WO1996008869A1 - Elektronische schutzschaltung gegen überspannungen an leistungsschaltelementen - Google Patents

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WO1996008869A1
WO1996008869A1 PCT/DE1995/001096 DE9501096W WO9608869A1 WO 1996008869 A1 WO1996008869 A1 WO 1996008869A1 DE 9501096 W DE9501096 W DE 9501096W WO 9608869 A1 WO9608869 A1 WO 9608869A1
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load
circuit
voltage
voltage sensing
sensing circuit
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Application number
PCT/DE1995/001096
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Inventor
Robert Kern
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H03K17/0822—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit in field-effect transistor switches
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage

Definitions

  • the invention is based on an electronic protective circuit against overvoltages on power switching elements, which preferably connect an inductive load, such as in particular a DC motor, to a voltage source, of the type defined in the preamble of the claim.
  • an inductive load such as in particular a DC motor
  • Power source such as B. connects a battery, the winding a thyristor connected in parallel to avoid the voltage spike occurring when the transistor is blocked. When the transistor is blocked, the thyristor is briefly fired. A so-called freewheeling circuit is thus implemented. Necessary for this protection is a special component parallel to inductive load, which has to cope with the total current induced due to the motor inductance. In addition, this circuit requires a particularly expensive component.
  • Another known protective device (DE-3 517 490 AI) provides a series connection of a free-wheeling diode and the parallel connection of a transistor with a diode which is connected in parallel with the inductive load.
  • this circuit also enables the components to be protected against reverse polarity. If the entire device is incorrectly connected to the voltage source, the risk of destruction of the components is avoided. The effort required with this protective circuit is considerable and costly. Expensive, powerful components must be used for the freewheel elements.
  • the electronic protection circuit according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage of saving special power components, which only have to be provided for protection against different overvoltages. This is achieved according to the invention by means of a voltage sensing circuit which responds to different types of overvoltages (freewheeling, polarity reversal, load dump) and the existing one Power switching element controls to conduct the current generated by the overvoltage over the inductive load and to essentially destroy the energy generated there.
  • Power switching element for protection against overvoltages of various types makes it possible to use simple, cheap and space-saving small signal components for the voltage sensing circuit and to avoid the otherwise necessary use of various power components.
  • an input of the voltage sensing circuit for freewheeling or polarity reversal is advantageously connected to a load connection terminal and a second input of the voltage sensing circuit for freewheeling or polarity reversal is connected to the control electrode of the power switching element.
  • the voltage sensing circuit for freewheeling or polarity reversal consists of the series connection of a diode and a zener diode, the
  • the cathodes of both diodes are connected to one another, the anode of the diode to the load connection terminal and the anode of the zener diode to the control electrode of the power switching element.
  • a resistor is provided in the voltage sensing circuit for freewheeling or polarity reversal, via which the control logic is connected to the control electrode of the power switching element and which gives the signal for freewheeling and polarity reversal priority over the control signals.
  • the voltage sensing circuit for load-dump overvoltage is connected between the battery connection terminal and the ground connection terminal and has an output which is led to the control electrode of the power switching element.
  • a circuit for coping with the load dump overvoltage, in which the voltage sensing circuit for the load dump impulses
  • a capacitor is provided which is connected between the battery connection terminal and the collector of the ground-side transistor.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that a power transistor, in particular a power FET or a parallel connection of power FETs, is provided as the power switching element.
  • a power transistor in particular a power FET or a parallel connection of power FETs
  • both the voltage sensing circuit for freewheeling or polarity reversal and the voltage sensing circuit for load-dump voltage pulses can be combined in one circuit.
  • Figure 1 is a block diagram of the electronic protection circuit against overvoltages according to the invention.
  • Fig. 2 is a block diagram of FIG. 1 with a possible embodiment for the voltage sensing circuit for freewheeling or reverse polarity, and
  • FIG. 3 shows a block diagram according to FIG. 1 with a possible embodiment for the voltage sensing circuit for load-dump voltage pulses and thus combines the voltage sensing circuit for freewheeling or polarity reversal in the embodiment according to FIG. 2.
  • FIG. 1 schematically shows a circuit, generally designated 10, of a control device with a power output stage.
  • the circuit 10 has a first voltage source connection terminal or battery connection terminal 12 and a second voltage source connection terminal or
  • the circuit 10 also has a first load terminal 16 and a second
  • a DC voltage source for example a battery 20, is connected to the voltage source connection terminals 12 and 14, the negative pole of the DC voltage source or the ground potential to the
  • Voltage source terminal 14 of the circuit 10 is connected.
  • a DC motor 22 having an inductive load is connected to the load connecting terminals 16 and 18.
  • the drain terminal D of a power FET 24 is connected to the load terminal 18, the source terminal l of which is connected to the second voltage source terminal 14.
  • the control device 10 shown here is therefore one with a so-called low-side circuit breaker, since this is attached to the minus side of the motor. It is clear that the principle of the invention can also be applied to high-side circuit breakers.
  • a voltage sensing circuit 101 is connected via connections 102 and 104 to the voltage source connection terminals 12 and 14, and has two connections 103 and 105, on the one hand connected to the
  • Drain terminal D and on the other hand are connected to the gate terminal G of the power FET 24.
  • the voltage sensing circuit 101 also has a connection 107, which brings the control pulses of a control logic 110, the detailed circuit structure of which will not be discussed in the context of the present invention, via the voltage sensing circuit to the control electrode, the gate G, of the power FET.
  • the control logic 110 is also connected to the voltage source connection terminals 12 and 14.
  • the voltage sensing circuit 101 is thus able to inhibit both the voltage in the supply network via the connections 102 and 104, in particular with regard to load dump voltage pulses, and the voltage at the drain and source connection D and G of the power supply.
  • FET 24 via connections 103 and 105, in particular with regard to the Free-wheeling voltage and reverse polarity monitoring. From this, it is also able to react to critical voltage increases, which can generally have different causes. As a result of the action on the gate G of the power FET 24, this itself is used in order to avoid dangerous and possibly destructive voltage spikes on its drain-source path between the connection terminals D and G. The energies occurring in the event of excessive voltage are destroyed in the winding of the motor 22 without this being damaged, since it is designed for such loads.
  • FIG. 2 shows a block diagram according to FIG. 1, which represents a possible embodiment of the voltage sensing circuit for freewheeling or polarity reversal 201.
  • the same parts as in Fig. 1 are provided with the same reference numerals.
  • Voltage sensing circuit for freewheeling or polarity reversal 201 contains the series connection of a diode 203 and a zener diode 205, the cathodes of which are connected to one another.
  • the anode of the diode 203 forms the connection 103 and the anode of the zener diode 205 forms the connection 105.
  • the anode of the zener diode 205 is connected via a resistor 207 to the connection 107, via which the drive pulses from the drive logic 110 to the gate G of the Get power FET 24.
  • Resistor 207 gives priority to the effect of the series connection of diode 203 and zener diode 205 over the drive pulses, as a result of which
  • a voltage is present across the battery 20 at the voltage source connection terminals 12 and 14, which provides an operating voltage at the load connection terminals 16 and 18 when the power FET 24 is switched on by the control logic 110, so that the motor 22 is switched on. If the power FET 24 is now switched off by the control logic 110, a voltage is present at the load connection terminal 16 as a result of the motor inductance of the motor 22, which voltage rises very quickly and allows the current to continue flowing. As soon as the freewheel voltage exceeds a certain value, the zener diode 205 becomes conductive and drives the gate G of the power FET 24. This also makes it conductive and absorbs the freewheel flow.
  • the transistor which switches the power, or the one which is present anyway, thus serves in a particularly advantageous manner
  • Power output stage also to take over the freewheeling current.
  • the associated energy is reduced in the load, the winding of the motor 22, which is suitable for this.
  • the switching threshold for the use of the freewheeling circuit is determined by the reverse voltage of the Zener diode 205 and the threshold voltage of the power FET.
  • This voltage sensing circuit 201 is dimensioned so that the permissible reverse voltage of the power switching transistor is never exceeded at any time.
  • the advantage of this circuit also lies in the fact that no special, additional polarity reversal protection is necessary. This is because in series with the parasitic diode of the power FET 24 is the electrical load that limits the polarity reversal current. As a result, no destructive cross current occurs. The circuit is therefore polarity-proof by itself.
  • FIG. 3 shows a possible embodiment for a voltage sensing circuit 301 for load-dump voltage pulses in a block diagram according to FIG. 1, and thus the voltage sensing circuit 201 for freewheeling or polarity reversal is shown in the embodiment according to FIG. 2.
  • the same parts in this figure are designated by the same reference numerals as in FIGS. 1 and 2. If not necessary, the parts already mentioned will not be described again.
  • the voltage sensing circuit 301 for load-dump pulses is connected with connections 302 and 304 between the first and second voltage source connection terminals 12 and 14. It contains a series connection of a resistor 303, a zener diode 305 and another resistor 306 connected between the first and second voltage source terminals 12 and 14.
  • the anode of the zener diode 303 is connected to the ground-side resistor 306 and the control electrode of a transistor 308.
  • the emitter of this transistor 308 is with that
  • Ground potential 14 and its collector are connected to the positive first voltage source terminal 12 via a series connection of two resistors 311 and 313.
  • the voltage sensing circuit 301 also contains a resistor 315, which is connected on the one hand to the connection of the cathode of the Zener diode 305 and the battery-side resistor 303 and on the other hand to the collector of a further transistor 317.
  • the emitter of this transistor 317 is connected to the positive first voltage source connection terminal 12 and its control electrode lies at the connection point of the two resistors 311 and 313.
  • the collector of the transistor 317 is connected to ground potential 14 via a resistor 319 and at the same time forms the input 107 to the voltage sensing circuit 201 for Freewheeling or reverse polarity.
  • the operation of the voltage sensing circuit 301 is as follows: The supply voltage at the battery terminal 12 is read in via the resistor 303, the zener diode 305, the resistor 306 and the transistor 308. If this voltage exceeds a critical value, then the Zener diode 305 and the transistor become low-resistance and conductive. The power FET 24 is driven via the transistor 317 and is also conductive, so that it is protected against too high reverse voltage. If, after the load-dump voltage pulse has elapsed, the voltage at the battery connection terminal 12 drops again below an uncritical value, the Zener diode 305 and the transistor 308 become high-resistance again and block. The protective circuit itself is thus passive again and the control circuit 10 operates in normal operation again.
  • the switching points for the values of the critical and the non-critical voltage are determined by the dimensioning of the resistors 303, 306, 315 and the Zener diode 305.
  • the electrical load is very low-resistance compared to the source resistance of the load-dump pulse, the voltage at the battery connection terminal 12 is reduced.
  • the other semiconductor elements occurring in the circuit are thus also protected against overvoltage.
  • another problem arises: due to the low impedance of the electrical load, the voltage at the battery connection terminal 12 is reduced to such an extent that the voltage drops below the uncritical value mentioned. This makes the load dump detection passive and the power FET 24 is switched off. As a result, the voltage at the battery connection terminal 12 jumps back to the load dump voltage and this then continues in the interplay.
  • a capacitor 321 is therefore provided to limit the switching frequency of the power FET 24 during the occurrence of load dump voltage pulses.
  • This capacitor 321 is connected between the battery terminal 12 and the collector of the ground-side transistor 308. It causes the transistors 317 and thus also the power transistor 24 to be switched on or remain on for a specific minimum time when the load dump pulse is detected. This limits the switching frequency and prevents the power transistor from being destroyed by excessive switching losses.
  • the control circuit 10 shown in FIG. 3 also contains a control logic 310 which, via a connection 307, the resistor 311 and the transistor 317, the motor control pulses to the input 107 of the voltage sensing circuit 201 and from there via the resistor 207 to the gate G of the power FET 24 there.
  • the voltage is sensed for free-wheeling or polarity reversal by means of the series connection of diode 203 and zener diode 205 via the drain-gate path of the power FET 24.
  • This voltage sensing also acts under the Prioritization by resistor 207 on the gate G of the same power FET 24.

Landscapes

  • Protection Of Static Devices (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Control Of Direct Current Motors (AREA)

Abstract

Eine elektronische Schutzschaltung gegen Überspannungen an Leistungsschaltelementen (24), die vorzugsweise eine induktive Last, wie beispielsweise einen Gleichstrommotor (22), mit einer Spannungsquelle (20) verbinden, verwirklicht insbesondere eine verpolfeste Freilaufschaltung und eine Schaltung zum Schutz gegen Überspannungen bei Lastzusammenbruch (Load-Dump). Dazu ist in einer Schaltung (10) eines Steuergeräts eine Spannungsfühlschaltung (101) vorgesehen, die an verschiedenen Anschlüssen (102, 104; 103, 105; 107) auf Überspannungen unterschiedlicher Art (Freilauf, Verpolung, Load-Dump) anspricht und das vorhandene Leistungsschaltelement (24) ansteuert, um den durch die Überspannung entstehenden Strom über die induktive Last (22) zu leiten und um die dabei entstehende Energie im wesentlichen dort zu vernichten. Die Steuerschaltung (10) ist über Spannungsquellenanschlußklemmen (12, 14) mit der Spannungsquelle (20) und über Lastanschlußklemmen (16, 18) mit dem Motor (22) verbunden. Eine Ansteuerlogik (110) liefert über den Anschluß (107) der Spannungsfühlschaltung (101) die Ansteuerimpulse an das Gate (G) des Leistungsschaltelements (24), um die Betriebsspannung über dessen Drain- (D) und Sourceanschlüsse (S) an den Motor (22) zu schalten.

Description

Elektronische Schutzschaltung gegen Überspannungen an Leistungsschaltelementen
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer elektronischen Schutzschaltung gegen Überspannungen an Leistungsschaltelementen, die vorzugsweise eine induktive Last, wie insbesondere einen Gleichstrommotor, mit einer Spannungsquelle verbinden, der im Oberbegriff des Anspruchs definierten Gattung.
Bei einer bekannten Schaltungsanordnung dieser Art (DE-3 145 554 AI) ist zum Schutz eines Schalttransistors, der die Wicklung eines Gleichstrommotors, also einer induktiven Last, mit einer
Spannungsquelle wie z. B. einer Batterie verbindet, der Wicklung ein Thyristor parallel geschaltet, um die beim Sperren des Transistors auftretende Spannungsspitze zu vermeiden. Beim Sperren des Transistors wird jeweils der Thyristor kurz gezündet. Damit ist eine sogenannte FreilaufSchaltung realisiert. Notwendig, für diesen Schutz ist ein besonderes Bauelement parallel zur induktiven Last, welches den gesamten auf Grund der Motorinduktivität induzieten Strom verkraften muß. Darüber hina erfordert diese Schaltung dazu ein besonderes kostenträchtiges Bauteil.
Eine weitere bekannte Schutzeinrichtung (DE-3 517 490 AI) sieht eine Reihenschaltung aus einer Freilaufdiode und der Parallelschaltung eines Transistors mit einer Diode vor, die parallel zur induktiven Last geschaltet ist. Diese Schaltung ermöglicht neben dem Freilauf auch eine Sicherung der Bauelemen gegen Verpolung. Bei falschem Anschluß der gesamten Einrichtung an die Spannungsquelle wird dadurch die Gefahr einer Zerstörung der Bauelemente vermieden. Der mit dieser Schutzschaltung notwendige Aufwand ist erheblich und kostenträchtig. Für die Freilaufelemente müssen teure, leistungsfähige Bauelemente verwendet werden.
Aus EP-0 352 238 A2 ist es bekannt, parallel zur induktiven Las einen steuerbaren Transistor zu schalten, um den Freilaufström bei Sperrung des die induktive Last ein- und ausschaltenden
Leistungstransistors zu übernehmen. Auch hier ist wiederum ein besonderes Bauelement, welches ein teures Leistungsbauelement sein muß, erforderlich.
Neben den vorstehend angesprochenen Problemen der beim Sperren des Schalttransistors auftretenden Überspannung auf Grund der Motorinduktivität und der Verpolung, gibt es auch das Problem d Load-Dump, bzw. des Lastzusammenbruchs. Es kann bei mit Batteri gepufferten Bordnetzen, bei denen die Batterie von einem Generator aufladbar ist, vorkommen, daß der Innenwiderstand der Batterie zumindest kurzzeitig auf weniger als 1 Ohm zusammenbricht. Wenn zu diesem Zeitpunkt der Generator voll erregt ist und andere Verbraucher keine Leistung abnehmen, tret erhebliche Spannungsspitzen auf, die die Bauelemente der angeschlossenen Schaltung zerstören, wenn nicht Schutzvorkehrungen dagegen getroffen sind. Es ist bekannt, solche energiereichen Load-Dump Impulse durch Einsatz eines Querelements, beispielsweise eines Varistors oder einer Zenerdiode durch Spannungsbegrenzung unschädlich zu machen. Die dabei zu vernichtende Energie muß in dem Querelement abgebaut werden. Dies erfordert somit zum einen ein besonderes Bauelement hierfür und das Bauelement muß auch noch in der Lage sein, die Energie zu vernichten. Dies erfordert erheblichen baulichen und kostenmäßigen Aufwand.
Eine weitere bekannte Methode, um die Gefährdung der Bauelemente durch die Load-Dump Impulse abzuwenden, besteht darin, ein sogenanntes Längselement wie zum Beispiel einen Transistor zu verwenden, der im falle eines Load-Dumps die gesamte Elektronik von der Versorgungsspannungsquelle abtrennt. Auch hier ist wieder zusätzlicher Aufwand notwendig.
Allgemein ist zu den bekannten Schutzmaßnahmen gegen verschiedene Überspannungen festzustellen, daß zusätzliche Leistungselemente notwendig sind, jeweils für die verschiedenen Arten der Überspannung. So sind parallel zur induktiven Last oder parallel zum Schalttransistor Leistungselemente für den Freilauf nötig. Für die Vorsorge gegen Zerstörung von Bauelementen durch Load- Dump Impulse sind wiederum andere und erneut zusätzliche Leistungselemente nötig, welche die Energie abbauen können. Es ist einleuchtend, daß dieser Aufwand groß und kostenträchtig ist.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße elektronische Schutzschaltung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil der Einsparung von besonderen Leistungsbauelementen, die nur für den Schutz gegen verschiedene Überspannungen vorgesehen sein müssen. Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch eine Spannungsfühlschaltung, die auf Überspannungen unterschiedlicher Art (Freilauf, Verpolung, Load-Dump) anspricht und das vorhandene Leistungschaltelement ansteuert, um den durch die Überspannung entstehenden Strom über die induktive Last zu leiten und um die dabei entstehende Energie im wesentlichen dort zu vernichten.
Die erfindungsgemäße Nutzung des vorhandenen
Leistunsschaltelements zum Schutz gegen Überspannungen der verschiedenen Arten, ermöglicht es, für die Spannungsfühlschaltung einfache, billige und platzsparende Kleinsignal-Bauelemente zu verwenden und den sonst notwendigen Einsatz von diversen Leistungsbauelementen zu vermeiden.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen elektronischen Schutzschaltung gegen Überspannungen an Leistungsschaltelementen möglich.
In vorteilhafter Weise ist gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ein Eingang der Spannungsfühlschaltung für Freilauf bzw. Verpolung an eine Lastanschlußklemme und ein zweiter Eingang der Spannungsfühlschaltung für Freilauf bzw. Verpolung an die Steuerelektrode des Leistungsschaltelements geschaltet.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung besteht die Spannungsfühlschaltung für Freilauf bzw. Verpolung aus der Reihenschaltung einer Diode und einer Zenerdiode, wobei die
Kathoden beider Dioden miteinander, die Anode der Diode mit der Lastanschlußklemme und die Anode der Zenerdiode mit der Steuerelektrode des Leistungsschaltelements verbunden ist.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist ein Widerstand in der Spannungsfühlschaltung für Freilauf bzw. Verpolung vorgesehen, über den die Ansteuerlogik an die Steuerelektrode des Leistungsschaltelements angeschlossen ist, und der dem Signal für Freilauf und Verpolung Vorrang vor den Ansteuersignalen verschafft. Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektronischen Schutzschaltung zeichnet sich dadurch aus, daß die Spannungsfühlschaltung für Load-Dump Überspannung zwischen die Batterieanschlußklemme und die Masseanschlußklemme geschaltet ist und einen Ausgang aufweist, der auf die Steuerelektrode des Leistungsschaltelements geführt ist.
In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist für die Bewältigung der Load-Dump Überspannung eine Schaltung vorgesehen, bei der die Spannungsfühlschaltung für Load-Dump Impulse die
Reihenschaltung eines Widerstandes, einer Zenerdiode und eines weiteren Widerstandes zwischen der Batterieanschlußklemme und der Masseanschlußklemme enthält, wobei die Anode der Zenerdiode mit- dem masseseitigen Widerstand und der Steuerelektrode eines Transistors verbunden ist, dessen Emitter mit Masse und dessen Kollektor über eine Reihenschaltung zweier Widerstände mit der Batterieanschlußklemme verbunden ist, sowie einen weiteren Widerstand, der einerseits mit der Verbindung von Kathode der Zenerdiode und dem batterieseitigen Widerstand und andererseits mit dem Kollektor eines Transistors, dessen Emitter an der Batterieanschlußklemme, dessen Steuerelektrode am Verbindungspunkt der beiden Widerstände liegt und dessen Kollektor über einen weiteren Widerstand mit der Massenanschlußklemme verbunden ist, verbunden ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist gemäß einer weiteren zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung zur Begrenzung der Schaltfrequenz des Leistungsschaltelements beim Auftreten von Load-Dump Impulsen ein Kondensator vorgesehen ist, der zwischen die Batterieanschlußklemme und den Kollektor des masseseitigen Transistors geschaltet ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß als Leistungsschaltelement ein Leistungstransistor, insbesondere ein Leistungs-FET oder eine Parallelschaltung von Leistungs-FETs vorgesehen ist. In besonders vorteilhafter Weise können nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung sowohl die Spannungsfühlschaltung für Freilauf bzw. Verpolung als auch die Spannungsfühlschaltung für Load-Dump Spannungsimpulse in einer Schaltung vereint sein.
Zeichnung
Die Erfindung ist anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen elektronischen Schutzschaltung gegen Überspannungen;
Fig. 2 ein Blockschaltbild gemäß Fig. 1 mit einer möglichen Ausführungsform für die Spannungsfühlschaltung für Freilauf bzw. Verpolung, und
Fig. 3 ein Blockschaltbild gemäß Fig. 1 mit einer möglichen Ausführungsform für die Spannungsfühlschaltung für Load-Dump Spannungsimpulse sowie damit vereint die Spannungsfühlschaltung für Freilauf bzw. Verpolung in der Ausführung gemäß Fig. 2.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand des Blockschaltbilds gemäß Fig. 1 zunächst in ihren prinzipiellen, grundlegenden Merkmalen beschrieben. In Fig. 1 ist schematisch eine allgemein mit 10 bezeichnete Schaltung eines Steuergeräts mit einer Leistungsendstufe dargestellt. Die Schaltung 10 weist eine erste Spannungsquellenanschlußklemme bzw. Batterieanschlußklemme 12 und eine zweite Spannungsquellenanschlußklemme bzw.
Masseanschlußklemme 14 auf. Weiterhin besitzt die Schaltung 10 eine erste Lastanschlußklemme 16 und eine zweite
Lastanschlußklemme 18. An die Spannungsquellenanschlußklemmen 12 und 14 ist eine Gleichstromspannungsquelle, beispielsweise eine Batterie 20, angeschlossen, wobei der Minuspol der Gleichstromspannungsquelle bzw. das Massepotential an die
Spannungsquellenanschlußklemme 14 der Schaltung 10 angeschlossen ist. An die Lastanschlußklemmen 16 und 18 ist ein, eine induktive Last besitzender Gleichstrommotor 22 angeschlossen. An die Lastanschlußklemme 18 ist die Drainanschlußklemme D eines Leistungs-FET 24 angeschlossen, dessen Sourceanschluß lemme S mit der zweiten Spannungsquellenanschlußklemme 14 verbunden ist. Das hier dargestellte Steuergerät 10 ist also eines mit einem sogenannten Low-Side-Leistungsschalter, da dieser auf der Minusseite des Motors angebracht ist. Es ist klar, daß das Prinzip der Erfindung auch auf High-Side-Leistungsschalter anwendbar ist.
Eine Spannungsfühlschaltung 101 ist über Anschlüsse 102 und 104 mit den Spannungsquellenanschlußklemmen 12 und 14 verbunden, und weist zwei Anschlüsse 103 und 105 auf, die einerseits mit der
Drainanschlußklemme D und andererseits mit der Gateanschlußklemme G des Leistungs-FET 24 verbunden sind. Die Spannungsfühlschaltung 101 weist weiterhin einen Anschluß 107 auf, der die Ansteuerimpulse einer Ansteuerlogik 110, auf deren näheren Schaltungsaufbau im Rahmen vorliegender Erfindung nicht weiter eingegangen werden soll, über die Spannungsfühlschaltung auf die Steuerelektrode, das Gate G, des Leistungs-FETs bringt. Zur Versorgung ist die Ansteuerlogik 110 noch mit den Spannungsquellenanschlußklemmen 12 und 14 verbunden.
Die Spannungsfühlschaltung 101 gemäß der Erfindung ist somit in der Lage, sowohl die Spannung im Versorgungsnetz über die Anschlüsse 102 und 104, insbesondere im Hinblick auf Load-Dump Spannungsimpulse, als auch die Spannung an den Drain- und Sourceanschluß lemmen D und G des Leistungs-FET 24 über die Anschlüsse 103 und 105, insbesondere im Hinblick auf die FreilaufSpannung und das Verpolen, zu überwachen. Daraus ist sie auch in der Lage auf kritische Spannungsanstiege, die ganz generell verschiedene Ursachen haben können, zu reagieren. Durch die dabei erfolgende Einwirkung auf das Gate G des Leistungs-FETs 24 wird dieses selbst genutzt, um gefährliche und ggf. zerstörerische Spannungsüberhöhungen an seiner Drain-Source Strecke zwischen den Anschlußklemmen D und G zu vermeiden. Die bei Spannungsüberhöhungen auftretenden Energien werden in der Wicklung des Motors 22 vernichtet, ohne daß diese dabei Schaden nimmt, da sie für solche Belastungen ja gerade ausgelegt ist.
In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild gemäß der Fig. 1 gezeigt, das eine mögliche Ausführungsform der Spannungsfühlschaltung für Freilauf bzw. Verpolung 201 darstellt. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die
Spannungsfühlschaltung für Freilauf bzw. Verpolung 201 enthält die Reihenschaltung einer Diode 203 und einer Zenerdiode 205, deren Kathoden miteinander verbunden sind. Die Anode der Diode 203 bildet den Anschluß 103 und die Anode der Zenerdiode 205 bildet den Anschluß 105. Weiterhin ist die Anode der Zenerdiode 205 über einen Widerstand 207 mit dem Anschluß 107 verbunden, über den die Ansteuerimpulse von der Ansteuerlogik 110 auf das Gate G des Leistungs-FET 24 gelangen. Der Widerstand 207 räumt der Wirkung der Reihenschaltung aus Diode 203 und Zenerdiode 205 Priorität gegenüber den AnSteuerimpulsen ein, wodurch der
Leistungs-FET wirksam vor FreilaufÜberspannungen geschützt ist.
Im Betriebsfall liegt über der Batterie 20 an den Spannungsquellenanschlußklemmen 12 und 14 eine Spannung an, die bei durch die Ansteuerlogik 110 eingeschaltetem Leistungs-FET 24 an den Lastanschlußklemmen 16 und 18 eine Betriebsspannung bereitstellt, so daß der Motor 22 eingeschaltet ist. Wird nunmehr der Leistungs-FET 24 von der Ansteuerlogik 110 her abgeschaltet, liegt an der Lastanschlußklemme 16 infolge der Motorinduktivität des Motors 22 eine Spannung an, die sehr schnell ansteigt und den Strom weiter fließen läßt. Sobald die FreilaufSpannung einen bestimmten Wert überschreitet, wird die Zenerdiode 205 leitend und steuert das Gate G des Leistungs-FETs 24 an. Dieser wird dadurch ebenfalls leitend und nimmt den Freilaufström auf. In besonders vorteilhafter Weise dient somit der die Leistung schaltende Transistor, bzw. die sowieso vorhandene
Leistungsendstufe, dazu, auch den Freilaufström zu übernehmen. Die damit verbundene Energie wird in der Last, der Wicklung des Motors 22, abgebaut, die dafür ja geeignet ist.
Die Schaltschwelle für den Einsatz der FreilaufSchaltung wird durch die Sperrspannung der Zenerdiode 205 und die Schwellspannung des Leistungs-FET bestimmt. Diese Spannungsfühlschaltung 201 wird so dimensioniert, daß zu keinem Zeitpunkt die zulässige Sperrspannung des Leistungsschalttransistors überschritten wird.
Der Vorteil dieser Schaltung liegt auch darin, daß kein besonderer, zusätzlicher Verpolschutz notwendig ist. Dies liegt daran, daß in Reihe mit der Parasitärdiode des Leistungs-FET 24 die elektrische Last liegt, die den Verpolstrom begrenzt. Dadurch tritt kein zerstörender Querstrom auf. Die Schaltung ist somit von sich aus verpolfest.
In Fig. 3 ist in einem Blockschaltbild gemäß Fig. 1 eine mögliche Ausführungsform für eine Spannungsfühlschaltung 301 für Load-Dump Spannungsimpulse sowie damit vereint die Spannungsfühlschaltung 201 für Freilauf bzw. Verpolung in der Ausführung gemäß Fig. 2 dargestellt. Gleiche Teile sind in dieser Figur mit den gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 bezeichnet. Soweit nicht erforderlich, werden die bereits erwähnten Teile nicht erneut beschrieben.
Die Spannungsfühlschaltung 301 für Load-Dump Impulse ist mit Anschlüssen 302 und 304 zwischen die erste und zweite Spannungsquellenanschlußklemme 12 und 14 geschaltet. Sie enthält eine Reihenschaltung eines Widerstandes 303, einer Zenerdiode 305 und eines weiteren Widerstandes 306, die zwischen die erste und zweite Spannungsquellenanschlußklemme 12 und 14 geschaltet ist. Dabei ist die Anode der Zenerdiode 303 mit dem masseseitigen Widerstand 306 und der Steuerelektrode eines Transistors 308 verbunden. Der Emitter dieses Transistors 308 ist mit dem
Massepotential 14 und sein Kollektor über eine Reihenschaltung zweier Widerstände 311 und 313 mit der positiven ersten Spannungsquellenanschlußklemme 12 verbunden. Die Spannungsfühlschaltung 301 enthält weiterhin einen Widerstand 315, der einerseits mit der Verbindung von Kathode der Zenerdiode 305 und dem batterieseitigen Widerstand 303 und andererseits mit dem Kollektor eines weiteren Transistors 317 verbunden ist. Der Emitter dieses Transistors 317 ist mit der positiven ersten Spannungsquellenanschlußklemme 12 verbunden und seine Steuerelektrode liegt am Verbindungspunkt der beiden Widerstände 311 und 313. Der Kollektor des Transistors 317 ist über einen Widerstand 319 mit Massepotential 14 verbunden und bildet gleichzeitig den Eingang 107 zur Spannungsfühlschaltung 201 für Freilauf bzw. Verpolung.
Die Wirkungsweise der Spannungsfühlschaltung 301 ist folgende: Über den Widerstand 303, die Zenerdiode 305, den Widerstand 306 und den Transistor 308 wird die Versorgungsspannung an der Batterieanschlußklemme 12 eingelesen. Überschreitet diese Spannung einen kritischen Wert, dann wird die Zenerdiode 305 und der Transistor niederohmig und leitend. Über den Transistor 317 wird der Leistungs-FET 24 angesteuert und ebenfalls leitend, so daß er vor zu hoher Sperrspannung geschützt ist. Wenn nach Ablauf des Load-Dump Spannungsimpulses die.Spannung an der Batterieanschlußklemme 12 wieder unter einen unkritischen Wert absinkt, werden die Zenerdiode 305 und der Transistor 308 wieder hochohmig und sperren. Damit ist die Schutzschaltung selbst wieder passiv und die Steuerschaltung 10 arbeitet wieder im Normalbetrieb. Die Schaltpunkte für die Werte der kritischen und der unkritischen Spannung werden durch die Dimensionierung der Widerstände 303, 306, 315 und die Zenerdiode 305 bestimmt. In einem Sonderfall, wenn die elektrische Last sehr niederohmig ist im Vergleich zum Quellwiderstand des Load-Dump Impulses, dann wird die Spannung an der Batterieanschlußklemme 12 reduziert. Somit werden auch die anderen in der Schaltung vorkommenden Halbeiterelemente vor Überspannung geschützt. Es tritt damit allerdings ein anderes Problem auf: durch die Niederohmigkeit der elektrischen Last wird die Spannung an der Batterieanschlußklemme 12 so weit reduziert, daß die Spannung unter den genannten unkritischen Wert sinkt. Dadurch wird die Load-Dump Erkennung passiv und der Leistungs-FET 24 wird abgeschaltet. Dadurch springt die Spannung an der Batterieanschlußklemme 12 wieder auf die Load-Dump Spannung an und dies setzt sich dann im Wechselspiel so weiter fort.
Dieses dadurch verursachte schnelle Ein- und Ausschalten des
Leistungstransistor kann ihn wegen der Schaltverluste zerstören. Daher ist zur Begrenzung der Schaltfrequenz des Leistungs-FET 24 während des Auftretens von Load-Dump Spannungsimpulsen ein Kondensator 321 vorgesehen. Dieser Kondensator 321 ist zwischen die Batterieanschlußklemme 12 und den Kollektor des masseseitigen Transistors 308 geschaltet. Er bewirkt, daß bei erkanntem Load- Dump Impuls die Transistoren 317 und damit auch der Leistungstransistor 24 für eine bestimmte Mindestzeit eingeschaltet werden bzw. bleiben. Dies begrenzt die Schaltfrequenz und bewahrt den Leistungstransistor vor Zerstörung durch zu hohe Schaltverluste.
Die in Fig. 3 dargestellte Steuerschaltung 10 enthält desweiteren eine Ansteuerlogik 310, welche über einen Anschluß 307, den Widerstand 311 und den Transistor 317 die Motoransteuerimpulse auf den Eingang 107 der Spannungsfühlschaltung 201 und von dort über den Widerstand 207 auf das Gate G des Leistungs-FET 24 gibt. Zwischen den Anschlüssen 103 und 105 erfolgt die Spannungsfühlung für Freilauf bzw. Verpolung mittels der Reihenschaltung von Diode 203 und Zenerdiode 205 über die Drain-Gate-Strecke des Leistungs- FETs 24. Damit wirkt auch diese Spannungsfühlung, unter der Prioritätssetzung durch den Widerstand 207, auf das Gate G desselben Leistungs-FETs 24 ein.
Der besondere Vorteil vorliegender Erfindung liegt demnach klar erkennbar darin, daß die Spannungsfühlschaltungen, die auf verschiedene Ursachen von Spannungsüberhöhungen reagieren, auf ein- und dasselbe Leistungsschaltelement einwirken, nämlich dasjenige, welches sowieso zum Einschalten des Motorstroms vorhanden ist. Kein zusätzliches Leistungselement ist für Schutzzwecke nötig.

Claims

Ansprüche
1. Elektronische Schutzschaltung gegen Überspannungen an
Leistungsschaltelementen, die vorzugsweise eine induktive Last, wie beispielsweise einen Gleichstrommotor (22), mit einer Spannungsquelle (20) verbinden, wie insbesondere eine verpolfeste Freilaufschaltung oder eine Schaltung zum Schutz gegen Überspannungen bei Lastzusammenbruch (Load-Dump) , dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannungsfühlschaltung (101) vorgesehen ist, die auf Überspannungen unterschiedlicher Art (Freilauf, Verpolung, Load-Dump) anspricht und das vorhandene Leistungschaltelement (24) ansteuert, um den durch die
Überspannung entstehenden Strom über die induktive Last (22) zu leiten und um die dabei entstehende Energie im wesentlichen dort zu vernichten. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingang (103) einer Spannungsfühlschaltung für Freilauf bzw. Verpolung (201) an eine Lastanschlußklemme (18) und ein zweiter Eingang (105) der Spannungsfühlschaltung (201) für Verpolung an die Steuerelektrode (G) des Leistungsschaltelements (24) geschaltet ist.
3. Schutzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsfühlschaltung für
Freilauf bzw. Verpolung (201) aus der Reihenschaltung einer Diode (203) und einer Zenerdiode (205) besteht, wobei die Kathoden beider Dioden miteinander, die Anode der Diode (203) mit der Lastanschlußklemme (18) und die Anode der Zenerdiode (205) mit der Steuerelektrode (G) des Leistungsschaltelements (24) verbunden ist.
4. Schutzschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (207) in der Spannungsfühlschaltung (201) vorgesehen ist, über den eine Ansteuerlogik (110) an die Steuerelektrode (G) des Leistungsschaltelements (24) angeschlossen ist, und der dem Signal für Freilauf und Verpolung Vorrang vor den Ansteuersignalen verschafft.
5. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannungsfühlschaltung für Load-Dump Überspannung (301) zwischen die Batterieanschlußklemme (12) und die Masseanschlußklemme (14) geschaltet ist und einen Ausgang (107) aufweist, der auf die Steuerelektrode (G) des Leistungsschaltelements (24) geführt ist. O 96/08869 1 5 PC1YDE95/01096
6. Schutzschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsfühlschaltung für Load-Dump Überspannung (301) die Reihenschaltung eines Widerstandes (303), einer Zenerdiode (305) und eines weiteren Widerstandes (306) zwischen der Batterieanschlußklemme (12) und der
Masseanschlußklemme (14) enthält, wobei die Anode der Zenerdiode (305) mit dem masseseitigen Widerstand (306) und der Steuerelektrode eines Transistors (308) verbunden ist, dessen Emitter mit Masse (14) und dessen Kollektor über eine Reihenschaltung zweier Widerstände (311 und 313) mit der Batterieanschlußklemme (12) verbunden ist, sowie einen weiteren Widerstand (315), der einerseits mit der Verbindung von Kathode der Zenerdiode (305) und dem batterieseitigen Widerstand (303) und andererseits mit dem Kollektor eines Transistors (317), dessen Emitter an der Batterieanschlußklemme (12), dessen Steuerelektrode am Verbindungspunkt der beiden Widerstände (311 und 313) liegt und dessen Kollektor über einen weiteren Widerstand (319) mit der Massenanschlußklemme (14) verbunden ist, verbunden ist.
7. Schutzschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung der Schaltfrequenz des Leistungsschaltelements (24) beim Auftreten von Load-Dump Überspannungsimpulsen ein Kondensator (321) vorgesehen ist, der zwischen die Batterieanschlußklemme (12) und den Kollektor des masseseitigen Transistors (308) geschaltet ist. 8. Schutzschaltung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Leistungsschaltelement (24) ein Leistungstransistor, insbesondere ein Leistungs-FET oder eine Parallelschaltung von Leistungs-FETs vorgesehen ist.
9. Schutzschaltung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Spannungsfühlschaltung für Freilauf bzw. Verpolung (201) als auch die Spannungsfühlschaltung für Load-Dump Überspannungen (301) in einer Schaltung vereinbar sind (Fig. 3) .
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