DE4330996A1 - Steuereinrichtung für einen elektrischen, insbesondere einen induktiven Verbraucher - Google Patents
Steuereinrichtung für einen elektrischen, insbesondere einen induktiven VerbraucherInfo
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Description
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.
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.
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.
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 Ubatt 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 Ubatt 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 Ubatt 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 Ust
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 Ust 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 Ust synchron
angesteuert.
Diese Ansteuerspannung Ust 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
IL 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 IL 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 IL an. Sperren die Transistoren
nimmt der Strom IL 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 Ust, so stellt sich ein nahezu konstanter Strom IL
ein. Der Mittelwert des Stromes IL kann über den Tastgrad der
rechteckförmigen Ansteuerspannung Ust 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 Ust über die Widerstän
de 156 und 152 an die Gate-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren.
Abhängig von den Widerständen verlängern sich die Schaltzeiten
TUds der Drain-Source Spannung Uds und die Schaltzeiten TId
des Drain-Stromes Id.
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 Ust, in Fig. 2b die Gate-Source-Spannung Ugs, in Fig.
2c die Drain-Source-Spannung Uds und in Fig. 2d der Drain-Strom
Id aufgetragen.
In einer ersten Phase T1 nach Änderung des Ansteuersignals Ust
steigt die Gate-Source-Spannung Ugs von 0 bis zu einer
Treshold-Spannung Uth an. In dieser Zeitspanne T1 ändert sich we
der die Drain-Source-Spannung Uds noch der Drain-Strom Id, die
Schaltmittel 110 und 120 sind noch nicht leitfähig.
Im folgenden Zeitabschnitt T2 steigt der Drain-Strom Id proportio
nal zur Gatespannung Ugs, entsprechend der Stromsteilheit des
Feldeffekttransistors an. Dabei gilt die Beziehung:
Id = g * (Ugs-Uth)
Hierbei ist g die Stromsteilheit des Feldeffekttransistors, Id der
Drain-Strom und Ugs die der Gate-Source-Spannung. Die Zeitspanne
T2 entspricht der Schaltzeit des Drain-Stroms TId. Die
Drain-Source-Spannung Uds 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 Uds auf eine Restspannung. Die
Restspannung ergibt sich aus dem Produkt des Drainstromes Id mit
dem Bahnwiderstand RDS zwischen Drain und Source des Feldeffekt
transistors. Dabei bleibt die Gatespannung Ugs konstant, da der
gesamte Gatestrom Ig benötigt wird, um die veränderlichen Kapazi
täten CDG zwischen Gate und Drain und zwischen Gate und Source
CGS 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 TUds 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 RDS des Feldeffekttransistors weiter.
Der Ausschaltvorgang verläuft entsprechend, in umgekehrter Reihen
folge ab.
Durch die Verringerung der Spannungssteilheit DUds/Dt und der
Stromsteilheit DId/Dt können die Störpegel reduziert und die
spektrale Verteilung der Störungen verändert werden. Die Spannungs
steilheit DUds/Dt beeinflußt im wesentlichen die Abstrahlung über
die Lastleitung und die Stromsteilheit DId/Dt beeinflußt im we
sentlichen leitungsgebundene Störungen.
Die Schaltzeiten TUds und TId stehen in einem festen Verhältnis.
Werden größere Widerstandswerte für die Widerstände gewählt, so ver
längern sich die Schaltzeiten TId und TUds 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
(TUds + TId), der anliegenden Spannung Uds und dem Strom Id.
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 Ugs während des gesamten Schaltvorganges. Bei größe
ren Widerstandswerten der Widerstände 152 und 156 verlängern sich
alle Zeiträume T1 bis T5.
Der Gatespannung Ugs ändert sich über den Zeitraum T1, T2 und T5.
Die Länge dieser Zeiträume bestimmt die Spannungssteilheit
DUgs/Dt. Je länger die Zeiträume T1, T2 und T5 sind, um so gerin
ger ist die Spannungssteilheit. Der Drain-Strom Id ändert sich
über den Zeitraum T2. Die Länge dieses Zeitraums bestimmt die Strom
steilheit DId/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 Ugs 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 Id ändert sich lediglich über den Zeitraum T2. Die
Länge dieses Zeitraums bestimmt die Stromsteilheit DId/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 DUds/Dt und die Stromsteilheit DId/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 DId/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 TId, dies bedeutet der Zeitraum T2 verlängert werden,
ohne daß die Zeiträume T3 und T4 und damit die Schaltzeit TUds
verlängert werden. Die Schaltzeiten TUds und TId lassen sich un
abhängig voneinander einstellen. D. h. das Verhältnis TUds/TId
ist bei der dargestellten Anordnung variabel.
Da der Einfluß der Schaltzeit TId 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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934330996 DE4330996A1 (de) | 1993-09-13 | 1993-09-13 | Steuereinrichtung für einen elektrischen, insbesondere einen induktiven Verbraucher |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934330996 DE4330996A1 (de) | 1993-09-13 | 1993-09-13 | Steuereinrichtung für einen elektrischen, insbesondere einen induktiven Verbraucher |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4330996A1 true DE4330996A1 (de) | 1995-03-16 |
Family
ID=6497565
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19934330996 Ceased DE4330996A1 (de) | 1993-09-13 | 1993-09-13 | Steuereinrichtung für einen elektrischen, insbesondere einen induktiven Verbraucher |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4330996A1 (de) |
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- 1993-09-13 DE DE19934330996 patent/DE4330996A1/de not_active Ceased
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
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