-
Die Erfindung geht aus von einem Hauptschalter mit Verpolschutz nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs. Aus der
DE 10 2008 001 114 A1 ist bereits ein eine Steuerschaltung mit einem Verpolschutz bekannt, die einen ersten und zweiten MOSFET mit einem ersten Kanaltyp insbesondere n-Kanal aufweist. Es sind jeweils separate Ansteuerschaltungen vorgesehen, durch die das Gate der entsprechenden MOSFET einzeln angesteuert werden.
-
Vorteile der Erfindung
-
Die erfindungsgemäße Schaltung Hauptschalter mit Verpolschutz nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass nur eine einzige Ladungspumpe die ein entsprechendes Ansteuersignal für die Gateanschlüsse der MOSFET erzeugt benötigt wird. Mit dem Einschalten der Ladungspumpe werden alle MOSFET versorgt und aktiviert mit denen der Hauptschalter und der Verpolschutz realisiert werden. Optional kann ein Hauptschalter auch über einen zusätzlichen Schalter gesteuert werden. Es wird so eine besonders einfache und daher auch kostengünstige Schaltung zum Betätigen eines Hauptschalters und zum Schutz gegen eine Verpolung ermöglicht.
-
Weitere Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche. Durch eine entsprechend hohe Spannung der Ladungspumpe kann sichergestellt werden, dass der Kanal der MOSFET ausreichend niederohmig geschaltet wird. Es wird so erreicht, dass nur geringe Verluste in den verwendeten MOSFET entstehen und es kann so die in diesen MOSFET entstehende Verlustleistung gering gehalten werden. Durch die Zenerdiode wird die Gate-Source-Spannung auf den Durchschaltwert der Zenerdiode begrenzt. Es kann so eine Zerstörung des MOSFET durch eine zu hohe Spannungsdifferenz zwischen Source und Gate verhindert werden. Durch den Widerstand zwischen Source und Gate wird sichergestellt, dass der MOSFET auch wieder in einen nichtleitenden Zustand schaltet, wenn die Verbindung zwischen der Ladungspumpe und dem Gate des MOSFET unterbrochen wird. Ohne den Widerstand würde nämlich die Spannung am Gate verharren und der MOSFET wäre dauerhaft leitend geschaltet. Durch die Diode zwischen der Ladungspumpe und dem Gateanschluss des zweiten MOSFET in Reihe zum dritten MOSFET wird sichergestellt, dass bei einem Verpolen des Hauptschalters mit Verpolschutz kein Strom über die parasitäre Diode des dritten MOSFET erfolgen kann. Durch einen solchen Stromfluss könnte sonst nämlich wieder das Gate des ersten Transistors mit einem Potential beaufschlagt werden, was zu einem unerwünschten Durchschalten des ersten MOSFET führen würde. Als optionale Ausführungsform kann noch zwischen dem Drainanschluss des dritten MOSFET und dem Gateanschluss des zweiten MOSFET ein Schalter angeordnet sein, durch den die Beaufschlagung des Gates des zweiten MOSFET mit der Spannung der Ladungspumpe gesteuert werden kann. Es kann so ein besonders kontrolliertes Einschalten des zweiten MOSFET als Hauptschalter erfolgen. Besonders einfach wird dieser Schalter als Bipolartransistor ausgeführt.
-
Zeichnungen
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
-
1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ausgestaltung und
-
2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung.
-
Beschreibung
-
In der 1 wird ein erstes Beispiel der erfindungsgemäßen Hauptschalter mit Verpolschutz gezeigt. Der erfindungsgemäße Hauptschalter mit Verpolschutz weist einen ersten MOSFET 1 und einen zweiten MOSFET 2 auf. Jeder dieser MOSFET weist einen Gateanschluss, einen Drainanschluss und einen Gateanschluss auf. Weiterhin wird die parasitäre Diode, die mit der Anode mit dem Sourceanschluss und mit der Kathode mit dem Drainanschluss verbunden ist, gezeigt. Ein Sourceanschluss des ersten MOSFET 1 ist mit einem externen Spannungsanschluss 4 verbunden. Der Drainanschluss des ersten MOSFET 1 ist mit einem Drainanschluss des zweiten MOSFET 2 verbunden. Der Sourceanschluss des zweiten MOSFET 2 ist mit einem Versorgungsanschluss 5 verbunden.
-
Der Versorgungsanschluss 5 dient als Spannungsversorgung für die zu schützende Schaltung. Der erste MOSFET 1 und der zweite MOSFET 2 sind hier jeweils als n-Kanal MOSFET ausgebildet. Der Sourceanschluss des ersten MOSFET 1 ist über eine Zenerdiode 7 und einen Widerstand 8 mit einem Gateanschluss des ersten MOSFET 1 verbunden. Der Sourceanschluss des zweiten MOSFET 2 ist über eine Zenerdiode 9 und einen Widerstand 10 mit dem Gateanschluss des zweiten MOSFET 2 verbunden. Weiterhin ist der Gateanschluss des ersten MOSFET 1 mit einem Treiberanschluss 6 verbunden. Weiterhin ist der Treiberanschluss 6 mit der Anode einer Diode 13 verbunden. Die Kathode der Anode 13 ist mit einem Sourceanschluss eines dritten MOSFET 3 verbunden. Der Drainanschluss des dritten MOSFET 3 ist mit dem Gateanschluss des zweiten MOSFET 2 verbunden. Der MOSFET 3 ist als p-Kanal MOSFET ausgebildet. Ein Gateanschluss des MOSFET 3 ist mit dem Drainanschluss des ersten MOSFET 1 und des zweiten MOSFET 2 verbunden.
-
An dem Versorgungsanschluss 5 wird die zu schützende Schaltung, d.h. die Schaltung, die durch den Hauptschalter mit Betriebsspannung versorgt wird und vor einer Verpolung geschützt werden soll, angeschlossen. Exemplarisch wird diese Schaltung hier durch zwei Schalter 11 und zwei damit ansteuerbare Lasten 12 dargestellt. Hier wird insbesondere an Anwendungen gedacht, bei denen größere Ströme durch die Lasten 12 gesteuert werden sollen, beispielsweise können die Lasten Glühkerzen sein die in einem Verbrennungsmotor insbesondere einem Dieselmotor zur Erwärmung des in den Brennraum des Verbrennungsmotors eingespritzten Kraftstoff dienen um den Start und die Verbrennung positiv zu beeinflussen. Bei einer derartigen Anwendung ist es erforderlich, dass im Verpolschutz und Hauptschalter geringe Widerstände auftreten, da diese zu einem spürbaren Verlust an elektrischer Leistung und einer entsprechenden Wärmeentwicklung in der Schaltung führen. Der Hauptschalter und der Verpolschutz sollen somit bei richtiger Polung mit möglichst geringen Leistungsverlusten arbeiten und trotzdem die Schaltung im Verpolungsfall schützen. Unter einem Normalbetrieb wird hier ein Betriebszustand verstanden, bei dem die Spannung am externen Spannungsanschluss 4 höher ist als am Masseanschluss der Lasten 12.
-
Weiterhin ist der externe Spannungsanschluss 4 mit der Anode einer Diode 15 verbunden. Die Kathode der Diode 15 ist über einen optionalen Schalter 16 mit einer Ladungspumpe 14 verbunden und dient so als Spannungsversorgung für eine Ladungspumpe 14. Wenn der Schalter 16 geschlossen oder optional nicht vorhanden ist und an dem externen Spannungsanschluss 4 eine gegenüber dem Massepotential ausreichend positive Spannung beispielsweise eine Versorgungsspannung von 12V anliegt, so erzeugt die Ladungspumpe 14 eine Ausgangsspannung, die über der Spannung liegt, die am externen Spannungsanschluss 4 anliegt. Wenn am externen Spannungsanschluss 4 beispielsweise eine externe Spannung von 12V anliegt, so erzeugt die Ladungspumpe 14 eine Spannung von beispielsweise 21V. Diese Spannung von 21V ist ausreichend, um die MOSFET 1 und 2 in einen niederohmigen leitenden Zustand zu schalten.
-
Der optionale Schalter 16 ist vorgesehen, um ein- und Ausschalten der Ladungspumpe 14 zu ermöglichen. Wenn nämlich die zu schützende Schaltung gar nicht in Betrieb genommen werden soll, beispielsweise weil die zu schützende Schaltung 11, 12 nicht betrieben werden soll, so ist es auch nicht erforderlich, die Ladungspumpe 14 zu betreiben. In diesem Fall kann dann durch Öffnen des Schalters 16 ein Betrieb der Ladungspumpe 14 der ja nicht erforderlich ist, unterbunden werden. Ist Schalter 16 nicht vorhanden so wird die Funktion des Hauptschalters über einen weiteren Schalter (beispielsweise in 2 ein Bipolartransistor 22) gesteuert.
-
Bei einem normalen Betrieb ist der Schalter 16 geschlossen und am externen Spannungsanschluss 4 liegt eine externe positive Spannung von beispielsweise 12V an. In diesem Fall erzeugt die Ladungspumpe 14 am Treiberanschluss 6 eine Spannung von 21V, wobei diese Spannung ausreichend ist, um die MOSFET 1, 2 niederohmig leitend zu schalten, wenn diese Spannung am Gateanschluss angelegt wird. Da das Gate des MOSFET 1 unmittelbar mit dem Treiberanschluss 6 verbunden ist, wird dieser MOSFET 1 direkt leitend geschaltet. An seinem Drain wird sicher daher ein Potential von näherungsweise 12V einstellen, welches dann auch am Gate des dritten MOSFET 3 anliegt. Weiterhin liegt am Source des dritten MOSFET 3 über die Diode 13 ein Potential von ca. 21V an, so dass zwischen dem Gate und dem Source des dritten MOSFET eine Spannung von ca. –9V anliegt. Durch diese negative Gate-Source-Spannung von –9V wird der MOSFET 3 ebenfalls niederohmig geschaltet, so dass am Drain des MOSFET 3 ebenfalls die Spannung von 21V anliegt. Diese Spannung liegt somit auch am Gate des MOSFET 2 an wodurch auch dieser MOSFET 2 niederohmig leitend wird, wodurch am Sourceanschluss dieses MOSFET 2 bzw. am Versorgungsanschluss 5 der zu schützenden Schaltung 11, 12 nun auch die gleiche Spannung anliegt wie am externen Spannungsanschluss 4, d.h. 12V.
-
Wenn der Schalter 16 geöffnet wird, so stellt die Ladungspumpe 14 am Treiberanschluss 6 nicht mehr die gegenüber der Spannung am externen Anschluss 4 anliegenden Spannung erhöhte Spannung zur Verfügung. Da Gate und Source des MOSFET 1 über den Widerstand 8 miteinander verbunden sind, wird sich am Gate und Source die gleiche Spannung einstellen, wodurch der MOSFET 1 in einen nicht leitenden Zustand gebracht wird. Über die parasitäre Diode des MOSFET 1 wird trotzdem ein geringer Stromfluss erfolgen, so dass sich am Drain trotzdem näherungsweise die am externen Spannungsanschluss 4 anliegende Spannung einstellt. Diese Spannung liegt dann auch am Drain des MOSFET 2 und am Gate des MOSFET 3 an. Da über den Widerstand 8 und die in Flussrichtung geschaltete Diode 13 am Source des MOSFET 3 näherungsweise ebenfalls die Spannung des externen Spannungsanschlusses 4 anliegt, ist der dritte MOSFET 3 nicht leitend, da die Gate-Source-Spannung näherungswiese 0 beträgt. Weiterhin ist die parasitäre Diode des MOSFET 3 so geschaltet, dass auch über diese parasitäre Diode kein Stromfluss erfolgt. Es wird somit auch am Gate des zweiten MOSFET 2 und am Source des zweiten MOSFET 2 über den Widerstand 10 das gleiche Potential anliegen wie am Versorgungsanschluss 5, d.h. auch der MOSFET 2 ist nicht leitend. Weiterhin fließt auch kein Strom über die parasitäre Diode des MOSFET 2, da in diesem Fall die parasitäre Diode gegen die Flussrichtung geschaltet ist.
-
Im Fall der Verpolung, d.h. wenn am Versorgungsanschluss 5 eine positive Spannung anliegt und am externen Spannungsanschluss 4 Masse anliegt, dann ist die Ladungspumpe 14 deaktiviert. Da über den Widerstand 10 Source und Gate des zweiten MOSFET 2 beide die Spannung des Versorgungsspannungsanschlusses 5 aufweisen, ist der MOSFET 2 nichtleitend geschaltet. Über die parasitäre Diode 2 kann jedoch ein gewisser Stromfluss erfolgen, so dass am Drain 2 näherungsweise die Spannung des Versorgungsspannungsanschlusses 5 anliegt. Diese Spannung liegt dann auch am Gate und Drain des dritten MOSFET 3 an. Über die parasitäre Diode des dritten MOSFET 3 kann ein Strom fließen, so dass auch am Source des MOSFET 3 die Spannung des Versorgungsspannungsanschlusses 5 anliegt. Aufgrund der Diode 13 kann aber kein weiterer Stromfluss in Richtung auf den externen Spannungsanschluss 4 erfolgend, da diese Diode in Sperrrichtung geschaltet ist. Ebenso kann kein Stromfluss über den MOSFET 1 erfolgen, da an diesem MOSFET Source und Gate wegen der Verbindung über den Widerstand 8, da beide auf dem Spannungsniveau des externen Spannungsanschlusses 4 (= Masse) liegt und die parasitäre Diode des MOSFET 1 in Sperrrichtung geschaltet ist. Bei einer Verpolung, d.h. wenn der externe Spannungsanschluss 4 mit Masse verbunden ist und am Versorgungsspannungsanschluss 5 eine positive Spannung anliegt, so wird durch die Schaltung der 1 zuverlässig ein Stromfluss durch die Schutzschaltung bzw. durch die zu schützende Schaltung verhindert.
-
In der 1 werden weiterhin auch Zenerdioden 7 und 9 dargestellt, die jeweils zwischen dem Source und dem Gate der n-Kanal MOSFET 1, 2 geschaltet sind. Durch diese Zenerdioden wird ein Schutz der MOSFET 1, 2 gegen eine Überspannung erreicht, indem eine geeignete Durchbruchspannung für die Zenerdioden 7, 9 gewählt wird. Für Anwendungen in einem Kraftfahrzeug, bei dem üblicherweise Spannungen von 12V verwendet werden, können Zenerdioden verwendet werden, die eine Durchbruchspannung von 20V aufweisen. Wenn am externen Spannungsanschluss eine Spannung von über 20V anliegt so erfolgt ein Durchbruch der Zenerdiode 7 wodurch Source und Gate des MOSFET 1 beide auf das gleiche Potential gelegt werden. Durch diese Maßnahme wird eine zu hohe Gate-Source-Spannung verhindert, da es bei einer zu hohen Spannungsdifferenz zwischen Gate und Source zu einem Durchbruch des Gateoxids des MOSFET 1 kommen kann. Die gleiche Funktion wird durch den MOSFET 9 für den MOSFET 2 wahrgenommen.
-
Der Hauptschalter mit Verpolschutz wird hier durch die drei MOSFET-Transistoren, die Widerstände 8, 10, die Zenerdioden 7, 9 und die Diode 13 gebildet. Die Ladungspumpe 14 mit der Diode 15 und 16 bilden nur ein Hilfselement für den Hauptschalter mit Verpolschutz um eine ausreichend hohe Spannung für ein niederohmiges Schalten der MOSFET 1, 2 zu gewährleisten. Es sind auch andere Mittel zur Bereitstellung einer entsprechend hohen Spannung vorstellbar, beispielsweise eine Ladungspumpe 14 mit entsprechenden Schaltern, die durch eine geeignete Steuerung angesteuert werden. Wesentlich ist, dass eine entsprechend hohe Spannung am Treiberanschluss 6 zur Verfügung gestellt wird, wenn am externen Spannungsanschluss 4 eine gegenüber Masse positive Bespannung zur Verfügung gestellt wird.
-
Bezüglich der Diode 13 ist anzumerken, dass diese Diode 13 auch zwischen dem Drainanschluss des MOSFET 3 und dem Widerstand 10 angeordnet sein kann. Wesentlich ist, dass durch die Diode 13 ein Stromfluss von einem mit einem positiven Spannungswert beaufschlagten Versorgungsanschluss 5 zu einem mit Masse verbundenen externen Spannungsanschluss 4 verhindert wird.
-
In der 2 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung gezeigt. Mit den Bezugszeichen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, und 13 werden wieder die gleichen Gegenstände bezeichnet wie in der 1. Die Ladungspumpe 14 wird nicht mehr dargestellt. Zusätzlich ist jedoch zwischen dem Drainanschluss des dritten MOSFET 3 und dem gemeinsamen Anschluss des Gates des MOSFET 2, der Kathode der Zenerdiode 9 und dem Widerstand 10 ein Schalter 21 angeordnet. Der Schalter ist hier als pnp-Transistor 22 ausgebildet, dessen Emitter mit dem Drain des MOSFET 3 und dessen Kollektor mit dem Gate des MOSFET 2 verbunden ist. Die Basis des pnp-Transistors 22 wird über einen npn-Transistor 23 angesteuert. Die Basis des pnp-Transistors 22 ist über einen Widerstand 24 mit dem Kollektor des npn-Transistors 23 verbunden. Der Emitter des npn-Transistors 23 ist mit Masse verbunden. Die Basis des npn-Transistors 23 wird beispielsweise von einem Mikrocontrollerausgang mit einer Steuerspannung von 0 oder 5V entsprechend angesteuert. Durch ein entsprechendes Steuersignal kann so der Mikrocontroller den Schalter 21 leitend oder nicht leitend schalten. Es kann so durch ein entsprechendes Ansteuersignal des Mikrocontrollers entschieden werden, ob die Treiberspannung 6 an das Gate des zweiten MOSFET angelegt wird oder nicht. Durch das Steuersignal kann somit entschieden werden, ob der Hauptschalter mit Verpolschutz bei einem Normalbetrieb leitend ist oder nicht. Die verschiedenen Widerstände 24 beispielsweise zwischen dem Emitter und der Basis des pnp-Transistor 23, oder der Widerstand 24 zwischen der Basis des Transistors 22 und dem Kollektor des Emitter 24 und der Widerstand 24 zwischen der Basis des Transistors 23 und Masse dienen zur Einstellung der Arbeitspunkte der Transistoren 22 und 23.
-
Die Schaltung der 2 ermöglicht eine zusätzliche Kontrolle über den Hauptschalter mit Verpolschutz. Insbesondere ist eine derartige zusätzliche Kontrolle sinnvoll wenn die Treiberspannung am Anschluss 6 nicht beliebig schaltbar ist. Dies ist insbesondere der Fall, wenn der in der 1 dargestellte Schalter 16 nicht vorhanden ist oder aus sonstigen Gründen die Ladungspumpe nicht beliebig ein- und ausschaltbar ausgeführt ist. Weiterhin lässt sich so auch ein zu langsames Abschalten der Ladungspumpe 6 kompensieren. Durch Betätigung des Schalters 21 kann der MOSFET 2 im Normalbetrieb beliebig ein- oder ausgeschaltet werden. Durch geeignete Maßnahmen ist ohnehin sicherzustellen, dass bei einer Verpolung keine Treiberspannung am Anschluss 6 anliegt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102008001114 A1 [0001]
