DE102014001749A1

DE102014001749A1 - Schutzvorrichtung für eine Stromversorgung

Info

Publication number: DE102014001749A1
Application number: DE102014001749.4A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Pianka; James E. Gillberg
Original assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Current assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Priority date: 2013-02-15
Filing date: 2014-02-10
Publication date: 2014-08-21
Also published as: KR20140103068A; KR102236090B1; CN103997197A; US20140232454A1; TWI571031B; US9337728B2; CN103997197B; TW201440384A

Abstract

Vorrichtungen und Verfahren stellen eine Schutzvorrichtung zum Aufrechterhalten eines stetigen Ausgangssignals am Anschluss eines Gate-Treibers trotz Schwankungen in einer Stromversorgung zur Verfügung. Die Schutzvorrichtung enthält eine Erkennungsschaltung für eine Unterspannung zur Überwachung der Stromversorgung und erkennt Schwankungen in der Stromversorgung. Eine Schaltung zum Abtrennen des Gates ist zum Trennen des Anschlusses des Gate-Treibers von der Stromversorgung, wenn die Erkennungsschaltung für eine Unterspannung eine Schwankung in der Stromversorgung erkennt, ausgebildet. Eine Spannung am Anschluss des Gate-Treibers wird in einem vorgewählten Bereich gehalten, wenn das Gate abgetrennt ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schutzvorrichtung für eine Stromversorgung und insbesondere eine Schutzschaltung für ein Gate in Hochspannungsanwendungen.
Hintergrund
In elektronischen Systemen des Automobilbaus induziert eine Zündspule üblicherweise mehrere 100 V zum Antrieb eines Anlassermotors. Die Zündspule wird meistens durch einen Hochspannungsschalter (zum Beispiel einen IGBT, MOSFET oder dergleichen) gesteuert, um die Zündspule mit der Batterie zu verbinden. Wenn ein zeitweiliger Abfall der Batteriespannung auftritt, kann ein solcher zeitweiliger Abfall dazu führen, dass das Gate des Hochspannungsschalters entlädt und abschaltet, was wiederrum die Zündspule in einen Schwebezustand versetzt. Dieser Schwebezustand des Hochspannungszustands führt normalerweise zu einem Funken von der Primärspule der Zündspule zur Sekundärspule der Zündspule, was sich gefährlich und/oder zerstörerisch auf benachbarte elektronische Bauteile auswirken kann. Ein bekanntes Vorgehen zur Lösung dieses Problems der Funkenentstehung schließt den Einsatz eines großen Kondensators ein, der praktisch wie eine Batterie wirkt und den Hochspannungsschalter eingeschaltet hält und während zeitweiliger Abfälle der Batteriespannung weiterhin leitet. Dieses Vorgehen erfordert jedoch die Verwendung eines vergleichsweise großen Kondensators, der zusätzliche Kosten verursacht und für den Einbau zusätzlichen Platz benötigt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Merkmale und Vorteile des Anspruchgegenstands werden aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung von einigen geeigneten Ausführungsbeispielen deutlich, welche Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu verstehen ist, in denen:
1 ein Blockschaltbild einer Schutzvorrichtung für eine Stromversorgung darstellt, die für mehrere beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendbar ist,
2 einer Schaltung einer Schutzvorrichtung für eine Stromversorgung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt,
3 Simulationswellenformen der Schaltung nach 2 zeigt,
4 ein Ablaufdiagramm des Betriebs gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wiedergibt und
5 ein Ablaufdiagramm des Betriebs zur Abtrennung des Treiberanschlusses des Gates nach einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zeigt.
Ausführliche Beschreibung
1 stellt ein Blockdiagramm der Schutzvorrichtung 100 für eine Stromversorgung dar, das für verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung repräsentativ ist. Die Schutzvorrichtung 100 für eine Stromversorgung nach Anspruch 1 kann umfassen oder ein Teil sein von einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (IC) wie zum Beispiel einem integrierten Halbleiterschaltkreis Chip, einem Ein-Chip-System (SoC) usw.. Die nachfolgende Beschreibung nimmt als ein Beispiel Bezug auf die Zündspule eines Automobils. Es versteht sich jedoch von vorneherein, dass dies nur ein nicht beschränkendes Beispiel ist und die Lehren der vorliegenden Erfindung in jeder Vorrichtung umgesetzt werden können, in denen eine ununterbrochene Leitfähigkeit erwünscht oder erforderlich ist. Hinzu kommt, dass die nachfolgende ausführliche Beschreibung bestimmte spezielle Arten von Schalterschaltkreisen beschreiben wird, wie zum Beispiel FET, BJP, IGBT, SiC usw., wobei davon auszugehen ist, dass diese Schalterbauarten für bestimmte Anwendungen gegeneinander austauschbar sind (wie dies für einen Fachmann auf dem vorliegenden Gebiet selbstverständlich ist) und folglich ist die vorliegende Offenbarung nicht auf einen speziellen Schaltertyp, der in einer Zeichnung dargestellt ist und/oder hier beschrieben wird, beschränkt.
Die Schutzvorrichtung 100 für eine Stromversorgung umfasst einen Gate-Controller 106, der grundsätzlich so ausgebildet ist, dass er ununterbrochen ein Steuersignal für das Gate 104 abgibt, wenn die Batteriespannung 102 unter einen normalen Betriebswert abfällt. Das Steuersignal für das Gate 104 kann dazu verwendet werden, einen in dieser Figur nicht dargestellten Schalter zu steuern, der mit einem externen Hochspannungsschaltkreis (der in dieser Figur nicht dargestellt ist, zum Beispiel einer Zündspule ist) verbunden ist. Der Gate-Controller 106 umfasst grundsätzlich eine interne Stromversorgungsschaltung 108, die so ausgebildet ist, dass sie eine interne Spannung 109 (zum Beispiel VDD Spannung) für die Stromversorgung von einigen oder allen funktionellen Bauteilen des Gate-Controllers 106 abgibt. Die interne Stromversorgungsschaltung 108 ist im Allgemeinen so ausgebildet, dass sie die interne Spannung 109 auf der Grundlage der Batteriespannung 102 erzeugt. Der Gate-Controller 106 kann ebenfalls eine Erkennungsschaltung für eine Unterspannung 110 aufweisen, die so ausgebildet ist, dass sie einen Unterspannungszustand der internen Spannung 109 erkennt. Eine Highside-Treiberschaltung 114 und eine Lowside-Treiberschaltung 116 sind normalerweise so ausgebildet, dass sie ein Steuersignal für das Gate unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen, die nachfolgend noch erläutert werden, liefert. Eine Steuerschaltung für drei (Betriebs-)Zustände 112 ist ebenfalls vorgesehen, die so ausgebildet ist, dass sie ein Steuersignal 113 für den Betrieb der Highside-Treiberschaltung 114 und/oder der Lowside-Treiberschaltung 116 erzeugt, um das Gate-Steuersignal 104 unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu liefern. Die Steuerschaltung für drei Zustände 112 ist im allgemeinen so ausgelegt, dass sie ein Freigabesignal 111 empfängt, dass einen gewünschten Zustand des Gate-Steuersignals 104 (das bedeutet, dass das Freigabesignal 111 angibt, ob das Gate-Steuersignal 104 High (hoch) oder Low (niedrig) sein soll) angibt.
In einem Beispiel, wenn das Freigabesignal 111 Low (niedrig) ist, ist die Steuerschaltung für drei Zustände 112 so ausgebildet, dass sie das Steuersignal 113 zur Steuerung des Highside-Treiberschaltung 114 und/oder der Lowside-Treiberschaltung 116 erzeugt, so dass das Gate-Steuersignal 104 ebenfalls Low (niedrig) ist. In einem anderen Beispiel, wenn das Freigabesignal 111 High (hoch) ist, ist die Steuerschaltung für drei Zustände 112 so konfiguriert, dass sie das Steuersignal 113 für die Steuerung der Highside-Treiberschaltung 114 und/oder die Lowside-Treiberschaltung 116 erzeugt, so dass das Gate-Steuersignal 104 ebenfalls High (hoch) ist. In noch einem anderen Beispiel, wenn das Freigabesignal 111 High (hoch) ist, aber die Batteriespannung 102 zeitweilig unter einen Schwellenwert abfällt, ist die Steuerschaltung für drei Zustände 112 so konfiguriert, dass sie das Steuersignal 113 zur Steuerung der Highside-Treiberschaltung 114 und/oder der Lowside-Treiberschaltung 116 so steuert, dass das Gate-Steuersignal 104 High (hoch) bleibt. Somit ist der Gate-Controller 106 so konfiguriert, dass er das Gate-Steuersignal 104 in einem Zustand hält, der es einem damit verbundenen Schalter erlaubt, aktiv bzw. geschlossen zu sein, so dass es keine Unterbrechung der Stromzufuhr an die Last gibt. Diese Beispiele gehen davon aus, dass das Gate-Steuersignal 104 an einen Schalter gekoppelt ist, der in eine Offen- bzw. Ausstellung mit einem niedrigen Steuersignal und in eine Schließ- bzw. -Einstellung (Durchleitung) mit einem hohen Gate-Steuersignal 104 gesteuert werden kann. Natürlich wissen die Fachleute auf dem vorliegenden Gebiet, dass andere Schaltertypen, die mit einem hohen Gate-Steuersignal in die Offen-Stellung und mit einem niedrigen Gate-Steuersignal in die Schließ-Stellung geschaltet werden können und dass deshalb die Gate-Steuerschaltung dahingehend abgewandelt werden kann, dass sie die geeignete Höhe für das Gate-Steuersignal 104 erzeugen kann, wie es allgemein bekannt ist.
2 zeigt eine Schaltung einer Schutzvorrichtung für eine Stromversorgung 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Gate-Steuersignal 104 dazu verwendet, den Durchleitungszustand bzw. Schaltzustand eines Schalters 224 zu steuern. Die Primärseite der Zündspule (dargestellt als eine Zündspule 226) ist zwischen den Kollektor eines Schalters 224 und die Batteriespannung 102 VBatt geschaltet. Eine Schaltung 202 zur Erzeugung eines Freigabesignal ist bei dieser beispielhaften Ausführungsform für die Erzeugung des Freigabesignals 111' vorgesehen. Bei einem Beispiel kann die Schaltung zur Erzeugung eines Freigabesignals 202 Steuerelektronik des Kraftfahrzeugs enthalten. Der Gate-Controller 106' ist bei dieser beispielhaften Ausführungsform so konfiguriert, dass er das Gate-Steuersignal 104 auf der Basis des Zustands (Status) des Freigabesignals 111' und auf der Basis des Zustandes der Batteriespannung 102 erzeugt, wie dies mit weiteren Einzelheiten an späterer Stelle erläutert wird.
Die interne Steuerversorgung 108' dieses Ausführungsbeispiel enthält eine Spannungsregelschaltung 212, die mit der Batteriespannung (pol) 102 und dem Kondensator 214 verbunden ist. Die Spannungsregelschaltung ist so ausgebildet, dass die interne Spannung (d. h. VDD) 109' erzeugt wird. Der Kondensator 214 ist mit dem inneren Stromversorgungsstrang 109' verbunden und so ausgebildet, dass ein Filtern des zugeführten Stroms 109' erfolgt.
Dieses Ausführungsbeispiel enthält auch einen analogen und digitalen Schaltkreis 204, der mit dem Freigabesignal 111' und mit der internen Stromquelle 109' verbunden ist. Der analoge und digitale Schaltkreis 204 kann zum Beispiel einen Zeitüberwachungsschaltkreis aufweisen, um zu verhindern, dass das Freigabesignal 111' unterhalb einer gewünschten Zeitschwelle ausgelöst wird. Der analoge und digitale Schaltkreis 204 kann mit einer Referenz bzw. einem Bezugspunkt (zum Beispiel Erde oder Masse) 201 verbunden sein und kann so konfiguriert werden, dass er ein Master-Treibersignal 203 zur Steuerung des Betriebs der Steuerschaltung für drei Zustände 112', die Highside-Treiberschaltung 114' und die Lowside-Treiberschaltung 116' erzeugt, wie dies mit weiteren Einzelheiten an späterer Stelle beschrieben wird. Dieses Ausführungsbeispiel enthält ferner eine Unterspannungs-Erkennungsschaltung 110', die mit der internen Stromversorgung 109' verbunden ist und so konfiguriert ist, dass sie ein erstes Treibersignal 207 erzeugt, das Aufschluss über den Zustand der internen Stromversorgung 109' gibt. Wenn in diesem Beispiel die Batteriespannung 102 ihren Nennwert (zum Beispiel 12 V Gleichspannung) hat und die interne Spannung 109' sich auf einem Betriebsnennwert befindet, wird das erste Treibersignal 207 High (hoch) sein. Die Unterspannungs-Erkennungsschaltung 110' ist zum Vergleich der internen Stromversorgung 109' mit einer Bezugsspannung (die nicht dargestellt ist) ausgebildet und die Bezugsspannung wird im allgemeinen so gewählt, dass sie kleiner als die Spannung der internen Stromversorgung 109' ist. Wenn die interne Stromversorgung 109' unter die Bezugsspannung fällt, ist dies ein Zeichen dafür, dass die Batteriespannung 102 unter eine Betriebsnennspannung (zum Beispiel 12 V) gefallen ist. Das erste Treibersignal 207 wechselt den Zustand (zum Beispiel von High nach Low. Die Ausführungsbeispiele sind hierauf nicht beschränkt und die Unterspannungs-Erkennungsschaltung 110' kann vorgesehen sein oder nicht und/oder kann zum Stellen des ersten Treibersignals 207 auf Low konfiguriert sein, wenn sich die Batteriespannung 102 auf einem Betriebsnennwert und sich die interne Spannung 109' auch auf einem Betriebsnennwert befindet.
Die Steuerschaltung für drei Zustände 112' dieses Ausführungsbeispiel enthält einen Inverterschaltkreis, der Schalter vom P-Typ 208 und Schalter vom N-Typ 210 aufweist, die durch das erste Treibersignal 207 angesteuert werden. Der Inverterschaltkreis (208 und 210) ist zur Erzeugung eines zweiten Treibersignals 209 ausgebildet. Das zweite Treibersignal 209 ist ein invertiertes Signal des ersten Treibersignals 207. Die Gates der Schalter 208 und 210 sind an das erste Treibersignal 207 gekoppelt und die Drains der Schalter 208 und 210 sind miteinander verbunden, um das zweite Treibersignal 209 zu erzeugen. Die Source des Schalters 208 ist an das Treibersignal 104 gekoppelt und die Source des Schalters 210 ist an den Bezugspunkt 201 angeschlossen.
Der Highside-Treiberschaltkreis 114' dieser beispielhaften Ausführungsform enthält einen Schalter vom P-Typ 212, einen Schalter vom P-Typ 214, eine Diode D1 und eine Diode D2. Die Source des Schalters 212 ist mit der internen Stromversorgung 109' verbunden, der Drain des Schalters 212 ist an die Source des Schalters 214 angeschlossen und das Gate des Schalters 212 ist an das zweite Treibersignal 209 gekoppelt. Die Source des Schalters 214 ist an den Drain des Schalters 212 gekoppelt, der Drain des Schalters 214 ist an den Lowside-Treiberschaltkreis 116' (wird an späterer Stelle beschrieben) angeschlossen und das Gate des Schalters 214 ist an das Master-Treibersignal 203 gekoppelt. Die Substrate der Schalter 212 und 214 sind miteinander an dem Substrat-Knoten wie dargestellt verbunden. Die Diode D2 ist in Durchlassrichtung zum Substrat-Knoten verbunden und die Diode D1 ist an das Gate-Steuersignal 104 in Durchlassrichtung an den Substrat-Knoten gekoppelt.
Der Lowside-Treiberschaltkreis 116' dieses Ausführungsbeispiels umfasst einen Schalter vom N-Typ 218 und einen Schalter vom N-Typ 220. Der Drain des Schalters 218 ist mit dem Drain des Schalters 214 über einen Widerstand R4 und an Gate-Steuersignal 104 gekoppelt. Die Source des Schalters 218 ist an den Drain des Schalters 220 angeschlossen und das Gate des Schalters 218 ist mit dem Master-Treibersignal 203 verbunden. Der Drain des Schalters 220 ist mit der Source des Schalters 218 verbunden, die Source des Schalters 220 ist mit den Bezugspunkt bzw. der Referenz 201 (zum Beispiel Erde oder Masse) verbunden und das Gate des Schalters 220 wird vom ersten Treibersignal 207 gesteuert. Die Substrate der Schalter 218 und 220 sind miteinander und mit der Referenz 201 verbunden.
Um den durch die Primärseite der Zündspule 226 fließenden Strom zu begrenzen, kann dieses Ausführungsbeispiel ferner eine Steuerschaltung zur Strombegrenzung aufweisen, die einen Verstärker 222 und einen Schalter vom N-Typ 216 hat, der an das Gate-Steuersignal 104 gekoppelt ist. Der Verstärker 222 kann für den Vergleich einer internen Bezugsspannung mit einer gemessenen, zum Strom in dem Schalter 224 und/oder in der Zündspule 226 proportionalen Spannung ausgestaltet sein. Die gemessene Spannung kann zum Beispiel unter Verwendung einer Messwiderstandsschaltung 228 (Rsense) erzeugt werden. Das Ausgabesignal des Verstärkers 222 kann zur Steuerung des Stroms im Schalter 224 auf der Basis des von der Messwiderstandsschaltung 228 (Rsense) gelieferten Signals herangezogen werden. Die Source des Schalters 216 ist mit dem Ausgang des Verstärkers 222 verbunden, der Drain des Schalters 216 ist an das Gate-Steuersignal 104 gekoppelt und das Gate des Schalters 216 ist an das erste Treibersignal 207 gekoppelt. Das Substrat des Schalters 216 kann mit den Substraten der Schalter 218 und 220 verbunden sein. Die Arbeitsweise des Gate-Controllers 106' wird an späterer Stelle näher erläutert.
Freigabesignal ausgelöst – normale Batteriespannung
Wenn die Schaltung zur Erzeugung eines Freigabesignals 202 angesprochen bzw. das Freigabesignal 111' auslöst oder freigibt, zeigt dies an, dass das Gate-Steuersignal 104 sich in einem Zustand zur Steuerung des Schalters 224 dahingehend befinden sollte, dass er durchleitet, d. h. so, dass Strom von der Batterie 102 durch die Primärseite der Zündspule 226 fließen kann. Für die Zwecke dieses Beispiels ist dem Freigabesignal 111' (der Wert) High zugeordnet und die Batteriespannung 102 ist die nominale Betriebsnennspannung (zum Beispiel 12 V Gleichspannung), was als normal angesehen wird. Wenn die Batteriespannung 102 als normal betrachtet wird, erzeugt der Spannungsregler 212 die interne Stromversorgung (VDD) 109'. Wenn sich die interne Stromversorgung 109' oberhalb eines Grenzwerts befindet, erzeugt die Erkennungsschaltung für eine Unterspannung 110' ein erstes Treibersignal 207 High (hoch). Die Steuerschaltung für drei Zustände 112' erzeugt ein zweites Treibersignal 209 Low (niedrig), aufgrund des Umstandes, dass sich der Schalter 208 in der Aus-Stellung und der Schalter 210 in der Ein-Stellung befindet. Weil das Master-Gate-Steuersignal 203 Low ist (durch den analogen und digitalen Schaltkreis 204 erzeugt) befindet sich der Schalter 214 in der Ein-Stellung und der Schalter 218 in der Aus-Stellung. Die Schalter 216 und 220 werden aufgrund des ersten Treibersignals 207, das High ist, in die Ein-Stellung geschaltet, während der Schalter 212 in die Ein-Stellung aufgrund des zweiten Treibersignals 209 geschaltet wird, dass Low ist. Folglich ist das Gate-Steuersignal 104 High (von VDD durch die Schalter 212, 214 und 216) und wird der Schalter 224 auf Durchleiten geschaltet.
Freigabesignal ausgelöst – Batteriespannung fällt auf etwa 0 V
Wenn das Freigabesignal 111' ausgelöst ist bzw. angesprochen hat, gibt es Momente für einen zeitweiligen Abfall der Batteriespannung 102 (zum Beispiel in der Größenordnung von 10 μs). Ohne den Gate-Controller 106' nach der vorliegenden Erfindung können solche zeitweiligen Abfälle der Batteriespannung 102 dazu führen, dass das Gate-Steuersignal 104 entladen lässt, und so den Schalter 224 öffnet und einen Zustand hoher Spannung am Kollektor des Schalters 224 auftreten lässt. Ein solcher Hochspannungszustand kann einen gefährlichen oder zerstörerischen Funken von der Primärseite der Zündspule 226 zur Sekundärseite der nicht dargestellten Zündspule führen. Folglich ist der Gate-Kontroller 106' dieses Ausführungsbeispiel zum Aufrechterhalten des Zustandes des Gate-Steuersignals 104 selbst bei auftreten solcher zeitweiligen Abfälle der Batteriespannung 102 ausgebildet. Wenn im Betrieb die Batteriespannung 102 unter die Betriebsnennspannung (etwa 12 V Gleichspannung) abfällt, zum Beispiel auf etwa 0 V, kann die interne Stromversorgung 109' auf eine Höhe soweit abfallen, dass die Messschaltung für eine niedrige Spannung 110' ein erstes Treibersignal 207 Low erzeugt. Dies schaltet den Schalter 208 in die Ein-Stellung und schaltet den Schalter 210 die Aus-Stellung, so dass das zweite Steuersignal 209 High ist. Die Schalter 216 und 220 werden ihm die Aus-Stellung aufgrund des Umstandes geschaltet, dass das erste Treibersignal 207 Low ist. Da sich der Schalter 208 in der Ein-Stellung aufgrund des ersten Treibersignals 207, das Low ist, befindet und die Source des Schalters 208 auf der Spannung des Gate-Steuersignals (High) gehalten wird, wird der Drain des Schalters 208 und das Gate des Schalters 212 daher auf etwa der Spannung des Gate-Steuersignals (High) gehalten was den Schalter 212 in die Aus-Stellung bringt. Da sich der Schalter 212 in der Aus-Stellung befindet, hindert die Diode D2 die Spannung des Gate-Steuersignals 104 daran, sich auf die VDD-Stromversorgungsleitung 109' (die während dieses Unterspannungszustands erheblich niedriger als die Gate-Steuerspannung 104 sein kann) zu entladen. Folglich wird der Schalter 224 in einem Durchleitungszustand gehalten, selbst wenn die Batteriespannung 102 auf den Wert 0 V abgefallen ist. Somit wird die Spannung von dem Gate-Steuersignal 104 in einem vorgewählten Bereich gehalten, wenn das Gate abgetrennt ist.
Die Zustände der Schalter 214 und 218 sind von keiner Bedeutung, da sich die Schalter 212 und 220 in der Aus-Stellung befinden und somit das Gate-Steuersignal 104 gegenüber entweder der Referenz 201 (zum Beispiel Erde bzw. Masse) oder der Stromversorgungsleitung 109' gesperrt ist. Wenn die Batteriespannung wieder auf eine normale Betriebsspannung ansteigt, arbeitet der Controller 106' wie es oben unter der Überschrift” Freigabesignal ausgelöst – normale Batteriespannung” beschrieben worden ist.
Freigabesignal gesperrt
Wenn die Schaltung zur Erzeugung eines Freigabesignals 202 das Freigabesignal 111' nicht freigibt bzw. sperrt wenn die Batteriespannung 102 normal ist, ist das Master-Steuersignal 203 High, ist das erste Treibersignal 207 High und ist das zweite Treibersignal 209 Low. Folglich befindet sich der Schalter 212 in der Aus-Stellung aufgrund des zweiten Treibersignals 209, das High ist, dass der Schalter 214 sich in der Aus-Stellung aufgrund des Master-Steuersignals 203, das High ist, befindet und die Schalter 216 und 220 sich in der Ein-Stellung, aufgrund dessen befinden, dass das erste Treibersignal 207 High ist und sich der Schalter 218 in der Ein-Stellung befindet, und aufgrund dessen, dass das Master-Steuersignal 203 High ist. Die Diode D1 sperrt die VDD Stromversorgungsleitung 109' gegenüber dem Gate-Steuersignal 104 und das Gate-Steuersignal 104 entlädt zum Bezugspunkt 201 über die Schalter 218 und 220. Folglich ist das Gate-Steuersignal 104 Low und leitet der Schalter 224 nicht durch.
Die 3 zeigt Simulation-Wellenformen 300 der Schaltung aus 2. Die Wellenform 302 zeigt das Gate-Steuersignal 104, die Wellenform 304 gibt die Kollektorspannung des Schalters 224 wieder, die Wellenform 306 zeigt den Strom durch die Primärseite der Induktionsspule 226, die Wellenform 308 gibt die Batteriespannung 102 wieder, die Wellenform 310 stellt die Eingangsspannung zum Spannungsregler 212 dar, die Wellenform 312 gibt das Freigabesignal 111' und die Wellenform 314 gibt die Spannung der internen Spannungs-Schiene 109' wieder. Wenn das Freigabesignal 312 erkannt wird (Low zu High) ändert das Gate-Steuersignal 302 seine Zustände (Low nach High) und fällt die Kollektorspannung 304 ab. Der Strom 306 durch die Primärseite der Zündspule steigt an und erreicht den normalen Betriebswert. Während eines zeitweiligen Abfalls (316) der Batteriespannung 308 fällt auch die Spannung 314 auf der internen Stromversorgungsleitung ab (118), aber als Ergebnis der unter Bezugnahme auf den Gate-Kontroller 106' beschriebenen Betriebsweisen gibt es nur einen kleinen Abfall des Gate-Steuersignals in der gleichen Zeitperiode (320). Während des zeitweiligen Abfalls 316 der Batteriespannung 308 tritt auch ein kleiner Abfall des Stroms 306 auf und bleibt die Kollektorspannung 304 innerhalb der normalen Betriebsparameter.
4 zeigt ein Fließschaltbild bzw. einen Ablaufplan für den Betrieb nach einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Im Arbeitsschritt 410 werden ein erster Transistor und ein zweiter Transistor auf der Basis eines Freigabesignals gesteuert, so dass der erste Transistor leitend ist während der zweite Transistor nicht leitend ist und der zweite Transistor leitet, wenn der erste Transistor nicht leitend ist. Im Arbeitsschritt 420 wird die Stromzufuhr überwacht, um Schwankungen in der Stromzufuhr zu erkennen. Im Arbeitsschritt 430 ist der Gate-Treiberanschluss gegenüber der Stromzufuhr isoliert, wenn die Überwachung eine Schwankung in der Stromzufuhr erkennt.
5 zeigt ein Fließschaltbild des Arbeitsablaufs zum Abtrennen des Anschlusses des Gate-Treiber entsprechend einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Im Arbeitsschritt 520 werden ein dritter Transistor und ein vierter Transistor auf der Basis der Überwachung der Stromzufuhr gesteuert, so dass der dritte Transistor und der vierte Transistor leitend sind, wenn die Überwachung keine Schwankung in der Stromzufuhr erkennt und so dass der dritte Transistor und der vierte Transistor nicht leitend sind, wenn die Überwachung keine Schwankungen bzw. Fluktuationen in der Stromzufuhr feststellen. Im Arbeitsschritt 520 wird die Spannung des Anschlusses des Gates daran gehindert, zur Stromzufuhr über das Substrat des dritten Transistors zu entladen.
Die Ausdrücke” Schaltkreis” oder” Schaltung” werden in den Ausführungsbeispielen hier verwendet und umfassen zum Beispiel einzeln oder in beliebiger Kombination verdrahtete Schaltungen, programmierbare Schaltungen, Zustandsautomaten und/oder Schaltungen, die in größeren Systemen verfügbar sind, zum Beispiel, einzelne Elemente, die als Teil einer integrierten Schaltung vorliegen können. Hinzukommt, dass jeder der beschriebenen Schaltvorrichtungen jeden beliebigen Typ eines bekannten oder nach Vorgabe des Kunden entwickelten Schalter-Schaltkreis, wie zum Beispiel MOS-Transistoren, BITs, SiC Transistoren, IGBTs usw. aufweisen.
Die Begriffe und Ausdrücke, die hier verwendet wurden, werden als Begriffe für die Beschreibung verwendet und nicht als Beschränkungen und es besteht nicht die Absicht, durch die Verwendung solcher Begriffe und Ausdrücke Äquivalente solcher dargestellten und beschriebenen Merkmale (oder Teile davon) auszuschließen und es wird festgestellt, dass verschiedene Abwandlungen innerhalb des Schutzbereichs der Patentansprüche möglich sind. Folglich sollen die Ansprüche auch solche Äquivalente Abdecken. Verschiedene Merkmale, Aspekte und einige Ausführungsbeispiele sind hier beschrieben worden. Die Merkmale, Aspekte und Ausführungsbeispiele eignen sich zur Kombination miteinander ebenso wie zur Abwandlung und zu Modifikationen, wie es von den auf dem vorliegenden Fachgebiet tätigen Fachleuten verstanden wird. Die vorliegende Erfindung soll daher als solche Kombinationen, Abwandlungen und Modifikationen zu umfassen verstanden werden.

Claims

Schutzvorrichtung zum Aufrechterhalten einer ständigen Ausgangsspannung am Anschluss eines Gate-Treibers trotz Schwankungen in einer Stromversorgung, wobei die Schutzvorrichtung umfasst: eine Unterspannungs-Erkennungsschaltung, die zur Überwachung der Stromversorgung und zur Erkennung von Schwankungen in der Stromversorgung ausgebildet ist, und eine Schaltung zum Isolieren des Gates, die ausgebildet ist zum Trennen des Anschlusses des Gate-Treibers von der Stromversorgung, wenn die Unterspannungs-Erkennungsschaltung Schwankungen der Stromversorgung erkennt, bei der die Spannung am Anschluss des Gate-Treibers innerhalb eines vorgewählten Bereiches gehalten wird, wenn das Gate isoliert ist.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, die ferner umfasst: eine Highside-Treiberschaltung, eine Lowside-Treiberschaltung, eine Steuerschaltung für drei Betriebszustände, die zur Steuerung der Highside-Treiberschaltung und der Lowside-Treiberschaltung, der Steuerschaltung für drei Betriebszustände einschließlich der Schaltung zum Abtrennen des Gates ausgebildet ist, und/oder ferner umfasst: eine Steuerschaltung zur Strombegrenzung, die zur Steuerung eines Stroms in einem externen, mit dem Anschluss des Gate-Treibers verbundenen Schalters ausgebildet ist.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Highside-Treiberschaltung umfasst: einen ersten Transistor, der mit der Stromversorgung verbunden ist, einen zweiten Transistor, der mit dem ersten Transistor verbunden ist, einen Widerstand, der zwischen den zweiten Transistor und den Anschluss des Gate-Treibers geschaltet ist.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 3, die ferner umfasst: einen dritten Transistor, der zwischen den Anschluss des Gate-Treibers und das Gate des ersten Transistors eingefügt ist, ein Gate des dritten Transistor, das mit der Unterspannungs-Erkennungsschaltung verbunden ist, bei der in die Unterspannungs-Erkennungsschaltung zur Steuerung des dritten Transistors zur Durchleitung ausgebildet ist, wenn die Unterspannungs-Erkennungsschaltung Schwankungen in der Stromversorgung erkennt, und die Spannung am Anschluss des Gate-Treibers den ersten Transistor abschaltet, den Anschluss des Gate-Treibers von der Stromversorgung trennt und/oder die Highside-Treiberschaltung ferner umfasst: eine erste Diode, deren Anode mit dem Anschluss des Gate-Treibers verbunden ist, und einer Kathode, die mit dem Substrat des ersten Transistor und dem Substrat des zweiten Transistor verbunden ist, und eine zweite Diode, deren Anode mit der Stromversorgung verbunden ist, und deren Kathode, die mit dem Substrat des ersten Transistors und dem Substrat des zweiten Transistors verbunden ist, und/oder bei der die Lowside-Treiberschaltung umfasst: einen vierten Transistor, der mit einem Bezugspunkt niedrigen Potenzials verbunden ist, wobei das Gate des vierten Transistors mit der Unterspannungs-Erkennungsschaltung verbunden ist, und einen fünften Transistor, der zwischen den vierten Transistor und den Anschluss des Gate-Treibers eingefügt ist.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 4, bei der die zweite Diode zur Verhinderung einer Entladung der Spannung des Anschlusses des Gate-Treibers zur Stromversorgung hin, wenn die Stromversorgung schwankt, ausgebildet ist.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 4, die ferner umfasst: eine analoge und digitale Schaltung, die zur Steuerung des zweiten Transistors und des fünften Transistors ausgebildet ist, und/oder bei der die Unterspannungs-Erkennungsschaltung zur Steuerung des ersten Transistors und des vierten Transistors nicht durchzuleiten, wenn die Unterspannungs-Erkennungsschaltung Schwankungen in der Stromversorgung erkennt, ausgebildet ist.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Steuerschaltung zur Strombegrenzung umfasst: einen Verstärker, der zum Vergleich einer gewünschten Spannung mit einer gemessenen Spannung, die proportional zu einem Strom in dem externen Schalter ist, ausgebildet ist, und einen Schalter, der zwischen den Verstärker und den Anschluss des Gate-Treibers eingefügt ist.
Vorrichtung, die umfasst: eine Induktionsspule, einen externen Schalter und eine Schutzvorrichtung, die umfasst eine Unterspannungs-Erkennungsschaltung, die zur Überwachung einer Stromversorgung und zur Erkennung von Schwankungen in der Stromversorgung ausgebildet ist, und eine Schaltung zum Abtrennen eines Geräts, die zum Abtrennen des Anschlusses eines Gate-Treibers von der Stromversorgung ausgebildet ist, wenn die Unterspannungs-Erkennungsschaltung Schwankungen in der Stromversorgung erkennt, bei der der Anschluss des Gate-Treibers mit einem Gate des externen Schalters verbunden ist und eine Spannung am Anschluss des Gate-Treibers innerhalb eines vorgewählten Bereichs gehalten wird, wenn das Gate abgetrennt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Schutzvorrichtung ferner umfasst: einen ersten Transistor, der mit der Stromversorgung verbundenen ist, einen zweiten Transistor, der mit dem ersten Transistor verbundenen ist, einen, der zwischen den zweiten Transistor und den Anschluss des Gate-Treibers eingefügt ist, einen dritten Transistor, der mit einem Bezugspunkt niedrigen Potenzials verbundenen, einen vierten Transistor, der zwischen den dritten Transistor und den Anschluss des Gate-Treibers eingefügt ist, bei der die Unterspannungs-Erkennungsschaltung zur Steuerung des ersten Transistors und des dritten Transistors nicht durchzulassen, wenn die Unterspannungs-Erkennungsschaltung Schwankungen in der Stromversorgung erkennt, ausgebildet ist, und/oder bei der die Schutzvorrichtung ferner umfasst: eine Steuerschaltung zur Strombegrenzung, die zur Steuerung eines Stroms in dem externen Schalter ausgebildet ist, und bei der die Messschaltung zur Strombegrenzung aufweist: einen Verstärker, der für den Vergleich einer gewünschten Spannung mit einer gemessenen, zu einem Strom in dem externen Schalter proportionalen Spannung ausgebildet ist, und einen zwischen dem Verstärker und dem Anschluss des Gate-Treibers eingefügten Schalter.
Verfahren zum Aufrechterhalten einer ständigen Ausgangsspannung am Anschluss eines Gate-Treibers trotz Schwankungen in der Stromversorgung, bei dem das Verfahren umfasst: Überwachen der Stromversorgung zum Erkennen von Schwankungen in der Stromversorgung und Abtrennen des Anschlusses des Gate-Treibers von der Stromversorgung, wenn beim Überwachen eine Schwankung in der Stromversorgung erkannt wird, bei der während der Abtrennung eine Spannung am Anschluss des Gate-Treibers innerhalb eines vorgewählten Bereichs aufrechterhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Anschluss des Gate-Treibers über einen ersten Transistor und einen zweiten Transistor mit der Stromversorgung verbunden ist und das Abtrennen ferner umfasst: das Abschalten des ersten Transistors, wenn bei der Überwachung Schwankungen in der Stromversorgung erkannt werden, und/oder ferner umfasst: das Verhindern, dass die Spannung am Anschluss der Gate-Treibers sich zur Stromversorgung hin entlädt, und/oder ferner umfasst: das Steuern eines Stroms in einem externen Schalter, der mit dem Anschluss des Gate-Treibers verbunden ist, wobei das Steuern das Vergleichen einer gewünschten Spannung mit einer gemessenen, zu einem Strom in dem externen Schalter proportionalen Spannung umfasst, und das Steuern eines Schalters auf der Grundlage der Überwachung der Stromversorgung derart, dass der Schalter nicht durchleitet, wenn die Überwachung eine Schwankung in der Stromversorgung erkennt, und/oder ferner umfasst: Steuern eines ersten Transistors und eines zweiten Transistor auf der Basis eines Freigabesignals derart, so dass der erste Transistor leitet während der zweite Transistor nicht leitet und der zweite Transistor leitet, wenn der erste Transistor nicht leitet, bei dem das Abtrennen das Steuern eines dritten Transistors und eines vierten Transistors auf der Grundlage der Überwachung der Stromversorgung umfasst, so dass der dritte Transistor und der vierte Transistors leitend sind, wenn die Überwachung keine Schwankungen in der Stromversorgung erkennt, und so dass der dritte Transistor und der vierte Transistor nicht leitend sind, wenn die Überwachung eine Schwankungen in der Stromversorgung erkennt.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Substrat des ersten Transistors mit der Stromversorgung verbunden ist, das Substrat des zweiten Transistors mit dem Anschluss des Gate-Treibers verbunden ist, und das Verfahren weiterhin umfasst: Verhindern, dass sich die Spannung am Anschluss des Gate-Treibers zur Stromversorgung hin entlädt.