DE19950023A1 - Drive device for switch for electronic switching of loads has semiconducting bridge circuit with clock signal input, charge pump with 42 Volt supply for generating gate voltage for FETs - Google Patents
Drive device for switch for electronic switching of loads has semiconducting bridge circuit with clock signal input, charge pump with 42 Volt supply for generating gate voltage for FETsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Ansteuervorrichtung für einen Schalter zum elektronischen Schalten eines Verbrauchers.The invention relates to a control device for a Switch for electronically switching a consumer.
Aus der DE-A-195 48 612 ist ein elektronischer Schalter zum zeitweiligen Verbinden zweier Anschlüsse bekannt. Dieser Schalter weist wenigstens zwei elektrisch steuer bare Schaltelemente auf, die in einer Leitung zwischen den beiden Anschlüssen angeordnet sind. Wenigstens eines der elektrisch steuerbaren Schaltelemente ist ein Feldef fekttransistor oder ein anderes bidirektionales Bauele ment mit externer oder integrierter Überlastabschaltung.From DE-A-195 48 612 is an electronic switch known for temporarily connecting two connections. This switch has at least two electrical control bare switching elements on a line between the two connections are arranged. At least one of the electrically controllable switching elements is a field fekttransistor or another bidirectional component ment with external or integrated overload cut-off.
Ferner ist es bereits bekannt, zum elektronischen Ein schalten von Verbrauchern in einem 12 V-Bordnetz Relais oder sogenannte Smart-Power-Bausteine (PROFET's) zu ver wenden. Diese Bausteine haben nur einen begrenzten Span nungs- und Stromeinsatzbereich. Für höhere Betriebsspan nungen ist das elektronische Schalten nur mit Leistungs halbleitern möglich. Diese Leistungshalbleiter werden mit einer Gate-Treiberstufe versehen, die das Gate schnell auflädt. Furthermore, it is already known for electronic on switching of consumers in a 12 V electrical system relay or so-called smart power modules (PROFET's) turn. These blocks have a limited span area of application and electricity. For higher operating voltage Electronic switching is only possible with power semiconductors possible. These power semiconductors are used provided with a gate driver that drives the gate quickly charges.
Bei der Gate-Treiberstufe kann es sich um einen sogenann ten High-Side-Schalter handeln. Derartige High-Side- Schalter sind zum Schalten von Lasten vorgesehen, die einseitig an Masse, beispielsweise an der Fahrzeugkaros serie, liegen. Dieser Schalter, bei dem es sich vorzugs weise um einen N-Kanal-Leistungs-MOSFET handelt, liegt zwischen der Betriebsspannung und der Last. Zum Einschal ten benötigt er eine Gate-Spannung, die über der Versor gungsspannung von beispielsweise + 12 V liegt. Diese Gate-Spannung kann unter Verwendung einer Ladungspumpe und eines Oszillators erzeugt werden.The gate driver stage can be a so-called act high-side switch. Such high-side Switches are intended for switching loads that one-sided to ground, for example on the vehicle body series, lie. This switch, which is preferred example is an N-channel power MOSFET between the operating voltage and the load. For the scarf he needs a gate voltage that is higher than the supply supply voltage of, for example, + 12 V. This Gate voltage can be measured using a charge pump and an oscillator are generated.
Weiterhin sind für den 12 V-Bereich Ladungspumpen nach dem Greinacher-Prinzip bekannt. Diese arbeiten mit einer Spannungsverdoppelung bzw. -verdreifachung, welche durch eine Kaskadierung von Dioden-Kondensator-Kombinationen erzielt wird. Prinzipbedingt lassen sich dabei nur ganz zahlige Vielfache der Eingangsspannung, vermindert um die Dioden-Flußspannungen, einstellen.There are also charge pumps for the 12 V range known the Greinacher principle. These work with one Voltage doubling or tripling, which by a cascading of diode-capacitor combinations is achieved. In principle, this can only be done entirely multiples of the input voltage minus the Diode forward voltages.
Ferner sind bereits Ladungspumpen bekannt, die nach dem Bootstrap-Verfahren arbeiten.Furthermore, charge pumps are already known, which after the Bootstrap procedures work.
Mittels der erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 wird im Vergleich zu bekannten Lösungen, bei denen das Potential eines auf 12 Volt auf geladenen Speicherkondensators um 42 Volt angehoben wird, eine Reduzierung der Anzahl der notwendigen Bauelemente und eine Reduzierung der Beanspruchung der Bauelemente erreicht. Die zur Realisierung der erfindungsgemäßen An steuervorrichtung notwendigen Bauelemente sind für 12 V geeignete Schalttransistoren, für 54 V geeignete Dioden und für 42 V ausgelegte Kondensatoren. Dies bedeutet bei spielsweise, daß im Vergleich zu bekannten Lösungen die Notwendigkeit von Hochvolt-Transistoren entfällt und letztere durch eine geringere Anzahl von preisgünstigeren Kleinsignal-Transistoren ersetzt werden können.By means of the control device according to the invention with the Features of claim 1 is compared to known Solutions where the potential is up to 12 volts charged storage capacitor is raised by 42 volts, a reduction in the number of components required and a reduction in the stress on the components reached. To implement the invention Control device necessary components are for 12 V. suitable switching transistors, diodes suitable for 54 V. and capacitors designed for 42 V. This means at for example, that compared to known solutions The need for high-voltage transistors is eliminated and the latter by a smaller number of cheaper ones Small signal transistors can be replaced.
Auch eine Verwendung von zusätzlichen Halbleiterventilen zum Schutz der Schaltung sind nicht notwendig.Also the use of additional semiconductor valves to protect the circuit are not necessary.
Nachstehend wird die Erfindung anhand der Figur beispiel haft erläutert. Es zeigt die Fig. 1 ein Ausführungsbei spiel für eine erfindungsgemäße Ansteuervorrichtung und die Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für eine Schaltung zur Erzeugung des am Eingangsanschluß E1 von Fig. 1 zur Verfügung gestellten Taktsignals.The invention is explained by way of example with reference to the figure. 2, there is shown in FIG. 1, a game Ausführungsbei for an inventive control device, and FIG. An exemplary embodiment of a circuit for generating the clock signal made available at the input terminal E1 of FIG. 1.
Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine erfin dungsgemäße Ansteuervorrichtung für einen Schalter zum elektronischen. Schalten eines Verbrauchers. Dieser Ver braucher V soll über den genannten Schalter aus dem Bord netz eines Kraftfahrzeuges mit einer Versorgungsspannung von 42 V beaufschlagt werden, wobei diese Versorgungs spannung an einer Anschlußklemme K4 bereitgestellt wird. Fig. 1 shows an embodiment of an inventive control device for a switch for electronic. Switching a consumer. This consumer V is intended to be supplied with a supply voltage of 42 V via the aforementioned switch from the on-board network of a motor vehicle, this supply voltage being provided at a connecting terminal K4.
Der Eingangsschalter weist einen oder mehrere Feldeffekt transistoren T3 auf, deren Drain-Source-Strecken zwischen der Anschlußklemme K4 und dem Verbraucher V angeordnet sind. Bei dem in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsbei spiel ist ein derartiger Feldeffekttransistor vorgesehen. Der Drain-Anschluß dieses Feldeffekttransistors ist mit der Anschlußklemme K4 und der Source-Anschluß mit dem Verbraucher V verbunden. The input switch has one or more field effect transistors T3, the drain-source paths of which are arranged between the connecting terminal K4 and the consumer V. In the game shown in FIG. 1, such a field effect transistor is provided. The drain connection of this field effect transistor is connected to the connection terminal K4 and the source connection to the load V.
Zum Durchschalten bzw. Leitendschalten und der Aufrecht erhaltung des durchgeschalteten Betriebes des Feldeffekt transistors T3 ist eine hinreichend große Spannung am Gate-Anschluß G erforderlich. Diese wird unter Verwendung einer Ansteuervorrichtung erzeugt, welche eine Halb brückenschaltung HB und eine Ladungspumpe L aufweist.For switching through or switching on and upright maintenance of the connected operation of the field effect transistor T3 is a sufficiently large voltage on Gate connection G required. This is being used a control device which produces a half bridge circuit HB and a charge pump L.
Die Ansteuerung der Halbbrückenschaltung HB erfolgt durch ein Taktsignal CK, welches der Halbbrückenschaltung an einem Eingangsanschluß E1 zur Verfügung gestellt wird. Das Taktsignal CK ist vorzugsweise ein Rechtecksignal mit einer Frequenz in der Größenordnung von 100 KHz.The half-bridge circuit HB is controlled by a clock signal CK, which the half-bridge circuit an input terminal E1 is provided. The clock signal CK is preferably a square wave signal a frequency on the order of 100 kHz.
Das Taktsignal CK wird zur Ansteuerung zweier Feldeffekt transistoren T1 und T2 verwendet, die wechselseitig lei ten und sperren.The clock signal CK is used to control two field effects transistors T1 and T2 used, which mutually lei and lock.
Ein zweiter Versorgungsspannungsanschluß K2, an welchem eine Versorgungsspannung von 12 Volt anliegt, ist mit der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors T1 verbunden, der der High-Side-Schalter der Halbbrücke ist. Der Source-Anschluß des Feldeffekttransistors T2, der den Low-Side-Schalter der Halbbrücke bildet, ist auf Masse gelegt. Die Drain-Anschlüsse der beiden Feldeffekttransi storen T1 und T2 sind miteinander verbunden und bilden den Ausgang P1 der Halbbrückenschaltung. Durch das wech selseitige Leiten der Feldeffekttransistoren T1 und T2 wird am Schaltungspunkt P1 ein springendes Potential er zeugt.A second supply voltage connection K2, to which a supply voltage of 12 volts is present with the Source electrode of the field effect transistor T1 connected, which is the high-side switch of the half-bridge. The Source connection of the field effect transistor T2, the Low-side switch that forms the half-bridge is on ground placed. The drain connections of the two field effect transi blinds T1 and T2 are interconnected and form the output P1 of the half-bridge circuit. By the change on the side routing of the field effect transistors T1 and T2 a jumping potential at node P1 testifies.
Bei leitendem Transistor T2 wird der Schaltungspunkt P1 über die Drain-Source-Strecke von T2 auf Masse gelegt. Dadurch kann der Ladekondensator C1 der Ladungspumpe L über die Diode D1 auf die an der Anschlußklemme K1 be reitgestellte Versorgungsspannung von 42 V aufgeladen werden. When transistor T2 is conductive, node P1 connected to ground via the drain-source path from T2. As a result, the charging capacitor C1 of the charge pump L via the diode D1 to be on the terminal K1 provided supply voltage of 42 V charged become.
Bei leitendem Transistor T1 wird der Schaltungspunkt P1 über die Source-Drain-Strecke von T1 mit der an der Ein gangsklemme K2 vorhandenen zweiten Versorgungsspannung von 12 V beaufschlagt. Dies führt dazu, daß die Diode D1 sperrt und der Ladekondensator C1 seine Ladung über die dann leitende Diode D2 an den Speicherkondensator C2 überträgt.When transistor T1 is conductive, node P1 over the source-drain path from T1 to that at the on output terminal K2 existing second supply voltage charged by 12 V. This leads to the diode D1 blocks and the charging capacitor C1 its charge over the then conductive diode D2 to the storage capacitor C2 transmits.
Bei der nächsten Durchschaltung des Transistors T2 wird der Schaltungspunkt P1 erneut über den T2 auf Masse ge legt. Dadurch wird der Ladekondensator C1 wiederum über D1 auf die an der Klemme K1 vorliegende Versorgungsspan nung von 42 V aufgeladen, wobei die Diode D2 sperrt. Wird danach T2 in den gesperrten und T1 in den leitenden Zustand gebracht, dann erfolgt erneut eine Übertragung der im Ladekondensator C1 gespeicherten Ladung auf den Speicherkondensator C2.The next time the transistor T2 is switched on the switching point P1 is again grounded via the T2 sets. As a result, the charging capacitor C1 is in turn over D1 to the supply voltage at terminal K1 voltage of 42 V, the diode D2 blocks. Thereafter, T2 will be in the blocked and T1 in the senior Condition brought, then a transmission takes place again the charge stored in the charging capacitor C1 to the Storage capacitor C2.
Der Speicherkondensator C2 ist direkt mit dem Gate G des Feldeffekttransistors T3 verbunden. Die Folge davon ist, daß durch den vorstehend beschriebenen Aufpumpvorgang die Spannung bzw. das Potential am Gate-Anschluß des Transi stors T3 soweit angehoben wird, daß T3 in den leitenden Zustand kommt und dort gehalten wird.The storage capacitor C2 is directly connected to the gate G of the Field effect transistor T3 connected. The consequence of this is that by the inflation process described above Voltage or the potential at the gate connection of the Transi stors T3 is raised so far that T3 in the conductive Condition comes and is kept there.
Im leitenden Zustand von T3 gelangt die an der Klemme K4 bereitgestellte Versorgungsspannung von 42 Volt aus dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs an den Verbraucher V, der an den Source-Anschluß S des Feldeffekttransistors T3 ange schlossen ist.When T3 is in the conductive state, it reaches terminal K4 provided supply voltage of 42 volts from the Vehicle electrical system of the motor vehicle to the consumer V who the source terminal S of the field effect transistor T3 is closed.
Im Unterschied zu bekannten Ladungspumpen wird der Lade kondensator C1 bei leitendem Transistor T2 über die Diode D1 auf eine Versorgungsspannung von 42 Volt, anzüglich der Durchlaßspannung der Diode D1, aufgeladen. Diese Spannung wird dann bei gesperrtem Transistor T2 auf den Speicherkondensator C2 übertragen. Mittels der Ladungs pumpe erfolgt danach eine Anhebung des Spannungsniveaus am Speicherkondensator C2 um weitere 12 Volt, so daß die am Gate des Feldeffekttransistors T3 anliegende Spannung U2 gegenüber Masse 42 V + 12 V = 54 V beträgt.In contrast to known charge pumps, the charging capacitor C1 is charged with a conductive transistor T2 via the diode D1 to a supply voltage of 42 volts, in addition to the forward voltage of the diode D1. This voltage is then transferred to the storage capacitor C2 when the transistor T2 is blocked. By means of the charge pump there is then an increase in the voltage level at the storage capacitor C2 by a further 12 volts, so that the voltage U 2 present at the gate of the field effect transistor T3 is 42 V + 12 V = 54 V with respect to ground.
Da am Source-Anschluß von T3 bei durchgeschaltetem T3 die Versorgungsspannung von 42 V anliegt, ist die Potential differenz zwischen der Drain- und der Source-Elektrode von T3 groß genug, um T3 im leitenden Zustand zu halten.Since at the source of T3 the T3 is switched on Supply voltage of 42 V is the potential difference between the drain and the source electrode of T3 large enough to keep T3 conductive.
Das am Eingangsanschluß E1 anliegende Taktsignal CK kann von einem nicht gezeichneten Prozessor zur Verfügung ge stellt werden. Weiterhin ist es möglich, das genannte Taktsignal unter Verwendung eines rückgekoppelten, inver tierenden Schmitt-Triggers zu generieren. Verwendet man einen rückgekoppelten NAND-Schmitt-Trigger zur Erzeugung des Taktsignals CK, wie es in der Fig. 2 gezeigt ist, dann besteht die Möglichkeit, die Erzeugung des Takt signals durch Eingabe eines Aktivierungs- bzw. Enable-Si gnals in die Wege zu leiten. Bei der in der Fig. 2 ge zeigten Ausführungsform der Taktsignalerzeugung wird das genannte Enable-Signal einem ersten Eingang eines NAND- Gatters zugeführt. Dieses stellt an seinem Ausgang das genannte Taktsignal CK zur Verfügung, welches weiterhin über einen Widerstand Rt an den zweiten Eingang des NAND- Gatters zurückgekoppelt ist. Der zweite Eingang des NAND- Gatters ist weiterhin über einen Kondensator Ct mit Masse verbunden.The clock signal CK present at the input terminal E1 can be provided by a processor (not shown). Furthermore, it is possible to generate the clock signal mentioned using a feedback, inverting Schmitt trigger. If a feedback NAND-Schmitt trigger is used to generate the clock signal CK, as shown in FIG. 2, there is the possibility of generating the clock signal by entering an activation or enable signal conduct. In the embodiment of the clock signal generation shown in FIG. 2, said enable signal is supplied to a first input of a NAND gate. This provides the clock signal CK available at its output, which is further fed back to the second input of the NAND gate via a resistor Rt. The second input of the NAND gate is also connected to ground via a capacitor Ct.
Bei dem oben im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschriebe nen Ausführungsbeispiel ist es vorteilhaft, aufgrund der großen Lade- und Entladeströme, die über die Dioden D1 und D2 fließen, Strombegrenzungswiderstände an die Dioden anzuschließen. In the embodiment described above in connection with FIG. 1, it is advantageous to connect current limiting resistors to the diodes due to the large charge and discharge currents flowing through the diodes D1 and D2.
Alternativ dazu besteht auch die Möglichkeit, für die am Ausgang P1 der Halbbrücke erzeugte Spannung US ein steti ges Signal vorzusehen, beispielsweise ein dreieckförmi ges, ein trapezförmiges, ein sägezahnförmiges oder ein sinusförmiges Signal. Die erfordert die zusätzliche Ver wendung eines Operationsverstärkers, ist aber mit dem Vorteil verbunden, daß Ladewiderstände eingespart werden und die Belastung der Dioden D1 und D2 reduziert ist.Alternatively, there is also the possibility of providing a continuous signal for the voltage U S generated at the output P1 of the half bridge, for example a triangular, a trapezoidal, a sawtooth or a sinusoidal signal. This requires the additional use of an operational amplifier, but is associated with the advantage that charging resistances are saved and the load on the diodes D1 and D2 is reduced.
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