DE4432520C1 - Electronic protection circuit against overvoltages on power switching elements - Google Patents

Electronic protection circuit against overvoltages on power switching elements

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DE4432520C1 DE19944432520 DE4432520A DE4432520C1 DE 4432520 C1 DE4432520 C1 DE 4432520C1 DE 19944432520 DE19944432520 DE 19944432520 DE 4432520 A DE4432520 A DE 4432520A DE 4432520 C1 DE4432520 C1 DE 4432520C1
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    • H03BASIC ELECTRONIC CIRCUITRY
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    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H03K17/0822Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit in field-effect transistor switches
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage

Abstract

The invention concerns an electronic overvoltage-protection circuit for power switches (24), preferably those designed to connect an inductive load, such as a d.c. motor (22), to a power supply (20), in particular a free-running switch circuit which is protected against reverse-polarity connection and a circuit designed to provide protection against overvoltages occurring in the event of load dumping. Incorporated in a control-unit circuit (10) is a voltage-sensing circuit (101) which responds at different terminals (102, 104; 103, 105; 107) to overvoltages of different kinds (free-running, reverse polarity, load dumping) and controls the power switch (24) so that the current produced by the overvoltage is passed through the inductive load (22) where the energy thus generated is essentially destroyed. The control circuit (10) is connected to the power supply (20) by one pair of terminals (12, 14) and to the motor (22) by another pair of terminals (16, 18). A logic circuit (110) feeds control pulses via the terminal (107) of the voltage-sensing circuit (101) to the gate (G) of the power switch (24) in order to switch the operating voltage through the switch's drain (D) and source (S) terminals to the motor (22).

Description

Stand der TechnikState of the art
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.The invention is based on an electronic protection circuit against overvoltages on power switching elements, the preferably an inductive load, especially one DC motor, connect to a voltage source. A Generic protection circuit is known from EP-A 444 484, the one between a first terminal and a second Terminal of the voltage source connected Voltage sensing circuit contains that in the event of an overvoltage responds and controls the existing power switching element, the current generated by the overvoltage across the load to conduct and the energy that arises there essentially to destroy.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die erfindungsgemäße elektronische Schutzschaltung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung der Spannungsfühlschaltung auf.The electronic protection circuit according to the invention with the characterizing features of claim 1 has a particular expedient design of the voltage sensing circuit.
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.The voltage sensing circuit initially contains the series circuit a resistor, a zener diode and another Resistance between a battery terminal and one Earth terminal. The anode of the zener diode is with the ground side resistor and the control electrode one Transistor connected, its emitter to ground and its Collector via a series connection of two resistors with the Battery connector is connected. The voltage sensing circuit  contains a further resistance, on the one hand with the Connection of the cathode of the Zener diode and the battery side Resistance and on the other hand with the collector of a transistor is connected, whose emitter on the battery connection terminal, its control electrode at the junction of the two in series switched resistors and its collector over one further resistance is connected to the ground terminal.
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.Through the measures listed in the dependent claims are advantageous developments and additions to the im Claim 1 specified electronic protection circuit against Overvoltages on power switching elements possible.
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.The protective circuit advantageously also contains one Voltage sensing circuit for freewheeling, which is a series circuit has a diode and a zener diode, the Cathodes of both diodes with each other, the anode of the diode with the Load terminal and the anode of the Zener diode with the Control electrode of the power switching element is connected. With this circuit arrangement is also a Freewheeling circuit realized for the operation of electrical Loads with an inductive load component to neutralize inductive voltage peaks is required.
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.According to another expedient embodiment of the invention a resistor is provided in the voltage sensing circuit that the from the voltage sensing circuit to the power switching element emitted signal or that of the voltage sensing circuit for Free-running signal takes priority over the control signals a control logic, which is provided that Switch the power switching element on or off in normal operation.
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.In an advantageous embodiment, according to another expedient development of the invention to limit the Switching frequency of the power switching element when  Overvoltages a capacitor is provided between the Battery connector and the collector of the ground side Transistor is switched.
Eine vorteilhafte weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß als Leistungsschaltelement ein Leistungs- Feldeffekttransistor oder eine Parallelschaltung von Leistungs- Feldeffekttransistoren vorgesehen ist.An advantageous further embodiment of the invention provides that a power switching element Field effect transistor or a parallel connection of power Field effect transistors is provided.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ergänzungen der erfindungsgemäßen elektronischen Schutzschaltung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung. Further advantageous developments and additions to electronic protection circuit according to the invention result from the description below.  
Zeichnungdrawing
Die Erfindung ist anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:The invention is illustrated by several in the drawing Exemplary embodiments in the following description explained. Show it:
Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen elektronischen Schutzschaltung gegen Überspannungen, Fig. 1 is a block diagram of the electronic protective circuit against overvoltages,
Fig. 2 ein Blockschaltbild gemäß Fig. 1 mit einer möglichen Ausführungsform für die Spannungsfühlschaltung für Freilauf bzw. Verpolung, und Fig. 2 is a block diagram of FIG. 1 with a possible embodiment for the voltage sensing circuit for freewheeling or reverse polarity, and
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. Fig. 3 is a block diagram of FIG. 1 with a possible embodiment for the voltage sensing circuit for load-dump voltage pulses and thus combines the voltage sensing circuit for freewheeling or reverse polarity in the embodiment according to FIG. 2.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
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.The invention is described below with reference to the block diagram according to FIG. 1 in its basic, basic features. In Fig. 1 a, generally designated 10 of a control unit circuit is shown with a power output stage diagrammatically. The circuit 10 has a first voltage source terminal or battery terminal 12 and a second voltage source terminal or ground terminal 14 . The circuit 10 also has a first load connection terminal 16 and a second load connection terminal 18 . A DC voltage source, for example a battery 20 , is connected to the voltage source connection terminals 12 and 14 , the negative pole of the DC voltage source or the ground potential being connected to the voltage source connection terminal 14 of the circuit 10 . A DC motor 22 having an inductive load is connected to the load connecting terminals 16 and 18 . The drain terminal D of a power FET 24 is connected to the load terminal 18 , whose source terminal S is connected to the second voltage source terminal 14 . The control device 10 shown here is therefore one with a so-called low-side circuit breaker, since this is attached to the minus side of the motor. It is clear that the principle of the invention can also be applied to high-side circuit breakers.
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.A voltage sensing circuit 101 is connected via terminals 102 and 104 to the voltage source terminals 12 and 14 , and has two terminals 103 and 105 which are connected on the one hand to the drain terminal D and on the other hand to the gate terminal G of the power FET 24 . The voltage sensing circuit 101 also has a connection 107 , which brings the control pulses of a control logic 110 , the detailed circuit structure of which will not be discussed in the context of the present invention, via the voltage sensing circuit to the control electrode, the gate G, of the power FET. For the supply, the control logic 110 is also connected to the voltage source connection terminals 12 and 14 .
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.The voltage sensing circuit 101 according to the invention is thus able to measure both the voltage in the supply network via the connections 102 and 104 , in particular with regard to load-dump voltage pulses, and the voltage at the drain and gate connection terminals D and G of the power FET 24 to be monitored via the connections 103 and 105 , in particular with regard to the freewheeling voltage and the polarity reversal. From this, it is also able to react to critical voltage increases, which can generally have different causes. As a result of the action on the gate G of the power FET 24 , this itself is used to avoid dangerous and possibly destructive voltage spikes on its drain-source path between the connection terminals D and S. The energies occurring in the event of excessive voltage are destroyed in the winding of the motor 22 without this being damaged, since it is designed for such loads.
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. FIG. 2 shows a block diagram according to FIG. 1, which represents a possible embodiment of the voltage sensing circuit for freewheeling or polarity reversal 201 . The same parts as in Fig. 1 are provided with the same reference numerals. The voltage sensing circuit for freewheeling or polarity reversal 201 contains the series circuit of a diode 203 and a zener diode 205 , the cathodes of which are connected to one another. The anode of diode 203 forms connection 103 and the anode of zener diode 205 forms connection 105 . Furthermore, the anode of the zener diode 205 is connected via a resistor 207 to the terminal 107 , via which the drive pulses from the drive logic 110 reach the gate G of the power FET 24 . Resistor 207 gives priority to the effect of the series connection of diode 203 and zener diode 205 over the drive pulses, as a result of which the power FET is effectively protected against freewheeling overvoltages.
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.In operation, a voltage is present across the battery 20 at the voltage source connection terminals 12 and 14 , which provides an operating voltage at the load connection terminals 16 and 18 when the power FET 24 is switched on by the control logic 110 , so that the motor 22 is switched on. If the power FET 24 is now switched off by the control logic 110 , a voltage is present at the load connection terminal 16 as a result of the motor inductance of the motor 22, which voltage rises very quickly and allows the current to continue flowing. As soon as the freewheeling voltage exceeds a certain value, the zener diode 205 becomes conductive and drives the gate G of the power FET 24 . This also makes it conductive and absorbs the freewheeling current. In a particularly advantageous manner, the transistor switching the power, or the power output stage present anyway, also serves to take over the freewheeling current. The associated energy is reduced in the load, the winding of the motor 22 , which is suitable for this.
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.The switching threshold for the use of the freewheeling circuit is determined by the reverse voltage of the Zener diode 205 and the threshold voltage of the power FET. This voltage sensing circuit 201 is dimensioned so that the permissible reverse voltage of the power switching transistor is never exceeded at any time.
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.The advantage of this circuit also lies in the fact that no special, additional polarity reversal protection is necessary. This is because in series with the parasitic diode of the power FET 24 is the electrical load that limits the polarity reversal current. As a result, no destructive cross current occurs. The circuit is therefore polarity-proof by itself.
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. FIG. 3 shows a possible embodiment for a voltage sensing circuit 301 for load-dump voltage pulses in a block diagram according to FIG. 1, and thus the voltage sensing circuit 201 for freewheeling or polarity reversal is shown in the embodiment according to FIG. 2. The same parts in this figure are designated by the same reference numerals as in FIGS. 1 and 2. If not necessary, the parts already mentioned will not be described again.
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.The voltage sensing circuit 301 for load-dump pulses is connected with connections 302 and 304 between the first and second voltage source connection terminals 12 and 14 . It contains a series connection of a resistor 303 , a zener diode 305 and a further resistor 306 , which is connected between the first and second voltage source connection terminals 12 and 14 . The anode of the zener diode 303 is connected to the ground-side resistor 306 and the control electrode of a transistor 308 . The emitter of this transistor 308 is connected to the ground potential 14 and its collector is connected to the positive first voltage source terminal 12 via a series connection of two resistors 311 and 313 . The voltage sensing circuit 301 also contains a resistor 315 , which is connected on the one hand to the connection of the cathode of the Zener diode 305 and the battery-side resistor 303 and on the other hand to the collector of a further transistor 317 . The emitter of this transistor 317 is connected to the positive first voltage source terminal 12 and its control electrode lies at the junction of the two resistors 311 and 313 . The collector of transistor 317 is connected to ground potential 14 via a resistor 319 and at the same time forms input 107 to voltage sensing circuit 201 for free-wheeling or polarity reversal.
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.
The operation of the voltage sensing circuit 301 is as follows:
The supply voltage at the battery terminal 12 is read in via the resistor 303 , the Zener diode 305 , the resistor 306 and the transistor 308 . If this voltage exceeds a critical value, then the Zener diode 305 and the transistor become low-resistance and conductive. The power FET 24 is driven via the transistor 317 and is also conductive, so that it is protected against too high reverse voltage. If, after the load-dump voltage pulse has elapsed, the voltage at the battery connection terminal 12 drops again below an uncritical value, the Zener diode 305 and the transistor 308 become high-resistance again and block. The protective circuit itself is thus passive again and the control circuit 10 operates in normal operation again. The switching points for the values of the critical and the non-critical voltage are determined by the dimensioning of the resistors 303 , 306 , 315 and the Zener diode 305 .
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.In a special case, if the electrical load is very low-resistance compared to the source resistance of the load-dump pulse, the voltage at the battery connection terminal 12 is reduced. The other semiconductor elements occurring in the circuit are thus also protected against overvoltage. However, another problem arises: due to the low impedance of the electrical load, the voltage at the battery connection terminal 12 is reduced to such an extent that the voltage drops below the uncritical value mentioned. This makes the load dump detection passive and the power FET 24 is switched off. As a result, the voltage at the battery connection terminal 12 jumps back to the load dump voltage and this then continues in the interplay.
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.This resulting rapid switching on and off of the power transistor can destroy it due to the switching losses. A capacitor 321 is therefore provided to limit the switching frequency of the power FET 24 during the occurrence of load dump voltage pulses. This capacitor 321 is connected between the battery terminal 12 and the collector of the ground-side transistor 308 . It causes the transistors 317 and thus also the power transistor 24 to be switched on or remain on for a specific minimum time when the load dump pulse is detected. This limits the switching frequency and prevents the power transistor from being destroyed by excessive switching losses.
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.The control circuit 10 shown in FIG. 3 also contains a control logic 310 which, via a connection 307 , the resistor 311 and the transistor 317, the motor control pulses to the input 107 of the voltage sensing circuit 201 and from there via the resistor 207 to the gate G of the power FET 24 there. Between terminals 103 and 105 , the voltage is sensed for freewheeling or polarity reversal by means of the series connection, of diode 203 and zener diode 205 via the drain-gate path of the power FET 24 . This voltage sensing thus acts on the gate G of the same power FET 24 under the priority setting by the resistor 207 .
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.The particular advantage of the present invention is therefore clear recognizable in that the voltage sensing circuits on different causes of voltage spikes respond to act on one and the same power switching element, namely the one that turns on the motor power anyway is available. No additional performance element is for Protection purposes necessary.

Claims (5)

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.1. Electronic protection circuit against overvoltages (load dump) on power switching elements, which preferably connect an inductive load, such as a DC motor, to a voltage source, with a voltage sensing circuit, which is connected between a battery terminal and a ground terminal of the voltage source and which is in the event of an overvoltage responds and controls the existing power switching element in order to conduct the current resulting from the overvoltage across the load in order to essentially destroy the energy generated there, characterized in that the voltage sensing circuit ( 301 ) is the series circuit of a resistor ( 303 ), a Zener diode ( 305 ) and a further resistor ( 306 ) between the battery terminal ( 12 ) and the ground terminal ( 14 ), the anode of the zener diode ( 305 ) with the ground-side resistor ( 306 ) and the control electrode of a transistor ( 308 ) ve is connected, the emitter of which is connected to ground ( 14 ) and the collector of which is connected in series with two resistors ( 311 , 313 ) to the battery connection terminal ( 12 ), and a further resistor ( 315 ) which, on the one hand, connects the cathode of the Zener diode ( 305 ) and the battery-side resistor ( 303 ) and on the other hand is connected to the collector of a transistor ( 317 ), the emitter of which is connected to the battery terminal ( 12 ), the control electrode of which is at the junction of the two resistors ( 311 , 313 ) in series and the collector is connected to the ground terminal ( 14 ) via a further resistor ( 319 ).
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.2. Protection circuit according to claim 1, characterized in that the protection circuit further contains a voltage sensing circuit for freewheeling ( 203 , 205 ) consisting of a series connection of a diode ( 203 ) and a zener diode ( 205 ), the cathodes of both diodes ( 203 , 205 ), the anode of the diode ( 203 ) is connected to a load terminal ( 18 ) and the anode of the zener diode ( 205 ) is connected to a control electrode (G) of the power switching element ( 24 ).
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.3. Protection circuit according to claim 1 or 2, characterized in that a resistor ( 207 ) is provided, which from the voltage sensing circuit ( 301 ) to the power switching element ( 24 ) emitted signal or from the voltage sensing circuit for freewheeling ( 203 , 205 ) Signal takes precedence over the control signals of a control logic ( 110 , 310 ).
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.4. Protection circuit according to claim 1, characterized in that a capacitor ( 321 ) is provided to limit the switching frequency of the power switching element ( 24 ) when overvoltages occur, which is connected between the battery terminal ( 12 ) and the collector of the ground-side transistor ( 308 ) .
5. Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Leistungsschaltelement (24) ein Leistungs-FET oder eine Parallelschaltung von Leistungs-FETs vorgesehen ist.5. Protection circuit according to one of the preceding claims, characterized in that a power FET or a parallel connection of power FETs is provided as the power switching element ( 24 ).
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