DE68913507T2

DE68913507T2 - Schutzschaltung für einen MOSFET, der in induktiver Last schaltet.

Info

Publication number: DE68913507T2
Application number: DE68913507T
Authority: DE
Inventors: Douglas Bruce Osborn
Original assignee: Delco Electronics LLC
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 1989-01-30
Filing date: 1989-12-20
Publication date: 1994-06-09
Anticipated expiration: 2009-12-21
Also published as: EP0380881A3; KR900012397A; JPH0671200B2; JPH02244904A; EP0380881A2; DE68913507D1; EP0380881B1; KR920000681B1; US4860152A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Induktionsspannungsschutz oder einen Abweiseschaltkreis für Leistungs-Metall- Oxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistoren (MOSFET) und insbesondere auf einen Schutzschaltkreis, welcher auf bequeme Weise als ein integrierter Schaltkreis (IC) erzeugt werden kann.
Induktionsspannungs-Abweiserschaltkreise werden im allgemeinen in Steueranwendungen verwendet, wo ein Transistor erforderlich ist, um die Versorgung von Strom zu einer induktiven Last zu unterbrechen. Die Spannungstransiente VL zum Augenblick der Stromunterbrechung ist durch den Ausdruck gegeben:
VL = L * (diL / dt) (1),
wobei L der Induktivitätswert der Last und (diL / dt) die Änderungsrate des Laststromes iL ist.
Abweiseschaltkreise, die durch den Schaltkreis dieser Erfindung gekennzeichnet sind, begrenzen die transiente Spannung VL durch Regelung der Ausschaltrate des Transistors. Ein herkömmlicher Schaltkreis dieses Typus ist in der Fig. 1 (unten beschrieben) verbildlicht, und zwar in der Umgebung eines Automobil-Treibstoffinjektions-Ansteuerungsschaltkreises.
Die US-A-3 949 722 offenbart ein Beispiel der herkömmlichen Technik.
Ein Induktionsspannungsschutzschaltkreis in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird durch die Merkmale gekennzeichnet, die in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 spezifiziert sind.
Die vorliegende Erfindung ist auf einen Induktionsspannungs- Abweiserschaltkreis gerichtet, welcher den MOSFET auf adäquate Weise von transienten Induktionsspannungen schützt, während er die (unten ausführlich beschriebenen) Nachteile vermeidet, die mit herkömmlichen Induktionsspannungs-Abweiserschaltkreisen verbunden sind. Wie unten beschrieben, eliminiert der induktive Spannungsabweiser-Schaltkreis dieser Erfindung die Anforderung nach einem stabilisierenden Kondensator und integriert mit dem Ansteuerschaltkreis alle außer einem Paar von Widerständen relativ niedriger elektrischer Leistung, die verwendet werden, um die Drain-Anschluß-zu-Source-Anschluß-Spannung zu erfassen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Abschaltung des MOSFET in Abhängigkeit von der erfaßten Drain-Anschluß-zu-Source-Anschluß-Spannung durch zwei Schaltkreisstufen geregelt. Beim Einsatz des Abschaltens wird eine Stromquelle aktiviert, um die Gate-Anschluß-Kapazitätswerte zu entladen, und der Abweiserschaltkreis regelt die Größe des derartigen Stroms in Bezug auf die erfaßte Drain-Anschluß-zu-Source-Anschluß-Spannung, um die Drain-Anschluß-zu-Source-Anschluß-Spannung auf einem nicht zerstörerischen Niveau zu stabilisieren. Wenn die Drain-Anschluß-zu-Source-Anschluß-Spannung sich ihrem Grenzwert annähert, liefert ein Strominjektionsschaltkreis zusätzlichen Strom an den Gate-Anschluß, um die MOSFET-Leitung zu stützen, wiederum in Bezug auf die erfaßte Drain-Anschluß-zu- Source-Anschluß-Spannung. Wenn die in der Last gespeicherte induktive Energie im wesentlichen dissipiert ist, fällt die Drain-Anschluß-zu-Source-Anschluß-Spannung; an dem derartigen Punkt wird der Strominjektionsschaltkreis außer Kraft gesetzt und die Leitung der Stromquelle wird erhöht, um das Abschalten des MOSFET's abzuschließen. Da der Gate-Anschluß-Strom des MOSFET kontinuierlich in Bezug auf den Anstieg der Drain-Anschluß-zu-Source-Anschluß-Spannung reguliert wird, ist der interne Kapazitätswert des MOSFET ausreichend, um die Stabilität sicherzustellen, und keine zusätzliche Kapazität ist erforderlich.
Die vorliegende Erfindung wird nun beispielsweise mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Fig. 1 ein Schaltkreisdiagramm einer MOSFET-Ansteuerung für eine induktive Last ist, der einen herkömmlichen Induktionsspannungs-Abweiser-Schaltkreis für das Schützen des MOSFET's beinhaltet, wenn er versucht, den Laststrom zu unterbrechen; und
Fig. 2 ein Schaltkreisdiagramm einer MOSFET-Ansteuerung für eine induktive Last ist, die den Induktionsspannungs-Abweiser-Schaltkreis dieser Erfindung einschließt.
In Fig. 1 wird ein Schaltkreis 10 verwendet, um einen MOSFET 12 an und aus vorzuspannen, um periodisch eine Solenoidspule 14 eines herkömmlichen Treibstoffeinspritzers zu erregen. Die Automobilzündspannung (IGN) wird zu dem ungeschalteten Anschluß der Solenoidspule 14 geliefert und eine zweite Spannung (2Vcc) wird vorgesehen, um den MOSFET 12 leitfähig vorzuspannen, wenn sie mit seinem Gate-Anschluß (g) verbunden wird und zwar über das Schließen eines Schalters 18. Die Kondensatoren 32 und 34 sind dem MOSFET 12 intern und stellen die inhärenten Gate-Anschluß-zu-Drain-Anschluß- (Cgd) bzw. Gate-Anschluß- zu-Source-Anschluß- (Cgs) Kapazitätswerte dar. Die verbleibenden Schaltkreiselemente - eine Diode 20, eine Zenerdiode 22, ein Widerstand 24, ein Kondensator 26 und eine Stromquelle 28 - bilden einen Spannungsabweiser. Der Abweiser-Schaltkreis wird bei dem Abschalten des MOSFET 12 aktiviert, indem der Schalter 18 geöffnet und der Schalter 30 geschlossen wird.
Wenn der Schalter 18 geschlossen wird und der Schalter 30 offen ist, wird der Gate-Anschluß g im wesentlichen auf 2Vcc angehoben und der MOSFET 12 wird leitfähig in seinem Drain-Anschluß-zu-Source-Anschluß-Schaltkreis vorgespannt. In diesem Modus ist die Diode 20 rückwärts vorgespannt, um den Regelsignalverlust durch die Zenerdiode 22, den Widerstand 24 und den Drain-Anschluß-zu-Source-Anschluß-Schaltkreis des MOSFET 12 zu blockieren.
Wenn der Schalter 18 geöffnet wird und der Schalter 30 geschlossen wird, um die Leitung des MOSFET 12 zu unterbrechen, beginnt die Stromquelle 28, den Gate-Anschluß-Kapazitätswert Cgs zu entladen, und die Drain-Anschluß-zu-Source-Anschluß-Spannung Vds steigt abrupt in Bezug auf Ausdruck (1) (oben) an, da der MOSFET 12 versucht, den Spulenstrom iL zu unterbrechen. Der Anstieg in der Drain-Anschluß-zu-Source-Anschluß-Spannung Vds spannt die Diode 20 vorwärts vor und überschreitet schnell die Durchbruchspannung der Zenerdiode 22. Zu der derartigen Zeit leitet die Zenerdiode 22 Strom zu dem Gate-Anschluß g über den begrenzenden Widerstand 24, um eine partielle Leitung des MOSFET 12 aufrechtzuerhalten. Dies dient dazu, die Drain-Anschluß-Spannung Vd zu reduzieren, indem die Änderungsrate des Stromes durch die Solenoidspule 14 verringert wird. Schließlich fällt die Drain-Anschluß-zu-Source-Anschluß-Spannung Vds unter die Durchbruchspannung der Zenerdiode 22 und die Stromquelle 28 schließt das Abschalten des MOSFET 12 ab. Der Kondensator 26 ist erforderlich, um schnelle Änderungen in der Gate-Spannung Vg und die Instabilität zu verhindern, welche ansonsten auftreten würde.
Obwohl relativ einfach, hat der oben beschriebene Induktionsspannungs-Abweiser-Schaltkreis einige Nachteile. Am signifikantesten verlängert der Kapazitätswert (der Kondensator 26), der für die Stabilität erforderlich ist, die Anschalt- und Abschaltzeiten. Dies begrenzt das Zeitansprechen des Induktionsspannungs-Abweiser-Schaltkreises und ist ein ernsthafter Nachteil in einer Anwendung wie einer Treibstoff-Einspritzer-Ansteuerung, wo eine schnelle Ansprechgeschwindigkeit wichtig ist. Darüber hinaus sind die Kosten der externen Komponenten 20, 22, 24 und 26 genauso wie der Schaltkreisplatinenraum, der für ihren Aufbau erforderlich ist, erheblich.
Bezugnehmend auf die Fig. 2 und den Induktionsspannungs-Abweiser-Schaltkreis dieser Erfindung, sind den Schaltkreiselementen, die oben in Bezug auf Fig. 1 beschrieben worden sind, dieselben Bezugszahlen erteilt worden. So öffnet und schließt der Schalter 18 periodisch, um den MOSFET 12 (Leistungstransistor) vorwärts vorzuspannen, und der Schalter 30 öffnet und schließt mit dem Schalter 18, um den Induktionsspannungs-Abweiser-Schaltkreis beim MOSFET-Abschalten in Kraft zu setzen. Die Bezugszahlen für die Solenoidspule 14 und die internen MOSFET-Kapazitätswerte 32, 34 werden ebenfalls wiederholt. In ähnlicher Weise wird die Solenoidspule 14 durch die Zündspannung IGN erregt und eine hohe Hilfsquelle, 2Vcc, ist vorgesehen, um den MOSFET 12 vorwärts vorzuspannen. Im Gegensatz zu dem Ansteuerungsschaltkreis, der in Fig. 1 gezeigt ist, sind jedoch nur zwei Geräte des Ansteuerungsschaltkreises, der in Fig. 2 gezeigt ist, (Widerstände 88, 90) extern zu der Transistorsteuerungslogik, welche vorzugsweise in der Form eines integrierten Schaltkreises mechanisiert ist.
Eine Stromquelle, die im allgemeinen der Stromquelle 28 von Fig. 1 entspricht, ist durch einen Stromspiegel-Schaltkreis (ein Stromsenkenmittel) definiert, der die Transistoren 40, 42, 44 und 46 und die Widerstände 48, 50, 52 und 54 umfaßt. Der Bezugsstrom des Stromspiegel-Schaltkreises ist durch die Summe des Kollektorstromes i&sub1; des Multi-Kollektor-Transistors 46 und den Strom i&sub2; durch den Widerstand 48 festgelegt.
Während der Leitung des MOSFET 12 wird der Schalter 30 geschlossen, um die Transistoren 40, 42 und 44 nicht leitend vorzuspannen und die Ströme i&sub1; und i&sub2; zu senken. Der Strom i&sub2; ist relativ klein und wird durch den Widerstand 48 festgelegt. Der Strom i&sub1; wird durch den Strom in dem Bezugskollektor 56 des Transistors 46 bestimmt, welcher mit der Transistorbasis durch die Widerstände 52 und 54 zur Masse verbunden ist. Wie angedeutet, ist der Strom i&sub1; dreimal jenes in dem Bezugskollektor 56. Ein Transistor 58 ist nicht leitend und kommt wie unten beschrieben während des Abschaltens in Wirkung, um die Spannung an dem Anschluß 60 zur Steuerung der Bezugsstromkomponente i&sub1; zu erhöhen.
Ein zweiter Stromspiegel-Schaltkreis (ein Stromquellenmittel) wird durch die Transistoren 64, 66 und 68 und die Widerstände 70, 52 und 54 festgelegt. Der Bezugsstrom i&sub3; wird durch den Widerstand 70 und den Transistor 64 festgelegt, welcher durch die Widerstände 52 und 54 vorwärts vorgespannt ist. Der Bezugsstrom i&sub3; spannt den Transistor 66 vorwärts vor, was einen gespiegelten Strom von ungefähr der gleichen Größe in dem Emitter-Kollektor-Schaltkreis von Transistor 68 erzeugt. Der Kollektor von Transistor 68 ist direkt mit der Basis von Transistor 72 verbunden und über einen Endwiderstand 74 mit einer Hilfsversorgungsspannung, die hierin als Vcc bezeichnet wird. Der Transistor 72 steuert wiederum den Betrieb eines Strominjektions-Schaltkreises, im allgemeinen durch die Bezugszahl 76 bezeichnet. Während der Leitung des MOSFET 12 ist der Transistor 58 nichtleitend und der durch den Bezugsstrom i&sub3; gespiegelte Strom ist hinreichend groß, um den Transistor 72 nichtleitend vorzuspannen, was den Strominjektions-Schaltkreis 76 deaktiviert. Wie unten beschrieben, wird der Transistor 58 während des Abschaltens leitfähig, um die Spannung am Anschluß 60 zu erhöhen; dies verringert den Bezugsstrom i&sub3; und erlaubt dem Transistor 72, durch den Endwiderstand 74 vorwärts vorgespannt zu werden.
Der Strominjektions-Schaltkreis 76 umfaßt Widerstände 80 und 82, und einen Multikollektor-Transistor 78, der zwischen die Quelle hoher Spannung 2Vcc und den Gate-Anschluß g des MOSFET 12 geschaltet ist. Wenn der Transistor 72 vorwärts vorgespannt ist, wird auch der Multikollektor-Transistor 78 vorwärts vorgespannt und der dadurch in den Gate-Anschluß g (Steueranschluß) des MOSFET 12 injizierte Strom wird durch den Strom in dem Bezugskollektor 84 bestimmt.
Die Drain-Anschluß-zu-Source-Anschluß-Spannung Vds des MOSFET 12 wird durch die Spannung an der Verbindung 86 eines Spannungsteilers nachgewiesen, der die externen Widerstände 88 und 90 umfaßt (nachweisende Mittel). Die Verbindung 86 ist mit der Basis von Transistor 58 verbunden, welche nur vorwärts vorgespannt wird, wenn die Drain-Anschluß-zu-Source-Anschluß-Spannung eine obere Schwelle erreicht, die durch die Teilerwiderstände 52, 54 und 88, 90 festgelegt ist. Während der Leitung des MOSFET 12 ist Vds sehr niedrig und der Transistor 58 ist umgekehrt vorgespannt. Jedoch steigt die Drain-Anschluß-zu-Source-Anschluß-Spannung hinreichend während des Abschaltens des MOSFET 12 an, um den Transistor 58 für den Zweck der Verringerung der Bezugsströme i&sub1; und i&sub3; wie unten beschrieben vorwärts vorzuspannen.
Wenn der Schalter 18 geöffnet wird, um die Vorwärts-Vorspannung von dem Gate-Anschluß g des MOSFET 12 zu entfernen, öffnet der Schalter 30 und der Transistor 40 wird durch die Bezugsströme i&sub1; und i&sub2; leitfähig vorgespannt. Der Emitter- Kollektor-Strom des Transistors 40 spannt das Transistorpaar 42, 44 durch den Widerstand 50 leitfähig vor und die Bezugsströme i&sub1; und i&sub2; verbinden sich, um den Spiegelbezugsstrom durch den Emitter-Kollektor-Schaltkreis von Transistor 42 zu bilden. Wegen der relativen Flächen der Transistoren 42 und 44 leitet der Transistor 44 einen Strom von ungefähr achtmal jenem des Bezugsstroms (i&sub1; + i&sub2;). Dies beginnt das Entladen des Gate-Anschluß-Kapazitätswertes Cgs des MOSFET 12, um den Strom in der Solenoidspule 14 zu unterbrechen. An diesem Punkt ist der Betrieb der verbleibenden Schaltkreiselemente im wesentlichen ungeändert.
Wenn der Gate-Anschluß-Kapazitätswert Cgs entladen wird, beginnt der MOSFET 12 abzuschalten, und die Drain-Anschluß-zu-Source-Anschluß-Spannung Vds steigt aufgrund der induktiven Energie abrupt an, die in der Solenoidspule 14 gespeichert ist. Wenn das Potential an dem (Spannungsteiler-)Anschluß 86 die Spannung am Anschluß 60 um einen Diodenspannungsabfall überschreitet, wird der Transistor 58 leitfähig vorgespannt. Dies liefert zusätzlichen Strom durch den Widerstand 54 und erhöht die Spannung am Anschluß 60.
Der Anstieg in der Spannung bei Anschluß 60 erhöht die Basisspannung von sowohl Transistor 46 als auch 64, wodurch der Strom reduziert wird, der durch ihre Emitter-Kollektor-Schaltkreise geleitet wird. Den Transistor 46 betrachtend, reduziert dies die Bezugsstromkomponente i&sub1;, was die Leitung der Stromspiegeltransistoren 40, 42 und 44 verringert. Dies verringert die Rate der Entladung des MOSFET-Gate-Anschluß-Kapazitätswertes Cgs und stabilisiert die Drain-Anschluß-zu-Source-Anschluß-Spannung Vds auf einem nicht zerstörerischen Niveau, selbst ohne einen externen Gate-Anschluß-Kondensator wie den Kondensator 26 von Fig. 1. Selbst wenn der Transistor 46 vollständig aus vorgespannt wird, bleibt eine beschränkte Stromsenkfähigkeit aufgrund der fortgesetzten Gegenwart des Bezugsstromes i&sub2; aufrechterhalten.
Die Abnahme in der Leitung des Transistors 64 verringert die Leitung der Stromspiegel-Transistoren 66 und 68, was der Basisspannung des Transistors 72 ermöglicht, anzusteigen. Wenn die Drain-Anschluß-zu-Source-Anschluß-Spannung ihren Grenzwert erreicht, wird der Transistor 72 durch den Widerstand 74 vorwärts vorgespannt, was dem Strominjektions-Schaltkreis 76 ermöglicht, zusätzlichen Strom zu dem MOSFET-Gate-Anschluß g durch die parallel verbundenen Kollektoren des Multikollektor-Transistors 78 zu liefern.
Wenn die induktive Energie der Solenoidspule 14 im wesentlichen dissipiert ist, beginnt die Drain-Anschluß-zu-Source-Anschluß-Spannung zu fallen, was die Leitung von beiden Transistoren 46 und 64 erhöht. Die Leitungserhöhung von Transistor 64 schaltet den Transistor 72 ab, was wiederum den Strominjektions-Schaltkreis 76 abschaltet. Die Leitfähigkeitserhöhung von Transistor 46 erhöht die Leitung der Stromspiegel-Transistoren 40, 42 und 44, bis der Gate-Anschluß-Kapazitätswert Cgs vollständig entladen ist, wodurch die Unterbrechung des Stroms in der Solenoidspule 14 abgeschlossen wird.
Wie oben angedeutet, schützt der Zweistufenbetrieb des Induktiosspannungs-Abweiser-Schaltkreises dieser Erfindung den MOSFET 12 auf adäquate Weise, während die Anzahl der externen Abweiserkomponenten reduziert wird und der Bedarf nach zusätzlichem Gate-Anschluß-Kapazitätswert vermieden wird. Dies verringert die Zeit, die erforderlich ist, um den Leitungszustand des MOSFET 12 zu ändern und reduziert zur selben Zeit die Gesamtkosten des Ansteuerungsschaltkreises.

Claims

1. Ein Induktionsspannungs-Schutzschaltkreis für einen Versorgungsschaltkreis, in welchem ein Steueranschluß (g) eines Leistungstransistors (12) periodisch mit einem leitungserzeugenden Steuersignal versorgt wird, welches den Leistungstransistor (12) dazu veranlaßt, Strom an eine induktive Last (14) zu liefern, um den Laststrom zu unterbrechen und den Leistungstransistor (12) vor Schaden aufgrund der Erzeugung von transienten Induktionsspannungen zu schützen, wenn das leitungserzeugende Steuersignal entfernt wird, gekennzeichnet durch ein nachweisendes Mittel (88, 90), um die Größe der transienten Induktionsspannung nachzuweisen, die durch den Leistungstransistor (12) gesehen wird; ein Stromsenkenmttel (28), das aktiviert wird, wenn das leitungserzeugende Steuersignal entfernt wird, um Strom aus dem Steueranschluß (g) des Leistungstransistors (12) zu senken, wobei die Größe des derartigen Senkenstroms in Bezug auf die nachgewiesene transiente Induktionsspannung reguliert wird, um dadurch die Erhöhungsrate der transienten Induktionsspannung zu stabilisieren, die durch den Leistungstransistor (12) gesehen wird; und ein Stromquellenmittel (64 - 76), das aktiviert wird, wenn die nachgewiesene transiente Induktionsspannung einen Grenzwert erreicht, um zusätzlichen Strom zu dem Steueranschluß (g) des Leistungstransistors (12) zu liefern, um seine Leitung zu unterstützen, bis die in der induktiven Last (14) gespeicherte Energie im wesentlichen dissipiert ist, wonach das Stromsenkenmittel (28) die Abschaltung des Leistungstransistors (12) abschließt.

2. Ein Induktionssspannungs-Schutzschaltkreis nach Anspruch 1, worin das Stromsenkenmittel einen Stromspiegel-Schaltkreis (40 - 44) umfaßt, welcher Strom aus dem Steueranschluß (g) des Leistungstransistors (12) in Bezug auf einen daran gelieferten Bezugsstrom senkt; und ein Bezugsstrommittel (46), um einen Bezugsstrom an den Stromspiegel-Schaltkreis zu liefern, welcher relativ groß ist, wenn das leitungserzeugende Steuersignal zuerst entfernt wird und welcher danach in erheblicher Beziehung zu der nachfolgenden Erhöhung in der nachgewiesenen transienten Induktionsspannung abnimmt.

3. Ein Induktionsspannungs-Schutzschaltkreis nach Anspruch 1, worin das Stromsenkenmittel einen Stromspiegelschaltkreis (40 - 44) umfaßt, welcher Strom aus dem Steueranschluß (g) des Leistungstransistors (12) in Bezug auf einen dazu gelieferten Bezugsstrom senkt; einem Bezugsstrommittel (46), um einen Bezugsstrom an den Stromspiegel-Schaltkreis zu liefern, welcher relativ groß ist, wenn das Stromsenkenmittel aktiviert wird; und ein spannungsansprechendes Mittel (58), das wirksam ist, wenn die nachgewiesene transiente Induktionsspannung eine Schwellspannung überschreitet, um den durch das Bezugsstrommittel gelieferten Strom in Bezug auf weitere Erhöhungen in der nachgewiesenen transienten Induktionsspannung zu verringern.

4. Ein Induktionsspannungs-Schutzschaltkreis nach Anspruch 1, worin das stromsenkende Mittel einen ersten Stromspiegel (40 - 44) einschließt, um Strom aus dem Steueranschluß (g) des Leitungstransistors (12) in Bezug auf die Größe eines ersten Bezugsstroms zu senken, welcher zu der Zeit, zu der das leitungserzeugende Steuersignal entfernt wird, relativ groß ist; worin das Stromquellenmittel einen zweiten Stromspiegel (64 - 68) umfaßt, um ergänzenden Strom an den Steueranschluß (g) des Leistungstransistors (12) in Bezug auf die Größe eines zweiten Bezugsstroms zu liefern, welcher zu der Zeit, zu der das leitungserzeugende Steuersignal entfernt wird, relativ klein ist; und ein spannungsansprechendes Mittel (58) umfaßt, das wirksam ist, wenn die nachgewiesene transiente Induktionsspannung eine Schwellspannung überschreitet, um (1) den ersten Bezugsstrom in Bezug auf weitere Anstiege in der nachgewiesenen transienten Induktionsspannung zu verringern, um dadurch die Rate des Anstiegs der transienten Induktionsspannung, die durch den Leistungstransistor (12) gesehen wird, zu stabilisieren, und (2) den zweiten Bezugsstrom in Bezug auf weitere Anstiege in der nachgewiesenen transienten Induktionsspannung zu erhöhen, um dadurch die Leitung des Leistungstransistors zu unterstützen, bis die in der induktiven Last (14) gespeicherte Energie im wesentlichen dissipiert ist.