DE19506074A1 - Schaltungsanordnung zum Schutz der elektrischen Verbraucher eines Kraftfahrzeugs vor unzulässigen negativen Spannungen auf dem Bordnetz - Google Patents

Schaltungsanordnung zum Schutz der elektrischen Verbraucher eines Kraftfahrzeugs vor unzulässigen negativen Spannungen auf dem Bordnetz

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Description

In Kraftfahrzeugen treten unter Umständen unzulässige negative Spannun­ gen auf dessen Bordnetz auf - in besondere beim Verpolen der Kraftfahr­ zeug-Batterie (falsches Anschließen der Batterieanschlüsse) oder infolge von durch Schalten von induktiven Verbrauchern hervorgerufenen Spannungs­ spitzen (bis 300 V). Hierdurch können die ans Bordnetz angeschlossenen elek­ trischen Verbraucher, beispielsweise das Motorsteuergerät oder der zentrale Bordrechner, geschädigt oder betriebsunfähig werden.
Um die elektrischen Verbraucher des Kraftfahrzeugs vor unzulässigen negativen Spannungen zu schützen, wird üblicherweise zwischen dem Plus-Pol der Kraftfahrzeug-Bat­ terie (Klemme 30, Klemme 15) und dem jeweiligen Verbraucher als Verpol­ schutz eine Diode in Durchlaßrichtung angeordnet, die im Falle negativer Spannungen den Stromfluß zum Verbraucher hin sperrt.
Nachteilig hierbei ist, daß einerseits bei hohen Stromstärken auf dem Bord­ netz aufgrund des Spannungsabfalls über der Diode (beispielsweise 1,5 V) eine große Verlustleistung gegeben ist, und daß andererseits aufgrund der Ventilwirkung der Diode keine Rückspeisung des Abschaltstroms induktiver Lasten in das Bordnetz erfolgen kann und daher die in der induktiven Last gespeicherte Energie im elektronischen Steuergerät vernichtet werden muß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Schaltungsanord­ nung zum Schutz der elektrischen Verbraucher eines Kraftfahrzeugs vor un­ zulässigen negativen Spannungen auf dem Bordnetz anzugeben, die die ge­ nannten Nachteile vermeidet und die eine wirksame Schutzfunktion ge­ währleistet.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Patentan­ spruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.
Bei der vorgestellten Schaltungsanordnung wird der mit seiner Source-Elek­ trode an den Schaltungseingang (dieser ist mit der Klemme 15 bzw. Klemme 30 des Bordnetzes verbunden) und mit seiner Drain-Elektrode an den Schal­ tungsausgang (dieser ist mit der Leitung für die Versorgungsspannung der Verbraucher verbunden) angeschlossene und daher invers betriebene MOSFET-Leistungstransistor mit niederohmigem Eingangswiderstand
  • - bei normalen Spannungsverhältnissen an den Versorgungsleitungen des elektrischen Verbrauchers (die Spannung an der Source des MOSFET-Leistungstransistors ist positiv und entspricht der Spannung des Bordnetzes von beispielsweise 12 V oder 24 V) leitend und verbin­ det den oder die angeschlossenen elektrischen Verbraucher mit dem Bordnetz
  • - bei unzulässigen Spannungsverhältnissen an den Versorgungsleistun­ gen des elektrischen Verbrauchers (die Spannung an der Source des MOSFET-Leistungstransistors ist negativ, beispielsweise infolge dynamischer oder statischer Verpolung) gesperrt und trennt den oder die angeschlossenen elektrischen Verbraucher vom Bordnetz.
Zur Ansteuerung des vorzugsweise als N-Kanal-MOSFET ausgebildeten MOSFET-Leistungstransistors ist ein spannungsgesteuertes Schaltelement vorgesehen, dessen Schaltstrecke die Source-Elektrode des MOSFET-Lei­ stungstransistors mit der Gate-Elektrode des MOSFET-Leistungstransistors verbindet und dessen Steueranschluß mit dem Schaltungseingang verbun­ den ist; die Schaltstrecke des spannungsgesteuerten Schaltelements (vor­ zugsweise ein bipolarer Schalttransistor) wird bei negativen Eingangsspan­ nungen geschlossen und so die Gate-Elektrode mit der Source-Elektrode kurzgeschlossen, wodurch der MOSFET-Leistungstransistor gesperrt und der (die) am Schaltungsausgang angeschlossene(n) elektrische(n) Verbraucher vom Bordnetz abgetrennt wird (werden). An die Gate-Elektrode des MOSFET- Leistungstransistors ist ein Ansteuerwiderstand angeschlossen, der mit einer externen Spannungsquelle verbunden ist, die eine gegenüber der Versor­ gungsspannung der elektrischen Verbraucher des Kraftfahrzeugs erhöhte Ansteuerspannung zur Ansteuerung des MOSFET-Leistungstransistors zur Ver­ fügung stellt (beispielsweise muß eine gegenüber der Versorgungsspannung der elektrischen Verbraucher um 5 bis 10 V erhöhte Ansteuerspannung be­ reitgestellt werden).
Optional kann die Schaltungsanordnung - insbesondere bei einer Ausbildung des spannungsgesteuerten Schaltelements als bipolaren Schalttransistor - noch zwei Begrenzungswiderstände, zwei Begrenzungsdioden und zwei Schutzschaltungen für den MOSFET-Leistungstransistor aufweisen: die bei­ den Begrenzungswiderstände dienen zur Strombegrenzung am Steueran­ schluß und an der Schaltstrecke des spannungsgesteuerten Schaltelements, insbesondere bei einem Bipolar-Schalttransistor der an der Basis-Elektrode gegen Bezugspotential angeschlossene zweite Begrenzungswiderstand zur Begrenzung des Basisstromes und der zwischen der Kollektor-Elektrode und der Gate-Elektrode des MOSFET-Leistungstransistors angeschlossene erste Be­ grenzungswiderstand zur Begrenzung des Einschaltstroms bei der Aktivie­ rung der Schaltungsanordnung; die zwischen dem Schaltungseingang und dem Steueranschluß (Basis-Elektrode) des Schaltelements (Bipolar-Schalttran­ sistors) angeschlossene erste Begrenzungsdiode dient zum Schutz des span­ nungsgesteuerten Schaltelements (Bipolar-Schalttransistors) vor unzulässi­ gen Spannungen; die zwischen dem Steueranschluß (Basis-Elektrode des Bi­ polar-Schalttransistors) und dem zweiten Begrenzungswiderstand ange­ schlossene zweite Begrenzungsdiode dient zur Reduzierung der Ruhestrom­ aufnahme der Schaltungsanordnung. Die beispielsweise aus einer ersten Zenerdiode und einer Schutzdiode bestehende erste Schutzschaltung ver­ bindet die Gate-Elektrode des MOSFET-Leistungstransistors mit dessen Drain- Elektrode und dient zum Schutz des MOSFET-Leistungstransistors vor unzu­ lässigen Spannungen zwischen der Drain-Elektrode und der Source-Elektrode beim Auftreten großer negativer Spannungen an der Source-Elektrode ge­ genüber dem Bezugspotential; die beispielsweise aus einer zweiten Zener­ diode bestehende zweite Schutzschaltung verbindet die Gate-Elektrode des MOSFET-Leistungstransistors mit der Source-Elektrode des MOSFET-Leistungs­ transistors und dient zum Schutz des MOSFET-Leistungstransistors vor zu hohen Spannungen zwischen der Gate-Elektrode und der Source-Elektrode beim Einschaltvorgang.
Für jeden elektrischen Verbraucher des Kraftfahrzeugs kann eine eigene der­ artige Schaltungsanordnung vorgesehen oder mehreren Verbrauchern eine gemeinsame Schaltungsanordnung zugeordnet werden. Die Trennung der Verbraucher vom Bordnetz erfolgt so lange, wie die unzulässigen negativen Spannungen auf dem Bordnetz bestehen - d. h. bei statischer Verpolung so lange, bis eine korrekte Polung der Kraftfahrzeug-Batterie vorgenommen wurde, bei dynamischer Verpolung oder Spannungsspitzen so lange, bis wie­ der "normale", d. h. zulässige Spannungsverhältnisse auf dem Bordnetz vor­ handen sind.
Vorteilhafterweise ist bei der beschriebenen Schaltungsanordnung ein schnelles und sicheres Abschalten der angeschlossenen elektrischen Verbrau­ cher und damit ein effizienter Schutz dieser Verbraucher möglich; zudem kann die Schutzfunktion mit einem geringen Aufwand an Bauelementen, verbunden mit einem geringen Platzbedarf und Kostenaufwand realisiert werden.
Weiterhin soll der Aufbau und die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung anhand der Zeichnung näher beschrieben werden; die Fig. 1 zeigt dabei ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung, die Fig. 2 ein Zeitdia­ gramm der Spannungsverhältnisse zur Erläuterung der Schutzfunktion.
Gemäß der Fig. 1 besteht die Schaltungsanordnung SA aus einem N-Kanal- MOSFET-Leistungstransistor T1, dessen Source-Elektrode S mit dem Schal­ tungseingang IN und dessen Drain-Elektrode D mit dem Schaltungsausgang OUT verbunden ist; der Schaltungseingang IN der Schaltungsanordnung SA ist mit der Plus-Pol (z. B. Klemme Kl. 30 oder Klemme Kl. 15) der Batterie ver­ bunden, an der die Batteriespannung UBat anliegt, der Schaltungsausgang OUT ist mit der Leitung für die Versorgungsspannung US des angeschlosse­ nen elektrischen Verbrauchers V verbunden (beispielsweise das Motorsteuer­ gerät). Weiterhin ist ein mit der externen Spannungsquelle SQ verbundener Eingang E der Schaltungsanordnung SA vorgesehen, an der die von der Spannungsquelle SQ gelieferte Ansteuerspannung UA anliegt, die über den Ansteuerwiderstand R1 der Gate-Elektrode G des MOSFET-Leistungs­ transistors T1 zugeführt wird; beispielsweise beträgt die Spannungsdifferenz zwischen der Ansteuerspannung UA und der an der Drain-Elektrode D des MOSFET-Leistungstransistors T1 anliegenden Versorgungsspannung US 10 V, d. h. bei einer Versorgungsspannung US von 12 V wird eine Ansteuerspan­ nung UA von 22 V bereitgestellt. Zur Ansteuerung des MOSFET-Leistungstran­ sistors T1 ist als spannungsgesteuertes Schaltelement T2 ein NPN-Bipolar- Schalttransistor vorgesehen, dessen Emitter-Elektrode E mit der Source-Elek­ trode S des MOSFET-Leistungstransistors T1 und dessen Kollektor-Elektrode C mit der Gate-Elektrode G des MOSFET-Leistungstransistors verbunden ist; zwi­ schen Kollektor-Elektrode C des Schalttransistors T2 und Gate-Elektrode G des MOSFET-Leistungstransistors T1 ist ein erster Begrenzungswiderstand R2 vor­ gesehen, der zur Begrenzung des als Folge des Entladens der Gate-Source-Ka­ pazität des MOSFET-Leistungstransistors T1 bei der Aktivierung der Schal­ tungsanordnung SA entstehenden Einschaltstromstoßes dient. Die Basis-Elek­ trode B des Schalttransistors T2 ist über die erste Begrenzungsdiode D1 mit dem Schaltungseingang IN verbunden; die erste Begrenzungsdiode D1 ver­ hindert eine zu große negative Basis-Emitter-Spannung am Bipolar-Schalt­ transistor T2. Weiterhin ist an die Basis-Elektrode B des Bipolar-Schalttransi­ stors T2 eine zweite Begrenzungsdiode D2 sowie ein zweiter Begrenzungswi­ derstand R3 gegen Bezugspotential angeschlossen; durch die zweite Begren­ zungsdiode D2 kann die Ruhestromaufnahme aus der Kraftfahrzeug-Batterie (UBat) gering gehalten werden (dies ist beispielsweise beim Anschluß des Schaltungseingangs IN an eine ungeschaltete Batterieversorgung (Klemme Kl. 30) erforderlich), durch den zweiten Begrenzungswiderstand R3 wird der Basis-Emitter-Strom des Schalttransistors T2 begrenzt. Die aus der ersten Zenerdiode ZD1, und der Schutzdiode D3 bestehende erste Schutzschaltung und die aus der zweiten Zenerdiode ZD2 bestehende zweite Schutzschal­ tung dienen zum Schutz des MOSFET-Leistungstransistors T1 vor Überspan­ nungen; hierzu ist die zweite Zenerdiode ZD2 zwischen der Source-Elektrode S und der Gate-Elektrode G des MOSFET-Leistungstransistors T1 und die Schutzdiode D3 sowie die erste Zenerdiode ZD1 zwischen der Gate-Elektrode G und der Drain-Elektrode D des MOSFET-Leistungstransistors T1 angeschlos­ sen.
Im Normalfall ist die Batteriespannung UBat (beispielsweise 12 V) positiv ge­ genüber Bezugspotential (beispielsweise beträgt das Bezugspotential OV):
beim Einschaltvorgang, d. h. wenn die erhöhte Ansteuerspannung UA (noch) nicht zur Verfügung steht, wird die Batteriespannung UBat - vermindert um eine Diodenflußspannung (ca. 0,8-1,5 V) der internen Body-Diode zwischen Source-Elektrode S und Drain-Elektrode D des MOSFET-Leistungstransistors T1 - den am Schaltungsausgang OUT angeschlossenen Verbrauchern V bereits zur Verfügung gestellt; beim Aktivieren der Schaltungsanordnung SA ist der NPN-Schalttransistor T2 gesperrt, an der Gate-Elektrode G des MOSFET-Lei­ stungstransistors T1 liegt über den Ansteuerwiderstand R1 eine Ansteuer­ spannung UA von beispielsweise 22 V an - der MOSFET-Leistungstransistor T1 ist leitend und niederohmig zwischen Drain-Elektrode D und Source-Elektro­ de S (inverser Betrieb).
Bei einer Verpolung der Batterie wird die Batteriespannung UBat negativ ge­ genüber Bezugspotential und der Schalttransistor T2 über den zweiten Be­ grenzungswiderstand R3 und die Begrenzungsdiode D2 leitend gesteuert, so daß ein Kurzschluß zwischen der Cate-Elektrode G und der Source-Elektrode S des MOSFET-Leistungstransistors T1 hervorgerufen wird; hierdurch wird der Schaltungsausgang OUT der Schaltungsanordnung SA hochohmig und der Verbraucher V nicht mehr mit der Versorgungsspannung US versorgt (d. h. vom Bordnetz des Kraftfahrzeugs abgetrennt). In der Fig. 2 sind hier­ zu die Fälle des Einschaltens mit verpolter Batterie (Fall 1, Zeitpunkt t₁) und das plötzliche Verpolen der Batterie (Fall 2, Zeitpunkt t₂) anhand der zeitli­ chen Spannungsverläufe der Versorgungsspannung US (Kurve a), der Batte­ riespannung UBat (Kurve b) und der Gate-Source-Spannung UGS des MOSFET- Leistungstransistors T1 (Kurve c) dargestellt:
  • - beim Anlegen der Spannung am Schaltungseingang IN der Schaltungs­ anordnung SA mit verpolter Batterie zum Zeitpunkt t₁ (Fall 1) wird der Schalttransistor T2 über den Widerstand R3 und die Diode D2 an­ gesteuert und verhindert hierdurch, daß sich eine Spannung zwi­ schen der Gate-Elektrode G und der Source-Elektrode S des MOSFET- Leistungstransistors T1 aufbauen kann; die Drain-Source-Strecke des MOSFET-Leistungstransistors T1 bleibt somit hochohmig.
  • - beim plötzlichen Verpolen der Spannung am Schaltungseingang IN der Schaltungsanordnung SA zum Zeitpunkt t₂ (Fall 2) wird der Schalt­ transistor T2 über den Widerstand R3 und die Diode D2 angesteuert und reduziert die Spannung zwischen der Gate-Elektrode G und der Source-Elektrode S des MOSFET-Leistungstransistors T1 auf einen Wert kleiner als 1 V; die Drain-Source-Strecke des MOSFET-Leistungstransi­ stors T1 wird somit wenige Mikrosekunden nach dem Zeitpunkt t₂ hochohmig.
In einem Dimensionierungsbeispiel der beschriebenen Schaltungsanordnung SA betragen die Widerstandswerte der Widerstände R1, R2, R3 beispielsweise 27 kΩ, 100 Ω, 10 kΩ, und die Durchbruchspannung UZ der ersten Zenerdiode ZD1 UZ = 51 V sowie der zweiten Zenerdiode ZD2 UZ = 15 V; die Begren­ zungsdioden D1, D2 und die Schutzdiode D3 sind als konventionelle PN- Dioden ausgebildet.

Claims (9)

1. Schaltungsanordnung (SA) zum Schutz der elektrischen Verbraucher (V) eines Kraftfahrzeugs vor unzulässigen negativen Spannungen auf dem Bord­ netz, bestehend aus:
  • - einem mit der Batterieversorgung (Kl.15, Kl.30) des Bordnetzes ver­ bundenen und mit der Batteriespannung (UBat) beaufschlagten Schal­ tungseingang (IN),
  • - einem mit der Leitung für die Versorgungsspannung (US) der zu schützenden elektrischen Verbraucher (V) verbundenen Schaltungs­ ausgang (OUT),
  • - einem invers betriebenen MOSFET-Leistungstransistor (T1), dessen Source-Elektrode (S) mit dem Schaltungseingang (IN) und dessen Drain-Elektrode (D) mit dem Schaltungsausgang (OUT) verbunden ist,
  • - einem die Gate-Elektrode (G) des MOSFET-Leistungstransistors (T1) mit einer externen Spannungsquelle (SQ) verbindenden Ansteuerwider­ stand (R1) zur Bildung einer gegenüber der Versorgungsspannung (US) erhöhten Ansteuerspannung (UA) für den MOSFET-Leistungstransistor (T1),
  • - und einem zwischen der Source-Elektrode (S) und der Drain-Elektrode (D) des MOSFET-Leistungstransistors (T1) angeschlossenen spannungs­ gesteuerten Schaltelement (T2).
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der MOSFET-Leistungstransistor (T1) als N-Kanal-MOSFET-Leistungstransistor ausge­ bildet ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltanschluß des spannungsgesteuerten Schaltelements (T2) mit der Gate-Elektrode (G) des MOSFET-Leistungstransistors (T1) über einen ersten Begrenzungswiderstand (R2) verbunden ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das spannungsgesteuerte Schaltelement (T2) als Bipolar-Schalt­ transistor ausgebildet ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bipolar-Schalttranistor (T2) als NPN-Schalttransistor ausgebildet ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen der Basis-Elektrode (B) und der Emitter-Elektrode (E) des NPN-Schalt­ transistors (T2) eine erste Begrenzungsdiode (D1) angeschlossen ist, und daß zwischen der Basis-Elektrode (B) des NPN-Schalttransistors (T2) und Bezugspo­ tential ein zweiter Begrenzungswiderstand (R3) angeschlossen ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen der Gate-Elektrode (C) und der Drain-Elektrode (D) des MOSFET-Leistungstransistors (T1) eine aus der Reihenschaltung einer ersten Zenerdiode (ZD1) und einer Schutzdiode (D3) bestehende erste Schutzschal­ tung für den MOSFET-Leistungstransistor (T1) angeordnet ist.
8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen der Gate-Elektrode (G) und der Source-Elektrode (S) eine aus einer zweiten Zenerdiode (ZD2) bestehende zweite Schutzschaltung für den MOSFET-Leistungstransistor (T1) angeordnet ist.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen der Basis-Elektrode (B) des NPN-Schalttransistors (T2) und dem zweiten Begrenzungswiderstand (R3) eine zweite Begrenzungs­ diode (D2) angeschlossen ist.
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