DE3730503A1 - DC control circuit - Google Patents

DC control circuit

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MICHAEL RIEDEL TRANSFORMATORENBAU ELEKTRONIK GMBH,
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Walter Marks
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Abstract

A DC control circuit has an inductive load (3), an electrical power source (current source) (2), and a switching transistor (1) which is connected between these two components. A capacitor (6) is connected between the gate connection (G) and the source connection (S) of the switching transistor and is charged or discharged by a control circuit (4) and in consequence defines the gate/source voltage. The capacitor defines the time response of the gate/source voltage during switching on and switching off such that a freewheeling diode (5) connected in parallel with the load is reliably reverse-biased and there is thus no current flow via the diode, but via the transistor and the diode to earth, or the diode is forward biased before an opposing voltage (which is induced by the load) leads to a current pulse or even to a large current through the transistor, which destroys the switching transistor. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung zum Ein- und Aus­ schalten, insbesondere zur Leistungssteuerung, des durch einen induktiven Verbraucher fließenden Gleichstromes. Als Schalter in einer solchen Schaltung wird häufig ein N-Kanal- MOSFET für hohe Leistungen verwendet. Würde ein solcher Tran­ sistor durch Anwenden einer sprunghaften Änderung der Gate- Spannung gesperrt oder durchgeschaltet werden, würde dies, wenn nicht weitere Maßnahmen ergriffen würden, zur Zerstö­ rung des Transistors aufgrund hoher Ströme führen, die durch die induzierte Gegenspannung des induktiven Verbrauchers ent­ stehen. Damit induzierte Ströme nicht über den Transistor fließen, wird eine Freilaufdiode verwendet, die parallel zum Verbraucher geschaltet ist, an die Source des Transistors angeschlossen ist und bei durchgeschaltetem Transistor sperrt, jedoch Strom, der durch die induzierte Gegenspannung hervorgerufen wird, durchläßt.The invention relates to a control circuit for on and off switch, especially for power control, by an inductive consumer flowing direct current. As Switch in such a circuit is often an N-channel MOSFET used for high powers. Would be such a blubber sistor by applying a step change in the gate Voltage would be blocked or switched through, this would, if no further measures were taken, destruction tion of the transistor due to high currents the induced counter voltage of the inductive consumer ent stand. This means that currents are not induced via the transistor flow, a freewheeling diode is used which is parallel to the Consumer is connected to the source of the transistor is connected and with the transistor turned on blocks, however, current caused by the counter voltage induced is caused, lets through.

Problematisch bei einer solchen Schaltung ist, daß die Frei­ laufdiode nicht innerhalb beliebig kurzer Zeit vom sperren­ den in den durchlassenden Zustand übergeht, oder umgekehrt. Es ist daher darauf zu achten, daß beim Abschalten durch Steuern der Gate-Spannung des Transistors der durch den Ver­ braucher fließende Strom zunächst nur soweit abgesenkt wird, daß die induzierte Gegenspannung noch nicht zu einem Strom führt, der den Transistor zerstört, jedoch ausreichend groß wird, um die Freilaufdiode vom sperrenden in den durchlassen­ den Zustand zu überführen. Beim Einschalten muß umgekehrt die Freilaufdiode sperren, bevor der Transistor ganz öffnet. Die entsprechende Steuerung der Gate-Spannung wird über eine Steuerschaltung vorgenommen. Die herkömmliche Steuerschal­ tung verändert das Potential der Gate-Elektrode in bezug auf das negative Potential der Stromquelle, also in der Regel in bezug auf Masse. The problem with such a circuit is that the free Do not block the running diode within a short period of time which changes to the transmitting state, or vice versa. It is therefore important to ensure that when switching off by Controlling the gate voltage of the transistor by the Ver current flowing through the consumer is initially only reduced to the extent that the induced reverse voltage has not yet become a current leads, which destroys the transistor, but sufficiently large will let the free-wheeling diode pass from the blocking to the to transfer the state. When turning on the other way round block the freewheeling diode before the transistor opens fully. The corresponding control of the gate voltage is via a Control circuit made. The conventional control scarf device changes the potential of the gate electrode with respect to the negative potential of the power source, usually in in terms of mass.  

Es hat sich herausgestellt, daß es trotz der besonderen Steuerung der Gate-Spannung bei den herkömmlichen Schaltun­ gen noch zu Stromspitzen am N-Kanal-MOSFET kommt, die diesen zerstören können, oder die zu leitungsgebundenen Störimpul­ sen oder Störstrahlung führen.It turned out that despite the special Control of the gate voltage in the conventional circuit current peaks on the N-channel MOSFET, which this can destroy, or the conducted interference or cause interference.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der beschriebenen Art anzugeben, bei der besonders wenig Störim­ pulse auftreten.The invention has for its object a circuit of Specify the type described in the particularly little Störim pulse occur.

Die Erfindung ist durch die Merkmale von Anspruch 1 gegeben. Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist Gegenstand eines Unteran­ spruches.The invention is given by the features of claim 1. An advantageous embodiment is the subject of a sub saying.

Die erfindungsgemäße Gleichstrom-Steuerschaltung zeichnet sich dadurch aus, daß das Gate so geschaltet ist, daß das an ihm anliegende Potential auf das Source-Potential und nicht auf Masse bezogen ist. Dies hat den Vorteil, daß der Poten­ tialunterschied zwischen Gate und Source, d. h. die Gate/ Source-Spannung genau definiert ist. Nur diese legt aber die Durchlaßcharakteristik des N-Kanal-MOSFET fest.The DC control circuit according to the invention draws is characterized in that the gate is switched so that the potential attached to it to the source potential and not is based on mass. This has the advantage that the poten Difference between gate and source, d. H. the gate / Source voltage is precisely defined. But this is the only one Pass characteristic of the N-channel MOSFET fixed.

Bei der herkömmlichen Schaltung wie auch bei der erfindungs­ gemäßen hängt das Source-Potential unter anderem von der vom induktiven Verbraucher erzeugten Gegenspannung ab. Bei der herkömmlichen Schaltung führte dies dazu, daß die Gate/ Source-Spannung nicht nur von dem auf Masse bezogenen Gate- Potential abhing, sondern auch von dem auf Masse bezogenen Source-Potential, das sich aufgrund der induktiven Eigen­ schaften der Gesamtschaltung in nicht genau vorhersehbarer Weise änderte. Das Durchlaßverhalten des Transistors war da­ her nicht genau steuerbar, was dazu führen konnte, daß eine hohe induktive Gegenspannung bereits auftrat, bevor die Frei­ laufdiode geöffnet hatte. Dies ist bei der erfindungsgemäßen Schaltung ausgeschlossen, da die Gate/Source-Spannung genau einstellbar ist und daher genau festgelegt werden kann, in­ nerhalb welcher Zeitspanne die Stromleitfähigkeit des Tran­ sistors auf einen vorgegebenen Wert heruntergesteuert wird. Diese Zeitspanne wird in herkömmlicher Weise an die Zeitkon­ stanten für das Sperren bzw. Durchlassen der Freilaufdiode angepaßt.In the conventional circuit as well as in the Invention According to the source potential depends among other things on that of inductive loads generated counter voltage. In the conventional circuit, this led to the gate / Source voltage not only from the gate related to ground Potential depended, but also on the mass related Source potential, which is due to the inductive eigen of the overall circuit in a way that is not exactly predictable Way changed. The pass behavior of the transistor was there not exactly controllable, which could lead to a high inductive counter voltage already occurred before the free had opened the diode. This is the case with the invention Circuit excluded because the gate / source voltage is accurate is adjustable and can therefore be precisely defined in within what time span the current conductivity of the Tran  sistors is driven down to a predetermined value. This time period is conventionally referred to the time con stanten for blocking or passing the freewheeling diode customized.

Es wird darauf hingewiesen, daß Gleichstrom-Steuerschaltun­ gen mit genau definierter Gate/Source-Spannung auch aus dem Stand der Technik bekannt sind, jedoch nur für solche Ausfüh­ rungsarten, bei denen der N-Kanal-MOSFET zwischen Masse und den Verbraucher geschaltet ist. In diesem Fall kann sich das Source-Potential nicht aufgrund einer induzierten Gegenspan­ nung ändern, so daß die Gate/Source-Spannung zu jeder Zeit eindeutig durch das gesteuerte, auf Masse bezogene Potential der Gate-Elektrode festgelegt ist.It is noted that DC control circuitry with a precisely defined gate / source voltage also from the Are known in the art, but only for such Ausfüh types in which the N-channel MOSFET is between ground and the consumer is switched. In this case it can Source potential is not due to an induced counter chip voltage so that the gate / source voltage at all times clearly through the controlled, mass-related potential the gate electrode is fixed.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines durch eine Fi­ gur veranschaulichten Ausführungsbeispieles näher beschrie­ ben.The invention is based on a Fi gur illustrated embodiment described in more detail ben.

Die Steuerschaltung gemäß der Figur weist einen N-Kanal- MOSFET auf, der im folgenden als Schalttransistor bezeichnet wird. Der Drain-Anschluß D des Schalttransistors 1 ist mit einer Stromquelle verbunden, die im Ausführungsbeispiel als Batterie 2 dargestellt ist. Der Source-Anschluß S steht mit einem induktiven Verbraucher 3 in Verbindung, der mit einem weiteren Anschluß geerdet ist. Der Gate-Anschluß G des Schalttransistors 1 wird von einer Steuerschaltung 4 mit einer vorgegebenen Spannung versorgt. Je nach angelegter Spannung zwischen Gate und Source kann ein bestimmter Maxi­ malstrom durch den Schalttransistor 1 fließen.The control circuit according to the figure has an N-channel MOSFET, which is referred to below as a switching transistor. The drain terminal D of the switching transistor 1 is connected to a current source, which is shown as a battery 2 in the exemplary embodiment. The source connection S is connected to an inductive consumer 3 , which is grounded with a further connection. The gate terminal G of the switching transistor 1 is supplied by a control circuit 4 with a predetermined voltage. Depending on the voltage applied between the gate and source, a certain maximum current can flow through the switching transistor 1 .

Wird der Schalttransistor 1 durch Anlegen einer entsprechen­ den Gate-Spannung vom leitenden in den sperrenden Zustand überführt, wird vom induktiven Verbraucher 3 eine Gegenspan­ nung erzeugt, die über eine parallel zum Verbraucher 3 liegen­ de Freilaufdiode 5 kurzgeschlossen wird, sobald diese durch­ geschaltet hat, was dann der Fall ist, wenn das eingangsseitige Potential am Verbraucher 3, und damit das Potential am Source-Anschluß S negativ geworden ist. Dabei wird die Gate/Source-Spannung durch die Steuerschaltung 4 und den Kondensator 6 so geführt, daß die Diode 5 durchge­ schaltet hat, bevor der induzierte Strom so groß wird, daß er den Schalttransistor 1 zerstören kann oder zu starken Stör­ impulsen führen kann.If the switching transistor 1 is converted from the conductive to the blocking state by applying a corresponding gate voltage, a counter voltage is generated by the inductive consumer 3 , which is short-circuited via a free-wheeling diode 5 lying parallel to the consumer 3 as soon as it has switched through, which is the case when the potential on the input side at the consumer 3 , and thus the potential at the source terminal S, has become negative. The gate / source voltage is guided by the control circuit 4 and the capacitor 6 so that the diode 5 has switched through before the induced current becomes so large that it can destroy the switching transistor 1 or lead to strong interference pulses.

Damit für die Freilaufdiode 5 ausreichend Zeit zur Verfügung steht, um vom sperrenden in den leitenden Zustand überzuge­ hen, bevor der Schalttransistor 1 weitgehend sperrt, wird die steuernde Spannung zwischen Gate G und Source S durch die Steuerschaltung 4 in vorgegebener Weise abhängig von der Zeit abgesenkt. Das zeitliche Verhalten wird beim dargestell­ ten Ausführungsbeispiel durch einen Kondensator 6 mitbe­ stimmt, der zwischen den Gate-Anschluß G und den Source-An­ schluß S geschaltet ist. Die Spannung zwischen Gate-Anschluß G und Source-Anschluß S wird allein über die Spannung am Kon­ densator 6 bestimmt, unabhängig davon, auf welchem Potential der Source-Anschluß S zu einem jeweiligen Zeitpunkt aufgrund einer jeweils gerade induzierten Gegenspannung liegt. Durch die genau festliegende Gate/Source-Spannung zu einem jeweili­ gen Zeitpunkt liegt auch das Durchlaßverhalten des Schalt­ transistors 1 zum jeweiligen Zeitpunkt genau fest. Dieses wird durch die Steuerschaltung so bestimmt, daß die Freilauf­ diode 5 mit Sicherheit durchgeschaltet hat, wenn aufgrund des Verringerns der Durchlaßfähigkeit des Schalttransistors 1 die induzierte Gegenspannung so weit zugenommen hat, daß sie über die Freilaufdiode 5 kurzgeschlossen werden kann.So that there is sufficient time for the freewheeling diode 5 to pass from the blocking to the conductive state before the switching transistor 1 is largely blocked, the control voltage between the gate G and the source S is reduced by the control circuit 4 in a predetermined manner depending on the time . The behavior over time is determined in the embodiment shown by a capacitor 6 which is connected between the gate connection G and the source connection S. The voltage between the gate terminal G and the source terminal S is determined solely by the voltage at the capacitor 6 , regardless of the potential of the source terminal S at any given time due to a counter voltage that has just been induced. Due to the precisely fixed gate / source voltage at a respective point in time, the forward behavior of the switching transistor 1 is precisely fixed at the respective point in time. This is determined by the control circuit so that the freewheeling diode 5 has switched through with certainty if, due to the reduction in the passability of the switching transistor 1, the induced countervoltage has increased to such an extent that it can be short-circuited via the freewheeling diode 5 .

Entsprechendes wie für den Ausschaltvorgang vorstehend be­ schrieben, gilt auch für den Einschaltvorgang. Ist zum Zeit­ punkt des Einschaltens die Sourcespannung noch negativ, ist die Freilaufdiode 5 noch leitend. Durch die Steuerschaltung 4 und den Kondensator 6 wird vor dem Durchschalten des Schalttransistors 1 zunächst das Sourcepotential auf einen positiven Wert gezogen, so daß die Freilaufdiode 5 sperrt. Öffnet danach der Schalttransistor 1 ganz, ist die direkte Verbindung zu Masse über die Freilaufdiode gesperrt, so daß es zu keinem starken Stromfluß durch den Schalttransistor 1 nach Masse kommt.The same as described above for the switch-off process also applies to the switch-on process. If at the time of switching on the source voltage is still negative, the freewheeling diode 5 is still conductive. By means of the control circuit 4 and the capacitor 6 , the source potential is first drawn to a positive value before the switching transistor 1 is switched on, so that the freewheeling diode 5 blocks. Then opens the switching transistor 1 completely, the direct connection to ground via the freewheeling diode is blocked, so that there is no strong current flow through the switching transistor 1 to ground.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Zeitverhal­ ten der Gate/Source-Spannung durch die Kapazität des Konden­ sators 6 bestimmt. Das Zeitverhalten kann jedoch auch direkt in der Steuerschaltung 4 festgelegt werden, die dann zwi­ schen den Gate-Anschluß G und den Source-Anschluß S geschal­ tet wird, um die Spannung zwischen diesen Anschlüssen in vor­ gegebener Weise beim Ein- und Ausschalten zu variieren.In the illustrated embodiment, the time behavior of the gate / source voltage is determined by the capacitance of the capacitor 6 . However, the timing can also be set directly in the control circuit 4 , which is then switched between the gate terminal G and the source terminal S in order to vary the voltage between these terminals in a given manner when switching on and off.

Claims (2)

1. Gleichstrom-Steuerschaltung mit
  • - einem induktiven Verbraucher
  • - einer Gleichstromquelle für den Verbraucher
  • - einem N-Kanal-MOSFET, der mit seinem Drain mit der Strom­ quelle und mit seiner Source mit dem Verbraucher und mit sei­ nem Gate mit einer Steuerschaltung verbunden ist, um den durch den Verbraucher fließenden Strom ein- und auszuschal­ ten, und
  • - einer Freilaufdiode, die an die Source angeschlossen ist und parallel zum Verbraucher liegt und bei durchgeschaltetem N-Kanal-MOSFET sperrt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gate (G) so geschaltet ist, daß das an ihm anliegende Potential auf das Source-Potential bezogen ist.
1. DC control circuit with
  • - an inductive consumer
  • - a DC power source for the consumer
  • - An N-channel MOSFET, the source of which is connected to the current with its drain and the source to the consumer and its gate is connected to a control circuit in order to switch the current flowing through the consumer on and off, and
  • - A free-wheeling diode which is connected to the source and is parallel to the consumer and blocks when the N-channel MOSFET is switched on, characterized in that the gate ( G ) is connected such that the potential applied to it is related to the source potential is.
2. Gleichstrom-Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Gate (G) und Source (S) ein Kondensator (6) geschal­ tet ist, der durch die Steuerschaltung (4) ge- und entladen wird.2. DC control circuit according to claim 1, characterized in that between the gate ( G ) and source ( S ), a capacitor ( 6 ) is switched, which is charged and discharged by the control circuit ( 4 ).
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