DE19941489A1 - Schutzschaltung für eine Reihenschaltung aus Leistungshalbleiter-Endstufe und induktivem Verbraucher - Google Patents
Schutzschaltung für eine Reihenschaltung aus Leistungshalbleiter-Endstufe und induktivem VerbraucherInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für eine Reihenschaltung aus Leistungshalbleiter-Endstufe und induktivem Verbraucher, dem ein Freilaufkreis aus Freilaufdiode und einem in Reihe geschalteten Verpolschutz-Halbleiterschalter parallel geschaltet ist, wobei die Leistungshalbleiter-Endstufe in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Sollwert mit einem pulsweitenmodulierten Steuersignal ein- und ausschaltbar ist und wobei der Verpolschutz-Halbleiterschalter über eine Ladungspumpe bei verpolter Versorgungsspannung nichtleitend steuerbar ist. Die Zerstörung von Bauelementen bei Nichtfunktionieren des Freilaufkreises wird dadurch vermieden, dass in dem Freilaufkreis aus Freilaufdiode und Verpolschutz-Halbleiterschalter oder in der Reihenschaltung aus Verbraucher und Leistungshalbleiter-Endstufe eine Stelle auf eine Spannung oder einen Strom überwacht ist, die (der) beim Nichtfunktionieren des Freilaufkreises auftritt (ausfällt), und dass mit dieser Spannung oder diesem Stromausfall die Abschaltung der Ansteuerung der Leistungshalbleiter-Endstufe einleitbar ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für eine Reihenschaltung aus
Leistungshalbleiter-Endstufe und einem induktivem Verbraucher, dem ein
Freilaufkreis aus Freilaufdiode und einem in Reihe geschalteten Verpolschutz-
Halbleiterschalter parallel geschaltet ist, wobei die Leistungshalbleiter-Endstufe
in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Sollwert mit einem pulsweiten
modulierten Steuersignal ein- und ausschaltbar ist und wobei der Verpolschutz-
Halbleiterschalter über eine Ladungspumpe bei verpolter Versorgungsspannung
nichtleitend steuerbar ist.
Derartige Schutzschaltungen bringen mit fehlerfreien Bauelementen einen
ausreichenden Verpolschutz, d. h. einen Schutz der Bauelemente vor Über
lastung und Zerstörung bei verpolt angelegter Versorgungsspannung. Um einen
wirkungsvollen Verpolschutz zu erhalten, ist es bekannt, in den Freilaufkreis
einen zusätzlichen Leistungshalbleiter-Schalter einzuschalten. Dieser zusätzliche
Leistungshalbleiter-Schalter wird von der Ladungspumpe gesteuert und zwar so,
dass dieser im normalen Betrieb im Freilaufkreis leitend ist, während es bei
verpolter Versorgungsspannung den Stromfluss über die Freilaufdiode durch den
nichtleitenden Zustand unterbricht.
Treten Unregelmässigkeiten in der Schaltung auf, die diesen Leistungshalbleiter-
Schalter nicht in dieser Weise steuern, dann treten unkontrollierte Über
spannungen in der Schaltung auf, die zur Zerstörung von Bauelementen führen.
Als Folge dieses Defektes können Brände entstehen, die insbesondere beim
Einsatz der Schaltung in einem Kraftfahrzeug zum Fahrzeugbrand führen können.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schutzschaltung der eingangs erwähnten Art
so zu verbessern, dass Defekte an der Ladungspumpe oder des Verpolschutz-
Halbleiterschalters, die zu einem nicht ordnungsgemäss funktionierenden
Freilaufkreis führen, erkannt und Massnahmen zum Schutz der Bauelemente der
Schaltung vor Zerstörung ergriffen werden können.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass in dem Freilaufkreis
aus Freilaufdiode und Verpolschutz-Halbleiterschalter oder in der Reihen
schaltung aus Verbraucher und Leistungshalbleiter-Endstufe eine Stelle auf eine
Spannung oder einen Strom überwacht ist, die beim Nichtfunktionieren des
Freilaufeskreises auftritt (ausfällt), und dass mit dieser Spannung oder diesem
Stromausfall die Abschaltung der Ansteuerung der Leistungshalbleiter-Endstufe
einleitbar ist.
Mit dieser Spannungs- oder Stromüberwachung wird das Nichtfunktionieren des
Freilaufkreises - Spannungsanstieg über eine vorgegebenen Spannungs- oder
Stromausfall - erkannt und die Ansteuerung der Leistungshalbleiter-Endstufe
abgeschaltet, so daß die kritischen Bauelemente in der Schaltung sicher vor
Überlastung geschützt sind. Die Leistungshalbleiter-Endstufe ist dann stets
nichtleitend, d. h. hochohmig.
Nach einer Ausgestaltung erfolgt die Ansteuerung der Leistungshalbleiter-
Endstufe dadurch, dass die Leistungshalbleiter-Endstufe über eine PWM-
Steuerung ansteuerbar ist, und dass die (der) im Fehlerfall auftretende erhöhte
Spannung oder Stromausfall im Freilaufkreis die PWM-Steuerung abschaltet.
Um einen absoluten Schutz gegen Zerstörung von Bauelementen zu erhalten, ist
eine Ausgestaltung von Vorteil, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die
Abschaltung der PWM-Steuerung in einer vorgegebenen Zeit gleich oder kleiner
10 ms nach dem Auftreten des Fehlerfalles erfolgt.
ist am Verbindungspunkt zwischen Freilaufdiode und Verpolschutz-Halbleiter
schalter ein Pufferkondensator angeschaltet, um Rückwirkungen des getakteten
Betriebs des Verbrauchers auf die Versorgungsspannung weitgehend zu elimi
nieren, wird die Spannung am Pufferkondensator auf einen Anstieg über einen
vorgegebenen Wert erfasst. Die erhöhte Spannung am Pufferkondensator wird
als Abschaltesignal an die PWM-Steuerung weitergeleitet. Dabei kann zur
Vereinfachung der Abschaltung der PWM-Steuerung vorgesehen sein, dass die
erhöhte Spannung am Pufferkondensator über einen Analog-Digital-Wandler als
digitales Abschaltsignal an die PWM-Steuerung weiterleitbar ist.
Die Weitergabe des Abschaltesignals vom Pufferkondensator kann nach einer
Weiterbildung auch so erfolgen, dass die Spannung am Pufferkondensator über
einen Spannungsteiler reduziert und erneut geglättet an den Analog-Digital-
Wandler weiterleitbar ist.
Eine definierte Ansprechschwelle im Überwachungskreis wird nach einer
Ausgestaltung dadurch erreicht, dass die Spannung am Pufferkondensator oder
die reduzierte Spannung in einem Komparator mit einer vorgegebenen Referenz
spannung vergleichbar ist, und dass der Komparator ein digitales Abschaltsignal
an die PWM-Steuerung weiterleitet, wenn die Spannung am Pufferkondensator
oder die reduzierte Spannung übersteigt.
Die Abschaltung der PWM-Steuerung lässt sich dann sicher ausführen, wenn die
Ausgestaltung so vorgenommen wird, dass der Komparator mit einem Selbst
schaltkreis versehen ist, der den Abschaltzustand aufrechterhält, und dass der
stabile Abschaltzustand des Komparators mittels eines dem Komparator von der
PWM-Steuerung zuführbaren Rückstellsignal aufhebbar ist. Das Rückstellsignal
ist erforderlich, um die Schaltung nach Behebung des Defektes wieder betriebs
bereit zu schalten.
Eine gleichwertige Spannungsüberwachung lässt sich dadurch erreichen, dass
die Drain-Ground-Spannung der Leistungshalbleiter-Endstufe in Low-Side-
Schaltung überwacht ist, dass die Drain-Ground-Spannung in einen Komparator
mit einer vorgegebenen Referenzspannung vergleichbar ist, dass der Komparator
ein digitales Abschaltesignal an die PWM-Steuerung abgibt, wenn die Drain-
Ground-Spannung die Referenzspannung übersteigt, und dass mit dem Ab
schaltesignal die Ansteuerung der Leistungshalbleiter-Endstufe unterbindbar und
die Referenzspannung für den Komparator unwirksam schaltbar ist. Mit dieser
Schutzschaltung ist auch die Leistungshalbleiter-Endstufe eindeutig mit in den
Schutz einbezogen.
Eine einfache Spannungsüberwachung ergibt sich dadurch, dass der Freilaufkreis
auf Ausfall des getakteten Freilaufstromes überwacht ist.
Die Erfindung wird anhand von mehreren, in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schutzschaltung mit Überwachung der Spannung am Puffer
kondensator und analogem Abschaltesignal,
Fig. 2 eine Schutzschaltung mit Überwachung der Spannung am Puffer
kondensator und Vergleich mit einer vorgegebenen Referenz
spannung zum Ableiten eiens digitalen Abschaltesignals,
Fig. 3 eine Schutzschaltung ähnlich der nach Fig. 3 mit zusätzlichem
Selbsthaltekreis und Rückstellsignal und
Fig. 4 eine Schutzschaltung mit Überwachung der Drain-Ground-Span
nung an der Leistungshalbleiter-Endstufe.
Wie Fig. 1 zeigt, speist die Gleichstrom-Versorgungsspannung Ubatt eine PWM-
Steuerung PWM-St und eine Ladungspumpe LP, sowie eine Reihenschaltung aus
Leistungshalbleiter-Endstufe T1 und einem Motor als induktiver Verbraucher M,
der z. B. ein Gebläse antreibt. In Abhängigkeit von einem vorgebbaren Sollwert
Soll steuert die PWM-Steuerung PWM-St das Gate der Leistungshalbleiter-
Endstufe T1 mit pulsweitenmodulierten Steuersignalen im Taktbetrieb. In den
Pausen der Steuersignale ist die Leistungshalbleiter-Endstufe T1 hochohmig und
die am Motor auftretende Abschaltespannung wird im Frei-laufkreis abgebaut,
der dem Motor parallel geschaltet ist und eine Reihenschaltung aus Frei
laufdiode D1 und zusätzlichem Verpolschutz-Halbleiterschalter T2 besteht.
Dieser Verpolschutz-Halbleiterschalter T2 wird durch die Ladungspumpe LP
zumindest in den stromlosen Abschnitten der Leistungshalbleiter-Endstufe T1
leitend gesteuert, so dass der Freilaufstrom fliessen kann. Wird die Ver
sorungsspannung Ubatt verpolt angelegt, dann steuert die Ladungspumpe LP
den Verpolschutz-Halbleiterschalter T2 in den nichtleitenden Zustand, so dass
dieser einen ungewollten Stromfluss über die Freilaufdiode D1 verhindert. Die
Schutzschaltungen nach Fig. 2 bis Fig. 4 arbeiten in gleicher Weise, so dass bei
diesen nur noch die Unterschiede zur Schutzschaltung nach Fig. 1 herausgestellt
werden.
An dem Verbindungspunkt zwischen dem Verpolschutz-Halbleiterschalter T2 und
der Freilaufdiode D1 ist ein Pufferkondensator C1 angeschaltet, an dem bei
fehlerhafter Funktion des Freilaufkreises - Ladungspumpe LP oder Verpolschutz-
Halbleiterschalter T2 defekt - die Spannung unkontrolliert über einen vor
gegebenen Betriebswert ansteigen kann. Die Spannung am Pufferkondensator
C1 wird über einen Spannungsteiler aus den Widerständen R1 und R2 reduziert
und über einen weiteren Kondensator C2 noch einmal geglättet. Die so ab
gegriffene Spannung wird einem Analog-Digital-Wandler in der PWM-Steuerung
PWM-St zugeführt, der beim Überschreiten eines vorgegebenen Spannungs
wertes, der ein Nichtfunktionieren des Freilaufkreises zufolge hat, ein digitales
Abschaltesignal für die PWM-Steuerung PWM-St abgibt. Damit wird die An
steuerung der Leistungshalbleiter-Endstufe T1 unterbunden, so dass der weitere
Spannungsanstieg an dem Pufferkondensator C1 beendet wird und alle Bau
elemente der Schaltung vor Überlastung und Zerstörung geschützt sind.
Bei der Schutzschaltung nach Fig. 2 wird die reduzierte Spannung am
Kondensator C2 einem Komparator V zugeführt, der diese mit einer am
Spanungsteiler aus den Widerständen R3 und R4 abgegriffenen Referenz
spannung vergleicht, und ein digitales Abschaltesignal an eine Schaltstufe S der
PWM-Steuerung PWM-St abgibt, wenn die Spannung am Kondensator C2 die
Referenzspannung am Kondensator C3 übersteigt. Der Widerstand R7 am Aus
gang des Komparators V dient zur Ableitung des digitalen Abschaltesignales,
wenn sich das Potential am Ausgang des Komparators V ändert.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist am Komparator V zusätzlich ein
Selbstschaltekreis vorgegeben, der die Dioden D2 und D3 aufweist und vom
Spannungsleiter und den Widerständen R3 und R4 gespeist wird. Sobald der
Komparator V in den Schaltzustand übergeht, der das Übersteigen der Referenz
spannung anzeigt, bleibt der Schaltzustand des Komparators V aufrechterhalten,
bis aus der PWM-Steuerung PWM-St ein Rückstellsignal r dem Komparator zuge
führt wird. Dies kann nach Behebung des Fehlers in der gesamten Schaltung
erfolgen.
Schliesslich zeigt Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Drain-Ground-
Spannung der in Low-Side-Schaltung betriebenen Leistungshalbleiter-Enstufe T1
als N-Kanal-MOS-FET überwacht ist. Diese Spannung wird an einem Spannungs
teiler aus den Widerständen R5 und R6 reduziert abgegriffen und einem
Kondensator C4 zugeführt. Die Spannung am Kondensator C4 wird wie die
Referenzspannung am Kondensator C5, die am Spannungsteiler aus den
Widerständen R8 und R9 und dem Halbleiterschalter T3 abgegriffen wird, dem
Komparator V zugeführt. Über den Widerstand R11 wird der Halbleiterschalter
T3 vom PWM-Steuersignal der PWM-Steuerung PWM-St gesteuert. Die Refe
renzspannung liegt über den Widerstand R10 am Kondensator C5. Tritt am
Ausgang des Komparators V das digitale Abschaltesignal auf, dann unterbricht
die Schaltstufe S in der PWM-Steuerung PWM-St die Aussteuerung der Leis
tungshalbleiter-Endstufe T1 und steuert über den Halbleiterschalter T3 die
Referenzspannung so, dass der Komperator V kein digitales Abschaltesignal
mehr abgibt.
Claims (10)
1. Schutzschaltung für eine Reihenschaltung aus Leistungshalbleiter-
Endstufe und induktivem Verbraucher, dem ein Freilaufkreis aus
Freilaufdiode und einem in Reihe geschalteten Verpolschutz-Halb
leiterschalter parallel geschaltet ist, wobei die Leistungshalbleiter-Endstufe
in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Sollwert mit einem pulsweiten
modulierten Steuersignal ein- und ausschaltbar ist und wobei der
Verpolschutz-Halbleiterschalter über eine Ladungspumpe bei verpolter
Versorgungsspannung nichtleitend steuerbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Freilaufkreis aus Freilaufdiode (D1) und Verpolschutz- Halbleiterschalter (T2) oder in der Reihenschaltung aus Verbraucher (M) und Leistungshalbleiter-Endstufe (T1) eine Stelle auf eine Spannung oder einen Strom überwacht ist, die (der) beim Nichtfunktionieren des Frei laufeskreises auftritt (ausfällt), und
dass mit dieser Spannung oder diesem Stromausfall die Abschaltung der Ansteuerung der Leistungshalbleiter-Endstufe (T1) einleitbar ist.
dass in dem Freilaufkreis aus Freilaufdiode (D1) und Verpolschutz- Halbleiterschalter (T2) oder in der Reihenschaltung aus Verbraucher (M) und Leistungshalbleiter-Endstufe (T1) eine Stelle auf eine Spannung oder einen Strom überwacht ist, die (der) beim Nichtfunktionieren des Frei laufeskreises auftritt (ausfällt), und
dass mit dieser Spannung oder diesem Stromausfall die Abschaltung der Ansteuerung der Leistungshalbleiter-Endstufe (T1) einleitbar ist.
2. Schutzschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Leistungshalbleiter-Endstufe (T1) über eine PWM-Steuerung (PWM-St) ansteuerbar ist, und
dass die (der) im Fehlerfall auftretende erhöhte Spannung oder Strom ausfall im Freilaufkreis die PWM-Steuerung (PWM-St) abschaltet.
dass die Leistungshalbleiter-Endstufe (T1) über eine PWM-Steuerung (PWM-St) ansteuerbar ist, und
dass die (der) im Fehlerfall auftretende erhöhte Spannung oder Strom ausfall im Freilaufkreis die PWM-Steuerung (PWM-St) abschaltet.
3. Schutzschaltung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Abschaltung der PWM-Steuerung (PWM-St) in einer vorgegebe
nen Zeit gleich oder kleiner 10 ms nach dem Auftreten des Fehlerfalles
erfolgt.
4. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass am Verbindungspunkt zwischen Freilaufdiode (D1) und Verpol schutz-Halbleiterschalter (T2) ein Pufferkondensator (C1) angeschaltet ist, dass im Fehlerfall die Spannung am Pufferkondensator (C1) über einen vorgegebenen Wert ansteigt, und
dass die erhöhte Spannung am Pufferkondensator (C1) als Abschaltsignal an die PWM-Steuerung (PWM-St) weiterleitbar ist.
dass am Verbindungspunkt zwischen Freilaufdiode (D1) und Verpol schutz-Halbleiterschalter (T2) ein Pufferkondensator (C1) angeschaltet ist, dass im Fehlerfall die Spannung am Pufferkondensator (C1) über einen vorgegebenen Wert ansteigt, und
dass die erhöhte Spannung am Pufferkondensator (C1) als Abschaltsignal an die PWM-Steuerung (PWM-St) weiterleitbar ist.
5. Schutzschaltung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erhöhte Spannung am Pufferkondensator (C1) über einen Analog-
Digital-Wandler als digitales Abschaltsignal an die PWM-Steuerung (PWM-
St) weiterleitbar ist.
6. Schutzschaltung nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Spannung am Pufferkondensator (C1) über einen Spannungs
teiler (R1, R2) reduziert und erneut geglättet (C2) an den Analog-Digital-
Wandler weiterleitbar ist.
7. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Spannung am Pufferkondensator (C1) oder die reduzierte Spannung in einem Komparator (V) mit einer vorgegebenen Referenz spannung vergleichbar ist, und
dass der Komparator (V) ein digitales Abschaltsignal an die PWM- Steuerung (PWM-St) weiterleitet, wenn die Spannung am Puffer kondensator (C1) oder die reduzierte Spannung übersteigt.
dass die Spannung am Pufferkondensator (C1) oder die reduzierte Spannung in einem Komparator (V) mit einer vorgegebenen Referenz spannung vergleichbar ist, und
dass der Komparator (V) ein digitales Abschaltsignal an die PWM- Steuerung (PWM-St) weiterleitet, wenn die Spannung am Puffer kondensator (C1) oder die reduzierte Spannung übersteigt.
8. Schutzschaltung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Komparator (V) mit einem Selbsthaltekreis (D2, D3, R3) versehen ist, der den Abschaltezustand aufrechterhält, und
dass der stabile Abschaltzustand des Komparators (V) mittels eines dem Komparator (V) von der PWM-Steuerung (PWM-St) zuführbaren Rückstell signal (r) aufhebbar ist.
dass der Komparator (V) mit einem Selbsthaltekreis (D2, D3, R3) versehen ist, der den Abschaltezustand aufrechterhält, und
dass der stabile Abschaltzustand des Komparators (V) mittels eines dem Komparator (V) von der PWM-Steuerung (PWM-St) zuführbaren Rückstell signal (r) aufhebbar ist.
9. Schutzschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Drain-Ground-Spannung der Leistungshalbleiter-Endstufe (T1) in Low-Side-Schaltung überwacht ist,
dass die Drain-Ground-Spannung in einem Komparator (V) mit einer vorgegebenen Referenzspannung vergleichbar ist,
dass der Komparator (V) ein digitales Abschaltesignal an die PWM- Steuerung (PWM-St) abgibt, wenn die Drain-Ground-Spannung die Refe renzspannung übersteigt, und
dass mit dem Abschaltesignal die Ansteuerung der Leistungshalbleiter- Endstufe (T1) unterbindbar und die Referenzspanung für den Komparator (V) unwirksam schaltbar ist.
dass die Drain-Ground-Spannung der Leistungshalbleiter-Endstufe (T1) in Low-Side-Schaltung überwacht ist,
dass die Drain-Ground-Spannung in einem Komparator (V) mit einer vorgegebenen Referenzspannung vergleichbar ist,
dass der Komparator (V) ein digitales Abschaltesignal an die PWM- Steuerung (PWM-St) abgibt, wenn die Drain-Ground-Spannung die Refe renzspannung übersteigt, und
dass mit dem Abschaltesignal die Ansteuerung der Leistungshalbleiter- Endstufe (T1) unterbindbar und die Referenzspanung für den Komparator (V) unwirksam schaltbar ist.
10. Schutzschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Freilaufkreis auf Ausfall des getakteten Freilaufstromes
überwacht ist.
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