DE19931241A1

DE19931241A1 - Schaltungsanordnung zum Erfassen einer hohen Spannung

Info

Publication number: DE19931241A1
Application number: DE1999131241
Authority: DE
Inventors: Paul Nance
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1999-07-07
Filing date: 1999-07-07
Publication date: 2001-01-25
Anticipated expiration: 2019-07-08
Also published as: DE19931241B4

Abstract

Zur Steuerung eines elektronischen Zündsystems für Verbrennungsmotoren ist die an der Primärwicklung der Zündspule liegende Spannung am besten als Steuersignal geeignet. Mit herkömmlicher IC-Technologie kann diese hohe Spannung jedoch nicht verarbeitet werden. Um dennoch eine hohe Spannung, z. B. die Zündspannung an der Primärwicklung (P) einer Zündspule (Z), auf einem IC mit niederen Sperrspannungen verarbeiten zu können, wird die Zündspannung der Primärwicklung einer Zündspule an eine Reihenschaltung aus einem Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT2) aus mehreren Widerständen (R5, R6, R7) und aus einer Zenerdiode (ZD3) angelegt. An den Verbindungspunkten der Bauteile dieser Reihenschaltung sind Teilspannungen als Steuerspannungen für das elektronische Zündsystem abnehmbar. Eine dieser Teilspannungen wird in einem Spannungsschwellwertdetektor (ST1) digitalisiert, dessen Ausgangssignal einer digitalen Auswerteschaltung (20) zugeführt wird. Weil am Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT2) die restliche Spannung abfällt, wenn der an diesem Transistor eingestellte Strom erreicht wird, können alle Bauteile des Spannungsteilers (R5, R6, R7, ZD3) sowie die Steuerschaltung (ST1, ST2, R1, R2, R3, R4, ZD1, 20, 25, 30) des elektronischen Zündsystems auf einem IC (CH1) mit kleiner Sperrspannung integriert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erfassen einer hohen Spannung mittels integrierbarer Bauteile.

Derartige Schaltungsanordnungen sind besonders gut für elek tronische Zündsysteme für Verbrennungsmotoren geeignet, weil an der Zündspule hohe Spannungen entstehen.

Elektronische Zündsysteme für Verbrennungsmotoren sind weit verbreitet und dienen zur Erzeugung einer Zündspannung, die in Abhängigkeit von den momentanen Betriebsbedingungen des Motors, z. B. Drehzahl, Last, Temperatur, Kraftstoffgemisch im Hinblick auf ihren Verlauf, ihre Höhe und den Zündzeitpunkt gesteuert wird, um eine optimale Leistung des Motors bei möglichst geringem Kraftstoffverbrauch zu erzielen.

Es hat sich herausgestellt, daß es besonders vorteilhaft ist, wenn zur Steuerung des Zündsystems die an der primärseitigen Wicklung einer Zündspule tatsächlich anliegende Spannung ge messen und ausgewertet wird. Außerdem kann diese Spannung zu Diagnosezwecken verwendet werden, um zum Beispiel zu ermit teln, ob die Spannung ausreichend hoch ist oder ob bei einem Fehler in dem Zündsystem überhaupt eine Spannung anliegt.

Ein Problem hierbei besteht jedoch darin, daß die Zündspan nung bis zu mehreren hundert Volt beträgt und deshalb eine Erfassung und Auswertung mit den bekannten integrierten Schaltungen nicht möglich ist.

Ausgehend von der Erkenntnis, daß durch eine Messung der ge nannten Primärspannung die Zuverlässigkeit von elektronischen Zündsystemen erhöht und die Anpassung der Zündspannung an die momentanen Betriebsbedingungen des Motors verbessert werden kann, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schal tungsanordnung zum Erfassen einer hohen Spannung, beispiels weise der Zündspannung einer Zündspule, so zu gestalten, dass sie trotz der hohen Spannung integrierbar ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die zu erfas sende Spannung an einem in Reihenschaltung aufgebauten Span nungsteiler anliegt, der aus der Kollektor-Emitter-Strecke mindestens eines ersten Insulated Gate Bipolar Transistors, dessen Basis mit dessen Emitter verbunden ist, aus einem ers ten Widerstand, aus einer ersten Zenerdiode, aus einem zwei ten und dritten Widerstand besteht, und dass Teilspannungen an den Verbindungspunkten der Widerstände abgreifbar sind.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Er findung zum Inhalt.

Insbesondere sind ein erster und ein zweiter Halbleiter-Chip vorgesehen, wobei auf dem ersten Chip mit einer bekannten IC- Technologie mit kleiner Sperrspannung der Spannungsteiler und auf dem zweiten Chip mit einer Insulated Gate Bipolar Tran sistor-Technologie, abgekürzt IGBT-Technologie, die Anzahl von IGBT-Zellen integriert ist.

Mit einer solchen Auslegung ist eine einfache und kostengüns tige Chip-on-Chip-Montage möglich.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung er geben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines elektronischen Zündsys tems mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des Zünd systems mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanord nung und

Fig. 3 eine Verteilung der Komponenten des Zündsystems auf verschiedene Chips.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen ein Zündsystem mit Eingangsan schlüssen G, C und E, mit denen jeweils eine Basis- und Kol lektorelektrode bzw. eine erste Emitterelektrode eines ersten Leistungstransistors IGBT1 verbunden ist. Zwischen die Ein gangsanschlüsse C und E sind in Reihe eine primärseitige Wicklung P einer Zündspule Z, eine Autobatterie B und ein Zündschloss ZS geschaltet. Die sekundärseitige Wicklung der Zündspule Z ist mit S bezeichnet. An den Eingangsanschluss G ist der Ausgang eines Zündgebers ZG angeschlossen.

Gemäß Fig. 1 umfaßt das Zündsystem den erfindungsgemäßen Schaltkreis 10 zur Erfassung der an der primärseitigen Wick lung der Zündspule anliegenden Spannung, dessen Eingänge mit den Eingangsanschlüssen C bzw. E verbunden sind. Der er findungsgemäße Schaltkreis 10 weist einen ersten Ausgang Vc1 und einen zweiten Ausgang Vc2 auf, wobei letzterer mit einem Anschluß Co verbunden ist, an dem ein Diagnosesignal zur Auswertung der Zündvorgänge abgegriffen werden kann. Eine Versorgungsspannung, die Autobatteriespannung, wird über ei nen Anschluß V_batt zugeführt.

Der Ausgang Vc1 des Schaltkreises 10 ist mit dem ersten Ein gang einer digitalen Auswerteschaltung 20 verbunden, an deren zweiten Eingang ein Temperaturschwellwertdetektor 25 und an deren dritten Eingang ein Stromschwellwertdetektor 30 ange schlossen sind. Der Ausgang der digitalen Auswerteschaltung 20 ist über eine Zenerdiode ZD1 mit der Basis des Insulated Gate Bipolar Transistors IGBT1 verbunden, dessen zweite Emit ter-Elektrode unmittelbar mit einem ersten Eingang und über einen Widerstand R1 mit einem zweiten Eingang des Strom schwellwertdetektors 30 verbunden ist. Die Basis des Insu lated Gate Bipolar Transistors IGBT1 ist mit einem dritten Eingang des Stromschwellwertdetektors 30 verbunden. Die Basis des Insulated Gate Bipolar Transistors IGBT1 ist über eine Zenerdiode ZD2 mit seinen beiden Emitter-Elektroden verbun den. Außerdem ist die Gate-Elektrode des Insulated Gate Bipo lar Transistors IGBT1 über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R3 und R2 mit dem Eingangsanschluss G verbunden. Der gemeinsame Verbindungspunkt der beiden Widerstände R2 und R3 ist über einen Widerstand R4 mit den beiden Emitter-Elek troden des Insulated Gate Bipolar Transistors IGBT1 verbun den.

Die Erfindung wird nun anhand der Fig. 2, in welcher der Auf bau des erfindungsgemäßen Schaltkreises 10 und der digitalen Auswerteschaltung 20 im Einzelnen dargestellt sind, näher er läutert.

Der erfindungsgemäße Schaltkreis 10 ist als Spannungsteiler in Reihenschaltung aus der Kollektor-Emitter-Strecke eines Insulated Gate Bipolar Transistors IGBT2, dessen Emitter mit dessen Basis verbunden ist, aus einem Widerstand R5, aus ei ner Zenerdiode ZD3, aus einem Widerstand R6 sowie aus einem Widerstand R7 aufgebaut. An dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Zenerdiode ZD3 und des Widerstandes R6 ist der Eingang eines Spannungsschwellwertdetektors ST2, der zum Beispiel als Schmitt-Trigger ausgeführt sein kann, angeschlossen, dessen Ausgang den Anschluss Co bildet, an dem das Diagnosesignal abnehmbar ist.

Der gemeinsame Verbindungspunkt der Widerstände R6 und R7 ist mit dem Eingang eines weiteren Spannungsschwellwertdetektors ST1 verbunden, der beispielsweise ebenfalls als Schmitt- Trigger ausgeführt sein kann. Der Ausgang des Spannungs schwellwertdetektors ST1 ist mit dem ersten Eingang eines Und-Gatters U der digitalen Auswerteschaltung 20 verbunden, an deren zweiten Eingang der Ausgang eines Oder-Gatters O angeschlossen ist. Am ersten Eingang des Oder-Gatters O liegt der Ausgang des Temperaturschwellwertdetektors 25, während der Ausgang des Stromschwellwertdetektors 30 an den zweiten Eingang des Oder-Gatters O angeschlossen ist.

Es wird nun die Funktion des in der Fig. 2 abgebildeten Zünd systems mit dem erfindungsgemäßen Schaltkreis 10 erläutert.

Der Spannungsschwellwertdetektor ST2 gibt an seinem Ausgang Co ein digitales Signal ab, wenn die Spannung am Verbindungs punkt des Widerstandes R6 und der Zenerdiode ZD3 einen vor gebbaren Schwellwert, vorzugsweise 30 V, überschreitet. Die ses digitale Signal, das Diagnosesignal, zeigt einen Zündvor gang an. Das Diagnosesignal ist "high", wenn die Spannung am Kollektor des Insulated Gate Bipolartransistors IGBT1 z. B. größer als 30 V ist, andernfalls ist das Diagnosesignal "low". Der Spannungsschwellwertdetektor ST1 greift die Span nung am Verbindungspunkt der Widerstände R6 und R7 ab und gibt ein digitales Ausgangssignal an das Und-Gatter U der digitalen Auswerteschaltung 20 ab, wenn die abgegriffene Spannung einen vorgebbaren Schwellwert, vorzugsweise 40 V, überschreitet. Das Ausgangssignal des Spannungsschwellwertde tektors ST1 liegt auf "high", wenn die Spannung am Kollektor des Insulated Gate Bipolartransistors IGBT1 um einen vorgeb baren Betrag, beispielsweise um 10 V, größer ist als der Schwellwert des Spannungsschwellwertdetektors ST2. Der Tem peraturschwellwertdetektor 25 gibt ein digitales Signal an den Eingang des Oder-Gatters O der digitalen Auswerteschal tung 20 ab, wenn die Temperatur an einem kritischen Punkt auf dem integrierten Schaltkreis einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet. Das Signal am Ausgang des Temperaturschwell wertdetektors 25 ist "high", wenn die gemessene Tempera tur größer als 165°C ist. Bei Temperaturen unter 155°C ist das Ausgangssignal des Temperaturschwellwertdetektors 25 "low". Wie weit die beiden Temperaturen auseinander liegen, hängt von der Hysterese ab. Der Stromschwellwertdetektor 30 gibt ein digitales Signal an den zweiten Eingang des Oder- Gatters O ab, wenn der Emitter-Strom des Insulated Gate Bipo lar Transistors IGBT1 einen vorgebbaren Schwellwert über schreitet, der kundenspezifisch ist. Das Ausgangssignal des Stromschwellwertdetektors 30 ist "high", wenn der Emitter strom des Insulated Gate Bipolartransistors IGBT1 den vorgeb baren Schwellwert überschreitet und gleichzeitig das Aus gangssignal des Spannungsschwellwertdetektors ST1 auf "high" liegt. Der Stromschwellwertdetektor 30 ist als ein Ver gleicher ausgeführt, der den Spannungsabfall über einen Ne benschluss-Widerstand, auch Shunt-Widerstand genannt, mit einer Referenzspannung vergleicht. Das Ausgangssignal des Vergleichers regelt die Gate-Spannung des Insulated Gate Bi polartransistors IGBT1. Das Und-Gatter U gibt deshalb über die Zenerdiode ZD1 ein Signal an die Basis des Isulated Gate Bipolar Transistors IGBT1 ab, wenn die Spannung am Ver bindungspunkt der beiden Widerstände R6 und R7 den vorgege benen Schwellwert überschreitet und gleichzeitig der vom Tem peraturschwellwertdetektor 25 erfasste Temperaturwert den vorgegebenen Temperaturschwellwert oder der vom Stromschwell wertdetektor 30 gemessene Emitter-Strom des Insulated Gate Bipolar Transistors IGBT1 den vorgegebenen Stromschwellwert überschreitet. Das digitale Ausgangssignal des Und-Gatters U schaltet den Insulated Gate Bipolar Transistor IGBT1 wieder ein, um Fehlzündungen zu vermeiden. Die Spannung am Emitter des Insulated Gate Bipolar Transistors IGBT2 folgt der Pri märspannung an der Primärwicklung der Zündspule - das ist die gemeinsame Kollektorspannung der Insulated Gate Bipolar Tran sistoren IGBT1 und IGBT2 - so lange, bis der Nennstrom des als Stromquelle arbeitenden Insulated Gate Bipolar Transis tors IGBT2 erreicht ist. Weil der Nennstrom des Insulated Gate Bipolar Transistors IGBT2 auf diesem Wert stehenbleibt, fällt die restliche Spannung an diesem Transistor IGBT2 ab. Die Spannung V_Clamp zwischen der Basis und dem Kollektor des Insulated Gate Bipolar Transistors IGBT1 wird auf etwa 600 V begrenzt. Beim Transistor IGBT2 fließt bereits bei einer Gate-Emitter-Spannung von 0 V ein Strom. Der Insulated Gate Bipolartransistor IGBT1 leitet, wenn die Spannung an seinem Gate größer als die Einsatzspannung ist und solange keine Übertempteratur auftritt, dagegen ist er gesperrt, wenn die Spannung an seinem Gate kleiner als die Einsatzspannung ist oder wenn Übertemperatur erreicht ist.

Fig. 3 zeigt schließlich eine vorteilhafte Verteilung der Bauteile auf zwei Chips CH1 und CH2. Diese beiden Chips kön nen zum Beispiel in einer Chip-On-Chip-Montage in einem Ge häuse in vorteilhafter Weise montiert sein. Dabei sind die Kontrollfunktionen, für die nur geringe Sperrspannungen er forderlich sind mit einer herkömmlichen IC-Technologie auf dem ersten Chip CH1 realisiert. Hierzu gehören insbesondere die beiden Schmitt-Trigger ST1 und ST2, die digitale Auswer teschaltung 20, der Stromschwellwertdetektor 30, der Tempera turschwellwertdetektor 25 sowie die Widerstände R1 bis R7 und die Zenerdioden ZD1 und ZD3, während die Leistungskomponenten - die Insulated Gate Bipolar Transistoren IGBT1 und IGBT2 so wie die Zenerdiode ZD2 - auf dem zweiten Chip CH2 realisiert sind.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, zum Abgriff der hohen Zündspannung an der Primärwicklung der Zündspule eine Reihen schaltung aus drei Widerständen - den Widerständen R5 bis R7 - und einer Zenerdiode, der Zenerdiode ZD3, vorzusehen, ist es möglich, die Schaltkreise für die Kontrollfunktionen - das sind die Schmitt-Trigger ST1 und ST2, die digitale Auswerte schaltung 20, der Temperaturschwellwertdetektor 25 und der Stromschwellwertdetektor 30 - auf einem Block mit herkömmli cher IC-Technologie mit kleiner Sperrspannung zu realisieren.

Die Erfindung ist nicht auf den Einsatz in einem elektroni schen Zündsystem beschränkt, sondern vorteilhaft dort ein setzbar, wo beim Stand der Technik hohe Spannungen den Ein satz herkömmlicher IC-Technologie mit niederen Sperrspannun gen verbieten.

Die Erfindung ist jedoch besonders gut für elektronische Zündsysteme von Verbrennungsmotoren geeignet.

Bezugszeichenliste

10

erfindungsgemäßer Schaltkreis

20

digitale Auswerteschaltung

25

Temperaturschwellwertdetektor

30

Stromschwellwertdetektor
R1 bis R7 Widerstand
IGBT1, IGBT2 Insulated Gate Bipolar Transistor
ST1, ST2 Schmitt-Trigger
ZD1, ZD2, ZD3 Zenerdiode
CH1, CH2 Chip
U UND-Gatter
O ODER-Gatter
ZG Zündgeber
ZS Zündschloss
Z Zündspule
P primärseitige Wicklung
S sekundärseitige Wicklung
B Autobatterie

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Erfassen einer hohen Spannung mit tels integrierter Bauteile, dadurch gekennzeichnet, dass die zu erfassende Spannung an einem in Reihenschaltung aufge bauten Spannungsteiler anliegt, der aus der Kollektor- Emitter-Strecke mindestens eines ersten Insulated Gate Bipo lar Transistors (IGBT2), dessen Basis mit dessen Emitter ver bunden ist, aus einem ersten Widerstand (R5) aus einer ersten Zenerdiode (ZD3), aus einem zweiten und einem dritten Wider stand (R6, R7) aufgebaut ist, und dass Teilspannungen an den Verbindungspunkten des zweiten und des dritten Widerstandes (R6, R7) abgreifbar sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang eines ersten Spannungsschwellwertdetektors (ST1) an dem gemeinsamen Verbindungspunkt des zweiten und des drit ten Widerstandes (R6, R7) angeschlossen ist, dessen Ausgang an einen Steuereingang eines elektronischen Zündsystems für einen Verbrennungsmotor angeschlossen ist, und dass an den beiden Enden der Reihenschaltung die Spannung der Primärwick lung (P) der Zündspule (Z) anliegt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor des ersten Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT1) mit dem Kollektor eines zweiten Insulated Gate Bipo lar Transistors (IGBT2) verbunden ist, dass die Primärwick lung (P) der Zündspule (Z)-am Kollektor und am Emitter des zweiten Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT2) angeschlossen ist, dass die Gate-Elektrode des zweiten Insu lated Gate Bipolar Transistors (IGBT1) mit dem Ausgang einer digitalen Auswerteschaltung (20) verbunden ist, an deren ers tem Eingang der Ausgang eines ersten Spannungsschwellwertde tektors (ST1), an deren zweitem Eingang ein Temperaturschwell wertdetektor (25) und an deren drittem Eingang ein Stromschwellwertdetektor (30) angeschlossen ist, dessen Eingänge mit dem Emitter und der Gate-Elektrode des zweiten Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT1) verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ausgang der digitalen Auswerteschaltung (20) und der Gate-Elektrode des zweiten Insulated Gate Bipolar Transis tors (IGBT1) eine zweite Zenerdiode (ZD1) liegt.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Temperaturschwellwertdetektors (25) mit dem ersten Eingang und der Ausgang des Stromschwellwertdetektors (30) mit dem zweiten Eingang eines Oder-Gatters (O) verbunden ist, dessen Ausgang mit dem ersten Eingang eines Und-Gatters (U) verbunden ist, und dass der Ausgang des ersten Span nungsschwellwertdetektors (ST2) mit dem zweiten Eingang des Und-Gatters (U) verbunden ist, dessen Ausgang den Ausgang der digitalen Auswerteschaltung (20) bildet.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass am Verbindungspunkt der ersten Zenerdiode (ZD3) und des zweiten Widerstandes (R6) der Eingang eines zweiten Span nungsschwellwertdetektors (ST2) angeschlossen ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Spannungsschwellwertdetektoren (ST1, ST2) Schmitt- Trigger vorgesehen sind.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass am zweiten Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT1) eine ers te und eine zweite Emitter-Elektrode vorgesehen sind, dass die erste Emitter-Elektrode des zweiten Insulated Gate Bipo lar Transistors (IGBT1) über eine dritte Zenerdiode (ZD2) mit seiner Gate-Elektrode verbunden ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellwertdetektoren (ST1, ST2, 25, 30), die Widerstände (R1 bis R7), die erste und die zweite Zenerdiode (ZD3, ZD1) auf einem ersten Block (CH1) mit geringen Sperrspannungen in tegriert sind, während die Transistoren (IGBT1, IGBT2) und die dritte Zenerdiode (ZD2) auf einem zweiten Block (CH2) in tegriert sind.