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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erfassen einer hohen Spannung mittels integrierbarer Bauteile.
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Derartige Schaltungsanordnungen sind besonders gut für elektronische Zündsysteme für Verbrennungsmotoren geeignet, weil an der Zündspule hohe Spannungen entstehen.
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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.
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Es hat sich herausgestellt, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn zur Steuerung des Zündsystems die an der primärseitigen Wicklung einer Zündspule tatsächlich anliegende Spannung gemessen und ausgewertet wird. Außerdem kann diese Spannung zu Diagnosezwecken verwendet werden, um zum Beispiel zu ermitteln, ob die Spannung ausreichend hoch ist oder ob bei einem Fehler in dem Zündsystem überhaupt eine Spannung anliegt.
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Ein Problem hierbei besteht jedoch darin, dass die Zündspannung bis zu mehreren hundert Volt beträgt und deshalb eine Erfassung und Auswertung mit den bekannten integrierten Schaltungen nicht möglich ist.
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Die
JP H03-48 517 A beschreibt eine Schaltungsanordnung mit einem IGBT und eine Spannungsmessanordnung zur Erfassung der Laststreckenspannung des IGBT. Die Spannungsmessanordnung weist eine in Sperrrichtung geschaltete Zenerdiode sowie einen ohmschen Spannungsteiler mit einem Mittenabgriff auf.
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Die
DE 34 19 652 C2 beschreibt eine Schaltungsanordnung zum Schutz elektronischer Stromversorgungseinrichtungen vor transienten Netzstörungen. Die Schaltungsanordnung weist eine Spannungsmessanordnung auf, die eine Reihenschaltung eines ohmschen Spannungsteilers und zweier Zenerdioden umfasst.
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Ähnliche Schaltungsanordnungen sind auch aus den Druckschriften
DE 196 48 144 A1 ,
DE 195 81 041 C2 und „A Self-Isolated Intelligent IGBT for Driving Ignition Coils” von K. Yoshida, M. Kudoh, S. Takeuchi, S. Furuhata und T. Fujihira in Proceedings of 1998 International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs, Kyoto, 3. bis 6. Juni 1998, bekannt.
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Ausgehend von der Erkenntnis, dass durch eine Messung der genannten 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 Schaltungsanordnung zum Erfassen einer hohen Spannung, beispielsweise der Zündspannung einer Zündspule, so zu gestalten, dass sie trotz der hohen Spannung integrierbar ist.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Schaltungsanordnung, die die einen in Reihenschaltung aufgebauten Spannungsteiler, einen ersten Spannungsschwellwertdetektor und eine digitale Spannungsauswerteschaltung aufweist. Der Spannungsteiler, an dem die zu erfassende Spannung anliegt, ist aus der Kollektor-Emitter-Strecke mindestens eines ersten Insulated Gate Bipolar Transistors, dessen Gate mit dessen Emitter verbunden ist, aus einem ersten Widerstand, aus einer ersten Zenerdiode und aus einem zweiten und dritten Widerstand aufgebaut. Dem ersten Spannungsschwellwertdetektor ist eine an einem Verbindungspunkt des zweiten und dritten Widerstands anliegende Teilspannung und der digitalen Spannungsauswerteschaltung ist ein Ausgangssignal des ersten Spannungsschwellwertdetektors zugeführt.
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Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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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 Transistor-Technologie, abgekürzt IGBT-Technologie, die Anzahl von IGBT-Zellen integriert ist.
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Mit einer solchen Auslegung ist eine einfache und kostengünstige Chip-on-Chip-Montage möglich.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnung. Es zeigen:
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1 ein Prinzipschaltbild eines elektronischen Zündsystems mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
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2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des Zündsystems mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und
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3 eine Verteilung der Komponenten des Zündsystems auf verschiedene Chips.
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Die 1 bis 3 zeigen ein Zündsystem mit Eingangsanschlüssen G, C und E, mit denen jeweils eine Gate- und Kollektorelektrode bzw. eine erste Emitterelektrode eines ersten Leistungstransistors IGBT1 verbunden ist. Zwischen die Eingangsanschlüsse 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.
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Gemäß 1 umfasst das Zündsystem den erfindungsgemäßen Schaltkreis 10 zur Erfassung der an der primärseitigen Wicklung der Zündspule anliegenden Spannung, dessen Eingänge mit den Eingangsanschlüssen C bzw. E verbunden sind. Der erfindungsgemäße 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 einen Anschluss Vbatt zugeführt.
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Der Ausgang Vc1 des erfindungsgemäßen Schaltkreises 10 ist mit dem ersten Eingang einer digitalen Auswerteschaltung 20 verbunden, an deren zweiten Eingang ein Temperaturschwellwertdetektor 25 und an deren dritten Eingang ein Stromschwellwertdetektor 30 angeschlossen sind. Der Ausgang der digitalen Auswerteschaltung 20 ist über eine Zenerdiode ZD1 mit dem Gate des Insulated Gate Bipolar Transistors IGBT1 verbunden, dessen zweite Emitter-Elektrode unmittelbar mit einem ersten Eingang und über einen Widerstand R1 mit einem zweiten Eingang des Stromschwellwertdetektors 30 verbunden ist. Das Gate des Insulated Gate Bipolar Transistors IGBT1 ist mit einem dritten Eingang des Stromschwellwertdetektors 30 verbunden. Das Gate des Insulated Gate Bipolar Transistors IGBT1 ist über eine Zenerdiode ZD2 mit seinen beiden Emitter-Elektroden verbunden. Außerdem ist die Gate-Elektrode des Insulated Gate Bipolar 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-Elektroden des Insulated Gate Bipolar Transistors IGBT1 verbunden.
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Die Erfindung wird nun anhand der 2, in welcher der Aufbau des erfindungsgemäßen Schaltkreises 10 und der digitalen Auswerteschaltung 20 im Einzelnen dargestellt sind, näher erläutert.
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Der erfindungsgemäße Schaltkreis 10 ist als Spannungsteiler in Reihenschaltung aus der Kollektor-Emitter-Strecke eines Insulated Gate Bipolar Transistors IGBT2, dessen Emitter mit dessen Gate verbunden ist, aus einem Widerstand R5, aus einer 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.
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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 Spannungsschwellwertdetektors 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 2 abgebildeten Zündsystems mit dem erfindungsgemäßen Schaltkreis 10 erläutert.
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Der Spannungsschwellwertdetektor ST2 gibt an seinem Ausgang Co ein digitales Signal ab, wenn die Spannung am Verbindungspunkt des Widerstandes R6 und der Zenerdiode ZD3 einen vorgebbaren Schwellwert, vorzugsweise 30 V, überschreitet. Dieses digitale Signal, das Diagnosesignal, zeigt einen Zündvorgang 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 Spannung 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 Spannungsschwellwertdetektors ST1 liegt auf ”high”, wenn die Spannung am Kollektor des Insulated Gate Bipolartransistors IGBT1 um einen vorgebbaren Betrag, beispielsweise um 10 V, größer ist als der Schwellwert des Spannungsschwellwertdetektors ST2. Der Temperaturschwellwertdetektor 25 gibt ein digitales Signal an den Eingang des Oder-Gatters O der digitalen Auswerteschaltung 20 ab, wenn die Temperatur an einem kritischen Punkt auf dem integrierten Schaltkreis einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet. Das Signal am Ausgang des Temperaturschwellwertdetektors 25 ist ”high”, wenn die gemessene Temperatur 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 Bipolar Transistors IGBT1 einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet, der kundenspezifisch ist. Das Ausgangssignal des Stromschwellwertdetektors 30 ist ”high”, wenn der Emitterstrom des Insulated Gate Bipolartransistors IGBT1 den vorgebbaren Schwellwert überschreitet und gleichzeitig das Ausgangssignal des Spannungsschwellwertdetektors ST1 auf ”high” liegt. Der Stromschwellwertdetektor 30 ist als ein Vergleicher ausgeführt, der den Spannungsabfall über einen Nebenschluss-Widerstand, auch Shunt-Widerstand genannt, mit einer Referenzspannung vergleicht. Das Ausgangssignal des Vergleichers regelt die Gate-Spannung des Insulated Gate Bipolartransistors IGBT1. Das Und-Gatter U gibt deshalb über die Zenerdiode ZD1 ein Signal an das Gate des Insulated Gate Bipolar Transistors IGBT1 ab, wenn die Spannung am Verbindungspunkt der beiden Widerstände R6 und R7 den vorgegebenen Schwellwert überschreitet und gleichzeitig der vom Temperaturschwellwertdetektor 25 erfasste Temperaturwert den vorgegebenen Temperaturschwellwert oder der vom Stromschwellwertdetektor 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 Primärspannung an der Primärwicklung der Zündspule – das ist die gemeinsame Kollektorspannung der Insulated Gate Bipolar Transistoren IGBT1 und IGBT2 – so lange, bis der Nennstrom des als Stromquelle arbeitenden Insulated Gate Bipolar Transistors 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 VClamp zwischen dem Gate 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 Übertemperatur auftritt, dagegen ist er gesperrt, wenn die Spannung an seinem Gate kleiner als die Einsatzspannung ist oder wenn Übertemperatur erreicht ist.
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3 zeigt schließlich eine vorteilhafte Verteilung der Bauteile auf zwei Chips CH1 und CH2. Diese beiden Chips können zum Beispiel in einer Chip-On-Chip-Montage in einem Gehäuse in vorteilhafter Weise montiert sein. Dabei sind die Kontrollfunktionen, für die nur geringe Sperrspannungen erforderlich sind, mit einer herkömmlichen IC-Technologie auf dem ersten Chip CH1 realisiert. Hierzu gehören insbesondere die beiden Schmitt-Trigger ST1 und ST2, die digitale Auswerteschaltung 20, der Stromschwellwertdetektor 30, der Temperaturschwellwertdetektor 25 sowie die Widerstände R1 bis R7 und die Zenerdioden ZD1 und ZD3, während die Leistungskomponenten – die Insulated Gate Bipolar Transistoren IGBT1 und IGBT2 sowie die Zenerdiode ZD2 – auf dem zweiten Chip CH2 realisiert sind.
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Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, zum Abgriff der hohen Zündspannung an der Primärwicklung der Zündspule eine Reihenschaltung 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 Auswerteschaltung 20, der Temperaturschwellwertdetektor 25 und der Stromschwellwertdetektor 30 – auf einem Block mit herkömmlicher IC-Technologie mit kleiner Sperrspannung zu realisieren.
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Die Erfindung ist nicht auf den Einsatz in einem elektronischen Zündsystem beschränkt, sondern vorteilhaft dort einsetzbar, wo beim Stand der Technik hohe Spannungen den Einsatz herkömmlicher IC-Technologie mit niederen Sperrspannungen verbieten.
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Die Erfindung ist jedoch besonders gut für elektronische Zündsysteme von Verbrennungsmotoren geeignet.
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Bezugszeichenliste
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- 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
