DE4113258A1 - Leistungssteuerschaltung mit kurzschlussschutzschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine analoge Leistungssteuerschaltung mit mindestens einem Leistungshalbleiterbauelement, dessen Laststrecke in Reihe zu einer Last geschaltet ist, sowie mit einer Steuerschaltung, der eine Steuerspannung zugeführt wird und die ein analoges Ausgangssignal erzeugt, das dem Steuer­ anschluß des Leistungshalbleiterbauelementes zugeführt wird sowie mit einer Kurzschlußschutzschaltung, die die Spannung an der Laststrecke des Leistungshalbleiterbauelements ermittelt.

Eine derartige kurzschlußfeste Leistungssteuerschaltung ist z. B. aus Siemens Schaltungen mit integrierten Halbleiterbau­ elementen, Anwendungsbeispiele Teil 2, 1978 auf S. 68 ff dar­ gestellt. Insbesondere Fig. 2.14 zeigt einen kurzschlußfesten Schaltverstärker für Magnetventile. Dabei befindet sich im Lastkreis ein sogenannter Shuntwiderstand, an dem eine dem Stromfluß im Lastkreis proportionale Spannung abfällt. Über­ steigt diese Spannung einen bestimmten Wert, wie dies z. B. bei einem Kurzschluß der Last der Fall wäre, so wird der Lei­ stungstransistor, hier in Form eines BD 675 dargestellt, durch einen weiteren Transistor BCY 58 gesperrt.

Werden hohe Ströme geschaltet, so wird dieser Shuntwiderstand im Lastkreis unerwünscht groß und teuer und erzeugt darüber hinaus zusätzliche Verlustwärme.

Eine weitere Möglichkeit, den Leistungstransistor bei Kurz­ schluß der Last zu schützen, besteht in der Verwendung eines temperaturgeschützten Leistungshalbleiters, sogenannter TEMPFETs.

Bei höheren Strömen werden notwendigerweise aber mehrere Tran­ sistoren parallel geschaltet. Dadurch steigt der Kostenaufwand erheblich bei der Verwendung dieser Transistoren.

Aus der EP 03 84 937 ist eine Kurzschlußschutzschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Diese eignet sich jedoch nur für getaktete Leistungssteuerungen und nicht für analog regelbare.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine analoge Leistungs­ steuerschaltung anzugeben, die eine Kurzschlußschutzschaltung aufweist, bei der kein Meßwiderstand im Lastkreis notwendig ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind Kennzeichen der Unter­ ansprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Figuren näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung, sowie

Fig. 2 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kurzschluß­ schutzschaltung.

Fig. 1 zeigt eine Leistungssteuerschaltung 3, welche zwei Ein­ gänge 1, 2 aufweist, an denen die zur steuernden Leistung pro­ portionale Steuerspannung anlegbar ist. Die Schaltung enthält eine Regel- bzw. Steuereinheit 4, welche über Versorgungsspan­ nungsleitungen 4a, 4b mit der Betriebsspannung und welche über die Anschlüsse 13, 14 mit der Leistungssteuerschaltung 3 ver­ bunden ist. Der Eingang 4c der Regel- bzw. Steuereinheit ist mit dem Anschluß 1 verbunden. Weiterhin ist eine Temperatur­ schutzeinheit 5 vorgesehen, die ebenfalls über die Anschlüsse 5a, 5b mit der Betriebsspannung verbunden ist. Die Tempera­ turschutzeinheit weist einen Ausgang 5c aus, welche mit einem weiteren Eingang 4e der Regel- bzw. Steuereinheit 4 verbunden ist. Mit 6 ist die Kurzschlußschutzeinheit bezeichnet. Sie ist ebenfalls über Leitungen 6a, 6b mit der Betriebsspannung ver­ schaltet. Die zu schaltende Last 7 ist hier als Motor darge­ stellt. Das Leistungshalbleiterbauelement besteht aus vier pa­ rallelgeschalteten MOS-Transistoren 8, 9, 10, 11. Die Gatean­ schlüsse der vier MOS-Transistoren 8, 9, 10, 11 sind mit dem Steuerausgang 4d der Regel- bzw. Steuereinheit 4 verbun­ den. Die Laststrecken der vier MOS-Transistoren 8, 9, 10, 11 sind derart parallelgeschaltet, daß die Sourceanschlüsse mit dem Betriebsspannungsanschluß 14 verschaltet sind und die Drainanschlüsse der vier MOS-Transistoren 8, 9, 10, 11 mit dem ersten Anschluß der Last 7 verschaltet sind. Der zweite An­ schluß der Last 7 ist mit dem Betriebsspannungsanschluß 13 verschaltet. Weiterhin ist der erste Anschluß der Last 7 bzw. die Drainanschlüsse der vier MOS-Transistoren 8, 9, 10, 11 mit dem Eingang 6d der Kurzschlußschutzeinheit 6 verbunden. Der Ausgang der Kurzschlußschutzeinheit 6c ist mit dem Ausgang 4d der Regel- bzw. Steuereinheit 4 verschaltet.

Die Regel- bzw. Steuereinheit 4 stellt die Motorspannung pro­ portional einer vorgegebenen, veränderlichen Sollspannung an den Eingangsklemmen 1, 2 ein. Im folgenden sei diese Spannung größer 0 angenommen. Bei versorgungsseitigem Lastkurzschluß liegt am Drain der Leistungsstufe 8, 9, 10, 11 dann die Ver­ sorgungsspannung, die am Anschluß 13 anliegt, an. Diese Span­ nung ist allenfalls verringert, um die auf den Zuleitungen der Last abfallende Spannung. Die Regel- bzw. Steuereinheit 4 versucht nun die Leistungstransistoren 8, 9, 10, 11 derart aufzusteuern, daß sich die gewünschte Spannung an der Last 7 einstellt. Da diese aber ein Kurzschluß aufweist, werden die Leistungstransistoren 8, 9, 10, 11 voll aufgesteuert. Dies würde zu einer deutlich erhöhten Verlustleistung, zur Erwär­ mung und damit möglicherweise kurzfristig zur Zerstörung der Leistungstransistoren 8, 9, 10, 11 führen. Die Kurzschluß­ schutzeinheit 6 begrenzt nun die Gate-Source-Spannung der Leistungstransistoren 8, 9, 10, 11 auf einen niedrigeren Wert und damit die Verlustleistung auf einen zulässigen Betrag. Die Verlustleistung bei kurzgeschlossener Last 7 ist bei gleicher Gate-Source-Spannung an den Leistungstransistoren 8, 9, 10, 11 höher als bei ordnungsgemäßem Betrieb. Die Kurzschlußschutz­ schaltung erkennt dies und begrenzt die Gate-Source-Spannung für jeden Wert der einstellbaren Drain-Source-Spannung auf einen von einer Referenzspannung abgeleiteten Wert.

Die entstehende Verlustwärme ist nun begrenzt und führt nun bei Überhitzung des Kühlkörpers zum Ansprechen einer Tempera­ turschutzeinheit 5. Die Temperaturschutzeinheit 5 erhält ein Eingangssignal an ihrem Eingang 5d, welches z. B. von einem Heiß- oder Kaltleiter 12, der mit den Leistungstransistoren 8, 9, 10, 11 in thermischem Kontakt steht, erzeugt wird. Es kön­ nen selbstverständlich auch andere temperaturempfindliche Bau­ elemente zu diesem Zweck verwendet werden. Das von der Tempe­ raturschutzeinheit 5 erzeugte Ausgangssignal wird dann über den Ausgang 5c und den Eingang 4e der Regel- bzw. Steuerein­ heit 4 zugeführt. Diese liefert ein Ausgangssignal am Ausgang 4d und blockiert oder regelt so die Ansteuerung der Leistungs­ transistoren.

Fig. 2 stellt die Kurzschlußschutzeinheit 6 aus Fig. 1 näher dar. Sie enthält einen Operationsverstärker 20, dessen posi­ tiver und negativer Eingang jeweils über einen Spannungsteiler 15, 17; 16, 18 die an der Last 7 anliegende Spannung zugeführt werden. Die Spannungsteiler sind durch jeweils zwei Widerstän­ de 15, 17; 16, 18, die in Reihe geschaltet sind, ausgebildet. Dabei ist der erste Spannungsteiler 15, 17 zum einen mit dem Anschluß 6a und zum anderen mit dem Anschluß 6b verbunden. Der zweite Spannungsteiler 16, 18 ist zum einen mit dem Anschluß 6b und zum anderen mit dem Anschluß 6d verschaltet. Der posi­ tive Eingang des Operationsverstärkers 20 ist über einen Wi­ derstand 19 rückgekoppelt. Der Ausgang des Operationsverstär­ kers 20 ist über die Reihenschaltung eines Widerstands 21 und einer Diode 22 mit der Basis eines pnp-Transistors 25 verbun­ den. Dessen Kollektor ist mit dem Ausgang eines zweiten Ope­ rationsverstärkers 24 verschaltet. Der Emitter des Transistors 25 ist zum einen mit dem Anschluß 6c verbunden und zum anderen mit dem negativen Eingang des Operationsverstärkers 24. Dem positiven Eingang des Operationsverstärkers 24 wird eine an der Klemme 23 anliegende Referenzspannung zugeführt. Die Steuer-Regeleinheit 4 kann nun die vom Operationsverstärker erzeugte Ausgangsspannung herunterregeln.

Tritt ein Kurzschluß in der Last 7 auf, so wird dies vom Ope­ rationsverstärker 20 detektiert. Dieser erzeugt ein Ausgangs­ signal, welches den Transistor 25 zusteuert. Dadurch wird die am Anschluß 6c vom Operationsverstäkrer 24 erzeugte Steuer­ spannung nun begrenzt. Solange die Spannung an der Last 7 im Normalbetrieb gleich 0 oder klein ist, dominiert die Steuer- Regeleinheit 4. Sie regelt die Ausgangsspannung, die kleiner der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers ist. Der Ope­ rationsverstärker 24 würde die Gatespannung der Leistungs­ transistoren 8, 9, 10, 11 auf den vom Referenzwert der am Anschluß 23 anliegt abgeleitete Spannung begrenzen, da der Operationsverstärker 20 diesen immer auf eine durch die Drain­ sowie -Spannung der Leistungstransistoren 8, 9, 10, 11 be­ stimmte Ausgangsspannung einstellt. Für eine zuverlässige Funktion muß also die Referenzspannung so hoch liegen, daß im Normalbetrieb in der Nähe der Schwelle der Referenzspannung bereits eine so hohe Lastspannung abfällt, daß der Operations­ verstärker 20 den Kurzschlußregler 25 deaktiviert. Die Refe­ renzspannung am Anschluß 23 darf aber wiederum nicht so hoch liegen, daß die entsprechend den Rahmenbedingung zulässige Verlustleistung überschritten wird.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist insbesondere bei analogen Drehzahlreglern für unipolare Kfz-Motoren höherer Leistung einsetzbar und erlaubt den kurzschlußfesten Parallelbetrieb von mehreren MOS-FET-Transistoren bei versorgungsseitiger Last unter Vermeidung eines Strommeßwiderstandes.

Claims (5)

1. Analoge Leistungssteuerschaltung mit mindestens einem Leistungshalbleiterbauelement (8, 9, 10, 11), dessen Last­ strecke in Reihe zu einer Last (7) geschaltet ist, sowie mit einer Steuerschaltung (4), der eine Steuerspannung zugeführt wird und die ein analoges Ausgangssignal erzeugt, das dem Steueranschluß des Leistungshalbleiterbauelements (8, 9, 10, 11) zugeführt wird, sowie mit einer Kurzschlußschutzschaltung (6), die die Spannung an der Laststrecke des Leistungshalblei­ terbauelements (7) ermittelt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußschutzschaltung für jeden Wert dieser Span­ nung das Ausgangssignal der Steuerschaltung (4) entsprechend begrenzt.

2. Leistungssteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Schutzschaltung (5) vorgesehen ist, die bei Überhitzung des Leistungshalbleiterbauelementes (8, 9, 10, 11) dieses sperrt.

3. Leistungssteuerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Leistungshalbleiterbauelementes (8, 9, 10, 11) mittels eines Heiß- bzw. Kaltleiters (12) ermittelt wird.

4. Leistungssteuerschaltung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußschutzschaltung (6) folgende Merkmale auf­ weist:

• - einen ersten Operationsverstärker (20), dessen Eingängen die an der Last anliegende Spannung zugeführt wird,
• - einen Transistor (25), dessen Steuereingang das Ausgangssi­ gnal des ersten Operationsverstärkers (20) zugeführt wird,
• - einem zweiten Operationsverstärker (24), dessen Ausgangssi­ gnal über die Laststrecke des Transistors (25) zum einen seinem negativen Eingang und zum anderen dem Steueranschluß des Leistungshalbleiterbauelements (8, 9, 10, 11) zugeführt wird,
• - dem positiven Eingang des zweiten Operationsverstärkers (24) eine Referenzspannung zugeführt wird.

5. Leistungssteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Leistungshalbleiterbauelement aus mehreren parallelge­ schalteten MOS-FET-Transistoren (8, 9, 10, 11) besteht.