DE69523936T2

DE69523936T2 - Verfahren zum Schutz von Leistungstransistoren und übereinstimmende Schaltung

Info

Publication number: DE69523936T2
Application number: DE69523936T
Authority: DE
Inventors: Gregorio Bontempo; Roberto Gariboldi; Francesco Pulvirenti
Original assignee: STMicroelectronics SRL; CORIMME Consorzio per Ricerca Sulla Microelettronica nel Mezzogiorno
Current assignee: STMicroelectronics SRL; CORIMME Consorzio per Ricerca Sulla Microelettronica nel Mezzogiorno
Priority date: 1995-12-29
Filing date: 1995-12-29
Publication date: 2002-05-29
Anticipated expiration: 2015-12-30
Also published as: DE69523936D1; EP0782235B1; EP0782235A1; US5831466A

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Methode und einen Schaltkreis zum Schutz der Ausgangsstufe eines Leistungsaktuators gegen Spannungsstöße vom Typ einer Stoßwelle. Insbesondere bietet sie Schutz gegen Spannungsstoßwellen von der Art wie sie im Internationalen Standard IEC 801-5 beschrieben wird für einen in der Ausgangsstufe enthaltenen Leistungstransistor.
Der Bedarf hierfür ergibt sich aus einer ständigen Nachfrage nach verläßlicheren Schutzmaßnahmen. Zusätzlich haben die Anwendung starker Miniaturisierungstechniken zur Herstellung von Geräten und der verstärkten Anwendung von CMOS- Transistoren, die anfälliger sind als bipolare Transistoren, eine weltweite Standardisierung der Methoden notwendig gemacht, die verwendet werden, um die Leistung, Zuverlässigkeit und Störfestigkeit von Systemen zu bewerten.
Insbesondere Anwendungen in Industrie und Fahrzeugen sind von Umgebungsstörungen betroffen, wobei die Störquellen meistens auf Schwingkreise, Schaltvorgänge und, wo immer Verbindungen über Übertragungsleitungen hergestellt werden, auf energiereiche Spannungsimpulse zurückzuführen sind, die entlang der Kabel durch bestimmte Witterungsfaktoren wie z. B. Blitze induziert werden.
IEC-Standards sollen eine gemeinsame Basis für die Messung solcher Störquellen, ihre Reproduzierbarkeit im Labor, aber auch für die Einschätzung der Leistungsfähigkeit und Verläßlichkeit getesteter Geräte bieten.
Im folgenden aufgeführt sind die am häufigsten auftretenden Arten von Störungen zusammen mit den entsprechenden Standards, die die Emissions- und Störfestigkeitsstufen angeben:
Elektrostatische Entladung IEC 801-2
Elektromagnetische Interferenz IEC 801-3
Transientenspannungen IEC 801-4
Spannungs-Stoßwellen IEC 801-5
Bekanntermaßen erzeugen elektrostatische Entladungen die schnellsten und kurzlebigsten Impulse, während Spannungsstöße die energiereichsten sind und, aus eben diesem Grunde, diejenigen, die Schaltkreise am ehesten gefährden.
Spannungsstöße werden normalerweise von zwei Arten von Quellen erzeugt, nämlich:
Umschaltende quellen, wie z. B. Schalter, Relais,
schaltende Schwingkreise oder Kurzschlüsse,
Phänomene wie Überschlag und Blitze, die starke elektrostatische Entladungen produzieren, deren Störwirkung sich normalerweise durch induktive Kopplung mit Übertragungsleitungen fortpflanzt.
Mit Ausnahme der Stromversorgungs- und Massepins, die von allen Arten Belastungen betroffen und dementsprechend immer gegen Spannungsstöße geschützt sind, sind normalerweise die anderen Pins nicht alle von Stoßwellen betroffen, so dass es nicht immer notwendig ist, sie zu schützen.
Zum Beispiel ist für Aktuatoren, die in Automatisierungsketten verwendet werden, ein Schutz nur für die Leistungsausgänge erforderliche, da diese Ausgänge mit der Außenwelt über Übertragungslinien verbunden sind, die bis zu 400 Meter lang sind und in denen Spannungsstöße induziert werden.

Hintergrund der Technik

Die zur Zeit eingesetzte Technik zum Schutz von Geräten vor Spannungsstößen besteht darin, diskrete Stoßwellenentstörer, d. h. Entstörer außerhalb dieser Geräte, an die zu schützenden Pins anzubringen. Wie bereits oben erwähnt, werden bei Aktuatoren für Anwendungen in der Industrie und in Automobilen außer den Stromversorgungs- und Massepins nur die Ausgangspins Belastungen vom Typ Spannungsstoß ausgesetzt und müssen geschützt werden.
Um solche Pins zu schützen, ist es die bislang übliche Praxis, die zugeleitete Spannung durch die Bereitstellung von extern angebundenen Entstörern zu begrenzen.
In Fig. 1 ist ein bekanntes Schaltkreisdesign für einen Leistungsaktuator dargestellt. Ein Aktuator 10 hat einen ersten Stromversorgungspin 12, der mit einer Spannungsversorgung VS verbunden ist, und einen zweiten Stromversorgungspin 14, der mit der Masse GND verbunden ist. Der erste Versorgungspin 12 wird durch eine bidirektionale Zenerdiode DS geschützt, deren Abschaltspannung höher ist als die Betriebsspannung des Aktuators, aber niedriger als die Durchschlagsspannung des Aktuators. Alternativ könnte die Zenerdiode auch unidirektional sein. Die Stördämpfung wird außerdem durch einen Filterkondensator C unterstützt.
Der Aktuator 10 hat einen Eingangspin 11, an dem ein Eingangssignal IN anliegt, und einen Ausgangspin 13. Der Ausgangspin wird von den Dioden D1, D2 und D3 geschützt. Die Diode D1 leitet die positive Pulsenergie in die Versorgungsleitung VS ab, während die Dioden D2 und D3 die negative Pulsenergie auf Masse ableitet. Die Diode D3 ist eine bidirektionale Zenerdiode, kann aber auch unidirektional sein, und ist vorhanden, damit die Spannung an der Ausgangsklemme 13 unter Masse gehen kann und um eine rasche Entmagnetisierung von induktiven Lasten zu ermöglichen.
Eine andere bekannte Lösung wird im Europäischen Patentantrag 0 525 255 AI gezeigt, der den früheren Stand der Technik nach der Einleitung der Ansprüche 1 und 6 darstellt. In diesem Dokument wird der Strombegrenzungskreis durch einen Schaltkreis zur Steuerung der Betriebstemperatur des Leistungs-MOSFETs deaktiviert. Im Standardmodus wird der Betrieb des Leistungs-FETs verhindert, wenn seine Temperatur über 150ºC steigt, oder wenn er zu viel Strom durchleitet. Während eines starken Spannungsstoßes an der Stromversorgungsklemme, schaltet der Schaltkreis den Leistungs-FET ein und, deaktiviert den Strombegrenzungskreis, wenn die Betriebstemperatur über 160ºC steigt, um die Betriebstemperatur zu senken und permanenten Schaden am Leistungs-FET zu verhindern.
Eine weitere bekannte Lösung findet sich im U.S. Patent 4,679,112. In dieser Lösung wird eine Zenerdiode dazu verwendet, einem Stromfluss durch einen Emitterbasisschaltkreis entgegenzuwirken. Induktive Stoßspannung über dem Motor nach einem extern angelegten Steuersignal überschreitet die Durchbruchsspannung in Sperrrichtung der Zenerdiode und polarisiert den Schutztransistor in leitenden Zustand. Der Schutzdetektor wiederum leitet Strom durch den Widerstand, um eine Vorspannung zu entwickeln, die den Leistungstransistor in einen teilweise leitenden Zustand bringt, um die induktive Stoßwelle langsam zu zerstreuen. Quellspannungsstöße aufgrund von Lastableitungsbedingungen bewirken nicht, dass der Leistungstransistor durch Vorspannung leitend wird. Weiterhin umfasst diese Lösung keinen Strombegrenzungskreis.
Das zugrundeliegende technische Problem dieser Erfindung besteht darin, eine Schutzmethode und eine Schaltkreisanordnung zu bieten, die den Strombegrenzungskreis auf einfachere Weise deaktiviert als nach dem bisherigen Stand der Technik. Außerdem sollte es möglich sein, eine Schaltkreisanordnung zu wählen, die vollständig integriert werden kann und keine externen Komponenten beinhaltet.
Dieses technische Problem wird durch eine Methode zum Schutz einer Ausgangsklemme eines Leistungsaktuators gelöst, wie in Anspruch 1 dargelegt.
Das technische Problem wird auch durch eine Endstufe eines Leistungsaktuators gelöst, deren Ausgang gegen Spannungsstöße geschützt wird, wie in Anspruch 6 dargelegt.
Die Charakteristika dieser Erfindung gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer Ausführungsform dieser Erfindung hervor, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Diagramm, das einen Leistungsaktuator schematisch zeigt, der mit einem diskreten Stoßwellenentstörer geschützt wird.
Fig. 2 ist ein Schaltkreisdiagramm einer ersten Endstufe eines Leistungsaktuators, der intern vor Spannungsstößen geschützt wird nach dieser Erfindung;
Fig. 3 ist ein Schaltkreisdiagramm einer zweiten Endstufe eines Leistungsaktuators, der intern vor Spannungsstößen geschützt wird nach dieser Erfindung;
Fig. 4 zeigt das Verhalten der Ausgangsspannungen der Schaltkreise der Fig. 1 und 2 über der Zeit; und
Fig. 5 ist ein Blockschaltbild eines intelligenten Leistungsaktuators, der mit einem Schutz vor Spannungsstößen ausgestattet ist, nach der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung

In Fig. 2 ist eine erste Ausführungsform einer Endstufe 1 eines Leistungsaktuators, der gegen Spannungsstöße geschützt ist nach dieser Erfindung. Der Schaltkreis 1 ist eine Endstufe eines Aktuators vom High-Side-Typ, worin der Leistungstransistor verwendet wird, um eine positive Spannung an eine Last zu liefern.
Die folgenden Komponenten sind im Schaltkreisdiagramm zu erkennen:
ein Leistungstransistor vom Typ MOS mit einer ebenfalls gezeigten Diode DP, die der Transistorstruktur inherent ist und elektrisch zwischen der Sourceklemme S und der Drainklemme D geschaltet ist;
ein Widerstand RS zur Detektierung eines Kurzschlussstromes, der in Reihe mit der Drain- Source Hauptleitungsstrecke des Leistungstransistors geschaltet ist;
ein Begrenzungskreis 4 zur Begrenzung des größten Ausgangsstrom von der Endstufe, bestehend aus einem Referenzgenerator VR, einem Operationsverstärker 5, einem bipolaren PNP- Transistor T2 und einem Stromspiegel mit MOS- Transistoren M1, M2;
ein Aktivierungskreis für den Leistungstransistor PW, der einen Stromgenerator ION und einen Schalter SW enthält; und
einen Reaktivierungskreis 3 zur Wiederherstellung des "Ein"-Zustandes beim Leistungstransistor PW, welcher Schaltkreis eine Zenerdiode D2 und einen bipolaren PNP-Transistor T1 umfasst.
Der Leistungstransistor PW hat eine Steuer- oder Gate-Klemme G, eine ersten Hauptleitungs- oder Drainklemme D, und eine zweiten Hauptleitungs- oder Sourceklemme S.
Die ersten D und zweiten S Hauptleitungsklemmen beschreiben eine Hauptleitungsstrecke D-S. die in Reihe mit dem Erfassungswiderstand RS geschaltet ist, zwischen einem positiven Pol VS eines Stromversorgungsgenerators und der Ausgangsklemme OUT des Aktuators. Die Gate-Klemme G des Transistors PW ist über einen Schalter SW an den Stromgenerator ION angeschlossen, letzterer ist wiederum mit einem zweiten positiven Pol VCP des Stromversorgungsgenerators verbunden. Der Schalter SW ist ein elektronischer Schalter, der durch ein Reaktivierungssignal ON gesteuert wird.
Der Begrenzungskreis 4 zur Begrenzung des maximalen Ausgangsstroms des Transistors PW enthält einen Operationsverstärker 5, dessen nicht-invertierender Eingang mit dem gemeinsamen Knoten zwischen dem Widerstand RS und der Drainklemme D des Transistors PW verbunden ist, und dessen invertierender Eingang, mit einer ersten Klemme des Referenzgenerators VR verbunden ist. Eine zweite Klemme des Generators VR ist mit dem anderen Ende des Widerstands RS verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 5 ist mit der Basis des Transistors T2 verbunden, der Emitter von Transistor T2 ist mit dem positiven Pol VS verbunden und sein Kollektor mit einem Eingangsleitungszweig des Stromspiegels M1, M2. Der Spiegel M1, M2 wird durch zwei MOS- Transistoren gebildet, wobei ein erster Transistor M1 den Eingangsleitungszweig bildet und ein zweiter Transistor M2 den Ausgangsleitungszweig, durch den der gespiegelte Strom geleitet wird. Die Sourceklemmen beider Transistoren M1 und M2 sind zusammen und mit der Ausgangsklemme OUT des Aktuators verbunden, und die Drainklemme des zweiten Transistors M2 ist mit der Gate-Klemme G des Leistungstransistors PW verbunden.
Der Reaktivierungskreis 3 umfasst einen Transistor T1, dessen Emitterklemme mit dem positiven Pol VS des Stromversorgungsgenerators verbunden ist, dessen Kollektorklemme mit der Basisklemme von Transistor T2 verbunden ist, und dessen Basisklemme mit der Kathode der Zenerdiode D2 verbunden ist; die Anode der Diode D2 ist mit der Gate-Klemme G des Leistungstransistors PW verbunden.
Das Prinzip, nach dem die Endstufe 1 von Fig. 2 funktioniert, wird im folgenden beschrieben. Im Normalbetrieb wird die Endstufe durch das Signal ON auf den Schalter SW gesteuert, um den Leistungstransistor PW in Leitung zu schalten. Der Widerstandswert des Widerstands RS, der mit der Hauptleitungsstrecke D-S des Transistors PW in Reihe geschaltet ist, beträgt wenige zehn Milli- Ohm und erzeugt einen Spannungsabfall, der vernachlässigbar ist, soweit es den Schaltkreisbetrieb betrifft, bildet aber ein ausreichendes Eingangssignal an den Schaltkreis 4 zur Begrenzung des maximalen Stroms.
Der im Begrenzungskreis 4 enthaltene Operationsverstärker 5 vergleicht den Spannungsabfall im Widerstand RS mit der Spannung des Referenzgenerators VP und, wenn diese Spannung die Referenzspannung übersteigt, veranlasst den Transistor T2 zu leiten. Der Transistor T2 zwingt einen Strom in den Eingangsleitungszweig des Stromspiegels M1, M2, welcher Strom in den Ausgangsleitungszweig oder Transistor M2 gespiegelt wird. Der durch den Transistor M2 fließende Strom verursacht einen Abnehme der Spannung über Drain und Source des Transistors M2 und dementsprechend in der Gate-Source Spannung Vgs des Transistors PW. Unter dieser Bedingung schaltet der Transistor PW, wodurch der Ausgangsstrom begrenzt wird.
Der Reaktivierungskreis 3 sorgt dafür, dass der Leistungstransistor PW wieder aktiviert wird, nachdem die Spannung Vout an der Ausgangsklemme unter eine vorgegebene Schwelle fällt, normalerweise eine negativer Wert gegenüber Masse, jenseits dessen die Potentialdifferenz zwischen der Ausgangsklemme OUT und der Versorgungsklemme die integrierte Struktur irreparabel schädigen kann. Diese Funktion wird normalerweise dazu verwendet, den Transistor wieder einzuschalten und eine schnelle Entmagnetisierung induktiver Lasten zu erreichen. Tatsächlich, wenn der Aktuator eine induktive Last steuert, erzeugt die in der Last gespeicherte Energie beim Öffnen des Transistors eine Spannungsspitze an der OUT-Klemme des Aktuators. Der Betrieb des Reaktivierungskreises sorgt dafür, dass die in der Last gespeicherte Energie in den Transistor PW abgeleitet wird und die Spannung Vout an der Ausgangsklemme begrenzt bleibt.
Der Reaktivierungskreis 3 ist mit dem Strombegrenzungskreis 4 verbunden, um die Strombegrenzungsfunktion zu unterbrechen, wenn der Transistor wieder eingeschaltet wird.
Insbesondere, wenn die Spannung Vout an der Ausgangsklemme unter eine vorgegebene Schwelle VL fällt, wie in der folgenden Formel
VL = VS - (Vgs + VZ + Vhe),
mit
VS: Versorgungsspannung zum Aktuator, typischerweise 24 Volt,
Vgs: Gate-Source Spannung des Leistungstransistors, die im Normalbetrieb mit ungefähr 5 Volt angenommen werden kann, und
Vbe: Basis-Emitter Spannung des Transistors T1,
dann beginnt ein Strom durch die Zenerdiode D2 zu fließen und der Transistor T1 wechselt in leitenden Zustand.
Unter dieser Bedingung schaltet die Zenerdiode D2 den Leistungstransistor PW ein und gleichzeitig damit deaktiviert der Transistor T1 den Begrenzungskreis 4.
Das Funktionsprinzip des Schaltkreises beim Auftreten eines Spannungsstoßes an der Ausgangsklemme ist wie folgt.
Während einer positiven Stoßwelle, d. h. wenn der Ausgang OUT ein höheres Potential als die Versorgungsspannung VS annimmt, mit dem Transistor PW im Zustand EIN oder AUS, wird die Stoßenergie über die inherente Diode DP des Leistungstransistors PW in die Versorgungsleitung abgeleitet.
Während einer negativen Stoßwelle geschieht folgendes. Wenn sich der Leistungstransistor PW im AUS-Zustand befindet, fällt die Spannung am Ausgang OUT auf die Betriebsspannung der Zenerdiode DZ ab, die dazu dient, den Leistungstransistor bei Spannung unterhalb Masse wieder einzuschalten für schnelle Entmagnetisierung im Fall, dass es sich um eine induktive Last handelt. Da der von der Stoßwelle benötigte Strom jedoch größer ist als der begrenzte Strom, würde die Ausgangsspannung bei fehlendem Transistor T1 weiter auf das Durchschlagsniveau abfallen, unterhalb dessen das Gerät zerstört wird. Durch den Transistor T1 kann die Strombegrenzungsfunktion deaktiviert werden, wenn der Ausgang auf eine Spannung VL = VS - (Vgs + VZ + Vbe) abfällt, so dass der Leistungstransistor PW den gesamten von der Stoßwelle benötigten Strom liefern und die Energie dorthin ableiten kann.
Wenn der Leistungstransistor PW an ist, wenn die Stoßwelle auftritt, tendiert der Begrenzungskreis 4 dazu, den Transistor PW abzuschalten, und der Ausgang OUT wird wieder unter Massepotential eingestellt. Durch das Vorhandensein des Transistors T1 zur Deaktivierung der Strombegrenzungsfunktion, kann es so eingerichtet werden, dass die Spannung am Ausgang OUT nie unter VL = VS - (Vgs + VZ + Vbe) fällt. Wieder liefert der Leistungstransistor PW den gesamten von der Stoßwelle benötigten Strom und leitet die Stoßenergie ab.
In Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform einer Endstufe eines Leistungsaktuators gezeigt, der gegen Spannungsstöße geschützt ist nach dieser Erfindung.
Der Schaltkreis 1 in Fig. 3 ist eine Endstufe eines Aktuators "Low-Side"-Typ, worin der Leistungstransistor verwendet wird, um eine Last an ein Bezugserdpotential anzuschließen.
Die folgenden Komponenten sind im Schaltkreisdiagramm zu erkennen:
ein Leistungstransistor vom Typ MOS mit einer der Transistorstruktur inherenten Diode DP, die elektrisch zwischen der Sourceklemme S und der Drainklemme D geschaltet ist;
ein Widerstand RS zur Detektierung eines Kurzschlussstromes, der in Reihe geschaltet ist mit der Drain-Source Hauptleitungsstrecke des Leistungstransistors;
ein Begrenzungskreis 4 zur Begrenzung des maximalen Stroms von der Endstufe, der einen Referenzgenerator VR, einen Operationsverstärker 5 und einen bipolaren NPN-Transistor T2 enthält.
ein Aktivierungskreis für den Leistungstransistor PW, der einen Stromgenerator ION und einen Schalter SW enthält;
einen Reaktivierungskreis 3, um den Leistungstransistor PW wieder einzuschalten, der eine Zenerdiode D2, einen bipolaren PNP-Transistor T1 und eine Stromspiegelschaltkreis T3, T4 enthält.
Die Hauptleitungsstrecke D-S des Leistungstransistors PW ist in Reihe geschaltet mit dem Erfassungswiderstand RS zwischen der Ausgangsklemme OUT des Aktuators und der Massespannungsreferenz GND. Die Gateklemme G des Transistors PW ist über den Schalter SW an den Stromgenerator ION angeschlossen, letzter ist mit einem positiven Pol Vdd eines Stromversorgungsgenerators verbunden. Der Schalter SW ist ein elektronischer Schalter, der durch ein Reaktivierungssignal ON gesteuert wird.
Der Begrenzungskreis 4 zur Begrenzung des maximalen Ausgangsstroms des Transistors PW enthält einen Operationsverstärker 5, dessen nichtinvertierender Eingang mit dem gemeinsamen Knoten zwischen dem Widerstand RS und der Source-Klemme S des Transistors PW verbunden ist und dessen invertierender Eingang mit einem ersten Anschluss des Referenzgenerators VR verbunden ist; ein zweiter Anschluss des Generators VR ist mit dem anderen Ende des Widerstands RS verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 5 ist mit der Basis des Transistors T2 verbunden; der Emitter dieses Transistors ist mit der Massereferenz GND verbunden, und sein Kollektor ist mit der Gate- Klemme G des Leistungstransistors PW verbunden.
Der Reaktivierungskreis 3 besteht aus einem Transistor T1, dessen Basisklemme an die Kathode der Zenerdiode D2 angeschlossen ist, dessen Emitterklemme an die Ausgangsklemme OUT des Aktuators angeschlossen ist und dessen Kollektorklemme an einen Eingangsleitungszweig des Stromspiegels T3, T4 angeschlossen ist. Der Spiegel T3, T4 besteht aus zwei bipolaren NPN-Transistoren: einem ersten Transistor T3, der den Eingangsleitungszweig bildet, und dem zweiten Transistor T4, der den Ausgangsleitungszweig bildet, durch den der gespiegelte Strom geleitet wird. Die Emitterklemmen der beiden Transistoren T3, T4 sind miteinander verbunden und mit der Massereferenz GND, und die Kollektorklemme des zweiten Transistors T4 ist mit der Basis des Transistors T2 im Strombegrenzungskreis 4 verbunden.
Das Funktionsprinzip der Endstufe 1 in Fig. 3 ist ähnlich der Funktion des zuvor beschriebenen Schaltkreises in Fig. 2.
Im Normalbetrieb wird die Endstufe durch das Signal ON auf den Schalter SW gesteuert, um den Leistungstransistor PW in Leitung zu schalten. Der im Begrenzungskreis 4 enthaltene Operationsverstärker 5 vergleicht den Spannungsabfall über den Erfassungswiderstand RS mit der Spannung des Referenzgenerators VR und, wenn diese Spannung die Referenzspannung übersteigt, veranlasst den Transistor T2 zu leiten. Wenn der Transistor T2 einmal leitet tendiert er dazu, den Leistungstransistor PW abzuschalten, wodurch der Ausgangsstrom begrenzt wird.
Der Reaktivierungskreis 3 schaltet den Leistungstransistor PW wieder an, wenn die Spannung Vout an der Ausgangsklemme eine vorgegebene Schwelle überschreitet, jenseits der die Potentialdifferenz zwischen der Ausgangsklemme OUT und der Massereferenz GND permanenten Schaden an der integrierten Struktur verursachen kann.
Normalerweise wird diese Funktion zur schnelleren Entmagnetisierung induktiver Lasten verwendet. Tatsächlich, wenn der Aktuator eine induktive Last steuert, erzeugt die bei offenem Transistor PW in der Last gespeicherte Energie eine Spannungsspitze an der Aktuatorklemme OUT. Der Betrieb dieses Reaktivierungskreises veranlasst, dass die in der Last gespeicherte Energie in den Transistor PW abgeleitet wird und die Spannung Vout an der Ausgangsklemme begrenzt bleibt.
Der Reaktivierungskreis 3 ist mit dem Begrenzungskreis 4 verbunden, um die Strombegrenzungsfunktion aufzuheben, wenn der Transistor wieder eingeschaltet wird.
Während einer negativen Stoßwelle, d. h. das Potential des Ausgangs OUT ist niedriger als das der Massereferenz GND, wird die Stoßwellenenergie durch die inherente Diode DP des Leistungstransistors PW zur Massereferenz GND abgeleitet, unabhängig davon, ob der Transistor PW im Zustand EIN oder AUS ist.
Während einer positiven Stoßwelle geschieht das folgende: wenn sich der Leistungstransistor PW im AUS-Zustand befindet, steigt die Spannung am Ausgang OUT auf das Betriebsniveau der Zenerdiode DZ, die dazu dient, den Leistungstransistor wieder einzuschalten und eine schnelle Entmagnetisierung induktiver Lasten zu ermöglichen. Da der von der Stoßwelle benötigte Strom jedoch größer ist als der begrenzte Strom, würde die Ausgangsspannung bei fehlendem Transistor T1 weiter auf die Durchbruchsspannung ansteigen, oberhalb derer das Gerät zerstört wird. Durch den Transistor T1 und den Stromspiegel T3-T4 wird die Strombegrenzungsfunktion deaktiviert, wenn der Ausgang eine gegebene Schwelle überschreitet, so dass der Leistungstransistor PW den gesamten von der Stoßwelle benötigten Strom liefern und die Energie dorthin ableiten kann.
Wenn sich der Leistungstransistor PW im EIN- Zustand befindet, tendiert der Strombegrenzungskreis 4 beim Auftreten einer Stoßwelle dazu, den Transistor PW abzuschalten, wodurch die Spannung am Ausgang OUT ansteigt. Der Transistor T1 sorgt durch Deaktivierung der Strombegrenzungsfunktion dafür, dass die Spannung am Ausgang OUT nie über eine vorgegebene Schwelle ansteigt,. Wieder wird der Leistungstransistor PW den gesamten für die Stoßwelle benötigten Strom liefern und die Stoßenergie ableiten.
Mit Bezug auf Fig. 2 bzw. 3 wird nun die Methode zum Schutz einer Ausgangsklemme OUT eines Leistungsaktuators vor Spannungsstößen nach der Erfindung beschrieben.
Wie bereits in der vorangegangenen Beschreibung dargelegt, sorgt die Methode dieser Erfindung dafür, dass:
die im Leistungstransistor inherente Diode DP dazu verwendet wird, die Stoßenergie während einer Stoßwelle von bestimmter Polarität an eine der Versorgungsgeneratorklemmen (VS im Schaltkreis von Fig. 2, GND im Schaltkreis von Fig. 3) abzuleiten.
die Wiederaktivierungsfunktion des Leistungstransistors PW im EIN-Zustand dazu verwendet wird, die Energie während einer Stoßwelle, die die entgegengesetzte Polarität der vorherigen hat, in selbigen abzuleiten, während gleichzeitig die Strombegrenzungsfunktion deaktiviert wird.
Der Transistor PW wird wieder eingeschaltet und der Strombegrenzungskreis 4 wird durch die folgenden Schritte deaktiviert:
a) Erzeugung eines elektrischen Signals, das im wesentlichen proportional zu der an der Ausgangsklemme OUT des Aktuators auftretenden Spannung ist;
b) Steuerung der Kontrollklemme G des Leistungstransistors PW mit Hilfe besagten elektrischen Signals, wodurch besagter Transistor leitend wird, während gleichzeitig der Strombegrenzungskreis 4 deaktiviert wird, wenn die Ausgangsspannung eine vorgegebene Schwelle übersteigt; und
c) Schaffung der Möglichkeit, die Stoßwellenenergie zum Leistungstransistor PW abzuleiten.
Der Einsatz dieser Erfindung erlaubt also den Schutz eines Leistungsaktuatorausgangs durch eine Schaltkreisanordnung, die voll integriert ist und ohne externe Komponenten auskommt.
In Fig. 4 ist das Muster der Ausgangsspannung Vout beim Auftreten einer Spannungsstoßwelle an der Ausgangsklemme dargestellt, für einen Aktuator konventioneller Bauart auf der Kurve 21 und für einen Aktuator nach dieser Erfindung auf Kurve 20.
Der Unterschied ist einfach zu erkennen:
im Aktuator, der nach dieser Erfindung geschützt ist (Kurve 20), bleibt der Spannungswert in allen Fällen begrenzt, über einer gegebenen Schwelle von ungefähr -30 Volt in dieser Figur, bei der der Schutz in Funktion tritt;
im Aktuator nach bisherigem Stand der Technik folgt die Spannung an der Ausgangsklemme demselben Muster wie die Stoßwelle, fällt bis auf -90 Volt ab, einem Wert, der den Leistungstransistor PW sicherlich zerstört.
Fig. 5 ist ein Blockschaltbild eines intelligenten Leistungsaktuators 30, der mit einem Schutz vor Spannungsstoßwellen nach der Erfindung ausgestattet ist.
Die Endstufe des Aktuators enthält einen Leistungstransistor PW, einen Begrenzungskreis 36 zur Begrenzung des maximalen Stroms und einen Schaltkreis 38 zum Schutz des Endtransistors PW gegen Stoßwellen, nach dieser Erfindung.
Der Strombegrenzungskreis 36 erfasst den Ausgangsstrom durch den Erfassungswiderstand RS, der mit der Hauptleitungsstrecke des Leistungstransistors PW in Reihe geschaltet ist.
Das Eingangssignal (IN+, IN-) wird an die Gate- Klemme des Leistungstransistors durch eine Serienschaltung eines Eingangskomparators 31, eines Aktivierungs-NAND-Gatters 32 mit drei Eingängen und eines Steuerschaltkreises 35 geleitet. Der Strombegrenzungskreis 36, der mit dem Schutzschaltkreis 38 verbunden ist, welcher durch die Leitung 40 Schutz gegen Spannungsstoßwellen bietet, wirkt auf den Steuerschaltkreis ein, um den Strom des Endtransistors PW zu begrenzen.
Weiterhin sind im Blockschaltbild 30 ein Schaltkreis 33 zur Überwachung der Versorgungsspannung und ein Schaltkreis 39 zum thermischen Schutz des Gerätes abgebildet, welche beide mit dem Aktivierungs-NAND-Gatter 32 verbunden sind.
Ein Diagnoseschaltkreis 37, verbunden mit dem Strombegrenzungskreis 36, dem Schaltkreis 33, der die Versorgungsspannung überwacht, und dem Schaltkreis 39, der das Gerät thermisch schützt, erzeugt ein Signal DIAG, um den internen Zustand des Schaltkreises nach außen zu melden.

Claims

1) Methode, um eine Ausgangsklemme (OUT) eines Leistungsaktuators vor einem Spannungsstoß zu schützen, wobei dieser Aktuator einen Leistungstransistor (PW) umfaßt, der eine Kontrollklemme (G), eine erste Hauptleitungsklemme, die an einen Pol (VS; GND) eines Versorgungsgenerators angeschlossen ist, aufweist, und eine zweite Hauptleitungsklemme, die an die besagte Ausgangsklemme (OUT) angeschlossen ist, verbunden mit einem Strombegrenzungskreis (4), um den Strom durch den Leistungstransistor (PW) zu begrenzen, wobei die Methode folgende Schritte umfaßt:

Erzeugung eines elektrischen Signals, wenn die Spannung zwischen der besagten Ausgangsklemme (OUT) des Aktuators und des besagten Pols (VS; GND) des Versorgungsgenerators einen im voraus bestimmten Schwellenwert übersteigt; und

Steuerung der Kontrollklemme (G) des Leistungstransistors (PW) über das besagte elektrische Signal, um zu bewirken, daß der besagte Leistungstransistor (PW) leitet, wenn das besagte elektrische Signal erzeugt wird und die Energie eines Spannungsstoßes vernichtet;

dadurch gekennzeichnet, daß das besagte elektrische Signal an den Strombegrenzungskreis (4) angeschlossen wird, um den besagten Strombegrenzungskreis (4) zu deaktivieren, wenn das besagte elektrische Signal erzeugt wird.

2) Methode gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des besagten elektrischen Signals die automatische Kontrolle eines Transistors (T1) umfaßt, wenn die besagte Spannung den im voraus bestimmten Schwellenwert übersteigt.

3) Methode gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die automatische Kontrolle eines Transistors (T1) den Einsatz einer Zener- Diode (D2) umfaßt.

4) Methode gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Spannungsstoß um einen solchen mit negativer Stoßwelle handelt, was auf die Tatsache zurückzuführen ist, daß die erste Hauptleitungsklemme des Leistungstransistors (PW) an eine positive Versorgungsspannung angeschlossen ist und der im voraus festgelegte Schwellenwert eine negative Spannung aufweist.

5) Methode gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Spannungsstoß um einen solchen einer positiven "Stoßwelle" handelt, was auf die Tatsache zurückzuführen ist, daß die erste Hauptleitungsklemme des Leistungstransistors (PW) an einen Massenspannungs- Bezugswert angeschlossen ist und es sich bei dem im voraus definierten Schwellenwert um eine positive Spannung handelt.

6) Endstufe eines Leistungsaktuators, bei dem einer seiner Ausgänge vor einer Stoßwelle geschützt ist, bestehend aus:

Einem Leistungstransistor (PW) mit einer Kontrollklemme (G), einer ersten Hauptleitungsklemme, die an einen Pol (VS) eines Versorgungsgenerators angeschlossen ist, und eine zweite Hauptleitungsklemme, die an eine Ausgangsklemme (OUT) des Aktuators angeschlossen ist, wobei die besagten ersten und zweiten Klemmen eine Hauptleitungsstrecke (D-S) des Leistungstransistors (PW) definieren;

ein Strombegrenzungskreis (4), um den Strom durch den Leistungstransistor (PW) zu begrenzen, wobei dieser Begrenzungskreis zumindest einen ersten Eingang besitzt, der an die Hauptleitungsstrecke (D-S) angeschlossen ist, und einen Ausgang, der an die Kontrollklemme (G) des Leistungstransistors (PW) angeschlossen ist; und

ein Reaktivierungskreis (3), der an die Kontrollklemme (G) des Leistungstransistors (PW) angeschlossen ist, um den Leistungstransistor (PW) zu aktivieren, wenn die Spannung zwischen der besagten Ausgangsklemme (OUT) des Aktuators und des besagten Versorgungsgeneratorpols (VS; GND) einen im voraus festgelegten Schwellenwert übersteigt;

dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktivierungskreis (3) des Leistungstransistors (PW) folgende Elemente umfaßt:

Eine Zener-Diode (D2) mit einer Anodenquelle (A), die an die Kontrollklemme des Leistungstransistors (PW) angeschlossen ist, und eine Kathodenklemme (K);

einen Transistor (T1) mit einer ersten (E), einer zweiten Klemme (C) und einer Kontrollklemme (B), wobei die Kontrollklemme (B) an die Kathodenklemme (K) der Zener-Diode (D2) angeschlossen ist und wo die zweite Klemme (C) an den Strombegrenzungskreis (4) angeschlossen ist, um diesen Strombegrenzungskreis (4) dann zu deaktivieren, wenn die besagte Spannung einen im voraus festgelegten Schwellenwert überschreitet.

7) Endstufe gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Klemme (E) an den besagten Pol (VS) des Versorgungsgenerators angeschlossen ist.

8) Endstufe gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Klemme (E) an die Ausgangsklemme (OUT) des Aktuators angeschlossen ist.

9) Endstufe gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Klemme (C) des Transistors (T1) an den Strombegrenzungskreis (4) über einen Stromspiegelkreis (T3; T4) angeschlossen ist.

10) Endstufe gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungstransistor (PW) ein Leistungstransistor vom Typ MOS ist und eine parasitäre Diode umfaßt, die eingebunden in ihre Aufbaukonstruktion elektrisch zwischen der ersten und der zweiten Hauptleitungsklemme angeschlossen ist.

11) Intelligenter Leistungsaktuator, der mindestens eine Endstufe (1) besitzt, am Ausgang gegen Spannungsstöße geschützt ist und nach einem der Ansprüche 6 bis 10 ausgebildet ist.

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Für die Richtigkeit der Übersetzung.