DE4330996A1 - Steuereinrichtung für einen elektrischen, insbesondere einen induktiven Verbraucher - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für einen elektri­ schen, insbesondere einen induktiven Verbraucher gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Eine solche Steuereinrichtung für einen elektrischen, insbesondere einen induktiven Verbraucher ist aus der EP-OS 038 624 bekannt. Dort ist eine solche Steuereinrichtung für einen elektrischen Verbraucher beschrieben. Der dort beschriebene Verbraucher wird im Rahmen einer H-Voll-Brücken-Schaltung als Leistungsendstufe für eine induktive Last z. B. einen Gleichstrommotor oder ein Magnetventil eingesetzt.

Bei der dort beschriebenen Einrichtung ist ein Kondensator als Ener­ giespeicher für die Ansteuerung des Feldeffekttransistors vorgese­ hen. Dadurch wird eine zusätzliche Spannung zur Ansteuerung des Feldeffekttransistors, deren Potential oberhalb der Versorgungs­ spannung liegen muß, vermieden. Die Einstellung der Schaltgeschwin­ digkeit, also sowohl der Spannungs- und der Stromsteilheit, erfolgt über einen Widerstand und kann nur gemeinsam eingestellt werden. Der verwendete Kondensator hat keinen Einfluß auf die abgestrahlten und die leitungsgebundenen Störungen.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Steuereinrich­ tung für einen elektrischen Verbraucher der eingangs genannten Art die leitungsgebundenen und die abgestrahlten Störungen zu minimie­ ren.

Vorteile der Erfindung

Die für die elektromagnetische Verträglichkeit besonders kritische Stromsteilheit kann verringert werden, ohne daß die Spannungssteil­ heit gleichzeitig verringert werden muß. Mittels eines zusätzlichen passiven Bauelements pro Feldeffekttransistor wird das Schaltverhal­ ten der Feldeffekttransistoren so verändert, daß nur noch eine sehr geringe Störungsstrahlung abgegeben wird.

Zusätzliche Leitungsfilter und Drosselspulen und damit Kosten können eingespart werden. Des weiteren können Glättungskondensatoren der Versorgungsspannung in Anzahl und Kapazität reduziert werden. Die Einrichtung kann bei allen Arten von MOS-Feldeffekttransistoren ver­ wendet werden.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Strom­ laufplan einer Ausführungsform und

Fig. 2 verschiedene Strom- und Spannungswerte über der Zeit aufgetragen.

Im folgenden soll die erfindungsgemäße Steuereinrichtung am Beispiel einer H-Halb-Brücken-Schaltung beschrieben werden. Die Erfindung ist nicht auf diese Anwendung beschränkt, sie kann bei allen Schaltungen eingesetzt werden, bei denen ein Verbraucher, insbesondere ein in­ duktiver Verbraucher in Reihe mit einem Schaltmittel zwischen einer Versorgungsspannung und Masse geschaltet ist. Solche induktive La­ sten, wie beispielsweise Gleichstrommotoren oder Magnetventile, kön­ nen beispielsweise als Stellglieder in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Die dargestellte Erfindung ist aber nicht auf diese Anwen­ dung beschränkt. Sie kann bei beliebigen induktiven Lasten einge­ setzt werden.

In Fig. 1 ist mit 100 eine induktive Last bezeichnet. Diese steht über eine Reihenschaltung aus einem ersten Schaltmittel 110 und ei­ nem Ohmschen Widerstand 115 mit Batteriespannung U_batt in Verbin­ dung. Der Ohmsche Widerstand 115 steht für den parasitären ohmschen Widerstand der Last 100. Über ein zweites Schaltmittel 120 steht die Last mit Masse in Verbindung.

Des weiteren steht der Verbindungspunkt zwischen dem induktiven Ver­ braucher 100 und dem zweiten Schaltmittel 120 mit der Anode einer Diode 130 in Verbindung. Die Kathode der Diode 130 ist ebenfalls mit Batteriespannung U_batt verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen dem ersten Schaltmittel 110 und dem Widerstand 115 ist mit der Kathode einer Diode 135 verbunden. Die Anode der Diode 135 steht mit Masse in Verbindung.

Zwischen Batteriespannung und Masse ist ein Kondensator 140 geschal­ tet. Der Verbindungspunkt zwischen dem ersten Schaltmittel 110, der Batteriespannung U_batt und der Kathode der Diode 130 wird mit Kno­ ten A und der Verbindungspunkt zwischen Anode der Diode 135, dem zweiten Schaltmittel 120 und Masse wird mit Knoten B bezeichnet.

Die Schaltmittel 110 und 130 sind vorzugsweise als Feldeffekttransi­ storen realisiert. Das Schaltmittel 110 wird über einen Widerstand 156 von einem Ansteuermittel 200 mit einer Ansteuerspannung U_st beaufschlagt. Zwischen dem Verbindungspunkt zwischen Widerstand 156 und dem Gate-Anschluß des ersten Schaltmittels 110 sowie dem Source-Anschluß des Schaltmittels 110 ist ein Kondensator 158 ge­ schaltet. Entsprechend wird das zweite Schaltmittel 120 über einen Widerstand 152 und einen Kondensator 154 von dem Ansteuermittel 200 mit einer Ansteuerspannung U_st beaufschlagt.

Eine solche Schaltung wird üblicherweise als H-Halb-Brücken-Schal­ tung bezeichnet. Sie dient üblicherweise als Leistungsendstufe für induktive Lasten z. B. für Gleichstrommotoren oder Magnetventile. Die Gate-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren 110 und 120 werden übli­ cherweise mit einer rechteckförmigen Ansteuerspannung U_st synchron angesteuert.

Diese Ansteuerspannung U_st wird von dem Ansteuermittel 200 bereit­ gestellt. Als Ansteuermittel 200 wird üblicherweise ein Microrechner oder eine analoge Schaltung eingesetzt. Diese Ansteuermittel be­ stimmt die Ansteuerspannung abhängig von verschiedenen Betriebsbe­ dingungen. Wird die Einrichtung zur Festlegung der eingespritzten Kraftstoffmenge verwendet, so verarbeitet das Ansteuermittel bei­ spielsweise ein Kraftstoffmengensignal. Desweiteren kann das An­ steuermittel 200 auch Regler umfassen, die den Mittelwert des Stroms und/oder den Mittelwert der Spannung an der Last auf Sollwerte ein­ regelt.

Sind die Feldeffekttransistoren durchgeschaltet, fließt ein Strom I_L vom Knoten A durch den Feldeffekttransistor 110, den Widerstand 115, die Induktivität 100 und den FET 120 zum Knoten B. Sperren die Feldeffekttransistoren, so fließt ein Freilaufstrom I_L von dem Knoten B durch die Diode 135, die Induktivität 100, den Widerstand 115 und die Diode 130 zum Knoten A. Während die Transistoren durch­ geschaltet sind, steigt der Strom I_L an. Sperren die Transistoren nimmt der Strom I_L über der Zeit ab.

Ist die Zeitkonstante T = L _* R der induktiven Last und deren Ohmschen Widerstand wesentlich großer als die Periodendauer des An­ steuersignals U_st, so stellt sich ein nahezu konstanter Strom I_L ein. Der Mittelwert des Stromes I_L kann über den Tastgrad der rechteckförmigen Ansteuerspannung U_st eingestellt werden. Der Kon­ densator 140 soll die Versorgungsspannung glätten und die leitungs­ gebundenen Störungen abblocken.

Durch Stromänderungen am Glättungskondensator 140 der Versorgungs­ spannung, der technologiebedingt eine parasitäre Reiheninduktivität besitzt, entstehen Störspannungen. Diese werden vor allem leitungs­ gebunden an das Bordnetz abgegeben.

Üblicherweise gelangt die Ansteuerspannung U_st über die Widerstän­ de 156 und 152 an die Gate-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren. Abhängig von den Widerständen verlängern sich die Schaltzeiten TU_ds der Drain-Source Spannung U_ds und die Schaltzeiten TI_d des Drain-Stromes I_d.

Im folgenden soll das zeitliche Verhalten der Steuereinrichtung an­ hand verschiedenen Strom- und Spannungswerte, die in der Fig. 2 aufgetragen sind, dargestellt werden. In Fig. 2a ist die Ansteuer­ spannung U_st, in Fig. 2b die Gate-Source-Spannung U_gs, in Fig. 2c die Drain-Source-Spannung U_ds und in Fig. 2d der Drain-Strom I_d aufgetragen.

In einer ersten Phase T1 nach Änderung des Ansteuersignals U_st steigt die Gate-Source-Spannung U_gs von 0 bis zu einer Treshold-Spannung U_th an. In dieser Zeitspanne T1 ändert sich we­ der die Drain-Source-Spannung U_ds noch der Drain-Strom I_d, die Schaltmittel 110 und 120 sind noch nicht leitfähig.

Im folgenden Zeitabschnitt T2 steigt der Drain-Strom I_d proportio­ nal zur Gatespannung U_gs, entsprechend der Stromsteilheit des Feldeffekttransistors an. Dabei gilt die Beziehung:

I_d = g _* (U_gs-U_th)

Hierbei ist g die Stromsteilheit des Feldeffekttransistors, I_d der Drain-Strom und U_gs die der Gate-Source-Spannung. Die Zeitspanne T2 entspricht der Schaltzeit des Drain-Stroms TI_d. Die Drain-Source-Spannung U_ds bleibt unverändert, dies beruht auf der Halb-Brücken-Schaltung.

Auf Grund der Induktivität der Last ändert sich die Spannung an der Last erst wenn der Strom durch die Dioden 130 und 135 zu Null gewor­ den ist.

Während des dritten Zeitabschnitts T3 und des vierten Zeitabschnitts T4 fällt die Drain-Source-Spannung U_ds auf eine Restspannung. Die Restspannung ergibt sich aus dem Produkt des Drainstromes I_d mit dem Bahnwiderstand R_DS zwischen Drain und Source des Feldeffekt­ transistors. Dabei bleibt die Gatespannung U_gs konstant, da der gesamte Gatestrom I_g benötigt wird, um die veränderlichen Kapazi­ täten C_DG zwischen Gate und Drain und zwischen Gate und Source C_GS um- bzw. aufzuladen. Der Knick im Spannungsverlauf der Drain-Spannung zwischen dem dritten und vierten Zeitabschnitt ent­ steht, wenn das Drainpotential unter das Gatepotential abfällt. Die Summe des dritten und vierten Zeitabschnitts entspricht der Schalt­ zeit TU_ds der Drain-Source-Spannung.

Im fünften Zeitabschnitt T5 steigt die Gatespannung weiter bis auf den Maximalwert an. In dieser Phase reduziert sich der Bahnwider­ stand R_DS des Feldeffekttransistors weiter.

Der Ausschaltvorgang verläuft entsprechend, in umgekehrter Reihen­ folge ab.

Durch die Verringerung der Spannungssteilheit DU_ds/Dt und der Stromsteilheit DI_d/Dt können die Störpegel reduziert und die spektrale Verteilung der Störungen verändert werden. Die Spannungs­ steilheit DU_ds/Dt beeinflußt im wesentlichen die Abstrahlung über die Lastleitung und die Stromsteilheit DI_d/Dt beeinflußt im we­ sentlichen leitungsgebundene Störungen.

Die Schaltzeiten TU_ds und TI_d stehen in einem festen Verhältnis. Werden größere Widerstandswerte für die Widerstände gewählt, so ver­ längern sich die Schaltzeiten TI_d und TU_ds Dies bedeutet die Stromsteilheit und die Spannungssteilheit nimmt ab, was eine Reduk­ tion der Störungen bewirkt. Nachteilig ist, daß die Schaltzeit des Magnetventils sowie die Verlustleistung zunimmt. Die Verlustleistung ist im wesentlichen proportional zu der Gesamschaltzeit (TU_ds + TI_d), der anliegenden Spannung U_ds und dem Strom I_d. Die Gesamtschaltzeit entspricht der Zeitdauer der Zeiträume T2, T3 und T4. Eine Verlängerung der Schaltzeit bewirkt eine höhere Ver­ lustleistung.

Die Widerstände 156 und 152 beeinflussen den zeitlichen Verlauf der Gatespannung U_gs während des gesamten Schaltvorganges. Bei größe­ ren Widerstandswerten der Widerstände 152 und 156 verlängern sich alle Zeiträume T1 bis T5.

Der Gatespannung U_gs ändert sich über den Zeitraum T1, T2 und T5. Die Länge dieser Zeiträume bestimmt die Spannungssteilheit DU_gs/Dt. Je länger die Zeiträume T1, T2 und T5 sind, um so gerin­ ger ist die Spannungssteilheit. Der Drain-Strom I_d ändert sich über den Zeitraum T2. Die Länge dieses Zeitraums bestimmt die Strom­ steilheit DI_d/Dt je länger der Zeiträume T2 ist, um so geringer ist die Stromsteilheit.

Die Kondensatoren 154 und 158 beeinflussen nur die Länge der Zeit­ räume in denen sich die Gatespannung U_gs ändert. Dies bedeutet, die Dauer der Zeiträume T1, T2 und T5 hängen von den Kapazitäten der Kondensatoren 154 und 158 ab. Je höher die Kapazitäten der Kondensa­ toren sind, desto länger werden diese Zeiträume.

Der Drain-Strom I_d ändert sich lediglich über den Zeitraum T2. Die Länge dieses Zeitraums bestimmt die Stromsteilheit DI_d/Dt Je län­ ger der Zeitraäum T2 ist, um so geringer ist die Stromsteilheit.

Durch Verändern der Gatevorwiderstände 152 und 156 läßt sich die Spannungssteilheit DU_ds/Dt und die Stromsteilheit DI_d/Dt gemein­ sam beeinflussen. Mit größeren Widerstandswerten wird die Spannungs­ steilheit und die Stromsteilheit verringert. Gleichzeitig wird aber die Verlustleistung vergrößert.

Durch Verändern der Kondensatoren 154 und 158 läßt sich die Strom­ steilheit DI_d/Dt separat beeinflussen. Mit größeren Kapazitäten kann der Zeitraum T2 verlängert werden, ohne daß die Zeiträume T3 und T4 beeinflußt werden. Somit lassen sich kleinere Stromsteilhei­ ten bei konstanter Spannungssteilheit erzielen.

Die Kapazität der Kondensatoren 154 und 158 wird vorzugsweise abhän­ gig von der gewünschten Stromsteilheit und der Source-Gate-Kapazität CGS gewählt. Die Source-Gate-Kapazität CGS variiert zwischen den einzelnen Typen von Feldeffekttransistoren, sie liegt üblicherweise in der Größenordnung von 150 bis 500 Picofarad. Die Kapazität der Kondensatoren 154 und 158 liegt vorzugsweise zwischen 10 und 40 nF (Nanofarad).

Durch verringern der Stromsteilheit können insbesondere die kriti­ schen leitungsgebundenen Störungen reduziert werden.

Erfindungsgemäß kann durch Parallelschalten der Kondensatoren 152 und 156 zwischen Gate und Source der Feldeffekttransistoren die Schaltzeiten TI_d, dies bedeutet der Zeitraum T2 verlängert werden, ohne daß die Zeiträume T3 und T4 und damit die Schaltzeit TU_ds verlängert werden. Die Schaltzeiten TU_ds und TI_d lassen sich un­ abhängig voneinander einstellen. D. h. das Verhältnis TU_ds/TI_d ist bei der dargestellten Anordnung variabel.

Da der Einfluß der Schaltzeit TI_d einen wesentlich größeren Ein­ fluß auf die leitungsgebundenen und abgestrahlten Störungen besitzt, kann mittels der erfindungsgemäßen Einrichtung die Störungen, durch ein variabel gewordenes Verhältnis zwischen Spannungs- und Strom­ steilheit bei der gleichen Verlustleistung wesentlich stärker redu­ ziert werden, als bei einer Einrichtung die lediglich Widerstände umfaßt.

Claims (7)

1. Steuereinrichtung für einen elektrischen, insbesondere einen in­ duktiven Verbraucher, mit einem in Reihe zum Verbraucher liegenden Schaltmittel, insbesondere einem Feldeffekttransistor, einem An­ steuermittel zur Beaufschlagung des Schaltmittels mit einer An­ steuerspannung, gekennzeichnet durch ein erstes Mittel (152, 156), mit dem die Stromsteilheit und die Spannungssteilheit einstellbar ist, sowie einem zweiten Mittel (154, 158), mit dem die Stromsteil­ heit einstellbar ist.

2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem ersten Mittel (152, 156) die Stromsteilheit und die Span­ nungssteilheit gemeinsam und mit dem zweiten Mittel (154, 158) die Stromsteilheit separat einstellbar ist.

3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als erstes Mittel ein Ohmscher Widerstand verwendet wird, der mit dem Gate-Anschluß des Feldeffekttransistors und dem Ausgang des Ansteuermittels verbunden ist.

4. Steuereinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als zweites Mittel ein Kondensator verwendet wird.

5. Steuereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator zwischen dem Gate-Anschluß und einem der weiteren Anschlüsse, insbesondere dem Source-Anschluß des Feldeffekttransistors, geschaltet ist.

6. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kapazität des Kondensators wenigstens von der gewünschten Stromsteilheit und/oder der Gate-Source-Kapazität ab­ hängt.

7. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kondensator eine Kapazität von ca. 10 bis 40 nF aufweist.