WO2019105733A1 - Schaltung zur abschaltung sowie zur spannungsbegrenzung für transistor-ansteuerungen - Google Patents
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- H03K17/0812—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the control circuit
- H03K17/08122—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the control circuit in field-effect transistor switches
Definitions
- the invention relates to a circuit for switching off as well as for
- Corresponding controllers are usually controlled via integrated circuits (ASICs), which have a connection to a shutdown path. If the switch used is, for example, a discrete field-effect transistor (FET) or a bipolar transistor, the connection to the turn-off path can take place, for example, via the driving ASIC and its associated safety functions. If an integrated module or ASIC with safety functions is not available, the link to the shutdown path must be made separately or even separately and discretely. It should be noted that even in the event of a fault, the controlled discrete switch itself must not be overloaded.
- FET field-effect transistor
- the gate voltage of the FET may not rise above the permissible range in the event of a fault.
- a discrete circuit which may represent the combination of voltage limiting for the gates of the FETs as well as its connection to the shutdown path, would be desirable to remain cost optimal. Disclosure of the invention
- the drives of the gates of the FETs are interruptible.
- the voltage at the gates is limited.
- the number of components is very low in terms of function and therefore cost.
- FIG. 1 shows a basic interconnection of the circuit according to the invention.
- Figure 2 shows a circuit diagram of the circuit according to the invention.
- FIG. 1 shows a circuit 1 with a drive logic 10.
- the drive logic 10 can be realized, for example, by an integrated circuit (ASIC).
- ASIC integrated circuit
- a shutdown logic 20 has a monitoring of certain parameters, such as a voltage, a current, a temperature or the like. If one of these parameters is not in the target range, a shutdown process is initiated.
- a highside switch 30 switches the positive supply voltage.
- the supply voltage in the present case is 24V. This value does not include supply voltage fluctuations in a tolerable range.
- a low-side switch 40 turns off the negative
- An actuator 50 here represents the load.
- the actuator can, for example, a
- Magnetic coil which actuates a hydraulic valve.
- a stop and protection device 60 also limits the drive voltage of 40 when 40 is implemented as FET and should fail the drive logic.
- Figure 2 shows a circuit 1 for limiting the voltage, but also for the safety shutdown of a power amplifier.
- UBRN24V represents the supply voltage.
- the supply voltage is for example 24V. The value does not close
- Two highside switches are shown as red blocks. They switch the positive supply voltage.
- Two low-side switches are shown as green blocks.
- the first low-side switch is shown in the embodiment of Figure 2 by the transistor TI together with the diode D2.
- the second low-side switch is shown as a further implementation variant in the embodiment of Figure 2 by the transistor T2 together with the diode D3.
- An external load is shown as two blue blocks and in the exemplary embodiment by the two inductors extjoadl and ext_Load2.
- a "turn-off power amplifier” (ABE) function is the shutdown path in the exemplary embodiment.
- ABE turn-off power amplifier
- the potential of ABE is between 4.5 and 5.5 V.
- Q4 is conducting.
- D7 limits the voltage at point 7 in the exemplary embodiment to 6.2V.
- the potential at point 6 is 6.7 V in this case and the voltage at point 2 is a maximum of 6 V.
- the FETs are switched on via RI, R5, R2, R6, then via the base-emitter path of Ql and Q2, then via R3, and R7.
- the FETs are switched off by G_LSx via RI, R5, then via R2, Dl, then via the base-emitter path of Q6 or R7 to the gates of the FETs.
- R4, R8 also help with shutdown by additionally discharging the charge on the gate of the FETs via the resistor.
- D2 and D3 serve for freewheeling for the externally connected loads (ext_Loadl & ext_Load2) at TI and T2.
- R7 serve as current limiting for G_LSx to the gates of the FETs.
- R2 & R6 serves as a base resistor for the transistors Ql & Q2.
- R13 which is the base resistor for Q4, Rll for Q3, R16 for Q5.
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Abstract
Die Erfindung betrifft Schaltung (1) zur Spannungsbegrenzung und zur Abschaltung eines Gates eines FETs mit einer Ansteuerlogik (10) und einer Abschaltlogik (20). Es wird vorgeschlagen, dass die Schaltung eine Stopp-und Schutzeinrichtung (60) aufweist, die sowohl zur Spannungsbegrenzung als auch zur Abschaltung eines Gates vorgesehen ist.
Description
Beschreibung
Titel
Schaltung zur Abschaltung sowie zur Spannungsbegrenzung für Transistor-
Ansteuerungen
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Abschaltung sowie zur
Spannungsbegrenzung für Transistor- Ansteuerungen.
Stand der Technik
Für sicherheitskritische Steller in einem Fahrzeug ist es notwendig,
Abschaltpfade in dem entsprechenden Steuergerät zu haben, um trotz
Steuergerätedefekten diese sicherheitskritischen Steller in einen sicheren Zustand zu führen, welches häufig über ein Abschalten der Endstufe erreicht wird. Entsprechende Steller werden meistens über integrierte Schaltkreise (ASICs) angesteuert, welche einen Anschluss zu einem Abschaltpfad besitzen. Ist der verwendete Schalter beispielsweise ein diskreter Feldeffekt Transistor (FET) oder ein Bipolar Transistor, kann die Verknüpfung zum Abschaltpfad z.B. über das ansteuernde ASIC und dessen verknüpfte Sicherheitsfunktionen erfolgen. Falls ein integrierter Baustein oder ASIC mit Sicherheitsfunktionen nicht zur Verfügung steht, muss die Verknüpfung zum Abschaltpfad separat oder sogar zusätzlich separat und diskret erfolgen. Dabei ist zu beachten, dass selbst im Fehlerfall der angesteuerte diskrete Schalter selbst nicht überlastet werden darf. Ist dies z.B. ein FET, darf im Fehlerfall die Gate-Spannung des FETs nicht über den zulässigen Bereich ansteigen. Eine diskrete Schaltung, welche die Kombination aus Spannungsbegrenzung für die Gates der FETs sowie gleichzeitig dessen Verknüpfung zum Abschaltpfad darstellen kann, wäre wünschenswert um kostenoptimal zu bleiben.
Offenbarung der Erfindung
Bei der vorliegenden Erfindung sind die Ansteuerungen der Gates der FETs unterbrechbar. Gleichzeitig wird auch die Spannung an den Gates begrenzt. Die Anzahl der Bauelemente ist bezüglich der Funktion sehr gering und damit kostengünstig.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Figur 1 zeigt eine grundsätzliche Zusammenschaltung der erfindungsgemäßen Schaltung.
Figur 2 zeigt eine Schaltungsskizze der erfindungsgemäßen Schaltung.
Beschreibung
Figur 1 zeigt eine Schaltung 1 mit einer Ansteuerlogik 10. Die Ansteuerlogik 10 kann beispielsweise durch einen Integrierten Schaltkreis (ASIC) realisiert sein.
Eine Abschaltlogik 20 weist eine Überwachung bestimmter Parameter auf, beispielsweise eine Spannung, einen Strom, eine Temperatur oder dergleichen. Ist einer dieser Parameter nicht im Soll-Bereich, wird ein Abschaltvorgang eingeleitet. Ein Highside Schalter 30 schaltet die positive Versorgungsspannung. Die Versorgungsspannung beträgt im vorliegenden Fall 24V. Dieser Wert schließt keine Versorgungsspannngsschwankungen in einem tolerierbaren Bereich mit ein. Ein Lowside Schalter 40 schaltet die negative
Versorgungsspannung. Im Ausführungsbeispiel wird gegen Masse geschaltet. Ein Aktor 50 stellt hier die Last dar. Der Aktor kann beispielsweise eine
Magnetspule sein, welcher ein hydraulisches Ventil betätigt. Eine Stopp- und Schutzeinrichtung 60 begrenzt auch die Ansteuerspannung von 40, wenn 40 als FET ausgeführt ist und sollte die Ansteuerlogik ausfallen.
Figur 2 zeigt eine Schaltung 1 zur Spannungsbegrenzung, aber auch zur Sicherheitsabschaltung einer Endstufe.
UBRN24V stellt die Versorgungsspannung dar. Die Versorgungsspannung beträgt beispielsweise 24V. Der Wert schließt keine
Versorgungsspannngsschwankungen in einem tolerierbaren Bereich mit ein. Zwei Highside Schalter sind als rote Blöcke dargestellt. Sie schalten die positive Versorgungsspannung. Zwei Lowside Schalter sind als grüne Blöcke dargestellt. Der erste Low Side Schalter wird im Ausführungsbeispiel nach Figur 2 durch den Transistor TI zusammen mit der Diode D2 dargestellt. Der zweite Lowside Schalter wird als weitere Realisierungsvariante im Ausführungsbeispiel nach Figur 2 durch den Transistor T2 zusammen mit der Diode D3 dargestellt.
Eine externe Last ist als zwei blaue Blöcke und im Ausführungsbeipiel durch die zwei Induktivitäten extjoadl und ext_Load2 dargestellt.
Eine Funktion„abschaltbaren Endstufe“ (ABE) ist im Ausführungsbeipiel der Abschaltpfad. Im Fall, dass kein Fehler vorliegt, liegt das Potential an ABE beispielsweise zwischen 4,5 und 5,5 V. Q4 ist leitend.
D7 begrenzt die Spannung am Punkt 7 im Ausführungsbeispiel auf 6,2V. Das Potential am Punkt 6 beträgt in dem Fall 6,7 V und die Spannung am Punkt 2 beträgt maximal 6 V.
Im Normalbetrieb erfolgt das Einschalten der FETs über RI, R5, R2, R6, danach über die Basis- Emitter- Strecke der Ql und Q2, danach über R3, und R7. Im Normalbetrieb erfolgt das Abschalten der FETs durch G_LSx über RI, R5, dann über R2, Dl, danach über die Basis- Emitter- Strecke von Q6 bzw. R7 auf die Gates der FETs. R4, R8 helfen zudem beim Abschalten, indem die Ladung auf dem Gate der FETs über den Widerstand zusätzlich entladen wird. D2 und D3 dienen im vorliegenden Fall dem Freilauf für die extern angeschlossenen Lasten (ext_Loadl & ext_Load2) an TI und T2.
Im Fehlerfall ist das Potential an ABE Null. Q4 ist in dem Fall gesperrt und Q3 ist über RIO und Rll eingeschaltet. Somit können Ql und Q2 nicht mehr eingeschaltet werden, weil hierfür die erforderliche Spannung/der erforderliche Strom dazu fehlt.
Das Potential am Punkt 7 wird auf Null gezogen. Der Transsitor Q2 leitet nicht mehr, sodass das Potential über R8 an GLS2 auf Null gezogen wird. Das Gate von T2 wird also über den passiven Widerstand R8 entladen, sodaß T2 abgeschaltet wird. Bei TI wird sowohl über den passiven Widerstand R2 entladen, als auch aktiv über den Transistor Q6.
Da der Steuerstrom (Emitter- Basis-Strecke)von Q6 von GLS1 über Q6, danach über D6 über den aktiv geschalteten Q3 gegen Masse (GND) abfließt, wird effektiv GLS1 auch über den Laststrom von Q6 (Emitter- Kollekor-Strecke) kurzgeschlossen, also entladen. Ql bleibt dabei inaktiv. Damit sind beide Lowside Schalter TI und T2 nicht mehr ansteuerbar von G_LS1 und G_LS2 aus. R15 ist für das definierten Abschalten von Q4 zuständig, R12 für das definierte Abschalten von Q3, sowie R17 für das definierte Abschalten von Q5 zuständig.
RI, R3 sowie R5, R7 dienen als Strombegrenzung für G_LSx zu den Gates der FETs. R2 & R6 dient als Basis-Widerstand für die Transistoren Ql & Q2.
Gleiches gilt für R13, welches der Basis-Widerstand für Q4 ist, Rll für Q3, R16 für Q5.
Der Strom fließt bei Abschaltung über die Dioden D5 und D6 nach Q3 oder Q5 ab. C2 und C4 stabilisieren die Spannungen an den Gates der FETs.
Beim Abschalten wird C4 über die Widerstände entladen. R9 dient der
Strombegrenzung für die Spannungsbegrenzung (hier Z-Diode) D7, wobei R9 auch als Konstantstromquelle realisiert sein kann.
Claims
1. Schaltung (1) zur Spannungsbegrenzung und zur Abschaltung eines Gates
eines FETs mit einer Ansteuerlogik (10) und einer Abschaltlogik (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung eine Stopp- und Schutzeinrichtung (60) aufweist, die sowohl zur Spannungsbegrenzung als auch zur Abschaltung eines Gates vorgesehen ist.
2. Schaltung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Abschaltung von TI über die Bauelemente R4 und Q6 und/oder Ql erfolgt, wobei der Strom bei Abschaltung über D6 und/oder Q3 und/oder Q5 abfließt.
3. Schaltung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Abschaltung von T2 über die Bauelemente Q2 und R8 erfolgt, wobei der
Strom bei Abschaltung über D5 und/oder Q3 sowie und/oder Q5 abfließt.
4. Schaltung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer
Überspannung die Gate-Spannungen UGatel und UGate2 an den Transistoren TI und T2 auf einen maximalen Wert begrenzt werden, wobei der maximale Wert unterhalb der maximal zulässigen Spannungen der Gates von TI und T2 liegt, welcher hauptsächlich durch die Spannungsbegrenzung des Bauteils D7 dargestellt wird.
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