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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer induktiven Last.
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Zur Ansteuerung induktiver Lasten,
wie beispielsweise Motoren, Relais oder Ventilen, ist es hinlänglich bekannt,
die Last in Reihe zu einem Halbleiterschalter, insbesondere einem
Leistungs-MOSFET, an eine Versorgungsspannung anzuschließen und den
Schalter nach Maßgabe
des Ansteuersignals leitend oder sperrend anzusteuern, um dadurch
die Last ein- oder auszuschalten.
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4 zeigt
eine solche Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer induktiven Last
L10 mittels eines Leistungs-MOSFET T10, dessen Drain-Source-Strecke
in Reihe zu der Last L10 an eine Versorgungsspannung US10 angeschlossen
ist. Leitet der Transistor T10, wozu ein geeignetes Ansteuersignal
S10 an dessen Gate-Anschluss angelegt wird, so fließt ein Strom über die
Last L10, der über
der Zeit ansteigt. Dabei wird Energie in der induktiven Last L10,
die in dem Beispiel aus Gründen der
Einfachheit lediglich als induktives Bauelement dargestellt ist,
gespeichert. Für
die in dem induktiven Bauelement L10 gespeicherte Energie Em, die
von dem momentanen Strom durch das induktive Bauelement L10 abhängig ist,
gilt: Ein = 1/2·L·I2 wobei L der Induktivitätswert des Bauelementes und
I der momentane Strom ist.
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Diese in dem induktiven Bauelemente
L10 gespeicherte Energie muss beim Sperren des Halbleiterschalters
T10 abgegeben werden. Bei leitendem Transistor T10 entspricht die über dem
induktiven Bauelement L10 anliegende Spannung UL10 annäherungsweise
der Versorgungsspannung US10, gegenüber der die über dem
Leistungstransistor T10 anliegende Spannung UD10 üblicherweise
gering ist. Würde
der Leistungstransistor T10 ohne weitere zusätzliche Maßnahmen gesperrt werden, so
würde aus
der in dem induktiven Bauelement L10 gespeicherten Energie ein so
großer
Spannungsanstieg der Spannung UD10 über dem Leistungstransistor
T10 resultieren, dass dieser zerstört würde.
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Um dies zu verhindern, ist es bekannt,
eine Reihenschaltung mit wenigstens einer Zenerdiode Z10 und einer
Diode D10 zwischen die induktive Last L10 und den Steueranschluss
G des Leistungstransistors T10 zu schalten. Bei leitendem Transistor T10,
wenn der dem induktiven Bauelement L10 und dem Transistor T10 gemeinsame
Knoten annähernd auf
Bezugspotential GND liegt, sperrt die Zenerdiode Z10. Steigt bei
sperrendem Transistor T10 das Potential an diesem gemeinsamen Knoten
auf einen Wert an, der um den Wert der Durchbruchspannung der Zenerdiode
Z10 plus der Flussspannung der Diode D10 oberhalb des Potentials
des Ansteueranschlusses liegt, so wird der Transistor T10 leitend
angesteuert und die in dem induktiven Bauelement L10 gespeicherte
Energie kann über
den Transistor T10 abfließen.
Der Transistor bleibt dabei solange leitend, bis die an dem gemeinsamen
Knoten von Bauelement L10 und Transistor T10 anliegende Spannung unter
den Wert der Durchbruchspannung der Zenerdiode Z10 bzw. einer Zenerdiodenkette
abgesunken ist. Eine solche in 4 dargestellte
Schaltungsanordnung ist beispielsweise in den Leistungs-ICs des Typs
TLE 6220, TLE 6230, TLE 6240 GP der Infineon Technologies AG realisiert.
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Bei der bekannten Schaltungsanordnung
ist die beim Abfließen
der Energie aus dem induktiven Bauelement L10 in dem Leistungstransistor
T10 in wärme
umgesetzte Energie größer als
die in dem induktiven Bauelement L10 abgespeicherte Energie. Die
in Wärme
umgesetzte Energie resultiert aus dem Integral des Produktes der über dem
Transistor anliegenden Spannung UD10 und dem durch den Transistor
fließenden
Strom. Dabei entspricht die über dem
Transistor anliegende Spannung UD10 der Summe aus der durch das
induktive Bauelement L10 indu zierten Spannung und der Versorgungsspannung
US10. Die Versorgungsspannung US10 trägt dabei zu einem in Wärme umgesetzten
Energieanteil bei, der über
den in dem induktiven Bauelement L10 gespeicherten Energie hinausgeht.
Da der Transistor so ausgelegt sein muss, dass bei der maximalen
in Wärme
umgesetzten Energie dessen maximale Betriebstemperatur nicht überschritten
wird, und da diese Betriebstemperatur bei einer gegebenen in Wärme umgesetzten
Energie von der Transistorfläche abhängig ist,
ist bei bekannten derartigen Schaltungen eine Transistorfläche erforderlich,
die über
die Fläche
hinausgeht, die allein aufgrund der in dem induktiven L10 gespeicherten
Energie erforderlich wäre.
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Aus Guido Nopper: "Energierückgewinnung aus
Induktivitäten",
Elektronik 1985, Nr. 9, Seiten 91 bis 93, ist eine Schaltungsanordnung
mit einer Induktivität
und einem in Reihe zu. der Induktivität geschalteten Schalter bekannt,
bei der parallel zu der Induktivität eine Freilaufschaltung mit
einer Diode und einer Zenerdiode geschaltet ist, die so gegeneinander geschaltet
sind, dass entweder die Diode oder die Zenerdiode in Flussrichtung
betrieben werden.
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Die
DE 40 18 320 A1 beschreibt eine Reihenschaltung
eines Magnetventils und eines Leistungstransistors, wobei parallel
zu dem Magnetventil eine Reihenschaltung eines pnp-Bipolartransistors, einer
Diode und eines veränderlichen
Widerstandes geschaltet ist. Zur Ansteuerung des pnp-Bipolartransistors
ist eine Schaltungsanordnung vorgesehen, die eine Parallelschaltung
einer Zenerdiode, eines Widerstandes und eines Kondensators aufweist,
wobei diese Parallelschaltung an einer Seite an den Basisanschluss
des Bipolartransistors angeschlossen ist und auf der anderen Seite über einen
MOSFET und, einen Widerstand an Bezugspotential gekoppelt ist. Außerdem ist
der der Parallelschaltung und dem MOSFET gemeinsame Anschluss über einen
Widerstand an den Kollektoranschluss des Bipolartransistors angeschlossen.
Der über
den MOSFET und die Parallelschaltung der Zenerdiode, des Wider standes und
des Kondensators angesteuerte Bipolartransistor dient zur Einstellung
des Abschaltverhaltens des Magnetventils.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist
es, eineSchaltungsanordnung zur Ansteuerung einer induktiven Last
zur Verfügung
zu stellen, bei der die Chipfläche
eines in Reihe zu der induktiven Last geschalteten Halbleiterschalters
gegenüber
bekannten Ansteuerschaltungen reduziert werden kann, ohne die Zuverlässigkeit
der Ansteuerschaltung zu verringern.
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Dieses Ziel wird durch eine Schaltungsanordnung
gemäß den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des
Unteranspruchs.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur
Ansteuerung einer induktiven Last umfasst einen ersten Halbleiterschalter
mit einem Ansteueranschluss und einer Laststrecke, sowie eine an
die Laststrecke des Halbleiterschalters gekoppelte erste Anschlussklemme
und eine zweite Anschlussklemme, wobei die Anschlussklemmen zum
Anschließen der
in Reihe zu der Laststrecke des Halbleiterschalters geschalteten
induktiven Last dienen. Erfindungsgemäß ist zwischen die erste und
zweite Anschlussklemme eine Freilaufschaltung geschaltet.
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Diese Freilaufschaltung, ist derart
ausgebildet, dass sie bei leitend angesteuertem Halbleiterschalter
keinen Strom aufnimmt und bei sperrendem Halbleiterschalter, nachdem
das in duktive Bauelement Energie aufgenommen hat, Strom aufnimmt, um
die in dem induktiven Bauelement gespeicherte Energie in Wärme umzusetzen.
Während
dieses Vorganges fließt
ausschließlich
ein Strom durch die Freilaufschaltung, der aus der in dem induktiven
Bauelement gespeicherten Energie resultiert, so dass nur die in
dem induktiven Bauelement gespeicherte Energie in Wärme umgesetzt
wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
entsteht in dem erfindungsgemäßen Halbleiterschalter
keine Verlustleistung, so dass dieser entsprechend kleiner dimensioniert
sein kann. Stattdessen wird die Energie in der Freilaufschaltung,
die vorzugsweise in dem selben Chip wie der Halbleiterschalter realisiert
ist, in Wärme
umgesetzt. Aufgrund der gegenüber
bekannten Schaltungsanordnungen geringeren in Wärme umgesetzten Energie ist
die für den
Halbleiterschalter und die Freilaufschaltung erforderliche Chipfläche dennoch
kleiner als bei herkömmlichen
Ansteuerschaltungen.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Freilaufschaltung eine Diode und wenigstens eine Zenerdiode
aufweist, die in Reihe und so gegeneinander verschaltet sind, dass
entweder die Diode oder die wenigstens eine Zenerdiode bei Anliegen
einer Spannung über
der Freilaufschaltung in Flussrichtung betrieben wird. Die Diode und
die wenigstens eine Zenerdiode können
dabei in Reihe zwischen die Anschlussklemmen geschaltet sein. Die
wenigstens eine Zenerdiode kann dazu dienen, einen Halbleiterschalter
anzusteuern, dessen Laststrecke in Reihe zu der Diode zwischen die
Anschlussklemmen geschaltet ist, wobei die Zenerdiode an den Ansteueranschluss
des Transistors angeschlossen ist.
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Bei einer weiteren Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Freilaufschaltung eine Reihenschaltung
mit einer Diode und einem Widerstand umfasst, die zwischen die Anschlussklemmen
geschaltet sind.
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Bei allen Ausführungsformen ist die Diode
so verschaltet, dass sie bei leitend angesteuertem, in Reihe zu
der induktiven Last geschalteten Halbleiterschalter eine Stromaufnahme
der Freilaufschaltung verhindert.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in
Ausführungsbeispielen
anhand von Figuren näher erläutert. In
den Figuren zeigt
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer induktiven Last,
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2 ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
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3 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer Schaltungsanordnung,
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4 eine
Ansteuerschaltung zur Ansteuerung einer induktiven Last gemäß dem Stand
der Technik.
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In den Figuren bezeichnen, sofern
nichtsanderes angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit
gleicher Bedeutung.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel einer
Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer induktiven Last. Die Schaltungsanordnung
umfasst einen Halbleiterschalter T1, der dem Ausführungsbeispiel
als n-Kanal-Leistungs-MOSFET
ausgebildet ist, der einen einen Ansteueranschluss bildenden Gate-Anschluss
und eine eine Laststrecke bildende Drain-Source-Strecke aufweist.
Die Schaltungsanordnung umfasst weiterhin eine erste und eine zweite Anschlussklemme
K1, K2, die so ausgebildet sind, dass dazwischen eine induktive
Last L in Reihe zu der Drain-Source-Strecke D-S des Leistungstransistors
T1 geschaltet werden kann. In dem Aus führungsbeispiel ist die erste
Anschlussklemme K1 an den Drain-Anschluss D des MOSFET T1 und die zweite
Anschlussklemme K2 ist an eine Klemme für ein positives Versorgungspotential
angeschlossen. Der Source-Anschluss S des Transistors T1 liegt an einer
Klemme für
Bezugspotential GND oder negatives Versorgungspotential. Der MOSFET
T1 leitet oder sperrt in hinlänglich
bekannter Weise nach Maßgabe
eines an dessen Gate-Anschluss G anliegenden Ansteuersignals S1,
wobei der dargestellte n-Kanal-MOSFET T1 leitet, wenn dieses Ansteuersignal S1
eine positive Spannung gegen Bezugspotential GND ist.
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Die Ansteuerschaltung umfasst weiterhin eine
zwischen die Anschlussklemmen K1, K2 geschaltete Freilaufschaltung 10,
die in dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 eine Reihenschaltung mit
einer Diode D1 und zwei Zenerdioden Z10, Zn umfasst. Die Punkte
zwischen den Zenerdioden Z1 und Zn deuten an, dass abhängig von
der gewünschten
Gesamt-Durchbruchspannung der Zenerdiodenkette eine beliebige Anzahl
von Zenerdioden in der Freilaufschaltung 10 in Reihe geschaltet
werden können.
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Ist ein induktives Bauelement L zwischen
die Anschlussklemmen K1, K2 geschaltet und der Transistor T1 leitend
angesteuert, so fließt
ein Laststrom IL durch die Last L und den Transistor T1, wobei das induktive
Bauelement L Energie aufnimmt. Die über dem induktiven Bauelement
L anliegende Spannung UL entspricht annäherungsweise der zwischen der Klemme
für positives
Versorgungspotential und Bezugspotential GND anliegenden Versorgungsspannung
US. Diese Versorgungsspannung US entspricht bei Anwendungen in Automobilen
in etwa der Bordbatteriespannung, die entweder 12 V oder 42 V beträgt. Die über dem
Transistor T1 anliegende Spannung UDS beträgt bei leitendem Transistor üblicherweise
weniger als 1 V und ist deshalb gegenüber der über der Last L anliegenden
Spannung vernachlässigbar.
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Die Diode D1 der Freilaufschaltung 10 verhindert,
dass bei leitend angesteuertem Transistor T1 ein Strom parallel
zu der Last L fließt.
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Sperrt der Transistor T1, nachdem
die induktive Last L Energie aufgenommen hat, so steigt das Potential
aufgrund der in dem induktiven Bauelement L gespeicherten Energie
an der ersten Anschlussklemme K1 so weit an, bis dieses Potential
um den Wert der Durchbruchspannung der Zenerdiodenkette plus der
Flussspannung der Diode D1 über
dem positiven Versorgungspotential US liegt. Die Freilaufschaltung
leitet dann, um die in dem induktiven Bauelement L gespeicherte
Energie in Wärme
umzusetzen, wobei die Freilaufschaltung 10 so lange leitet, bis
so viel Energie aus dem induktiven Bauelement L abgeflossen ist,
dass das Potential an dem Knoten K1 um einen Wert oberhalb des positiven
Versorgungspotential US liegt, der geringer als die Summe der Durchbruchspannungen,
der Zenerdioden Z1, Zn und der Durchlassspannung der Diode D1 ist.
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Bei dem Halbleiterbauelement wird
nur die in dem induktiven Bauelement L gespeicherte Energie, bzw.
ein Großteil
dieser Energie, in der Freilaufschaltung 10 in Wärme umgesetzt.
Vorzugsweise ist die Freilaufschaltung 10 mit den Zenerdioden
Z1, Zn und der Diode D1 und der Leistungstransistor T1 in einem gemeinsamen
Halbleiterkörper
integriert, wobei die Zenerdioden Z1, Zn und die Diode D1 flächenmäßig so dimensioniert
sind, dass bei der maximal möglichen
Energie, die in Wärme
umgesetzt werden muss, die maximal zulässige Chiptemperatur nicht
erreicht wird.
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Da bei der Schaltungsanordnung kein
Energieanteil in Wärme
umgesetzt werden muss, der unmittelbar aus der Versorgungsspannung
US resultiert, ist der Platzbedarf auf dem Chip für die Schaltungsanordnung
mit dem Transistor T1 und der Freilaufschaltung 10 gegenüber herkömmlichen
Steuerschaltungen für
induktive Lasten reduziert. Bei einer angenommenen Versorgungsspannung
von 12 V, der derzeitigen Bord netzspannung in Automobilen, und einer
angenommenen Durchbruchspannung der Freilaufschaltung zwischen 30
V und 70 V wird gegenüber
herkömmlichen
Ansteuerschaltungen 15% bis 30% weniger Verlustleistung in Wärme umgesetzt.
Bei einer zukünftigen
Bordnetzspannung in Automobilen von 42 V wird sich eine Einsparung
zwischen 40% und 60%, gegenüber
herkömmlichen Schaltungen
ergeben. Die Ersparnis an Chipfläche ist
in etwa proportional zu der eingesparten Verlustleistung, so dass
die Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltung
in einer deutlichen Reduzierung der Chipfläche bestehen.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
zur Ansteuerung einer induktiven Last mit einer Freilaufschaltung 10.
Die Freilaufschaltung gemäß 2 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten dadurch, dass
in der Freilaufschaltung 10 ein zweiter Halbleiterschalter
T2 vorhanden ist, der in dem Beispiel ebenfalls als n-Kanal-MOSFET ausgebildet
ist, und dessen Drain-Source-Strecke in Reihe zu der Diode D1 zwischen
die Anschlussklemmen K1, K2 geschaltet ist. Der Transistor T2 ist
durch die Diode Dl und die Zenerdioden Z1, Zn, von denen in 2 wiederum lediglich zwei dargestellt
sind, angesteuert. Dazu sind die Zenerdioden Z1, Zn zwischen den
Drain-Anschluss D und den Gate-Anschluss
G des Transistors T2 geschaltet, wobei zwischen dessen Gate-Anschluss
G und dessen Source-Anschluss S zusätzlich ein Widerstand R1 geschaltet
ist.
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Steigt bei der Schaltungsanordnung
gemäß 2 nach dem Sperren des ersten MOSFET T1 das
Potential an der ersten Anschlussklemme K1 soweit an, dass es um
den Wert der Summe der Durchbruchspannungen der Zenerdioden Z1,
Zn und der Durchlassspannung der Diode D1 über dem positiven Versorgungspotential
US liegt, so wird der zweite Transistor T2 leitend angesteuert,
um den Strom des induktiven Bauelements L zu übernehmen. Der Großteil der
Verlustleistung fällt
bei dieser Ausführungsform
der Freilaufschaltung 10 in dem zweiten Transistor T2 an,
der so dimensioniert ist, dass bei der maximalen Verlustleistung
die maximal zulässige Chiptemperatur
nicht erreicht wird. Die Zenerdioden Z1, Zn, die lediglich zur Ansteuerung
des Transistors T2 dienen, können
gegenüber
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 entsprechend klein dimensioniert werden.
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3 zeigt
eine Ansteuerschaltung für
eine induktive Last mit einem weiteren Ausführungsbeispiel einer Freilaufschaltung,
wobei die dargestellte Freilaufschaltung eine Reihenschaltung einer
Diode D1 und eines Widerstandes R aufweist, die zwischen die Anschlussklemmen
K1, K2 geschaltet sind.
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Die Diode D1 verhindert, wie auch
bei den Schaltungsanordnungen gemäß der 1 und 2, dass
bei leitend angesteuertem ersten MOSFET T1 ein Strom durch die Freilaufschaltung
zwischen der zweiten Anschlussklemme K2 und der ersten Anschlussklemme
K1 fließt.
Im Freilauffall, wenn der erste Transistor T1 sperrt, und das Potential
an der ersten Anschlussklemme K1 ansteigt, fließt sein Strom über die
Freilaufschaltung von der ersten Anschlussklemme K1 an die zweite
Anschlussklemme K2, wobei die in dem induktiven Bauelement L gespeicherte
Energie in dem Widerstand R in Wärme umgesetzt
wird.
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- L
- induktive
Last
- K1,
K2
- Anschlussklemmen
- T1
- erster
Halbleiterschalter
- T2
- zweiter
Halbleiterschalter
- G
- Gate-Anschluss
- D
- Drain-Anschluss
- S
- Source-Anschluss
- S1
- Ansteuersignal
- GND
- Bezugspotential
- US
- Versorgungspotential,
Versorgungsspannung
- 10
- Freilaufschaltung
- D1
- Diode
- Z1,
Zn
- Zenerdioden
- UDS
- Spannung über der
ersten Halbleiterschaltung
- UL
- Spannung über dem
induktiven Bauelement
- Z10
- Zenerdiode
- D10
- Diode
- S10
- Ansteuersignal
- T10
- Halbleiterschalter
- L10
- induktives
Bauelement
- UL10,
UD10
- Spannungen
- US10
- Versorgungspotential