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Die Erfindung betrifft eine Treiberschaltung für eine elektrische Last, eine Motoranordnung mit einer solchen Treiberschaltung sowie ein Bremssystem mit einer solchen Motoranordnung.
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Eine Treiberschaltung dient üblicherweise zum Ansteuern einer elektrischen Last, vorzugsweise einer induktiven Last, wie beispielsweise einem Gleichstrommotor oder einer Ventilspule eines Magnetventils. Für derartige Treiberschaltungen ist typischerweise ein Verpolschutz vorgesehen. Dieser verhindert bei verpoltem Anschluss der gesamten Treiberschaltung einen Kurzschlussstrom, welcher sonst über eine Endstufe fließen würde. Außerdem kann ein häufig als Elektrolyt- oder Hybrid-Polymer-Kondensator ausgeführter Filterkondensator wechselspannungsmäßig vom Bordnetz getrennt werden, solange die Last nicht angesteuert wird. Dadurch kann eine Spannungswelligkeit vom Kondensator ferngehalten werden, um die Lebensdauer zu verlängern.
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In aktuellen Treiberschaltungen, welche beispielsweise in Kraftfahrzeugen verwendet werden, wird der Verpolschutz typischerweise durch zwei getrennte Halbleiterschalter wie beispielsweise MOSFETs realisiert. Dies hat sich als kostengünstige Ausführung herausgestellt, da im Freilaufpfad und im Filterkondensator nur geringe anteilige effektive Ströme fließen. Es sind auch Verpolschutzschaltungen bekannt, welche über einen Verpolschutztransistor in der gemeinsamen Zuleitung oder Masseleitung verfügen. Nachteilig bei den bekannten Ausführungen sind jedoch ein relativ großer Flächenverbrauch und die damit einhergehende nicht optimale Anordnung von Komponenten in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit. Des Weiteren führt der Betrieb mit kleinen Tastverhältnissen bei Ansteuerung in Pulsweitenmodulation, insbesondere in der Größenordnung von d = 50 %, zu einer erhöhten Belastung der separaten Freilauftransistoren und somit zu höheren Verlusten. Wenn dieser Betrieb langfristig angestrebt wird, ist es typischerweise erforderlich, die Komponenten entsprechend stärker und teurer auszulegen.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine Treiberschaltung für eine elektrische Last bereitzustellen, welche hinsichtlich ihres Verpolschutzes alternativ oder besser ausgeführt ist. Es ist des Weiteren eine Aufgabe der Erfindung, eine Motoranordnung mit einer solchen Treiberschaltung sowie ein Bremssystem für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Motoranordnung bereitzustellen.
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Dies wird erfindungsgemäß durch eine Treiberschaltung, eine Motoranordnung und ein Bremssystem gemäß den jeweiligen Hauptansprüchen erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen können beispielsweise den jeweiligen Unteransprüchen entnommen werden. Der Inhalt der Ansprüche wird durch ausdrückliche Inbezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Die Erfindung betrifft eine Treiberschaltung für eine elektrische Last. Die Treiberschaltung weist einen Versorgungsspannungsanschluss und einen Masseanschluss auf. Sie weist einen Filterkondensator mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode auf. Die Treiberschaltung weist eine Endstufe zum Treiben der Last auf, wobei die Endstufe einen ersten Endstufenanschluss und einen zweiten Endstufenanschluss sowie einen ersten Lastanschluss zum Anschließen der Last aufweist. Die Treiberschaltung weist einen Verpolschutz auf. Sie weist einen zweiten Lastanschluss zum Anschließen der Last auf.
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Die erste Elektrode und der erste Endstufenanschluss sind mit dem Versorgungsspannungsanschluss verbunden. Die zweite Elektrode und der zweite Endstufenanschluss sind mit einem Verbindungsknoten verbunden. Der Verpolschutz ist zwischen dem Verbindungsknoten und dem Masseanschluss verschaltet. Der zweite Lastanschluss ist ohne Zwischenschaltung des Verpolschutzes mit dem Masseanschluss verbunden.
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Durch die erfindungsgemäße Ausführung einer Treiberschaltung kann der Verpolschutz so angeordnet werden, dass nur ein Verpolschutz ausreicht, um sowohl den Filterkondensator wie auch die Endstufe gegen eine Verpolung zu schützen. Es hat sich gezeigt, dass bei typischen Ausführungen selbst im Fall einer Verpolung kein Schaden an der Last entsteht, auch wenn der zweite Lastanschluss nicht über den Verpolschutz mit dem Masseanschluss verbunden ist. Durch die erfindungsgemäße Ausführung kann auch Leiterplattenfläche eingespart werden.
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Bevorzugt weist die Endstufe einen ersten Endstufentransistor und einen zweiten Endstufentransistor auf. Der erste Endstufentransistor ist dabei vorzugsweise zwischen dem ersten Endstufenanschluss und dem ersten Lastanschluss verschaltet, und der zweite Endstufentransistor ist vorzugsweise zwischen dem ersten Lastanschluss und dem zweiten Endstufenanschluss verschaltet. Dies entspricht einer einfachen und funktionalen Ausführung einer Endstufe, insbesondere zur Ansteuerung mittels Pulsweitenmodulation.
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Der zweite Lastanschluss kann insbesondere unmittelbar mit dem Masseanschluss verbunden sein. Dies kann bedeuten, dass kein weiteres elektrisches Element, sei es ein passives oder ein aktives Element, zwischen zweitem Lastanschluss und Masseanschluss verschaltet ist. Es sind lediglich entsprechende Stromleitungen vorhanden.
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Bevorzugt weist die Treiberschaltung ferner eine Steuerungseinrichtung zum Steuern der Endstufe auf. Dabei kann es sich beispielsweise um eine elektronische Steuerungseinrichtung handeln. Die Steuerungseinrichtung kann bevorzugt ferner zum Steuern des Verpolschutzes ausgebildet sein. Dies ermöglicht eine besonders hohe Integration.
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Die Steuerungseinrichtung kann bevorzugt dazu ausgebildet sein, den ersten Endstufentransistor und den zweiten Endstufentransistor im Gegentakt zur Ansteuerung der Last mit einer Pulsweitenmodulation zu steuern. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine Pulsweitenmodulation umgesetzt werden.
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Die Steuerungseinrichtung ist bevorzugt mit dem Verbindungsknoten verbunden. Dadurch kann beispielsweise ein Bezugspotential zum Ansteuern des zweiten Endstufentransistors und eines Transistors des Verpolschutzes hergestellt werden. Darüber hinaus kann auch die Spannung am Verbindungsknoten gemessen werden. Dies ermöglicht eine vorteilhafte Kontrolle der erzeugten Spannung.
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Die Steuerungseinrichtung ist bevorzugt mit dem ersten Lastanschluss verbunden. Damit kann beispielsweise ein Bezugspotential zum Ansteuern des ersten Endstufentransistors hergestellt werden. Darüber hinaus kann die Spannung am ersten Lastanschluss gemessen werden, um die erzeugte Spannung zu überwachen oder um im Standbybetrieb einen Selbsttest des ersten Endstufentransistors zu ermöglichen. Auch dadurch kann eine vorteilhafte Kontrolle erreicht werden.
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Die erste Elektrode und der erste Endstufenanschluss können insbesondere über eine Zwischenkreisinduktivität mit dem Versorgungsspannungsanschluss verbunden sein. Dadurch kann eine Glättung der Spannung erreicht werden.
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Die Treiberschaltung kann insbesondere zum Treiben einer induktiven Last und/oder eines Gleichstromverbrauchers und/oder eines Elektromotors und/oder einer Ventilspule eines Magnetventils ausgebildet sein. Für derartige Anwendungen hat sich die hierin beschriebene Treiberschaltung als besonders vorteilhaft erwiesen. Auch für andere Anwendungen ist sie jedoch verwendbar.
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Der Verpolschutz kann insbesondere als schaltbarer Transistor ausgebildet sein. Dies hat sich als vorteilhaft erwiesen. Insbesondere kann im Fall einer Verpolung der Transistor so geschaltet werden, dass er einen Stromfluss bzw. die Weiterleitung einer Spannung unterbricht. Beispielsweise kann ein Feldeffekttransistor verwendet werden.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Motoranordnung mit einem Elektromotor und einer Treiberschaltung gemäß der Erfindung. Hinsichtlich der Treiberschaltung kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden. Der Elektromotor kann an dem ersten Lastanschluss und dem zweiten Lastanschluss der Treiberschaltung angeschlossen sein. Mittels der Motoranordnung können die bereits weiter oben beschriebenen Vorteile erreicht werden.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Bremssystem für ein Kraftfahrzeug, welches eine Motoranordnung gemäß der Erfindung aufweist, wobei auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden kann. Der Elektromotor der Motoranordnung dient dabei zum Erzeugen eines hydraulischen Drucks im Bremssystem. Für eine solche Anwendung hat sich die hierin beschriebene Motoranordnung als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Die hierin beschriebene Ausführung verbindet die Vorteile der bekannten Topologien, ohne deren Nachteile mitzunehmen. Der neuartige Verpolschutz kann insbesondere einen Halbleiterschalter in einer gemeinsamen Masseleitung eines Filterkondensators und eines Freilaufs sein. Die Last bzw. der Motor wird hierbei ausgespart und ist nicht vor Verpolung geschützt. Dies ist in vielen Fällen akzeptabel und hat sich auch im Serieneinsatz bewährt. Durch eine solche Anordnung des Verpolschutzes entstehen zwei wesentlichen Vorteile. Zum einen fließt unabhängig vom Schaltzustand der Endstufe nur ein relativ gut geglätteter Strom durch den Verpolschutz, der das EMV-gerechte Design der Endstufe erleichtert. Zum anderen ist die Stromhöhe im Verpolschutz gerade bei starker Belastung der Endstufe gering, was eine kostengünstige Auslegung ermöglicht. Dennoch wird nur ein aktives Element statt zwei benötigt.
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Der Verpolschutz kann vorzugsweise durch einen N-Kanal-MOSFET realisiert werden, für dessen Ansteuerung keine zusätzliche Ladungspumpe benötigt wird.
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Der hierin beschriebene neuartige Verpolschutz kann sich insbesondere in der gemeinsamen Masseleitung für Filterkondensator und Leistungselektronik befinden, jedoch die eigentliche Last, beispielsweise einen Motor, aussparen. Der Verpolschutz kann daher beispielsweise als FET ausgeführt sein, so dass er abschaltbar ist und im eingeschalteten Zustand nur geringe Verluste verursacht. Diese Topologie führt dazu, dass es im Verpolfall keinen Kurzschluss über die leistungselektronische Endstufe gibt, der Motor bzw. die Last jedoch verpolt betrieben wird. Im Normalbetrieb kann der Filterkondensator abgeschaltet werden, so dass keine lebensdauerrelevante Belastung entsteht. Bei einer solchen Topologie fließt nur ein geringer Teil des Laststroms im Verpolschutz, so dass dieser relativ günstig ausgelegt werden kann. Des Weiteren fließen keine hochfrequenten Ströme dort, so dass sich das Layout bezüglich EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) vorteilhaft gestalten lässt. Schließlich wird nur ein Bauteil statt zwei benötigt und somit Leiterplattenfläche eingespart.
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Weitere Merkmale und Vorteile wird der Fachmann dem nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiel entnehmen. Dabei zeigen:
- 1: eine Treiberschaltung,
- 2: typische Signalverläufe,
- 3: die Treiberschaltung mit Stromfluss in einem ersten Zustand, und
- 4: die Treiberschaltung mit Stromfluss in einem zweiten Zustand.
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1 zeigt eine Treiberschaltung mit angeschlossener Last gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Treiberschaltung weist einen Versorgungsspannungsanschluss AV auf, welcher wie gezeigt an Klemme 30 (KL30) angeschlossen ist. Der Versorgungsspannungsanschluss AV ist unmittelbar über einen Keramikkondensator CCer mit Masse verbunden. Der Versorgungsspannungsanschluss AV ist über eine Zwischenkreisinduktivität LC mit einem Filterkondensator Cc verbunden. Damit wird das an Klemme 30 anliegende Eingangssignal gefiltert und geglättet.
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Die Treiberschaltung weist eine Endstufe ES mit einem ersten Endstufentransistor TPD und einem zweiten Endstufentransistor TFW auf. Diese sind zwischen einem ersten Endstufenanschluss E1 und einem zweiten Endstufenanschluss E2 verschaltet. Zwischen den beiden Endstufentransistoren TPD, TFW ist ein erster Lastanschluss L1 angeordnet. Der zweite Endstufenanschluss E2 ist mit einem Verbindungsknoten V verbunden, mit welchem auch der Filterkondensator Cc gegenüberliegend zur Zwischenkreisinduktivität Lc verbunden ist.
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Die Treiberschaltung weist ferner einen Verpolschutz VS in Form eines Transistors TRPGND auf. Dieser ist zwischen dem Verbindungsknoten und einem zweiten Lastanschluss L2 verschaltet. Der zweite Lastanschluss L2 ist wiederum unmittelbar mit einem Masseanschluss AM verbunden.
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Zwischen den beiden Lastanschlüssen L1, L2 ist ein Elektromotor M angeschlossen, welcher eine induktive Last darstellt, welche mittels der Treiberschaltung angesteuert werden soll.
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Die Treiberschaltung weist ferner eine Steuerungseinrichtung CL auf, welche über einen Versorgungsanschluss (supply) und einen Masseanschluss mit ihrer notwendigen Betriebsspannung versorgt wird. Wie gezeigt ist die Steuerungseinrichtung CL zum Schalten der beiden Endstufentransistoren TPD, TFW der Endstufe ES mit diesen verbunden. Dadurch kann eine übliche Pulsweitenmodulation mit einem Tastverhältnis als Parameter d realisiert werden, wobei typischerweise immer nur einer der beiden Endstufentransistoren TPD, TFW der Endstufe ES eingeschaltet und der jeweils andere ausgeschaltet ist. Die dabei typischerweise fließenden effektiven Ströme sind in ihrem Verhältnis zum eingezeichneten Motorstrom IMot ebenfalls eingezeichnet, und zwar als Strom IPD,eff durch den ersten Endstufentransistor TPD der Endstufe ES, als Strom IFW,eff durch den zweiten Endstufentransistor TFW der Endstufe ES, sowie als Strom IRPGND durch den Verpolschutz VS. Ein durch den Filterkondensator Cc fließender Strom ICC,eff ist ebenfalls eingezeichnet. Bei diesen genannten Strömen handelt es sich jeweils um effektive Ströme, deren jeweiliger typischer Wert in Abhängigkeit vom Motorstrom IMot und dem Parameter d angegeben ist.
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Die Steuerungseinrichtung CL ist ferner dazu ausgebildet, eine Spannung am ersten Lastanschluss L1 zu messen, und zwar über einen Eingang UGPD. Sie ist auch dazu ausgebildet, eine Spannung am Verbindungsknoten V zu messen, und zwar über einen Eingang UGFW. Dadurch kann die Steuerungseinrichtung CL in vorteilhafter Weise die Spannung am Verbindungsknoten V überwachen.
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Durch die beschriebenen Überwachungsmechanismen ist es möglich, eine eventuelle Verpolung zu erkennen, welche sich in einer Vertauschung der erwarteten Spannungen des Versorgungsspannungsanschlusses AV und des Masseanschlusses AM äußern würde. Anders ausgedrückt würde am Masseanschluss AM das höhere Potential anliegen. Dies kann von der Steuerungseinrichtung CL erkannt werden. Die Steuerungseinrichtung CL ist ferner über einen Ausgang UGRP mit dem Verpolschutz VS verbunden, um diesen leitend oder nichtleitend zu schalten. Im Normalbetrieb ist der Verpolschutz VS leitend geschaltet. Wird jedoch eine Verpolung erkannt, so würde die Steuerungseinrichtung CL den Transistor TRPGND des Verpolschutzes VS nichtleitend schalten, so dass die Endstufe ES und der Filterkondensator Cc geschützt sind.
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Durch diese Ausführung können günstige Komponenten verwendet werden, da nicht der gesamte Laststrom des Motors M durch den Verpolschutz VS fließen muss. Außerdem kann damit Leiterplattenfläche eingespart werden, insbesondere im Vergleich zu bekannten Ausführungen.
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2 zeigt einen typischen Verlauf der von der Steuerungseinrichtung CL gemessenen Signale UGPD und UGFW sowie des Signals UGRP, welches zur Steuerung des Verpolschutzes VS verwendet wird.
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Wie gezeigt ist der Verpolschutz VS über eine längere Zeitperiode eingeschaltet. Dabei verhalten sich die Spannungen UGPD, UGFW gerade komplementär zueinander, wobei eine typische Pulsweitenmodulation mit An-Zeitraum Ton (Tan) und Aus-Zeitraum Toff (Taus) realisiert ist.
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3 zeigt in vereinfachter Darstellung die Treiberschaltung von 1 mit einem eingezeichneten Stromfluss (gestrichelte Linie) in dem Fall, dass der erste Endstufentransistor TPD der Endstufe ES angeschaltet ist und der zweite Endstufentransistor TFW der Endstufe ES ausgeschaltet ist. Der Strom fließt dabei vom Filterkondensator Cc ausgehend durch den ersten Endstufentransistor TPD der Endstufe ES, durch den Motor M, durch den Verpolschutz VS und schließlich wieder zurück zum Filterkondensator Cc. Ein Klemmenstrom iKL30 bleibt dabei ungefähr konstant.
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4 zeigt den Fall, in welchem der erste Endstufentransistor TPD der Endstufe ES ausgeschaltet ist und der zweite Endstufentransistor TFW der Endstufe ES angeschaltet ist. In diesem Fall fließt der Laststrom iMot lediglich durch den Motor M sowie durch den Verpolschutz VS und den zweiten Endstufentransistor TFW der Endstufe ES. Auch hierbei wird ein konstanter Klemmenstrom iKL30 erreicht.
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Wie gezeigt kann somit durch die erfindungsgemäße Treiberschaltung in üblicher Weise eine pulsweitenmodulationsbasierte Ansteuerung des Motors M erreicht werden, wobei die erfindungsgemäße Realisierung des Verpolschutzes VS zu den bereits erwähnten Vorteilen führt.
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Es sei darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und in der Beschreibung Merkmale in Kombination beschrieben sein können, beispielsweise um das Verständnis zu erleichtern, obwohl diese auch separat voneinander verwendet werden können. Der Fachmann erkennt, dass solche Merkmale auch unabhängig voneinander mit anderen Merkmalen oder Merkmalskombinationen kombiniert werden können.
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Rückbezüge in Unteransprüchen können bevorzugte Kombinationen der jeweiligen Merkmale kennzeichnen, schließen jedoch andere Merkmalskombinationen nicht aus.
