DE3629186A1 - Leistungsendstufe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Leistungsendstufe mit einer Ansteuerelektronik, insbesondere zur gechoppten Steuerung eines Elektromotors, mit einer Brückenschaltung, die elektronische, mit ihren Steueranschlüssen mit der An­ steuerelektronik verbundene Schalter sowie wenigstens eine in der Brückenschaltung angeordnete Induktivität aufweist.

Es sind bereits gechoppte Motorsteuerungen bekannt, bei denen die Motorwicklung zum Stromaufbau an die Betriebs­ spannung angelegt wird. Nach Erreichen des Sollstromes wird die Betriebsspannung mittels eines elektronischen Schalters (Transistor) abgeschaltet. Der Strom kommutiert dabei vom Schaltelement auf eine Freilaufdiode und wird abgebaut. Die Spannung an der Motorwicklung oder dgl. Induktivität bricht dabei auf die Flußspannung der Frei­ laufdiode zusammen. Bei den sich wiederholenden Vorgängen entstehen Verluste, die in Form von Wärme abgeführt werden müssen.

Als elektronische Schalter können zwar bipolare Transi­ storen eingesetzt werden, wegen der günstigeren Schalt­ eigenschaften ist jedoch die Verwendung von Feldeffekt­ transistoren vorteilhaft. Bei Feldeffekttransistoren, insbesondere bei Leistungsfeldeffekttransistoren ist pa­ rallel zu Drain und Source eine intergrierte Diode ge­ schaltet, die als Freilaufdiode benützt werden kann.

Wegen der vergleichsweise hohen Sperrverzugszeit und Durchlaßspannung dieser integrierten Diode ergeben sich zusätzliche Schaltverluste und in besonderen Anwendungsfällen ist die Verwendung dieser integrierten Diode als Freilaufdiode nicht möglich. Die Sperrverzugszeit einer parallel zum Feldeffekttran­ sistor liegenden Diode führt beim Wechsel von Durchlaß­ richtung in Sperrichtung zu einem Stromfluß in Rückwärts­ richtung der Diode, so daß dann über diese Diode und den anderen, durchgeschalteten, in Reihe liegenden Feldeffekt­ transistor ein Kurzschluß vorhanden ist. Der dabei kurz­ zeitig fließende, hohe Kurzschlußstrom kann zu einer Beeinträchtigung der Lebensdauer der stromdurchflossenen Bauteile führen.

Es ist auch schon eine Schaltung bekannt, bei der in Reihe mit dem Feldeffekttransistor eine Entkopplungsdiode in Vorwärtsdurchlaßrichtung und eine weitere Diode als Frei­ laufdiode parallel zu dieser Reihenschaltung aus Feld­ effekttransistor und Extern-Entkopplungsdiode geschaltet ist. Einerseits ist hierbei jedoch nachteilig, daß für die Beschaltung des Feldeffekttransistors zwei zusätz­ liche Bauteile notwendig sind und außerdem fällt an der Extern-Freilaufdiode auch eine vergleichsweise hohe Ver­ lustleistung mit entsprechender Erwärmung an.

In einigen Anwendungsfällen kann konstruktionsbedingt die insgesamt auftretende Verlustwärme nicht genügend abgeführt werden, so daß dann der Einsatz dieser Schal­ tung und auch einer Schaltung mit integrierter Rücklauf­ diode nicht mehr möglich ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Leistungs­ endstufe mit einer Ansteuerelektronik zu schaffen, bei der einerseits durch die Freilaufdiode und andererseits durch einen elektronischen Schalter fließende, die Lebens­ dauer beeinträchtigende Kurzschlußströme vermieden werden. Außerdem soll der zusätzliche Aufwand mit externen Dioden vermieden werden. Schließlich soll die Gesamtverlust­ leistung wesentlich reduziert sein, so daß auch ein Ein­ satz der Schaltung unter Bedingungen möglich ist, die bisher die Verwendung einer solchen Leistungsendstufe und dgl. nicht zuließen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß insbeson­ dere vorgeschlagen, daß als elektronische Schalter Feld­ effekttransistoren vorgesehen sind, von denen der jewei­ lige in der Freilaufphase im Freilaufkreis in Rückwärts­ richtung liegende Feldeffekttransistor von der Ansteuer­ elektronik durchgeschaltet ist.

Erfindungsgemäß kann durch den Einsatz von Feldeffekt­ transistoren, im weiteren Verlauf der Beschreibung kurz "Fet" genannt, und durch die Ansteuerung des jeweils im Freilaufkreis in Rückwärtsrichtung liegenden Fet, von diesem zusätzlich auch die Funktion einer sonst parallel geschalteten Freilaufdiode übernommen werden. Dabei wird ausgenützt, daß ein Fet im durchgeschalteten Zustand auch in Rückwärtsrichtung einen sehr geringen Drain-Source- Widerstand aufweist, der wesentlich geringer als der einer in Durchlaßrichtung betriebenen Diode ist.

Außer einer Verringerung der Bauteilezahl gegenüber einer Schaltung mit Externdioden, wird hierdurch insbesondere erreicht, daß sonst durch die Sperrverzugszeit der Frei­ laufdiode auftretende Kurzschlußströme vermieden werden. Außerdem ist von erheblichem Vorteil, daß auch in der Rücklaufphase, wo bisher anteilig die größten Verluste auf­ traten, durch den geringen Innenwiderstand des Fet wesent­ lich geringere Verluste und somit auch eine geringere Er­ wärmung auftritt. Werden Fets mit integrierten Freilauf­ dioden verwendet, so ist diese in der Rücklaufphase durch den durchgeschalteten, parallel liegenden Fet niederohmig kurzgeschlossen und somit außer Funktion.

In Weiterbildung der Erfindung sind die in einem Brücken­ zweig einer Halb- oder einer Vollbrückenschaltung in Reihe geschalteten Fets während des gechoppten Betriebes wechselweise angesteuert und durchgeschaltet. Dadurch er­ gibt sich bei schaltungstechnisch geringem Aufwand der gewünschte Funktionsablauf.

Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeich­ nungen näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 Eine Prinzipschaltung einer Leistungsendstufe in Halbbrückenanordnung mit einer Ansteuer­ elektronik,

Fig. 2 eine Leistungsendstufe mit Vollbrückenschaltung und Ansteuerelektronik und

Fig. 3 ein Diagramm mit Darstellung der Schaltzustände der Fets und des zugehörigen Stromes in der Induktivität.

Eine in Fig. 1 gezeigte Leistungsendstufe 1 weist eine Halbbrückenschaltung mit zwei Leistungs-Feldeffekttran­ sistoren T 1 und T 2 auf. Die beiden Fets sind in Reihe geschaltet, wobei der Source-Anschluß von T 1 mit dem Drain-Anschluß von T 2 verbunden und an das eine Ende einer Induktivität 2 angeschlossen sind. Diese Induktivi­ tät kann insbesondere die Wicklung eines Gleichstrom­ motors oder eines Schrittmotors sein. Die Leistungsend­ stufe 1 ist mit einer Ansteuerelektronik 3 verbunden, wobei hier eine gechoppte Steuerung vorgesehen ist. Dies bedeutet, daß der durch die Induktivität fließende Strom I bei durchgeschaltetem Fet T 2 nach Erreichen des Soll­ stromes durch Sperren von T 2 abgeschaltet wird. Dieser Vorgang wird periodisch wiederholt, wie dies aus dem Diagramm nach Fig. 3 hervorgeht. Nach dem Sperren des Fets T 2 kommutiert der Strom in den Freilaufkreis mit dem Fet T 1. T 1 wird zu diesem Zeitpunkt von der Ansteuerelektronik 3 durchgeschaltet. Auch dies ist gut aus dem Diagramm nach Fig. 3 erkennbar. Deutlich geht daraus auch hervor, daß der den Arbeitsstrom schaltende Fet T 2 und der Freilauf- Fet T 1 wechselweise durchgeschaltet werden.

Der sich bei durchgeschaltetem Fet T 2 einstellende Strom­ lauf ist durch den Pfeil Pf 1 gekennzeichnet, während nach dem Sperren von T2 und gleichzeitigem Durchschalten von T 1 sich der durch den strichlinierten Pfeil Pf 2 gekenn­ zeichnete Stromlauf innerhalb des Freilaufkreises einstellt. Im Stromdiagramm nach Fig. 3 ist der zeitliche Verlauf des durch die Induktivität 2 fließenden Stromes 1 wiedergegeben, wobei der Strom bei durchgeschaltetem Fet T 2 ansteigt und sich danach bis zur nächsten Einschaltphase von T 2 abbaut. Bei den Fets T 1 und T 2 sind noch parallel zu Drain und Source geschaltete, integrierte Dioden angedeutet. Die innerhalb des Freilaufkreises in Durchlaßrichtung gepolte Diode des Fet T 1 wird während der Freilaufphase von T 1 niederohmig kurzgeschlossen, so daß der Freilaufstrom aus­ schließlich durch den Fet T 1 fließt. Dieser weist in durchgeschaltetem Zustand einen sehr geringen Innenwider­ stand auf, so daß dementsprechend die dort anfallende Verlustleistung sehr klein bleibt. Daraus resultiert eine entsprechend geringe Erwärmung. In Versuchen hat sich heraus­ gestellt, daß die Verlustleistung bei dem Fet T 1 nur noch ein Drittel bis ein Viertel von der an einer sonst einge­ setzten Freilaufdiode auftretenden Verlustleistung ist.

Um die vorgesehene wechselweise Ansteuerung der beiden Fets T 1 und T 2 zu erreichen, ist der Fet T 2 mit seinem Gate- Anschluß direkt und der andere Fet T 1 über einen In­ verter 4 mit der Ansteuererlektronik verbunden. Aus dem vorbeschriebenen Funktionsablauf ist erkennbar, daß die hier noch angedeuteten, mitintegrierten Dioden keine Funktion mehr übernehmen, so daß auch, wenn vor­ handen, Leistungsfets ohne Freilaufdioden verwendet werden können.

Zur Messung des durch die Induktivität 2 und den Fet T 2 fließenden Stromes, ist mit T 2 noch ein Widerstand R in Reihe geschaltet.

Fig. 2 zeigt eine Leistungsendstufe 1 a in Vollbrückenan­ ordnung mit den Fets T 1 bis T 4. Prinzipiell sind hierbei die gleichen Teilfunktionen wie bei der Schaltung nach Fig. 1 vorhanden, mit der zusätzlichen Möglichkeit, daß hier die Stromrichtung durch die Induktivität 2 umgekehrt werden kann. In der einen Stromrichtung fließt der Arbeits­ strom über T 1, die Induktivität 2 und T 4, wobei T 3 den Rücklauf-Fet bildet und in der anderen Richtung fließt der Arbeitsstrom durch T 3, die Induktivität und T 2, wobei dann T 1 den Freilauf-Fet bildet. Diese Vollbrückenschaltung bietet den besonderen Vorteil, daß man hier ohne zusätz­ lichen Aufwand mit den sowieso erforderlichen Schaltelemen­ ten auskommt, wobei die Fets T 1 und T 3 eine Doppel- Funktion übernehmen. Einerseits dienen sie dabei zum SchaI­ ten des Arbeitsstromes und andererseits auch als Freilauf- Fets.

Durch die Pfeile Pf 1 und Pf 2 ist bei gleicher Stromrich­ tung durch die Induktivität 2 wie in Fig. 1 der Stromlauf angedeutet. Der bei dieser Stromrichtung aIs Freilauf-Fet arbeitende T 1 wird hierbei im Wechsel mit dem Fet T 2 über den Inverter 4 angesteuert. Der weitere Inverter 4 a dient zur Ansteuerung des Fet T 3, der bei umgekehrter Stromrichtung den Freilauf-Fet bildet. In diesem Falle findet der Ansteuerwechsel zwischen T 3 und T 4 statt. Die Fets T 1 bis T 4 sind vorzugsweise als Leistungs- MOS-Fets ausgebildet.

Wegen der in Versuchen nachgewiesenen, erheblichen Redu­ zierung der auftretenden Gesamtverlustleistung, die auf unter 50% der bisher vorhandenen Verlustleistung abge­ senkt werden konnte, kann die Ansteuerung mit der er­ findungsgemäßen Leistungsendstufe mit wesentlich ge­ ringeren Kühlmaßnahmen auskommen. Dadurch eröffnen sich auch erweiterte Anwendungsgebiete, insbesondere für Bereiche, wo die gesamte Anordnung in geschlossenen Gehäusen untergebracht werden muß. Beim Betrieb eines Motors mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltung hat sich auch gezeigt, daß die im Motor selbst bei einem ge­ choppten Betrieb durch den mehr oder weniger starken Stromripple verursachte Erwärmung um einige Grad niedri­ ger gehalten werden konnte.

Alle in der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims (4)

1. Leistungsendstufe mit einer Ansteuerelektronik, ins­ besondere zur gechoppten Steuerung eines Elektro­ motors, mit einer Brückenschaltung, die elektronische, mit ihren Steueranschlüssen mit der Ansteuerelektronik verbundene Schalter sowie wenigstens eine in der Brücken­ schaltung angeordnete lnduktivität aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß als elektronische Schalter Feldeffekttransistoren vorgesehen sind, von denen der jeweilige in der Freilaufphase im Freilaufkreis in Rückwärtsrichtung liegende Feldeffekttransistor (T 1, T 3) von der Ansteuerelektronik (3) durchgeschaltet ist. 2. Leistungsendstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die in einem Brückenzweig einer Halb- oder einer Vollbrückenschaltung in Reihe geschalteten Feld­ effekttransistoren (T 1, T 2; T 3, T 4) während des gechoppten Betriebes wechselweise angesteuert und durchgeschaltet sind.

3. Leistungsendstufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei den beiden in Reihe geschal­ teten Feldeffekttransistoren (T 1 und T 2 bzw. T 3 und T 4) der Brückenschaltung, einer mit seinem Steueran­ schluß direkt und der andere über einen Inverter (4, 4 a) mit der Ansteuerlektronik (3) verbunden sind.

4. Leistungsendstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (2) die Wicklung eines Gleichstrommotors oder eines Schritt­ motors ist.

5. Leistungsendstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Feldeffekttransisto­ ren Leistungs-Mosfet-Transistoren vorgesehen sind, gegebenenfalls Feldeffekttransistoren ohne integrierte Freilaufdiode.