierenden MOS-Transistor

Info

Publication number: DE102011090193A1
Application number: DE201110090193
Authority: DE
Inventors: Martin Glötzl
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2013-07-04
Also published as: WO2013098157A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer zwischen dem positiven (V_Batt) und dem negativen (GND) Potential einer Versorgungsspannung angeordneten Serienschaltung aus einer induktiven Last (L) und einem mit einer intrinsischen Zenerdiode (ZD) ausgebildeten, als Low-Side-Schalter (S) fungierenden MOS-Transistor (T), wobei der Verbindungsknoten zwischen der Last (L) und dem Transistor (T) über eine Serienschaltung aus einem Widerstand (R) und einer in Flussrichtung gepolten Diode (D) mit dem positiven Potential (V_Batt) der Versorgungsspannung verbunden ist.

Description

In Fahrzeugen gibt es eine große Anzahl induktiver Lasten wie beispielsweise Motoren für Fensterheber oder Scheibenwischer aber auch Aktuatoren wie Treibstoffventile oder sonstige magnetisch betätigte Stellglieder. Das Ein- und Ausschalten dieser induktiven Lasten erfolgt zumeist durch in Steuergeräten verbaute, als MOS-Transistoren realisierte elektronische Schalter. Aus Kostengründen werden diese zumeist als in einem ASIC integrierte Low-Side-Schalter realisiert.
Beim Betrieb einer induktiven Last muss beachtet werden, dass das in der Spule aufgebaute Magnetfeld und die darin gespeicherte magnetische Energie beim Abschalten der Last sich durch einen entsprechenden Strompfad wieder abbauen kann. Die in einer solchen Anordnung entstehende Verlustleistung wird dabei zum Einen durch den Strom und zum Anderen durch die Induktivität der Last bestimmt. Induktive Lasten die aufgrund der von ihnen aufzubringenden Kräfte einen hohen Strom erfordern, können aus Verlustleistungsgründen nicht mit integrierten Low-Side-Schaltern aufgrund der thermischen Überlastung geschaltet werden. Solche Lasten werden zumeist mit diskreten Low-Side-Schaltern betrieben. Dies verursacht jedoch auf der Leiterplatte einen erhöhten Platzbedarf sowie Einschränkungen bei der Diagnose und erhöht somit die Kosten.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit einer zwischen dem positiven und dem negativen Potential einer Versorgungsspannung angeordneten Serienschaltung aus einer induktiven Last und einem mit einer intrinsischen Zenerdiode ausgebildeten, als Low-Side-Schalter fungierenden MOS-Transistor, wobei der Verbindungsknoten zwischen der Last und dem Transistor über eine Serienschaltung aus einem Widerstand und einer in Flussrichtung gepolter Diode mit dem positiven Potential der Versorgungsspannung verbunden ist.
Bei Verwendung eines einfachen Freilaufkreises mit nur einer Diode würde zwar die Energie in die Fahrzeugbatterie zurückgespeist werden, was die Verlustleistung reduzieren würde. Dies allein würde jedoch zu einer Verlängerung der Dauer des Energieabbaus führen, was wiederum zu Diagnoseproblemen führen kann.
In erfindungsgemäßer Weise wird daher der Strom im Freilaufkreis mittels des in Serie zur Diode geschalteten Widerstands begrenzt, so dass die intrinsische Zenerdiode des MOS-Transistors durchbricht und somit der Strom sowohl durch diese Zenerdiode als auch durch den zusätzlichen Freilaufkreis, gebildet mit dem Widerstand und der Diode, fließt, solange das Potential an der Zenerdiode höher als die Versorgungsspannung ist.
Die abgegebene Energie der induktiven Last beim Abschalten wird somit aufgeteilt und der integrierte Low-Side-Schalter thermisch entlastet. Damit sind Kosten und platzaufwendige diskrete Schaltungsteile vermieden, wobei ein standardmäßiger integrierter Low-Side-Schalter lediglich mit einer kleinen Zusatzschaltung aus dem Widerstand und der Diode ausgestattet werden muss.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe einer Figur näher erläutert. Dabei zeigt
1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung.
Zwischen dem positiven Potential V_Batt einer Versorgungsspannung und deren negativem Potential GND ist die Serienschaltung aus einer induktiven Last L und einem Low-Side-Schalter S, der mit einem n-Kanal MOS-Transistor T mit intrinsischer Zenerdiode ZD gebildet ist, geschaltet. Der Verbindungsknoten zwischen der Last L und dem Schalter S ist über die Serienschaltung aus einem Widerstand R und einer in Flussrichtung gepolten Diode D mit dem positiven Potential V_Batt der Versorgungsspannung verbunden.
Beim Abschalten der induktiven Last entsteht eine Überspannung, die intrinsische Zenerdiode ZD des Low-Side-Schalters S bricht durch und führt Strom bis die Spannung an der Zenerdiode ZD das Niveau der Versorgungsspannung V_Batt erreicht. Dabei wäre ohne den Freilaufkreis R, D die gesamte Verlustleistung von beispielsweise 20mJ von der internen Zenerdiode ZD zu tragen. Integrierte Low-Side-Schalter können jedoch nur Energien von ca. 10–15mJ pro Ausgang abführen. Bei Realisierung in einem integrierten Halbleiterbaustein würde dieser überhitzen.
Bei Verwendung des zusätzlichen erfindungsgemäßen Freilaufkreises R, D bricht beim Abschalten der induktiven Last L aufgrund der entstehenden Überspannung nicht nur die intrinsische Zenerdiode ZD des Low-Side-Schalters S durch und führt einen Strom I_ZD, sondern es wird auch über den Freilaufkreis aus der Serienschaltung des Widerstandes R und der Diode D ein Strom I_RD zurück in die Versorgungsspannung gespeist.
Dabei entlastet der Freilaufkreis R, D die intrinsische Zenerdiode ZD um ca. 35% an Verlustleistung. Statt der 20mJ müssen im dargestellten Beispiel der Erfindung lediglich 13mJ vom Low-Side-Schalter abgeführt werden, was dazu führt, dass ein integrierter Low-Side-Schalter verwendet werden kann.

Claims

Schaltungsanordnung mit einer zwischen dem positiven (V_Batt) und dem negativen (GND) Potential einer Versorgungsspannung angeordneten Serienschaltung aus einer induktiven Last (L) und einem mit einer intrinsischen Zenerdiode (ZD) ausgebildeten, als Low-Side-Schalter (S) fungierenden MOS-Transistor (T), wobei der Verbindungsknoten zwischen der Last (L) und dem Transistor (T) über eine Serienschaltung aus einem Widerstand (R) und einer in Flussrichtung gepolten Diode (D) mit dem positiven Potential (V_Batt) der Versorgungsspannung verbunden ist.