ES2335081T3 - Conexion de proteccion para una conexion en serie constituida por una etapa final de semiconductor de potencia y por un consumidor inductivo. - Google Patents

Abstract

Conexión de protección en combinación con una conexión en serie, que está constituida por una etapa final de semiconductor de potencia (T1) y por un consumidor (M) inductivo así como por un circuito de marcha en vacío, conectado en paralelo con el consumidor (M) inductivo, que está constituido por un diodo de marcha en vacío (D1) y por un conmutador semiconductor protector contra la inversión de la polaridad (T2), que está conectado en serie, pudiendo ser llevada a cabo la conexión y la desconexión de la etapa final de semiconductor de potencia (T1), en función de un valor teórico (Soll) predeterminado, con una señal de control modulada por anchura de impulsos, y se monitoriza en el circuito de marcha en vacío, que está constituido por el diodo de marcha en vacío (D1) y por el conmutador semiconductor protector contra la inversión de la polaridad (T2), o en la conexión en serie, que está constituida por el consumidor (M) inductivo y por la etapa final de semiconductor de potencia (T1), un punto con respecto a una tensión o a una corriente eléctrica, caracterizada porque el conmutador semiconductor protector contra la inversión de la polaridad (T2) puede ser controlado de forma no conductora por medio de una bomba de carga (LP) cuando la tensión de alimentación presente una inversión de la polaridad, y pude ser iniciada la desconexión de la activación de la etapa final de semiconductor de potencia (T1) por medio de la tensión, o bien por medio de la corriente eléctrica, que se presenta, o bien que cae, en el punto cuando se produce una falta de funcionamiento del circuito de marcha en vacío.

Description

Conexión de protección para una conexión en serie constituida por una etapa final de semiconductor de potencia y por un consumidor inductivo.

La invención se refiere a una conexión de protección, en combinación con una conexión en serie, que está constituida por una etapa final de semiconductor de potencia y por un consumidor inductivo así como por un circuito de marcha en vacío, que está conectado en paralelo con el consumidor inductivo, cuyo circuito está constituido por un diodo de marcha en vacío y por un conmutador semiconductor protector contra la inversión de la polaridad, que está conectado en serie, pudiendo ser conectada y desconectada la etapa final de semiconductor de potencia, en función de un valor teórico predeterminado, con una señal de control con modulación por anchura de impulsos y se monitoriza en un punto una tensión o una corriente eléctrica en el circuito de marcha en vacío, que está constituido por un diodo de marcha en vacío y por un conmutador semiconductor protector contra la inversión de la polaridad o en la conexión en serie, que está constituida por el consumidor inductivo y por la etapa final del semiconductor de potencia. Se conoce una conexión de protección de este tipo, por ejemplo, por la publicación DE 19817 792 A1.

Las conexiones de protección, de este tipo, proporcionan una protección contra la inversión de la polaridad suficiente con elementos componentes exentos de defectos, es decir que proporcionan una protección de los elementos componentes frente a la sobrecarga y a la destrucción, cuando la tensión de alimentación sea aplicada con inversión de la polaridad. Con objeto de obtener una protección eficaz contra la inversión de la polaridad, es conocida la conexión de un conmutador semiconductor de potencia, adicional, en el circuito de marcha en vacío. Este conmutador semiconductor de potencia, adicional, es controlado por la bomba de carga y, concretamente, de tal manera, que esta bomba sea conductora en el circuito en marcha en vacío en caso de funcionamiento normal, mientras que, en el caso de una tensión de alimentación con inversión de la polaridad, este conmutador interrumpe el flujo de corriente eléctrica a través del diodo de marcha en vacío por medio del estado no conductor.

Cuando se presenten irregularidades en la conexión, cuyas irregularidades no controlen en esta forma al conmutador semiconductor de potencia, entonces se presentan sobretensiones incontroladas en la conexión, que conducen a la destrucción de los elementos componentes. Como consecuencia del defecto pueden ser provocados incendios, que pueden conducir al incendio del vehículo, especialmente cuando la conexión sea aplicada en un vehículo automóvil.

La tarea de la invención consiste en mejorar una conexión de protección, del tipo que ha sido citado al principio, de tal manera, que puedan ser reconocidos defectos en la bomba de carga o del conmutador semiconductor protector contra la inversión de la polaridad, que conduzcan a un circuito de marcha en vacío que no funcione correctamente, y que puedan ser tomadas medidas para la protección de los elementos componentes de la conexión, que eviten su destrucción.

Esta tarea se resuelve, de conformidad con la invención, porque puede ser iniciada la desconexión de la activación de la etapa final del semiconductor de potencia con la tensión o bien con la corriente eléctrica, que se presenta o bien que cae cuando deje de funcionar el circuito de marcha en vacío.

Con esta monitorización de la tensión o de la corriente eléctrica se reconoce la falta de funcionamiento del circuito de marcha en vacío - aumento de la tensión a través de una caída predeterminada de la tensión o de la corriente eléctrica - y se desconecta la activación de la etapa final del semiconductor de potencia de tal manera, que los elementos componentes críticos en la conexión quedan protegidos con seguridad frente a la sobrecarga. Entonces la etapa final de semiconductor de potencia es siempre no conductora, es decir que es altamente óhmica.

De conformidad con una configuración, la activación de la etapa final de semiconductor de potencia se lleva a cabo porque la etapa final de semiconductor de potencia puede ser activada mediante un control por medio de una modulación por anchura de impulsos (PWM), y porque la tensión acrecentada, o la caída de corriente eléctrica, que se presenta en caso de fallo en el circuito de marcha en vacío, desconecta el control por medio de una modulación por anchura de impulsos.

Con objeto de conseguir una protección absoluta contra la destrucción de los elementos componentes, es ventajosa una configuración caracterizada porque la desconexión del control por medio de una modulación por anchura de impulsos se lleva a cabo en un tiempo predeterminado, que es igual o menor que 10 ms, después de la aparición del caso de fallo.

Cuando esté conectado un condensador de tampón en el punto de conexión, que está entre el diodo de marcha en vacío y el conmutador semiconductor protector contra la inversión de la polaridad, con objeto de eliminar ampliamente reacciones del funcionamiento cíclico del consumidor sobre la tensión de alimentación, se detecta la tensión en el condensador de tampón cuando se produzca un aumento sobre un valor predeterminado. La tensión acrecentada en el condensador de tampón es transmitida al control por medio de una modulación por anchura de impulsos en forma de señal de desconexión. En este caso, puede estar previsto, para simplificar la desconexión del control por medio de una modulación por anchura de impulsos, que la tensión acrecentada en el condensador de tampón pueda ser retransmitida al control por medio de una modulación por anchura de impulsos a través de un transformador analógico-digital, en forma de señal digital de desconexión.

De conformidad con otro desarrollo, la retransmisión de la señal de desconexión por parte del condensador de tampón puede ser llevada a cabo de tal manera, que la tensión en el condensador de tampón sea reducida por medio de un divisor de tensión y pueda ser retransmitida al transformador analógico-digital, nuevamente filtrada.

De conformidad con una configuración, se consigue una onda de respuesta definida en el circuito de monitorización porque la tensión en el condensador de tampón, o la tensión reducida, puede ser comparada en un comparador con una tensión de referencia predeterminada y porque el comparador transmite al control por medio de una modulación por anchura de impulsos una señal digital de desconexión cuando la tensión en el condensador de tampón, o la tensión reducida, sobrepase a la tensión de referencia.

La desconexión del control por medio de una modulación por anchura de impulsos puede ser ejercida de manera segura cuando la configuración se lleve a cabo de tal manera, que el comparador esté dotado con un circuito con conmutación automática, que mantenga el estado de desconexión y que pueda eliminar el estado de desconexión estable del comparador por medio de una señal de reposición, que puede ser enviada al comparador por parte del control por medio de una modulación por anchura de impulsos. La señal de reposición es necesaria para conmutar nuevamente en estado listo para su funcionamiento a la conexión, una vez eliminado el defecto.

Puede conseguirse una monitorización equivalente de la tensión porque la tensión de toma de tierra drain-ground de la etapa final de semiconductor de potencia es monitorizada en la conexión del lado de baja low-side, porque la tensión de toma de tierra drain-ground puede ser comparada en un comparador con una tensión de referencia predeterminada, porque el comparador emite una señal digital de desconexión al control por medio de una modulación por anchura de impulsos, cuando la tensión de toma de tierra drain-ground sobrepase a la tensión de referencia y porque puede ser impedida la activación de la etapa final de semiconductor de potencia con la señal de desconexión y puede ser conmutada de manera inactiva la tensión de referencia para el comparador. En la protección está incorporada claramente también la etapa final de semiconductor de potencia junto con esta conexión de protección.

Se obtiene una monitorización sencilla de la tensión porque el circuito de marcha en vacío monitoriza la caída de la corriente eléctrica en marcha en vacío, cíclica.

La invención se explica con mayor detalle por medio de varios ejemplos de realización, representados en el dibujo. Se muestra:

en la figura 1 una conexión de protección con monitorización de la tensión en el condensador de tampón y señal analógica de desconexión,

en la figura 2 una conexión de protección con monitorización de la tensión en el condensador de tampón y comparación con una tensión de referencia predeterminada para emitir una señal digital de desconexión,

en la figura 3 una conexión de protección similar a la de la figura 3, con circuito de bloqueo automático y señal de reposición y

en la figura 4 una conexión de protección con monitorización de la tensión de toma de tierra drain-ground en la etapa final de semiconductor de potencia.

Tal como muestra la figura 1, la tensión de alimentación de corriente eléctrica continua Ubatt alimenta un control por medio de una modulación por anchura de impulsos PWM-St y una bomba de carga LP, así como una conexión en serie, que está constituida por una etapa final de semiconductor de potencia T1 y un motor, a título de consumidor inductivo M, que acciona, por ejemplo, un ventilador. En función de un valor teórico Soll, que puede ser determinado de ante mano, el control por medio de una modulación por anchura de impulsos PWM-St controla la puerta de la etapa final de semiconductor de potencia T1 con señales de control moduladas por anchura de impulso en funcionamiento cíclico. La etapa final de semiconductor de potencia T1 es altamente óhmica en las pausas de las señales de control y la tensión de desconexión, que aparece sobre el motor, es eliminada en el circuito de marcha en vacío, que está conectado en paralelo con el motor y que está constituido por una conexión en serie formada por el diodo de marcha en vacío D1 y por un conmutador semiconductor protector contra la inversión de la polaridad T2, adicional. Este conmutador semiconductor protector contra la inversión de la polaridad T2 es controlado de manera conductora por medio de la bomba de carga LP, al menos en las secciones exentas de corriente eléctrica en la etapa final de semiconductor de potencia T1 de tal manera, que puede fluir la corriente eléctrica de marcha en vacío. Si se aplica con inversión de la polaridad la tensión de alimentación Ubatt, entonces la bomba de carga LP controla al conmutador semiconductor protector contra la inversión de la polaridad T2 hasta el estado no conductor de tal manera, que éste evita un flujo de corriente eléctrica no deseado a través del diodo de marcha en vacío D. Las conexiones de protección, de conformidad con la figura 2 hasta 4, trabajan de la misma manera de tal manera que, en estas figuras, únicamente se ha puesto de manifiesto la diferencia con respecto a la conexión de protección de conformidad con la figura 1.

En el punto de conexión entre el conmutador semiconductor protector contra la inversión de la polaridad T2 y el diodo de marcha en vacío D1 se ha conectado un condensador de tampón C1, en el cual puede aumentar la tensión incontroladamente por encima de un valor de funcionamiento predeterminado en caso de un funcionamiento defectuoso del circuito de marcha en vacío - defecto de la bomba de carga LP o del conmutador semiconductor protector contra la inversión de la polaridad T2 -. La tensión en el condensador de tampón C1 se reduce por medio de un divisor de la tensión constituido por las resistencias R1 y R2 y se filtra de nuevo por medio de otro condensador C2. La tensión, obtenida de este modo, se envía a un transformador analógico-digital en el control por medio de una modulación por anchura de impulsos PWM-St, que emite una señal digital de desconexión para el control por medio de una modulación por anchura de impulsos PWM-St cuando sea sobrepasado un valor de la tensión predeterminado, que tiene como consecuencia que deje de funcionar el circuito de marcha en vacío. De este modo, se inhibe la activación de la etapa final de semiconductor de potencia T1 de tal manera, que se concluye el aumento adicional de la tensión en el condensador de tampón C1 y quedan protegidos todos los elementos componentes de la conexión frente a la sobrecarga y a la destrucción.

En la conexión de protección, de conformidad con la figura 2, se envía a un comparador V la tensión reducida en el condensador C2, cuyo comparador la compara con una tensión de referencia, tomada en el distribuidor de tensión, que está constituido por las resistencias R3 y R4, y emite una señal digital de desconexión en una etapa de conexión S del control por medio de una modulación por anchura de impulsos PWM-St, cuando la tensión en el condensador C2 sobrepase a la tensión de referencia en el condensador C3. La resistencia R7 a la salida del comparador V sirve para derivar la señal digital de desconexión cuando el potencial sea modificado en la salida del comparador V.

Así mismo, en el ejemplo de realización, de conformidad con la figura 3, se ha previsto en el comparador V un circuito de conmutación automática, que presenta los diodos D2 y D3 y que es alimentado por el divisor de la tensión y por las resistencias R3 y R4. Tan pronto como el comparador V pasa al estado conmutado, que indica que se ha sobrepasado la tensión de referencia, se mantiene el estado de conmutación del comparador V hasta que sea enviada al comparador una señal de reposición r por parte del control por medio de una modulación por anchura de impulsos PWM-St. Esto puede ser llevado a cabo una vez concluido el error en el conjunto de la conexión.

Por último, la figura 4 muestra un ejemplo de realización, según el cual se monitoriza la tensión de toma de tierra drain-ground de la etapa final de semiconductor de potencia T1, que trabaja en la conexión del lado de baja low-side, como canal N de transistor con efecto de campo metal-óxido semiconductor (N-canal-MOS-FET). Esta tensión es reducida en un divisor de la tensión, que está constituido por las resistencias R5 y R6, es tomada y es enviada a un condensador C4. La tensión en el condensador C4 es enviada al comparador V, igual que la tensión de referencia en el condensador C5, que es tomada en el distribuidor de tensión, que está constituido por las resistencias R8 y R9 y por el conmutador semiconductor T3. El conmutador semiconductor T3 es controlado por la señal de control de una modulación por anchura de impulsos correspondiente al control por medio de una modulación por anchura de impulsos PWM-St, a través de la resistencia R11. A través de la resistencia R10 la tensión de referencia se encuentra en el condensador C5. Cuando a la salida del comparador V se presente la señal digital de desconexión, la etapa de conmutación S en el control por medio de una modulación por anchura de impulsos PWM-St interrumpe la activación de la etapa final de semiconductor de potencia T1 y controla la tensión de referencia a través del conmutador semiconductor T3 de tal manera, que el comparador V no emite ninguna señal digital de desconexión.

Claims (10)

1. Conexión de protección en combinación con una conexión en serie, que está constituida por una etapa final de semiconductor de potencia (T1) y por un consumidor (M) inductivo así como por un circuito de marcha en vacío, conectado en paralelo con el consumidor (M) inductivo, que está constituido por un diodo de marcha en vacío (D1) y por un conmutador semiconductor protector contra la inversión de la polaridad (T2), que está conectado en serie, pudiendo ser llevada a cabo la conexión y la desconexión de la etapa final de semiconductor de potencia (T1), en función de un valor teórico (Soll) predeterminado, con una señal de control modulada por anchura de impulsos, y se monitoriza en el circuito de marcha en vacío, que está constituido por el diodo de marcha en vacío (D1) y por el conmutador semiconductor protector contra la inversión de la polaridad (T2), o en la conexión en serie, que está constituida por el consumidor (M) inductivo y por la etapa final de semiconductor de potencia (T1), un punto con respecto a una tensión o a una corriente eléctrica, caracterizada porque el conmutador semiconductor protector contra la inversión de la polaridad (T2) puede ser controlado de forma no conductora por medio de una bomba de carga (LP) cuando la tensión de alimentación presente una inversión de la polaridad, y pude ser iniciada la desconexión de la activación de la etapa final de semiconductor de potencia (T1) por medio de la tensión, o bien por medio de la corriente eléctrica, que se presenta, o bien que cae, en el punto cuando se produce una falta de funcionamiento del circuito de marcha en vacío.

2. Conexión de protección según la reivindicación 1, caracterizada porque la etapa final de semiconductor de potencia (T1) puede ser activada a través de un control por medio de una modulación por anchura de impulsos (PWM-St), y porque la tensión acrecentada, o la caída de corriente eléctrica, que aparece en caso de fallo en el circuito de marcha en vacío, desconecta el control por medio de una modulación por anchura de impulsos (PWM-St).

3. Conexión de protección según la reivindicación 2, caracterizada porque la desconexión del control por medio de una modulación por anchura de impulsos (PWM-St) se lleva a cabo en un tiempo predeterminado que es igual o menor que 10 ms, después de la aparición del caso de fallo.

4. Conexión de protección según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque se conecta un condensador de tampón (C1) en el punto de conexión entre el diodo de marcha en vacío (D1) y el conmutador semiconductor protector contra la inversión de la polaridad (T2), porque en caso de fallo aumenta la tensión en el condensador de tampón (C1) por encima de un valor predeterminado, y porque la tensión acrecentada en el condensador de tampón (C1) puede ser retransmitida al control por medio de una modulación por anchura de impulsos (PWM-St), en forma de señal de desconexión.

5. Conexión de protección según la reivindicación 4, caracterizada porque la tensión acrecentada en el condensador de tampón (C1) puede ser retransmitida al control por medio de una modulación por anchura de impulsos (PWM-St) a través de un transformador analógico-digital, en forma de señal digital de desconexión.

6. Conexión de protección según la reivindicación 4 o 5, caracterizada porque la tensión en el condensador de tampón (C1) es reducida por medio de un divisor de la tensión (R1, R2) y puede ser retransmitida al transformador analógico-digital, nuevamente filtrada (C2).

7. Conexión de protección según una de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizada porque la tensión en el condensador de tampón (C1), o la tensión reducida, puede ser comparada en un comparador (V) con una tensión de referencia predeterminada, y porque el comparador (V) retransmite una señal digital de desconexión al control por medio de una modulación por anchura de impulsos (PWM-St), cuando la tensión en el condensador de tampón (C1), o la tensión reducida, sobrepase a la tensión de referencia.

8. Conexión de protección según la reivindicación 7, caracterizada porque el comparador (V) está dotado con un circuito de bloqueo automático (D2, D3, R3), que mantiene el estado de desconexión y porque el estado estable de desconexión del comparador (V) puede ser eliminado por medio de una señal de reposición (r) que puede ser enviada al comparador (V) por el control por medio de una modulación por anchura de impulsos (PWM-St).

9. Conexión de protección según la reivindicación 1, caracterizada porque se monitoriza la tensión de toma de tierra drain-ground de la etapa final de semiconductor de potencia (T1) en la conexión del lado de baja low-side, porque la tensión de toma de tierra drain-ground puede ser comparada en un comparador (V) con una tensión de referencia predeterminada, porque el comparador (V) emite una señal digital de desconexión al control por medio de una modulación por anchura de impulsos (PWM-St) cuando la tensión de toma de tierra drain-ground sobrepase a la tensión de referencia, y porque puede ser inhibida la activación de la etapa final de semiconductor de potencia (T1) con la señal de desconexión y puede ser conectada de manera inactiva la tensión de referencia para el comparador (V).

10. Conexión de protección según la reivindicación 1, caracterizada porque el circuito de marcha en vacío monitoriza la caída de la corriente eléctrica de marcha en vacío, cíclica.