DE4432520C1

DE4432520C1 - Elektronische Schutzschaltung gegen Überspannungen an Leistungsschaltelementen

Info

Publication number: DE4432520C1
Application number: DE19944432520
Authority: DE
Inventors: Robert Dipl Ing Kern
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1994-09-13
Filing date: 1994-09-13
Publication date: 1996-02-22
Anticipated expiration: 2014-09-14
Also published as: WO1996008869A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer elektronischen Schutzschaltung gegen Überspannungen an Leistungsschaltelementen, die vorzugsweise eine induktive Last, insbesondere einen Gleichstrommotor, mit einer Spannungsquelle verbinden. Eine gattungsgemäße Schutzschaltung ist aus der EP-A 444 484 bekannt, die eine zwischen einer ersten Anschlußklemme und einer zweiten Anschlußklemme der Spannungsquelle angeschlossene Spannungsfühlschaltung enthält, die bei einer Überspannung anspricht und das vorhandene Leistungsschaltelement ansteuert, um den durch die Überspannung entstehenden Strom über die Last zu leiten und die dabei entstehende Energie im wesentlichen dort zu vernichten.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße elektronische Schutzschaltung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung der Spannungsfühlschaltung auf.

Die Spannungsfühlschaltung enthält zunächst die Reihenschaltung eines Widerstands, einer Zenerdiode und eines weiteren Widerstands zwischen einer Batterieanschlußklemme und einer Masseanschlußklemme. Die Anode der Zenerdiode ist mit dem masseseitigen Widerstand und der Steuerelektrode eines Transistors verbunden, dessen Emitter mit Masse und dessen Kollektor über eine Reihenschaltung zweier Widerstände mit der Batterieanschlußklemme verbunden ist. Die Spannungsfühlschaltung enthält einen weiteren Widerstand, der einerseits mit der Verbindung von Kathode der Zenerdiode und dem batterieseitigen Widerstand und andererseits mit dem Kollektor eines Transistors verbunden ist, dessen Emitter an der Batterieanschlußklemme, dessen Steuerelektrode am Verbindungspunkt der beiden in Reihe geschaltenen Widerstände liegt und dessen Kollektor über einen weiteren Widerstand mit der Masseanschlußklemme verbunden ist.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Ergänzungen der im Anspruch 1 angegebenen elektronischen Schutzschaltung gegen Überspannungen an Leistungsschaltelementen möglich.

Die Schutzschaltung enthält vorteilhafter Weise weiterhin eine Spannungsfühlschaltung für Freilauf, die eine Reihenschaltung von einer Diode und einer Zenerdiode aufweist, wobei die Kathoden beider Dioden miteinander, die Anode der Diode mit der Lastanschlußklemme und die Anode der Zenerdiode mit der Steuerelektrode des Leistungsschaltelements verbunden ist. Mit dieser Schaltungsanordnung wird zusätzlich eine Freilaufschaltung realisiert, die zum Betreiben von elektrischen Lasten mit induktivem Lastanteil zum Unschädlichmachen von induktiven Spannungsspitzen erforderlich ist.

Gemäß einer anderen zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist ein Widerstand in der Spannungsfühlschaltung vorgesehen, der dem von der Spannungsfühlschaltung an das Leistungsschaltelement abgegebenen Signal oder dem von der Spannungsfühlschaltung für Freilauf abgegebenen Signal Vorrang vor den Ansteuersignalen einer Ansteuerlogik verschafft, die vorgesehen ist, das Leistungsschaltelement im Normalbetrieb ein- oder auszuschalten.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist gemäß einer weiteren zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung zur Begrenzung der Schaltfrequenz des Leistungsschaltelements beim Auftreten von Überspannungen ein Kondensator vorgesehen, der zwischen die Batterieanschlußklemme und den Kollektor des masseseitigen Transistors geschaltet ist.

Eine vorteilhafte weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß als Leistungsschaltelement ein Leistungs- Feldeffekttransistor oder eine Parallelschaltung von Leistungs- Feldeffekttransistoren vorgesehen ist.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ergänzungen der erfindungsgemäßen elektronischen Schutzschaltung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen elektronischen Schutzschaltung gegen Überspannungen,

Fig. 2 ein Blockschaltbild gemäß Fig. 1 mit einer möglichen Ausführungsform für die Spannungsfühlschaltung für Freilauf bzw. Verpolung, und

Fig. 3 ein Blockschaltbild gemäß Fig. 1 mit einer möglichen Ausführungsform für die Spannungsfühlschaltung für Load-Dump Spannungsimpulse sowie damit vereint die Spannungsfühlschaltung für Freilauf bzw. Verpolung in der Ausführung gemäß Fig. 2.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand des Blockschaltbilds gemäß Fig. 1 zunächst in ihren prinzipiellen, grundlegenden Merkmalen beschrieben. In Fig. 1 ist schematisch eine allgemein mit 10 bezeichnete Schaltung eines Steuergeräts mit einer Leistungsendstufe dargestellt. Die Schaltung 10 weist eine erste Spannungsquellenanschlußklemme bzw. Batterieanschlußklemme 12 und eine zweite Spannungsquellenanschlußklemme bzw. Masseanschlußklemme 14 auf. Weiterhin besitzt die Schaltung 10 eine erste Lastanschlußklemme 16 und eine zweite Lastanschlußklemme 18. An die Spannungsquellenanschlußklemmen 12 und 14 ist eine Gleichstromspannungsquelle, beispielsweise eine Batterie 20, angeschlossen, wobei der Minuspol der Gleichstromspannungsquelle bzw. das Massepotential an die Spannungsquellenanschlußklemme 14 der Schaltung 10 angeschlossen ist. An die Lastanschlußklemmen 16 und 18 ist ein, eine induktive Last besitzender Gleichstrommotor 22 angeschlossen. An die Lastanschlußklemme 18 ist die Drainanschlußklemme D eines Leistungs-FET 24 angeschlossen, dessen Sourceanschlußklemme S mit der zweiten Spannungsquellenanschlußklemme 14 verbunden ist. Das hier dargestellte Steuergerät 10 ist also eines mit einem sogenannten Low-Side-Leistungsschalter, da dieser auf der Minusseite des Motors angebracht ist. Es ist klar, daß das Prinzip der Erfindung auch auf High-Side-Leistungsschalter anwendbar ist.

Eine Spannungsfühlschaltung 101 ist über Anschlüsse 102 und 104 mit den Spannungsquellenanschlußklemmen 12 und 14 verbunden, und weist zwei Anschlüsse 103 und 105 auf, die einerseits mit der Drainanschlußklemme D und andererseits mit der Gateanschlußklemme G des Leistungs-FET 24 verbunden sind. Die Spannungsfühlschaltung 101 weist weiterhin einen Anschluß 107 auf, der die Ansteuerimpulse einer Ansteuerlogik 110, auf deren näheren Schaltungsaufbau im Rahmen vorliegender Erfindung nicht weiter eingegangen werden soll, über die Spannungsfühlschaltung auf die Steuerelektrode, das Gate G, des Leistungs-FETs bringt. Zur Versorgung ist die Ansteuerlogik 110 noch mit den Spannungsquellenanschlußklemmen 12 und 14 verbunden.

Die Spannungsfühlschaltung 101 gemäß der Erfindung ist somit in der Lage, sowohl die Spannung im Versorgungsnetz über die Anschlüsse 102 und 104, insbesondere im Hinblick auf Load-Dump Spannungsimpulse, als auch die Spannung an den Drain- und Gateanschlußklemmen D und G des Leistungs-FET 24 über die Anschlüsse 103 und 105, insbesondere im Hinblick auf die Freilaufspannung und das Verpolen, zu überwachen. Daraus ist sie auch in der Lage auf kritische Spannungsanstiege, die ganz generell verschiedene Ursachen haben können, zu reagieren. Durch die dabei erfolgende Einwirkung auf das Gate G des Leistungs-FETs 24 wird dieses selbst genutzt, um gefährliche und ggf. zerstörerische Spannungsüberhöhungen an seiner Drain-Source Strecke zwischen den Anschlußklemmen D und S zu vermeiden. Die bei Spannungsüberhöhungen auftretenden Energien werden in der Wicklung des Motors 22 vernichtet, ohne daß diese dabei Schaden nimmt, da sie für solche Belastungen ja gerade ausgelegt ist.

In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild gemäß der Fig. 1 gezeigt, das eine mögliche Ausführungsform der Spannungsfühlschaltung für Freilauf bzw. Verpolung 201 darstellt. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Spannungsfühlschaltung für Freilauf bzw. Verpolung 201 enthält die Reihenschaltung einer Diode 203 und einer Zenerdiode 205, deren Kathoden miteinander verbunden sind. Die Anode der Diode 203 bildet den Anschluß 103 und die Anode der Zenerdiode 205 bildet den Anschluß 105. Weiterhin ist die Anode der Zenerdiode 205 über einen Widerstand 207 mit dem Anschluß 107 verbunden, über den die Ansteuerimpulse von der Ansteuerlogik 110 auf das Gate G des Leistungs-FET 24 gelangen. Der Widerstand 207 räumt der Wirkung der Reihenschaltung aus Diode 203 und Zenerdiode 205 Priorität gegenüber den Ansteuerimpulsen ein, wodurch der Leistungs-FET wirksam vor Freilaufüberspannungen geschützt ist.

Im Betriebsfall liegt über der Batterie 20 an den Spannungsquellenanschlußklemmen 12 und 14 eine Spannung an, die bei durch die Ansteuerlogik 110 eingeschaltetem Leistungs-FET 24 an den Lastanschlußklemmen 16 und 18 eine Betriebsspannung bereitstellt, so daß der Motor 22 eingeschaltet ist. Wird nunmehr der Leistungs-FET 24 von der Ansteuerlogik 110 her abgeschaltet, liegt an der Lastanschlußklemme 16 infolge der Motorinduktivität des Motors 22 eine Spannung an, die sehr schnell ansteigt und den Strom weiter fließen läßt. Sobald die Freilaufspannung einen bestimmten Wert überschreitet, wird die Zenerdiode 205 leitend und steuert das Gate G des Leistungs-FETs 24 an. Dieser wird dadurch ebenfalls leitend und nimmt den Freilaufstrom auf. In besonders vorteilhafter Weise dient somit der die Leistung schaltende Transistor, bzw. die sowieso vorhandene Leistungsendstufe, dazu, auch den Freilaufstrom zu übernehmen. Die damit verbundene Energie wird in der Last, der Wicklung des Motors 22, abgebaut, die dafür ja geeignet ist.

Die Schaltschwelle für den Einsatz der Freilaufschaltung wird durch die Sperrspannung der Zenerdiode 205 und die Schwellspannung des Leistungs-FET bestimmt. Diese Spannungsfühlschaltung 201 wird so dimensioniert, daß zu keinem Zeitpunkt die zulässige Sperrspannung des Leistungsschalttransistors überschritten wird.

Der Vorteil dieser Schaltung liegt auch darin, daß kein besonderer, zusätzlicher Verpolschutz notwendig ist. Dies liegt daran, daß in Reihe mit der Parasitärdiode des Leistungs-FET 24 die elektrische Last liegt, die den Verpolstrom begrenzt. Dadurch tritt kein zerstörender Querstrom auf. Die Schaltung ist somit von sich aus verpolfest.

In Fig. 3 ist in einem Blockschaltbild gemäß Fig. 1 eine mögliche Ausführungsform für eine Spannungsfühlschaltung 301 für Load-Dump Spannungsimpulse sowie damit vereint die Spannungsfühlschaltung 201 für Freilauf bzw. Verpolung in der Ausführung gemäß Fig. 2 dargestellt. Gleiche Teile sind in dieser Figur mit den gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 bezeichnet. Soweit nicht erforderlich, werden die bereits erwähnten Teile nicht erneut beschrieben.

Die Spannungsfühlschaltung 301 für Load-Dump Impulse ist mit Anschlüssen 302 und 304 zwischen die erste und zweite Spannungsquellenanschlußklemme 12 und 14 geschaltet. Sie enthält eine Reihenschaltung eines Widerstandes 303, einer Zenerdiode 305 und eines weiteren Widerstandes 306, die zwischen die erste und zweite Spannungsquellenanschlußklemme 12 und 14 geschaltet ist. Dabei ist die Anode der Zenerdiode 303 mit dem masseseitigen Widerstand 306 und der Steuerelektrode eines Transistors 308 verbunden. Der Emitter dieses Transistors 308 ist mit dem Massepotential 14 und sein Kollektor über eine Reihenschaltung zweier Widerstände 311 und 313 mit der positiven ersten Spannungsquellenanschlußklemme 12 verbunden. Die Spannungsfühlschaltung 301 enthält weiterhin einen Widerstand 315, der einerseits mit der Verbindung von Kathode der Zenerdiode 305 und dem batterieseitigen Widerstand 303 und andererseits mit dem Kollektor eines weiteren Transistors 317 verbunden ist. Der Emitter dieses Transistors 317 ist mit der positiven ersten Spannungsquellenanschlußklemme 12 verbunden und seine Steuerelektrode liegt am Verbindungspunkt der beiden Widerstände 311 und 313. Der Kollektor des Transistors 317 ist über einen Widerstand 319 mit Massepotential 14 verbunden und bildet gleichzeitig den Eingang 107 zur Spannungsfühlschaltung 201 für Freilauf bzw. Verpolung.

Die Wirkungsweise der Spannungsfühlschaltung 301 ist folgende:
Über den Widerstand 303, die Zenerdiode 305, den Widerstand 306 und den Transistor 308 wird die Versorgungsspannung an der Batterieanschlußklemme 12 eingelesen. Überschreitet diese Spannung einen kritischen Wert, dann wird die Zenerdiode 305 und der Transistor niederohmig und leitend. Über den Transistor 317 wird der Leistungs-FET 24 angesteuert und ebenfalls leitend, so daß er vor zu hoher Sperrspannung geschützt ist. Wenn nach Ablauf des Load-Dump Spannungsimpulses die Spannung an der Batterieanschlußklemme 12 wieder unter einen unkritischen Wert absinkt, werden die Zenerdiode 305 und der Transistor 308 wieder hochohmig und sperren. Damit ist die Schutzschaltung selbst wieder passiv und die Steuerschaltung 10 arbeitet wieder im Normalbetrieb. Die Schaltpunkte für die Werte der kritischen und der unkritischen Spannung werden durch die Dimensionierung der Widerstände 303, 306, 315 und die Zenerdiode 305 bestimmt.

In einem Sonderfall, wenn die elektrische Last sehr niederohmig ist im Vergleich zum Quellwiderstand des Load-Dump Impulses, dann wird die Spannung an der Batterieanschlußklemme 12 reduziert. Somit werden auch die anderen in der Schaltung vorkommenden Halbeiterelemente vor Überspannung geschützt. Es tritt damit allerdings ein anderes Problem auf: durch die Niederohmigkeit der elektrischen Last wird die Spannung an der Batterieanschlußklemme 12 so weit reduziert, daß die Spannung unter den genannten unkritischen Wert sinkt. Dadurch wird die Load-Dump Erkennung passiv und der Leistungs-FET 24 wird abgeschaltet. Dadurch springt die Spannung an der Batterieanschlußklemme 12 wieder auf die Load-Dump Spannung an und dies setzt sich dann im Wechselspiel so weiter fort.

Dieses dadurch verursachte schnelle Ein- und Ausschalten des Leistungstransistor kann ihn wegen der Schaltverluste zerstören. Daher ist zur Begrenzung der Schaltfrequenz des Leistungs-FET 24 während des Auftretens von Load-Dump Spannungsimpulsen ein Kondensator 321 vorgesehen. Dieser Kondensator 321 ist zwischen die Batterieanschlußklemme 12 und den Kollektor des masseseitigen Transistors 308 geschaltet. Er bewirkt, daß bei erkanntem Load- Dump Impuls die Transistoren 317 und damit auch der Leistungstransistor 24 für eine bestimmte Mindestzeit eingeschaltet werden bzw. bleiben. Dies begrenzt die Schaltfrequenz und bewahrt den Leistungstransistor vor Zerstörung durch zu hohe Schaltverluste.

Die in Fig. 3 dargestellte Steuerschaltung 10 enthält desweiteren eine Ansteuerlogik 310, welche über einen Anschluß 307, den Widerstand 311 und den Transistor 317 die Motoransteuerimpulse auf den Eingang 107 der Spannungsfühlschaltung 201 und von dort über den Widerstand 207 auf das Gate G des Leistungs-FET 24 gibt. Zwischen den Anschlüssen 103 und 105 erfolgt die Spannungsfühlung für Freilauf bzw. Verpolung mittels der Reihenschaltung, von Diode 203 und Zenerdiode 205 über die Drain-Gate-Strecke des Leistungs- FETs 24. Damit wirkt auch diese Spannungsfühlung, unter der Prioritätssetzung durch den Widerstand 207, auf das Gate G desselben Leistungs-FETs 24 ein.

Der besondere Vorteil vorliegender Erfindung liegt demnach klar erkennbar darin, daß die Spannungsfühlschaltungen, die auf verschiedene Ursachen von Spannungsüberhöhungen reagieren, auf ein- und dasselbe Leistungsschaltelement einwirken, nämlich dasjenige, welches sowieso zum Einschalten des Motorstroms vorhanden ist. Kein zusätzliches Leistungselement ist für Schutzzwecke nötig.

Claims

1. Elektronische Schutzschaltung gegen Überspannungen (Load- Dump) an Leistungsschaltelementen, die vorzugsweise eine induktive Last, wie beispielsweise einen Gleichstrommotor, mit einer Spannungsquelle verbinden, mit einer Spannungsfühlschaltung, die zwischen einer Batterieanschlußklemme und einer Masseanschlußklemme der Spannungsquelle angeschlossen ist und die bei einer Überspannung anspricht und das vorhandene Leistungsschaltelement ansteuert, um den durch die Überspannung entstehenden Strom über die Last zu leiten, um die dabei entstehende Energie im wesentlichen dort zu vernichten, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsfühlschaltung (301) die Reihenschaltung eines Widerstands (303), einer Zenerdiode (305) und eines weiteren Widerstands (306) zwischen der Batterieanschlußklemme (12) und der Masseanschlußklemme (14) enthält, wobei die Anode der Zenerdiode (305) mit dem masseseitigen Widerstand (306) und der Steuerelektrode eines Transistors (308) verbunden ist, dessen Emitter mit Masse (14) und dessen Kollektor über eine Reihenschaltung zweier Widerstände (311, 313) mit der Batterieanschlußklemme (12) verbunden ist, sowie einen weiteren Widerstand (315), der einerseits mit der Verbindung von Kathode der Zenerdiode (305) und dem batterieseitigen Widerstand (303) und andererseits mit dem Kollektor eines Transistors (317) verbunden ist, dessen Emitter an der Batterieanschlußklemme (12), dessen Steuerelektrode am Verbindungspunkt der beiden in Reihe gestalteten Widerstände (311, 313) liegt und dessen Kollektor über einen weiteren Widerstand (319) mit der Masseanschlußklemme (14) verbunden ist.

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung weiterhin eine Spannungsfühlschaltung für Freilauf (203, 205) enthält, bestehend aus einer Reihenschaltung von einer Diode (203) und einer Zenerdiode (205), wobei die Kathoden beider Dioden (203, 205) miteinander, die Anode der Diode (203) mit einer Lastanschlußklemme (18) und die Anode der Zenerdiode (205) mit einer Steuerelektrode (G) des Leistungsschaltelements (24) verbunden ist.

3. Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (207) vorgesehen ist, der dem von der Spannungsfühlschaltung (301) an das Leistungsschaltelement (24) abgegebenen Signal oder dein von der Spannungsfühlschaltung für Freilauf (203, 205) abgegebenen Signal Vorrang vor den Ansteuersignalen einer Ansteuerlogik (110, 310) verschafft.

4. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung der Schaltfrequenz des Leistungsschaltelements (24) beim Auftreten von Überspannungen ein Kondensator (321) vorgesehen ist, der zwischen die Batterieanschlußklemme (12) und dem Kollektor des masseseitigen Transistors (308) geschaltet ist.

5. Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Leistungsschaltelement (24) ein Leistungs-FET oder eine Parallelschaltung von Leistungs-FETs vorgesehen ist.