EP1074733A2 - Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Zündspule - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Zündspule Download PDF

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EP1074733A2
EP1074733A2 EP00109567A EP00109567A EP1074733A2 EP 1074733 A2 EP1074733 A2 EP 1074733A2 EP 00109567 A EP00109567 A EP 00109567A EP 00109567 A EP00109567 A EP 00109567A EP 1074733 A2 EP1074733 A2 EP 1074733A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
semiconductor switch
transistor
circuit arrangement
control
arrangement according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00109567A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1074733A3 (de
Inventor
Paul Nance
Peter Sommer
Jenoe Tihanyi
Ludwig Leipold
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Publication of EP1074733A2 publication Critical patent/EP1074733A2/de
Publication of EP1074733A3 publication Critical patent/EP1074733A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P3/00—Other installations
    • F02P3/02—Other installations having inductive energy storage, e.g. arrangements of induction coils
    • F02P3/04—Layout of circuits
    • F02P3/0407—Opening or closing the primary coil circuit with electronic switching means
    • F02P3/0421—Opening or closing the primary coil circuit with electronic switching means with electronic tubes

Definitions

  • the present invention relates to a circuit arrangement to control an ignition coil, such as for Generation of ignition sparks is used in Otto engines.
  • Such circuit arrangements have a first semiconductor switch with a load path that is in series with a primary winding the ignition coil is switched, and with a control electrode for the control according to a first control signal on.
  • the series connection of the first semiconductor switch and primary winding is at terminals for one Power supply connected.
  • the time of generation of the spark or opening of the first semiconductor switch becomes the circuit arrangement predefined from the outside depending on the motor data.
  • the period between closing and opening the first semiconductor switch can vary.
  • the circuit arrangement according to the invention sees one second semiconductor switch in front with a load path that is parallel is connected to the primary winding, and with a Control electrode for the control according to a second Control signal.
  • the second semiconductor switch which in particular as Insulated gate bipolar transistor or as a field effect transistor trained, takes over as long as it passes through the second Control signal is kept conductive, the current through the Primary coil when the first semiconductor switch blocks or its conductivity decreases.
  • the second semiconductor switch is in the reverse direction between the first semiconductor switch facing terminal of the primary winding and the other terminal of the primary winding is switched and acts like a controlled freewheeling diode. He just heads in Direction between one of the primary winding and the first Semiconductor switch common node and the other terminal the primary winding and locks in the other direction.
  • the second semiconductor switch conducts with a positive supply potential then when the first semiconductor switch is blocked the potential at that of the primary winding and the first semiconductor switch common node about the value of a supply potential to which the other terminal of the primary winding connected. Locks next to the first semiconductor switch the second semiconductor switch, too energy previously stored in the primary winding to the secondary coil transferred, and connected to the secondary side Ignition coil causes an ignition spark to be generated.
  • the circuit arrangement one to a control electrode of the first Semiconductor switch connected first control circuit to control the first semiconductor switch depending on a current through the primary winding and / or the first Has semiconductor switch.
  • This control circuit detects after closing the first semiconductor switch the current through the primary winding and / or the current through the first Semiconductor switch. If this current exceeds a predetermined one Value, the first semiconductor switch is replaced by the first Control circuit opened. The second semiconductor switch takes over then the current from the primary winding until the current has dropped due to line resistance and the first Switches on the semiconductor switch again.
  • the flow through the primary winding or the first semiconductor switch is so by alternately switching on and off or alternately Adjustment and adjustment of the first semiconductor switch to one Predeterminable value adjusted, or this current fluctuates around this predeterminable value.
  • the control electrodes of the first and second semiconductor switches are preferably to an input terminal of the circuit arrangement connected, which is supplied with a control signal is, according to the generation of the ignition sparks takes place. As long as no spark should be generated the first and second semiconductor switches kept conductive, wherein the first semiconductor switch by the first control circuit to regulate the current through the primary winding temporarily can be locked. The current through the primary winding then to avoid generating a spark from the second semiconductor switch acting as a freewheeling diode accepted until the first semiconductor switch conducts again. If an ignition spark is to be generated, the control signal both semiconductor switches after the primary winding Electricity has been blocked.
  • the first control circuit a third semiconductor switch between the control electrode of the first semiconductor switch and a reference potential is connected and which according to a dependent on a current through the first semiconductor switch Current measurement signal is controllable.
  • a current sensing resistor is preferably provided, the between a load connection of the first Semiconductor switch and a reference potential is switched, wherein a control electrode of the third semiconductor switch for supplying the current measurement signal to a terminal of the current sensing resistor connected.
  • the first and second semiconductor switches are preferably as Transistors, in particular as insulated gate bipolar transistors or as field effect transistors.
  • Another embodiment of the invention provides of the current measurement signal is a measurement based on the current sense principle in front.
  • another transistor provided the control electrode of the control electrode of the first transistor connected and the one with a first Load path connection to a first load path connection of the first transistor is connected.
  • a second load connection the other transistor is the current sensing resistor downstream to provide the current measurement signal.
  • second control circuit for driving the first semiconductor switch depending on a temperature in the circuit arrangement having. Exceeds the temperature in the circuit a predetermined value, the first semiconductor switch closed and thus prevents a further rise of the Current through the primary winding.
  • the second semiconductor switch takes over the current through the primary winding and prevents so the generation of an ignition spark.
  • the second control circuit preferably has a further semiconductor switch on between the control electrode of the first semiconductor switch and the reference potential is switched and the after Provided that one provided by a temperature sensor Temperature signal is controlled.
  • the first semiconductor switch is preferably connected to the first and / or second control circuit in a first chip or Semiconductor body integrated during the second semiconductor switch integrated in a second chip or semiconductor body is.
  • the two chips are preferably on a common one Carrier, for example a copper block, soldered and housed in a common housing.
  • the invention is hereinafter described using transistors explained as a semiconductor switch.
  • transistors explained as a semiconductor switch are theirs Gate electrodes the control electrodes, their drain or Source electrodes are the load path connections.
  • FIG. 1 A first embodiment of the circuit arrangement according to the invention is shown in FIG. 1.
  • the circuit arrangement has an ignition coil with a primary winding L1 and a secondary winding L2, an ignition plug Z being connected in parallel with the secondary winding L2 to generate an ignition spark.
  • a first connection terminal of the primary winding L1 is connected to a terminal for supply potential U BB .
  • a first semiconductor switch T1 is provided, which in the example is designed as an n-type insulated gate bipolar transistor and is connected to a second terminal of the primary winding L1 with a drain connection.
  • the first transistor T1 can be driven in accordance with a first drive signal A1, which is supplied to its gate electrode G.
  • the gate electrode G of the first transistor T1 is connected via a resistor R G to an input terminal EK, to which an actuation signal A is supplied, according to which the ignition sparks are generated.
  • the resistor R G serves to limit the current to the gate electrode G.
  • a load path DS of a second semiconductor switch T2 is connected, which in the exemplary embodiment is designed as an insulated gate bipolar transistor and which can be controlled in accordance with a second control signal A2.
  • the gate electrode G of the second transistor T2 is connected directly to the input terminal EK of the circuit arrangement, its source electrode S is connected to the terminal for supply potential U BB , its drain electrode D is connected to the first transistor T1 and Primary winding L1 connected to common node N1.
  • a first control circuit T3, R S is provided, which in the exemplary embodiment has a third semiconductor switch T3, which is connected between the control electrode G of the first semiconductor switch T1 and a reference potential M and is designed as an npn bipolar transistor Current measurement signal SI can be controlled, which is dependent on a current through the first semiconductor switch T1.
  • a current sensing resistor R S is connected between the source terminal S of the first transistor T1 and the reference potential M, a base terminal B of the transistor T3 being connected to a node common to the resistor R S and the first semiconductor switch T1 .
  • a second control circuit T5, TES is used to control the first semiconductor switch T1 depending on a temperature in the circuit arrangement.
  • the second control circuit has in the example, another designed as an n-channel FET Semiconductor switch T5, whose load path D-S between the gate electrode G of the first transistor T1 and the reference potential M is switched and which according to one of a temperature signal provided by a temperature sensor TES ST is controllable, the gate electrode G of the n-channel FET T5 connected to a terminal of the temperature sensor TES is.
  • the drive signal A assumes an upper signal level, the value of which is chosen for the exemplary embodiment shown in FIG. 1 so that it lies above the value of the supply potential U BB , in order to provide a second transistor T2 apply positive gate-source voltage.
  • the resistor R G protects the gate electrode G of the first transistor T1 against an excessive voltage.
  • the drain-source voltage U DS between the drain electrode D and the source electrode S of the second transistor T2 is therefore negative. No current flows through the drain-source path DS, as long as the amount of the voltage applied across the second transistor T2 in the reverse direction is less than a breakdown voltage U D of the second semiconductor switch T2, as is the case in the characteristic field of such an insulated gate bipolar transistor 4, and in which the drain-source current I DS is plotted against the drain-source voltage U DS for increasing gate-source voltages.
  • the second transistor T2 is selected such that the amount of its breakdown voltage U D is greater than a maximum positive voltage present between the source electrode S and the drain electrode D, in order to ensure that, in the case of a negative drain-source voltage U DS , if the first transistor T1 conducts and the supply potential U BB is greater than the potential at the node N1, the second transistor T2 reliably blocks.
  • the potential at the node N1 increases until the drain-source voltage of the second transistor T2 becomes positive and the second transistor T2 has the positive voltage Primary winding L1 flowing current I L1 completely or partially takes over. This prevents the energy stored in the primary winding L1 from being transmitted to the secondary winding L2 in order to generate an ignition spark there.
  • the second transistor T2 acts in the manner of a free-wheeling diode, the second transistor T2 only conducting as long as a positive potential is present at its gate electrode, ie as long as the drive signal A assumes an upper signal value.
  • the third transistor T3 conducts when the current across the load path DS of the first transistor T1 causes a voltage across the current sensing resistor R F , the value of which corresponds to the value of the base-emitter voltage at which the third transistor T3 conducts.
  • the first transistor T1 cuts off, as a result of which the current through the primary winding L1 does not rise any further, the second transistor T2 takes over at least part of the current flowing through the primary winding L1, the voltage across the current sensing resistor R G thereby decreases and the third transistor again begins to lock.
  • the current I L1 is regulated to a predeterminable value by the primary winding L1, as a result of which excessive heating of the circuit arrangement is prevented.
  • the transistor T4 is activated by the temperature signal ST and thus blocks the first semiconductor switch T1. If the control signal A is at the upper signal level at which no ignition spark is to be generated, the second transistor T2 conducts and takes over the current through the primary winding L1, thereby preventing the generation of an ignition spark. Due to line resistances, the current I L1 through the primary winding L1 or the second semiconductor switch T2 decreases rapidly, so that no ignition spark can be generated even when both semiconductor switches T1, T2 are subsequently closed.
  • FIG. 1 Another embodiment of the circuit arrangement according to the invention is shown in FIG.
  • a field effect transistor T1 is used there as the first transistor, to which a zener diode D2 is connected in parallel as protection against overvoltage.
  • a further field-effect transistor is provided as the measuring transistor T4, the gate electrode G of which is connected to the gate electrode G of the first transistor T1 and the drain electrode D of which is connected to the drain electrode D of the first transistor T1 .
  • the transistors T1 and T4 are thereby operated at the same operating point; the ratio of the currents across the load paths DS of these transistors T1, T4 corresponds to their area ratio, the area of the measuring transistor T4 being substantially smaller than that of the first transistor T1 and therefore only absorbing a fraction of the load current of the first transistor T1 as the measuring current.
  • the measuring transistor T4 is followed by a current sensing resistor R F for converting the measuring current into a current measuring signal SI for driving the third transistor T3.
  • a boot strap circuit is provided in the exemplary embodiment according to FIG. 2, which has a zener diode ZD1 connected between the terminal for supply potential U BB and the gate electrode G of the second transistor T2 and one between the gate electrode G. of the second transistor T2 and the input terminal EK connected capacitance C2, which is preferably a resistor connected in series. If the control signal A assumes a lower signal level, preferably reference potential M, the capacitance C2 is charged to the supply potential U BB via the Zener diode ZD2, the second transistor T2 remains blocked.
  • the drive signal A then assumes an upper signal level, the charge on the capacitance C2 is retained and the potential at the gate electrode G of the second transistor T2 rises to the value of the supply potential U BB plus the value of the upper signal level of the drive signal A.
  • the second transistor T2 becomes conductive.
  • the embodiment with the boot strap circuit has the advantage that no signal which is greater than the supply potential U BB has to be made available as a control signal A at the input terminal EK in order to make the second transistor T2 conductive. In this case, a signal which corresponds to the gate-source voltage at which the second transistor conducts is sufficient as the upper signal level. This signal is also sufficient to make the first transistor T1 conductive.
  • the base of the third transistor T3 is in the embodiment a resistor R1 upstream, a capacitor C1 is parallel to the base-emitter path of this transistor T3 switched.
  • Figure 3 shows a further embodiment of the invention Circuit arrangement.
  • the control of the first transistor T1 by means of the circuit STS can, for example by generating the first drive signal A1 under Taking into account the control signal A, which is at an input the circuit STS is present, the current measurement signal SI and one internally generated temperature signal.
  • the second Control signal A2 is also under by the circuit STS Consideration of the control signal A generated.
  • first semiconductor switch T1 and those for its control provided control circuits, such as the first and second control circuit in Figures 1 and 2, or the Circuit STS preferably integrated in a first chip CH1.
  • the second transistor T2 is in a second chip integrated.
  • the two chips CH1, CH2 are preferably on a common carrier, for example a copper block, soldered and housed in a common housing.

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Abstract

Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Zündspule, die folgende Merkmale aufweist: einen ersten Halbleiterschalter (T1) mit einer Laststrecke (D-S), die in Reihe zu einer Primärwicklung (L1) der Zündspule geschaltet ist, und mit einer Steuerelektrode (G) für die Ansteuerung nach Maßgabe eines ersten Ansteuersignals (A1); einen zweiten Halbleiterschalter (T2) mit einer Laststrecke (D-S), die parallel zu der Primärwicklung (L1) geschaltet ist, und mit einer Steuerelektrode (G) für die Ansteuerung nach Maßgabe eines zweiten Ansteuersignals (A2). <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Zündspule, wie sie beispielsweise zur Erzeugung von Zündfunken in Otto-Motoren Verwendung findet.
Derartige Schaltungsanordnungen weisen einen ersten Halbleiterschalter mit einer Laststrecke, die in Reihe zu einer Primärwicklung der Zündspule geschaltet ist, und mit einer Steuerelektrode für die Ansteuerung nach Maßgabe eines ersten Ansteuersignals auf. Die Reihenschaltung aus erstem Halbleiterschalter und Primärwicklung ist dabei an Klemmen für eine Spannungsversorgung angeschlossen.
Wird bei derartigen Schaltungsanordnungen der erste Halbleiterschalter abhängig von dem ersten Ansteuersignal geschlossen, fließt ein über der Zeit ansteigender Strom durch die Primärwicklung. Bei nachfolgendem Öffnen des ersten Halbleiterschalters wird die in der Primärwicklung gespeicherte Energie an eine Sekundärwicklung der Zündspule übertragen, um an einer daran angeschlossenen Zündkerze einen Zündfunken zu erzeugen.
Der Zeitpunkt der Erzeugung des Zündfunkens bzw. des Öffnens des ersten Halbleiterschalters wird der Schaltungsanordnung von außen abhängig von den Motordaten vorgegeben. Der Zeitraum zwischen dem Schließen und dem Öffnen des ersten Halbleiterschalters kann dadurch variieren.
Nach dem Schließen des ersten Halbleiterschalters und damit dem Beginn der Energiespeicherung in der Primärwicklung können Umstände eintreten, wie beispielsweise eine zu starke Erwärmung der Schaltungsanordnung, die ein Öffnen des ersten Halbleiterschalters zur Begrenzung des Stroms durch die Primärwicklung erforderlich machen. Bei Öffnen des ersten Halbleiterschalters in diesen Fällen soll die Erzeugung eines Zündfunkens vermieden werden.
Hierzu sieht die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einen zweiten Halbleiterschalter vor mit einer Laststrecke, die parallel zu der Primärwicklung geschaltet ist, und mit einer Steuerelektrode für die Ansteuerung nach Maßgabe eines zweiten Ansteuersignals.
Der zweite Halbleiterschalter, der insbesondere als Insulated-Gate-Bipolartransistor oder als Feldeffekttransistor ausgebildet ist, übernimmt, solange er durch das zweite Ansteuersignal leitend gehalten wird, den Strom durch die Primärspule, wenn der erste Halbleiterschalter sperrt oder sich dessen Leitfähigkeit verringert. Der zweite Halbleiterschalter ist in Sperrrichtung zwischen die dem ersten Halbleiterschalter abgewandten Klemme der Primärwicklung und die andere Klemme der Primärwicklung geschaltet und wirkt dabei nach Art einer gesteuerten Freilaufdiode. Er leitet nur in Richtung zwischen einem der Primärwicklung und dem ersten Halbleiterschalter gemeinsamen Knoten und der anderen Klemme der Primärwicklung und sperrt in der anderen Richtung. Der zweite Halbleiterschalter leitet bei positivem Versorgungspotential dann, wenn bei Sperren des ersten Halbleiterschalters das Potential an dem der Primärwicklung und dem ersten Halbleiterschalter gemeinsamen Knoten über den Wert eines Versorgungspotentials ansteigt, an den die andere Klemme der Primärwicklung angeschlossen ist. Sperrt neben dem ersten Halbleiterschalter auch der zweite Halbleiterschalter, wird die zuvor in der Primärwicklung gespeicherte Energie an die Sekundärspule übertragen, und an der sekundärseitig angeschlossenen Zündspule wird die Erzeugung eines Zündfunkens bewirkt.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Schaltungsanordnung eine an eine Steuerelektrode des ersten Halbleiterschalters angeschlossene erste Steuerschaltung zur Ansteuerung des ersten Halbleiterschalters abhängig von einem Strom durch die Primärwicklung und/oder den ersten Halbleiterschalter aufweist. Diese Steuerschaltung erfaßt nach dem Schließen des ersten Halbleiterschalters den Strom durch die Primärwicklung und/oder den Strom durch den ersten Halbleiterschalter. Übersteigt dieser Strom einen vorgegebenen Wert, wird der erste Halbleiterschalter durch die erste Steuerschaltung geöffnet. Der zweite Halbleiterschalter übernimmt dann den Strom von der Primärwicklung, bis der Strom bedingt durch Leitungswiderstände abgesunken ist und der erste Halbleiterschalter wieder einschaltet. Der Strom durch die Primärwicklung bzw. den ersten Halbleiterschalter wird so durch abwechselndes Ein- und Ausschalten oder abwechselndes Abregeln und Aufregeln des ersten Halbleiterschalters auf einen vorgebbaren Wert eingeregelt, bzw. dieser Strom schwankt um diesen vorgebbaren Wert.
Die Steuerelektroden des ersten und zweiten Halbleiterschalters sind vorzugsweise an eine Eingangsklemme der Schaltungsanordnung angeschlossen, der ein Ansteuersignal zugeführt ist, nach dessen Maßgabe die Erzeugung der Zündfunken erfolgt. So lange kein Zündfunke erzeugt werden soll, werden der erste und zweite Halbleiterschalter leitend gehalten, wobei der erste Halbleiterschalter durch die erste Steuerschaltung zur Regelung des Stromes durch die Primärwicklung zeitweise gesperrt werden kann. Der Strom durch die Primärwicklung wird zur Vermeidung der Erzeugung eines Zündfunkens dann von dem als Freilaufdiode wirkenden zweiten Halbleiterschalter übernommen bis der erste Halbleiterschalter wieder leitet. Soll ein Zündfunke erzeugt werden, werden durch das Ansteuersignal beide Halbleiterschalter, nachdem die Primärwicklung Strom aufgenommen hat, gesperrt.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist die erste Steuerschaltung einen dritten Halbleiterschalter auf, der zwischen die Steuerelektrode des ersten Halbleiterschalters und ein Bezugspotential geschaltet ist und der nach Maßgabe eines von einem Strom durch den ersten Halbleiterschalter abhängigen Strommeßsignals ansteuerbar ist. Zur Bereitstellung des Strommeßsignals ist vorzugsweise ein Stromfühlwiderstand vorgesehen, der zwischen einen Laststreckenanschluß des ersten Halbleiterschalters und ein Bezugspotential geschaltet ist, wobei eine Steuerelektrode des dritten Halbleiterschalters zur Zuführung des Strommeßsignals an eine Klemme des Stromfühlwiderstands angeschlossen ist.
Der erste und zweite Halbleiterschalter sind vorzugsweise als Transistoren, insbesondere als Insulated-Gate-Bipolartransistoren oder als Feldeffekttransistoren, ausgebildet.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht zur Bereitstellung des Strommeßsignals eine Messung nach dem Strom-Sense-Prinzip vor. Dabei ist neben dem als Transistor ausgebildeten ersten Halbleiterschalter ein weiterer Transistor vorgesehen, dessen Steuerelektrode an die Steuerelektrode des ersten Transistors angeschlossen und der mit einem ersten Laststreckenanschluß an einen ersten Laststreckenanschluß des ersten Transistors angeschlossen ist. Einem zweiten Laststreckenanschluß des weiteren Transistors ist der Stromfühlwiderstand zur Bereitstellung des Strommeßsignals nachgeschaltet.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine zweite Steuerschaltung zur Ansteuerung des ersten Halbleiterschalters abhängig von einer Temperatur in der Schaltungsanordnung aufweist. Übersteigt die Temperatur in der Schaltung einen vorgegebenen Wert, wird der erste Halbleiterschalter geschlossen und verhindert so ein weiteres Ansteigen des Stromes durch die Primärwicklung. Der zweite Halbleiterschalter übernimmt den Strom durch die Primärwicklung und verhindert so die Erzeugung eines Zündfunkens. Die zweite Steuerschaltung weist vorzugsweise eine weiteren Halbleiterschalter auf, der zwischen die Steuerelektrode des ersten Halbleiterschalters und das Bezugspotential geschaltet ist und der nach Maßgabe eines von einem Temperatursensor bereitgestellten Temperatursignals angesteuert wird.
Vorzugsweise sind der erste Halbleiterschalter mit der ersten und/oder zweiten Steuerschaltung in einem ersten Chip oder Halbleiterkörper integriert während der zweite Halbleiterschalter in einem zweiten Chip oder Halbleiterkörper integriert ist. Die beiden Chips sind vorzugsweise auf einen gemeinsamen Träger, beispielsweise einen Kupferblock, aufgelötet und in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1:
Erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform;
Figur 2:
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform mit einer Strommessung nach dem Strom-Sense-Prinzip;
Figur 3:
weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit Integration des ersten und zweiten Halbleiterschalters in einem ersten und zweiten Chip;
Figur 4:
Kennlinienfeld des zweiten Halbleiterschalters.
In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile und Funktionseinheiten mit gleicher Bedeutung.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Verwendung von Transistoren als Halbleiterschalter erläutert. Bei Insulated-Gate-Bipolartransistoren und Feldeffekttransistoren sind deren Gate-Elektroden die Steuerelektroden, deren Drain- bzw. Source-Elektroden sind die Laststreckenanschlüsse.
Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist in Figur 1 dargestellt. Die Schaltungsanordnung weist eine Zündspule mit einer Primärwicklung L1 und einer Sekundärwicklung L2 auf, wobei eine Zündkerze Z zur Erzeugung eines Zündfunkens parallel zu der Sekundärwicklung L2 geschaltet ist. Eine erste Anschlußklemme der Primärwicklung L1 ist an eine Klemme für Versorgungspotential UBB angeschlossen. Zum Schalten eines Stromes durch die Primärwicklung L1 ist ein erster Halbleiterschalter T1 vorgesehen, der in dem Beispiel als n-leitender Insulated-Gate-Bipolartransistor ausgebildet ist und mit einem Drain-Anschluß an eine zweite Klemme der Primärwicklung L1 angeschlossen ist.
Der erste Transistor T1 ist nach Maßgabe eines ersten Ansteuersignals A1 ansteuerbar, das seiner Gate-Elektrode G zugeführt ist. Die Gate-Elektrode G des ersten Transistors T1 ist in dem Ausführungsbeispiel über einen Widerstand RG an eine Eingangsklemme EK angeschlossen, der ein Ansteuersignal A zugeführt ist, nach dessen Maßgabe die Erzeugung der Zündfunken erfolgt. Der Widerstand RG dient zur Begrenzung des Stromes an die Gate-Elektrode G.
Parallel zu der Primärwicklung L1 der Zündspule ist eine Laststrecke D-S eines zweiten Halbleiterschalters T2 geschaltet, der in dem Ausführungsbeispiel als Insulated-Gate-Bipolartransistor ausgebildet ist und der nach Maßgabe eines zweiten Ansteuersignals A2 ansteuerbar ist. Die Gate-Elektrode G des zweiten Transistors T2 ist in dem Ausführungsbeispiel direkt an die Eingangsklemme EK der Schaltungsanordnung angeschlossen, seine Source-Elektrode S ist an die Klemme für Versorgungspotential UBB, seine Drain-Elektrode D ist an einem dem ersten Transistor T1 und der Primärwicklung L1 gemeinsamen Knoten N1 angeschlossen.
Außerdem ist zur Ansteuerung des ersten Halbleiterschalters T1 eine erste Steuerschaltung T3, RS vorgesehen, die in dem Ausführungsbeispiel einen zwischen die Steuerelektrode G des ersten Halbleiterschalters T1 und ein Bezugspotential M geschalteten, als npn-Bipolartransistor ausgebildeten dritten Halbleiterschalter T3 aufweist, der nach Maßgabe eines Strommeßsignals SI ansteuerbar ist, das von einem Strom durch den ersten Halbleiterschalter T1 abhängig ist. Zur Bereitstellung des Strommeßsignals SI ist ein Stromfühlwiderstand RS zwischen den Source-Anschluß S des ersten Transistors T1 und das Bezugspotential M geschaltet, wobei ein Basis-Anschluß B des Transistors T3 an einen dem Widerstand RS und dem ersten Halbleiterschalter T1 gemeinsamen Knoten angeschlossen ist.
Eine zweite Steuerschaltung T5, TES dient zur Ansteuerung des ersten Halbleiterschalters T1 abhängig von einer Temperatur in der Schaltungsanordnung. Die zweite Steuerschaltung weist in dem Beispiel einen als n-Kanal-FET ausgebildeten weiteren Halbleiterschalter T5 auf, dessen Laststrecke D-S zwischen die Gate-Elektrode G des ersten Transistors T1 und das Bezugspotential M geschaltet ist und der nach Maßgabe eines von einem Temperatursensor TES bereitgestellten Temperatursignals ST ansteuerbar ist, wobei die Gate-Elektrode G des n-Kanal-FET T5 an eine Klemme des Temperatursensors TES angeschlossen ist.
Die dargestellte Schaltungsanordnung funktioniert wie im folgenden beschrieben.
Zum Leitendmachen des ersten und zweiten Halbleiterschalters T1, T2 nimmt das Ansteuersignal A einen oberen Signalpegel an, dessen Wert für das in Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel so gewählt ist, daß er über dem Wert des Versorgungspotentials UBB liegt, um an den zweiten Transistor T2 eine positives Gate-Source-Spannung anzulegen. Der Widerstand RG schützt dabei die Gate-Elektrode G des ersten Transistors T1 vor einer zu großen Spannung. Mit dem Leiten des ersten Transistors T1 beginnt ein mit der Zeit ansteigender Strom IL1 über die Primärwicklung L1 der Zündspule zu fließen. Das Potential an dem den Drain-Elektroden D des ersten und zweiten Transistors T1, T2 gemeinsamen Knoten N1 ist geringer als das Versorgungspotential UBB. Die Drain-Source-Spannung UDS zwischen der Drain-Elektrode D und der Source-Elektrode S des zweiten Transistors T2 ist damit negativ. Es fließt dabei kein Strom über die Drain-Source-Strecke D-S, solange der Betrag der in Sperrichtung über dem zweiten Transistor T2 anliegenden Spannung geringer als eine Durchbruchspannung UD des zweiten Halbleiterschalters T2 ist, wie aus dem Kennlinienfeld eines derartigen Insulated-Gate-Bipolartransistors hervorgeht, das beispielhaft in Figur 4 dargestellt ist und in dem der Drain-Source-Strom IDS über der Drain-Source-Spannung UDS für steigende Gate-Source-Spannungen aufgetragen ist. Der zweite Transistor T2 ist so gewählt, daß der Betrag seiner Durchbruchspannung UD größer ist, als eine maximal zwischen der Source-Elektrode S und der Drain-Elektrode D anliegenden positiven Spannung, um sicherzustellen, daß bei einer negativen Drain-Source-Spannung UDS, wenn der erste Transistor T1 also leitet und das Versorgungspotential UBB größer als das Potential an dem Knoten N1 ist, der zweite Transistor T2 sicher sperrt.
Sperrt der erste Transistor T1 oder verringert sich dessen Leitfähigkeitsverhalten, weil der dritte Transistor T3 oder der Transistor T4 leitet, steigt das Potential an dem Knoten N1 bis die Drain-Source-Spannung des zweiten Transistors T2 positiv wird und der zweite Transistor T2 den über die Primärwicklung L1 fließenden Strom IL1 vollständig oder zum Teil übernimmt. Hierdurch wird verhindert, daß die in der Primärwicklung L1 gespeicherte Energie an die Sekundärwicklung L2 übertragen wird um dort einen Zündfunken zu erzeugen. Der zweite Transistor T2 wirkt auf diese Weise nach Art einer Freilaufdiode, wobei der zweite Transistor T2 nur so lange leitet, wie ein positives Potential an seiner Gate-Elektrode anliegt, d.h. so lange das Ansteuersignal A einen oberen Signalwert annimmt.
Der dritte Transistor T3 leitet, wenn der Strom über der Laststrecke D-S des ersten Transistors T1 an dem Stromfühlwiderstand RF eine Spannung hervorruft, deren Wert dem Wert der Basis-Emitter-Spannung entspricht, bei der der dritte Transistor T3 leitet.
Als Folge regelt der erste Transistor T1 ab, wodurch der Strom durch die Primärwicklung L1 nicht weiter ansteigt, der zweite Transistor T2 wenigstens einen Teil des Über die Primärwicklung L1 fließenden Stromes übernimmt, die Spannung über dem Stromfühlwiderstand RG dadurch abnimmt und der dritte Transistor wieder zu sperren beginnt. Durch den beschriebenen Regelvorgang, bei dem der erste Transistor T1 abwechselnd öffnet und schließt bzw. abwechselnd mehr oder weniger leitet wird der Strom IL1 durch die Primärwicklung L1 auf einen vorgebbaren Wert eingeregelt, wodurch eine zu starke Erwärmung der Schaltungsanordnung verhindert wird.
Wechselt das Ansteuersignal A von dem oberen Signalpegel auf einen unteren Signalpegel, bei dem weder der erste noch der zweite Transistor T1, T2 leiten, wird die in der Primärwicklung gespeicherte Energie an die Sekundärwicklung übertragen, und an der daran angeschlossenen Zündkerze wird die Erzeugung eines Zündfunkens bewirkt.
Übersteigt die Temperatur in der Schaltungsanordnung, die durch den Temperatursensor TES erfaßt wird, einen vorgebbaren Wert wird der Transistor T4 angesteuert durch das Temperatursignal ST leitend und sperrt so den ersten Halbleiterschalter T1. Befindet sich das Ansteuersignal A auf dem oberen Signalpegel, bei dem kein Zündfunke erzeugt werden soll, leitet der zweite Transistor T2 und übernimmt den Strom durch die Primärwicklung L1, wodurch die Erzeugung eines Zündfunkens verhindert wird. Bedingt durch Leitungswiderstände nimmt der Strom IL1 durch die Primärwicklung L1 bzw. den zweiten Halbleiterschalter T2 rasch ab, so daß auch bei nachfolgendem Schließen beider Halbleiterschalter T1, T2 kein Zündfunke erzeugt werden kann.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist in Figur 2 dargestellt. Als erster Transistor ist dort ein Feldeffekttransistor T1 verwendet, dem als Schutz vor Überspannung eine Zenerdiode D2 parallel geschaltet ist. Zur Erfassung des Stromes durch den ersten Transistor T1 ist als Meßtransistor T4 ein weiterer Feldeffekttransistor vorgesehen, dessen Gate-Elektrode G an die Gate Elektrode G des ersten Transistors T1 und dessen Drain-Elektrode D an die Drain-Elektrode D des ersten Transistors T1 angeschlossen ist. Die Transistoren T1 und T4 werden dadurch im selben Arbeitspunkt betrieben; das Verhältnis der Ströme über die Laststrecken D-S dieser Transistoren T1, T4 entspricht deren Flächenverhältnis, wobei der Meßtransistor T4 flächenmäßig wesentlich geringer als der erste Transistor T1 ausgebildet ist und daher nur einen Bruchteil des Laststromes des ersten Transistors T1 als Meßstrom aufnimmt. Dem Meßtransistor T4 ist ein Stromfühlwiderstand RF zur Umsetzung des Meßstromes in ein Strommeßsignal SI zur Ansteuerung des dritten Transistors T3 nachgeschaltet.
Zwischen die Gate-Elektrode des ersten Transistors T1 und das Bezugspotential M ist ein temperaturabhängiger Schalter TE zum Sperren des ersten Transistors T1 bei Übertemperatur der Schaltungsanordnung geschaltet.
Zur Ansteuerung des zweiten Transistors ist in dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 eine Boot-Strap-Schaltung vorgesehen, die eine zwischen die Klemme für Versorgungspotential UBB und die Gate-Elektrode G des zweiten Transistors T2 geschaltete Zenerdiode ZD1 und eine zwischen die Gate-Elektrode G des zweiten Transistors T2 und die Eingangsklemme EK geschaltete Kapazität C2, der vorzugsweise ein Widerstand in Reihe geschaltet ist, aufweist. Nimmt das Ansteuersignal A einen unteren Signalpegel, vorzugsweise Bezugspotential M an, wird die Kapazität C2 über die Zenerdiode ZD2 auf Versorgungspotential UBB aufgeladen, der zweite Transistor T2 bleibt dabei gesperrt. Nimmt das Ansteuersignal A anschließend einen oberen Signalpegel an, bleibt die Ladung auf der Kapazität C2 erhalten und das Potential an der Gate-Elektrode G des zweiten Transistors T2 steigt auf den Wert des Versorgungspotentials UBB plus dem Wert des oberen Signalpegels des Ansteuersignals A an. Der zweite Transistor T2 wird leitend. Die Ausführungsform mit Boot-Strap-Schaltung besitzt den Vorteil, daß als Ansteuersignal A an der Eingangsklemme EK kein Signal zur Verfügung gestellt werden muß, welches größer als das Versorgungspotential UBB ist, um den zweiten Transistor T2 leitend zu machen. Als oberer Signalpegel genügt in diesem Fall ein Signal, welches der Gate-Source-Spannung entspricht, bei der der zweite Transistor leitet. Dieses Signal genügt auch, um den ersten Transistor T1 leitend zu machen.
Der Basis des dritten Transistors T3 ist in dem Ausführungsbeispiel ein Widerstand R1 vorgeschaltet, eine Kapazität C1 ist parallel zur Basis-Emitter-Strecke dieses Transistors T3 geschaltet.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Zur Auswertung des Strommeßsignals SI und zur Ansteuerung des ersten Transistors T1 ist dort eine Schaltung STS vorhanden, in der beispielsweise auch Mittel zur Temperaturüberwachung integriert sind. Die Ansteuerung des ersten Transistors T1 mittels der Schaltung STS kann beispielsweise durch Erzeugung des ersten Ansteuersignals A1 unter Berücksichtigung des Ansteuersignals A, das an einem Eingang der Schaltung STS anliegt, dem Strommeßsignal SI und einem intern generierten Temperatursignal erfolgen. Das zweite Ansteuersignal A2 wird durch die Schaltung STS ebenfalls unter Berücksichtigung des Ansteuersignals A erzeugt.
Wie in Figur 3 durch strichpunktierte Linien angedeutet ist, sind der erste Halbleiterschalter T1 und die zu seiner Ansteuerung vorgesehenen Steuerschaltungen, wie die erste und zweite Steuerschaltung in den Figuren 1 und 2, bzw. die Schaltung STS vorzugsweise in einem ersten Chip CH1 integriert. Der zweite Transistor T2 ist in einem zweiten Chip integriert. Die beiden Chips CH1, CH2 sind vorzugsweise auf einen gemeinsamen Träger, beispielsweise einem Kupferblock, aufgelötet und in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht.

Claims (12)

  1. Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Zündspule, wobei die Schaltungsanordnung folgende Merkmale aufweist:
    einen ersten Halbleiterschalter (T1) mit einer Laststrecke (D-S), die in Reihe zu einer Primärwicklung (L1) der Zündspule geschaltet ist, und mit einer Steuerelektrode (G) für die Ansteuerung nach Maßgabe eines ersten Ansteuersignals (A1);
    gekennzeichnet durch:
    einen zweiten Halbleiterschalter (T2) mit einer Laststrecke (D-S), die parallel zu der Primärwicklung (L1) geschaltet ist, und mit einer Steuerelektrode (G) für die Ansteuerung nach Maßgabe eines zweiten Ansteuersignals (A2).
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    sie eine an die Steuerelektrode (G) des ersten Halbleiterschalters (T1) angeschlossene erste Steuerschaltung (T3, RS; T3, T4, RS, R1, C1) zur Ansteuerung des ersten Halbleiterschalters (T1) abhängig von einem Strom durch die Primärwicklung (L1) und/oder den ersten Halbleiterschalter (T1) aufweist.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die erste Steuerschaltung einen zwischen die Steuerelektrode (G) des ersten Halbleiterschalters (T1) und ein Bezugspotential (M) geschalteten dritten Halbleiterschalter (T3) aufweist, der nach Maßgabe eines von einem Strom (I) durch den ersten Halbleiterschalter (T1) abhängigen Strommeßsignals (SI) ansteuerbar ist.
  4. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    sie einen in Reihe zu dem ersten Halbleiterschalter (T1) geschalteten Stromfühlwiderstand (RS) zur Bereitstellung des Strommeßsignals (SI) aufweist.
  5. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der erste Halbleiterschalter (T1) ein Transistor, insbesondere ein Feldeffekttransistor oder ein Insulated-Gate-Bipolartransistor ist.
  6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    sie einen weiteren Transistor (T4) aufweist mit einer Steuerelektrode (G), die an die Steuerelektrode (G) des ersten Transistors (T1) angeschlossen ist, und einem ersten Laststreckenanschluß (D), der an den Laststreckenanschluß (D) des ersten Transistors (T1) angeschlossen ist, wobei einem zweiten Laststreckenanschluß (S) des weiteren Transistors (T4) ein Stromfühlwiderstand (RS) zur Bereitstellung des Strommeßsignals (SI) nachgeschaltet ist.
  7. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Steuerelektroden (G) des ersten und zweiten Halbleiterschalters (T1, T2) an eine Eingangsklemme (EK) der Schaltungsanordnung angeschlossen sind.
  8. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    sie eine zweite Steuerschaltung (T5, TES; TE) aufweist, die an die Steuerelektrode (G) des ersten Halbleiterschalters (T1) angeschlossen ist, zur Ansteuerung des ersten Halbleiterschalters (T1) abhängig von einer Temperatur in der Schaltungsanordnung.
  9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die zweite Steuerschaltung (T5, TES; TE) einen zwischen die Steuerelektrode (G) des ersten Halbleiterschalters (T1) und das Bezugspotential (M) geschalteten temperaturabhängigen Schalter (TE) aufweist.
  10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die zweite Steuerschaltung (T5, TES; TE) einen zwischen die Steuerelektrode (G) des ersten Halbleiterschalters (T) und ein Bezugspotential (M) geschalteten Halbleiterschalter (T5) aufweist, wobei ein Temperatursensor (TS) an eine Steuerelektrode (G) des Halbleiterschalters (T5) angeschlossen ist.
  11. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der erste Halbleiterschalter (T1) mit der ersten und/oder zweiten Steuerschaltung in einem ersten Chip (CH1) integriert ist und daß der zweite Halbleiterschalter in einem zweiten Chip (CH2) integriert ist.
  12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Chips (CH1, CH2) auf einen gemeinsamen Träger, vorzugsweise einen Kupferblock, aufgelötet und in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind.
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