DE10150752A1

DE10150752A1 - Car electro-hydraulic brake system actuator, comprises electric valve coil and switch, has freewheel device to store coil energy, uses de-clamping module to tap the coil stored energy to return valve from working to base position

Info

Publication number: DE10150752A1
Application number: DE2001150752
Authority: DE
Inventors: Matthias Goecke
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2001-10-13
Filing date: 2001-10-13
Publication date: 2003-04-17
Anticipated expiration: 2021-10-14
Also published as: DE10150752B4

Abstract

The actuator consists of an electric valve coil (4) and a switch (1), (dis)connecting the coil to and from electric power source (5). A freewheel device (2) stores the coil energy, while the coil is held in working position. A de-clamping module (3) taps the coil stored energy to return the valve from working to base position. The de-clamping module is in series between coil and switch, while the freewheel device is in parallel to the coil and de-clamping module.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ventiltreiber zur Betätigung eines Ventils gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The invention relates to a valve driver for actuating a Valve according to the preamble of claim 1.

Insbesondere hydraulische Systeme mit elektronischer Regelung enthalten als wesentliche Komponenten Ventiltreiber für Ventile, mit denen der hydraulische Druck in der gewünschten Weise elektronisch gesteuert oder geregelt wird. Zu diesen hydraulischen Systemen gehören z. B. elektrohydraulische Bremsanlagen (EHB), insbesondere Blockierschutzregelung (ABS), Antriebsschlupfregelungssysteme (ASR), elektronische Systeme zur Bremskraftverteilung (EBV) und elektronische Stabilisierungssysteme (ESP). In diesen Systemen werden die Ventile oder Teile davon in elektromagnetischen Ventilspulen angeordnet. Bei der Bestromung der Spulen werden Magnetfelder erzeugt, mit denen die Ventile betätigt werden. Die Stromzufuhr der Spulen wird über Transistoren geregelt. Bei den oben genannten Systemen wird die elektrische Energie dem Bordnetz, das heißt einer Gleichspannungsquelle entnommen und mittels der Ventilspule in magnetische Energie umgewandelt, die dann dazu verwendet wird, ein Ventil von einer Grundstellung, das heißt die Lage des Ventils ohne Einwirkung eines Magnetfeldes, in mindestens eine gewünschte Arbeitsstellung, bei Einwirkung eines Magnetfeldes zu bewegen. In particular hydraulic systems with electronic control contain as essential components valve drivers for valves with which the hydraulic pressure is electronically controlled in the desired manner or is regulated. These hydraulic systems include e.g. B. electrohydraulic brake systems (EMS), in particular Anti-lock control (ABS), traction control systems (ASR), electronic Brake force distribution (EBV) and electronic systems Stabilization systems (ESP). In these systems, the valves or parts thereof in electromagnetic valve coils. In the When the coils are energized, magnetic fields are generated with which the Valves are operated. The power supply to the coils is over Transistors regulated. In the above systems, the electrical energy to the electrical system, that is, a DC voltage source removed and by means of the valve coil into magnetic energy converted, which is then used to valve a valve Home position, that is, the position of the valve without any action Magnetic field, in at least one desired working position, at To move a magnetic field.

Ein solcher Ventiltreiber für ein 14 V Bord-Netz ist in Fig. 1 abgebildet. Dieser befindet sich beispielsweise in heutigen EHB-Systemen für Kraftfahrzeuge. Hierbei wird beim Bremsen die Energiezufuhr von der Gleichspannungsquelle 5, mit der Spannung U_Bat = 14 V, zur Ventilspule 4 über eine Puls-Weiten-Modulation (PWM) gesteuert. Diese PWM erfolgt mithilfe einer Schaltvorrichtung 1, beispielsweise eines Transistors T₁. Bei diesem Transistor T₁ handelt es sich um einen n-Kanal MOS-FET, dessen DRAIN-Anschluss mit der Spule 4 verbunden ist und dessen SOURCE- Anschluss auf Masse liegt, so dass im PWM-Betrieb beim kurzen EIN- und AUS-Schalten (z. B.: t_PWMein ≍ t_PWMaus ≍ 0,2 ms) des MOS-FETs, das Ventil in der Ventilspule 4 bedingt durch die Trägheit des Aufbaus auf einer bestimmten Arbeitsstellung gehalten werden kann. Um die in der Ventilspule 4 befindliche Energie zu erhalten, ist parallel zur Ventilspule 4 eine Freilaufvorrichtung 2, insbesondere ein Freilauftransistor T₂, geschaltet, dessen DRAIN-Abschluss mit dem + 14 V-Potential der Gleichspannungsquelle 5 verbunden ist und der den Stromfluss bei der PWM-Ansteuerung in der Ventilspule 4 aufrechterhält. Antiseriell zu diesem Freilauftransistor T₂ ist mit dessen SOURCE-Anschluss der SOURCE-Anschluss einer Abklemmvorrichtung 3, insbesondere eines Lösch- oder Abklemmtransistor T₃, verbunden. Beim langandauernden AB-Schalten des Magnetfeldes t_AB (t_AB >> t_PWMaus, t_AB ≍ 1-2 ms) zieht der Lösch- oder Abklemmtransistor T₃ den Strom schnell aus der Ventilspule 4, so dass sich das Ventil von der Arbeitsstellung in die Grundstellung zurückbewegt. Dieser Abklemmtransistor T₃ wirkt während des Abschaltvorgangs wie eine Zenerdiode, die mit Hilfe des antiseriellen Diodenpaars 11, die im Abklemmtransistor T₃ beinhaltet sind, realisiert wird. Hierbei wird beispielsweise während des Brems-Betriebes der Spulenstrom schnell abgezogen. Der DRAIN-Anschluss des Abklemmtransistors T₃ ist hierbei mit der Ventilspule 4 verbunden. Im Standard-Bremsbetrieb ist dieser Transistor T₃ ständig eingeschaltet. Die Dauer des Abschaltvorgangs t_AB wird durch die Spannung U_T3 des Abklemmtransistors T₃ bestimmt. Um eine Abschaltzeit t_AB von t_AB ≍ 1-2 ms zu erreichen, sollte diese bei einem 14 V-Bordnetz ca. U_T3 = 20 V betragen. Um die Verluste im Ventiltreiber möglichst gering zu halten, sollte der Widerstand der beiden Transistoren T₂ und T₃ im gesamten Freilaufpfad genauso hoch sein wie der Widerstand von dem Schalttransistor T₁: R_DSonT1 = R_DSonT2+ R_DSonT3. Sind die Widerstände von T₂ und T₃ gleich groß mit R_DSonT2 = R_DSonT3 = R_DSon, dann gilt:

R_DSonT1 = 2 × R_DSon.
Such a valve driver for a 14 V on-board network is shown in FIG. 1. This can be found, for example, in today's EMS systems for motor vehicles. During braking, the energy supply from the DC voltage source 5 , with the voltage U _Bat = 14 V, to the valve coil 4 is controlled via pulse width modulation (PWM). This PWM takes place with the aid of a switching device 1 , for example a transistor T ₁ . This transistor T ₁ is an n-channel MOS-FET, the DRAIN connection of which is connected to the coil 4 and the SOURCE connection is connected to ground, so that in PWM operation, the ON and OFF switching is brief ( _e.g .: t _PWMein ≍ t _PWMaus ≍ 0.2 ms) of the MOS-FET, the valve in the valve coil 4 can be kept in a certain working position due to the inertia of the structure. In order to obtain the energy contained in the spool 4, is parallel to the spool 4 is a freewheel device 2, in particular a freewheeling transistor T ₂ is switched, whose DRAIN degree is connected to the + 14 V potential of the DC power supply 5 and the current flow in case PWM control maintained in the valve coil 4 . Antiserially to this freewheeling transistor T ₂ , the SOURCE connection of the SOURCE connection of a clamping device 3 , in particular an erasing or clamping transistor T ₃ , is connected to its SOURCE connection. When the magnetic field t _{AB is switched off for a} long time (t _AB >> t _PWMaus , t _AB ≍ 1-2 ms), the quenching or disconnecting transistor T ₃ quickly draws the current out of the valve coil 4 , so that the valve moves away from the working position moved back to the basic position. This clamping transistor T ₃ acts during the switch-off process like a zener diode, which is realized with the aid of the anti-serial diode pair 11 , which are contained in the clamping transistor T ₃ . Here, for example, the coil current is quickly drawn off during braking operation. The DRAIN connection of the clamping transistor T ₃ is connected to the valve coil 4 . In standard braking operation, this transistor T _{3 is} constantly switched on. The duration of the switch-off process t _AB is determined by the voltage U _{T3 of} the clamping transistor T ₃ . In order to achieve a switch-off time t _AB of t _AB ≍ 1-2 ms, this should be approx. U _T3 = 20 V for a 14 V vehicle electrical system. In order to keep the losses in the valve driver as low as possible, the resistance of the two transistors T ₂ and T ₃ in the entire freewheeling _path should be as high as the resistance of the switching transistor T ₁ : R _DSonT1 = R _DSonT2 + R _DSonT3 . If the resistances of T ₂ and T _{3 are} equal with R _DSonT2 = R _DSonT3 = R _DSon , the following applies:

R _DSonT1 = 2 × R _DSon .

Für die Spannungsfestigkeit U_DS(BR) der Transistoren T₁, T₂ und T₃ werden in diesem Anwendungsbeispiel die folgenden Werte festgesetzt:

U_DS(BR)T2 = U_DS(BR)T3 = 25 V und U_DS(BR)T1 = 50 V
The following values are set for the dielectric strength U _{DS (BR) of} the transistors T ₁ , T ₂ and T ₃ in this application example:

U _{DS (BR) T2} = U _{DS (BR) T3} = 25 V and U _{DS (BR) T1} = 50 V

Der Wert für U_DS(BR)T2 = U_DS(BR)T3 von 25 V ergibt sich aus der maximal zulässigen Betriebsspannung und einem beliebig wählbaren Sicherheitsfaktor. The value for U _{DS (BR) T2} = U _{DS (BR) T3} of 25 V results from the maximum permissible operating voltage and any safety factor that can be selected.

Der Wert für U_DS(BR)T1 von 50 V ergibt sich aus der Summe der maximal zulässigen Betriebsspannung, der Spannung U_T3 des Abklemmtransistors und einem beliebig wählbaren Sicherheitsfaktor. The value for U _{DS (BR) T1} of 50 V results from the sum of the maximum permissible operating voltage, the voltage U _{T3 of} the clamping transistor and an arbitrarily selectable safety factor.

Nachteilig bei einem so aufgebauten Ventiltreiber ist es jedoch, dass ein solcher Ventiltreiber für Bordnetze mit einer höheren Versorgungsspannung U_Bat > 14 V nicht mehr verwendet werden kann, da der hierfür benötigte Transistor T₁ nicht mehr mit einem Standardhalbleiterprozess hergestellt werden kann. Würde sich beispielsweise die Versorgungsspannung U_Bat von 14 V auf 42 V verdreifachen, so würde man zur Reduzierung des Spulenstroms I_SP die Windungszahl der Spulenanordnung verdreifachen und bei gleichem Gewicht der Spulenanordnung den Drahtquerschnitt der Windungen dritteln. Dadurch wäre gewährleistet, dass man die gleiche Amperewindungszahl bei dreifacher Spannung erreicht. Der Spulenstrom I_SP würde gedrittelt und damit die Belastung für die Elektronik und deren Komponenten deutlich vermindert. Jedoch müsste dann zur Erreichung der bereits beschriebenen Abschaltzeit, die Spannung U_T3 am Abklemmtransistor T₃ U_T3 = 60 V betragen. Dies hätte dann wiederum zur Folge, dass die Spannungsfestigkeit U_DS(BR) der Transistoren T₁, T₂ und T₃ in diesem Anwendungsbeispiel folgende Werte aufweisen müsste:

U_DS(BR)T2 = U_DS(BR)T3 = 75 V und U_DS(BR)T1 150 V
A disadvantage of such a valve driver is that such a valve driver can no longer be used for on-board networks with a higher supply voltage U _Bat > 14 V, since the transistor T ₁ required for this can no longer be produced using a standard semiconductor process. If, for example, the supply voltage U _Bat tripled from 14 V to 42 V, the number of turns of the coil arrangement would be tripled in order to reduce the coil current I _SP , and the wire cross-section of the turns would be divided into three with the same weight of the coil arrangement. This would ensure that the same number of ampere turns at triple voltage would be achieved. The coil current I _SP would be divided into three, thus significantly reducing the load on the electronics and their components. However, in order to achieve the switch-off time already described, the voltage U _T3 at the clamping transistor T ₃ U _T3 = 60 V should be. This would in turn have the consequence that the dielectric strength U _{DS (BR) of} the transistors T ₁ , T ₂ and T ₃ would have to have the following values in this application example:

U _{DS (BR) T2} = U _{DS (BR) T3} = 75 V and U _{DS (BR) T1} 150 V

Aufgrund der dreifach höheren Betriebsspannung ergeben sich ca. dreifach höhere Werte für die Durchbruchsspannungen der entsprechenden Transistoren. Due to the three times higher operating voltage, approx. three times higher values for the breakdown voltages of the corresponding transistors.

Eine Spannungsfestigkeit von U_DS(BR)T1 = 150 V ist mit einem Standard- Halbleiterprozess nur schwer zu realisieren. Die für eine solche Spannungsfestigkeit benötigte Halbleiterfläche wäre zu groß für einen Standardherstellungsprozess. A dielectric strength of U _{DS (BR) T1} = 150 V is difficult to achieve with a standard semiconductor process. The semiconductor area required for such dielectric strength would be too large for a standard manufacturing process.

Aufgabe der Erfindung ist es einen Ventiltreiber aufzuzeigen, der sich für höhere Bordnetzspannungen eignet und mit Standardkomponenten aufgebaut werden kann. The object of the invention is to demonstrate a valve driver which is suitable for higher electrical system voltages and with standard components can be built.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. Hierbei wird die Abklemmvorrichtung, die den gespeicherten Spulenstrom schnell abführt, seriell zwischen der Ventilspule und der Schaltvorrichtung angeordnet und die Freilaufvorrichtung wird parallel zur dieser Abklemmvorrichtung und zur Ventilspule eingebaut. This object is achieved by the features in Characteristic of claim 1 solved. Here, the Disconnecting device that quickly dissipates the stored coil current, arranged in series between the valve coil and the switching device and the freewheel device is parallel to this clamping device and built into the valve spool.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass derartige Ventiltreiber kostengünstig aufgebaut werden können, da beispielsweise für das 42 V- Bordnetz 20% der Transistorfläche eingespart werden kann. Ferner kann mit einem solchen Aufbau eine zusätzliche Schaltfunktion genutzt werden. The advantages of the invention are that such valve drivers can be set up inexpensively, for example for the 42 V Vehicle electrical system can save 20% of the transistor area. Furthermore, with such a structure, an additional switching function can be used.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Hierbei können die Halbbrücken bestehend aus dem Freilauf- und dem Schalttransistor für mehrere Spulen, die nicht gleichzeitig angesteuert werden müssen, zusammengefasst werden. Auch ergeben sich zusätzliche Vorteile, wenn es sich bei den Transistoren um MOS-FETs handelt, die pulsweitenmoduliert betrieben werden. Advantageous further developments result from the subclaims. Here, the half bridges consisting of the freewheel and the Switching transistor for several coils that are not activated at the same time must be summarized. Also arise additional advantages if the transistors are MOS-FETs acts that are operated pulse width modulated.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mithilfe der Figuren näher erläutert werden. Es zeigen: In the following, the invention will be described with the aid of exemplary embodiments of the figures are explained in more detail. Show it:

Fig. 1 herkömmlicher Ventiltreiber Fig. 1 conventional valve driver

Fig. 2 Ventiltreiber mit Halbbrücke Fig. 2 valve driver with half bridge

Fig. 3 Ventiltreiber mit Ansteuerschaltung Fig. 3 valve driver with control circuit

Fig. 4 Diagramm der Ein-, Aus- und Abschaltzeiten Fig. 4 diagram of the on, off and off times

Fig. 2 zeigt einen Ventiltreiber mit einer Halbbrücke. Die Halbbrücke besteht aus der Schalt- und der Freilaufvorrichtung 1 und 2, die in diesem Ausführungsbeispiel von den zwei Transistoren T₁ und T₂ gebildet werden, die seriell zwischen der Versorgungsspannung U_Bat 5 und dem Masseanschluss angeordnet sind. In diesem Anwendungsbeispiel ist der DRAIN-Anschluss eines n-Kanal MOS-FET T₂, der den Freilauftransistor 2 ausbildet, mit der Versorgungsspannung U_Bat 5 verbunden. Der SOURCE- Anschluss von T₂ ist mit dem DRAIN-Anschluss eines n-Kanal MOS-FET T₁, der den Schalttransistor 2 ausbildet, verbunden. Der SOURCE- Anschluss von T₁ ist auf Masse gelegt. Parallel zum Freilauftransistor T₂ ist die Ventilspule 4 angeordnet, wobei sich seriell zur Ventilspule 4 ein dritter n-Kanal MOS-FET 3, der als Lösch- oder Abklemmtransistor T₃ dient, befindet. Dieser Abklemmtransistor T₃ arbeitet wie eine Zenerdiode, aufgrund des antiseriellen Diodenpaars 11, die im Abklemmtransistor T₃ beinhaltet sind. Dadurch wird beim Abschaltvorgang die Energie schnell aus der Ventilspule 4 gezogen. Der DRAIN-Anschluss des Abklemmtransistors T₃ ist hierbei mit einem Anschluss der Spule 4 verbunden, während der andere Anschluss der Spule 4 mit der Versorgungsspannung U_Bat 5 in Verbindung steht. Weiter ist die Schaltung so aufgebaut, dass der Abklemmtransistor T₃ und der Freilauftransistor T₂ einen gemeinsamen SOURCE-Anschluss aufweisen. Alternativ dazu können die beiden Transistoren T₂ und T₃ auch einen gemeinsamen DRAIN-Anschluss aufweisen. Fig. 2 shows a valve driver with a half bridge. The half-bridge consists of the switching and the freewheel device 1 and 2 , which in this embodiment are formed by the two transistors T ₁ and T ₂ , which are arranged in series between the supply voltage U _Bat 5 and the ground connection. In this application example, the DRAIN connection of an n-channel MOS-FET T ₂ , which forms the freewheeling transistor 2 , is connected to the supply voltage U _Bat 5 . The SOURCE connection of T ₂ is connected to the DRAIN connection of an n-channel MOS-FET T ₁ , which forms the switching transistor 2 . The SOURCE connection of T ₁ is grounded. In parallel with the freewheeling transistor T _2, the spool 4 is arranged, wherein a third n-channel MOS FET 3, serving as erase or Abklemmtransistor T _3, located in series with the valve spool. 4 This clamping transistor T ₃ works like a Zener diode, due to the anti-serial diode pair 11 , which are contained in the clamping transistor T ₃ . As a result, the energy is quickly drawn out of the valve coil 4 during the shutdown process. The DRAIN connection of the clamping transistor T ₃ is connected to one connection of the coil 4 , while the other connection of the coil 4 is connected to the supply voltage U _Bat 5 . Furthermore, the circuit is constructed in such a way that the disconnect transistor T ₃ and the freewheel transistor T _{2 have} a common SOURCE connection. Alternatively, the two transistors T ₂ and T _{3 can} also have a common DRAIN connection.

Bei dieser Anordnung wird die Energiezufuhr von der Gleichspannungsquelle 5 zur Ventilspule 4 über eine Puls-Weiten- Modulation (PWM) mit dem Schalttransistor T₁ gesteuert. Jedoch bewirkt dieser Ventiltreiber, dass beim ABS-Betrieb der Abklemmtransistor T₃ immer gleichzeitig mit dem Schalttransistor T₁ ausgeschaltet wird und nicht, wie bisher üblich, die ganze Zeit eingeschaltet bleibt. In this arrangement, the energy supply from the DC voltage source 5 to the valve coil 4 is controlled by means of pulse width modulation (PWM) with the switching transistor T ₁ . However, this valve driver has the effect that, in ABS operation, the disconnect transistor T _{3 is} always switched off simultaneously with the switching transistor T ₁ and does not remain switched on all the time, as was customary hitherto.

Beim PWM-Betrieb wird während des kurzen EIN- und AUS-Schaltens (z. B.: t_PWMein ≍ t_PWMaus ≍ 0,2 ms) des Schalttransistors T₁ das Ventil in der Ventilspule 4 bedingt durch die Trägheit des Aufbaus auf einer bestimmten Position gehalten. Um die in der Ventilspule 4 befindliche Energie zu erhalten, ist parallel zur Ventilspule 4 der Freilauftransistor T₂ geschaltet, dessen DRAIN-Abschluss mit dem U_Bat-Potential, das beispielsweise für neuere Bordnetzsysteme U_Bat = 42 V beträgt, der Gleichspannungsquelle verbünden ist und der den Stromfluss bei der PWM-Ansteuerung in der Ventilspule 4 aufrechterhält. Antiseriell zu diesem Freilauftransistor 2 ist der Abklemmtransistor T₃ angeordnet, der beim langandauernden AB-Schalten des Magnetfeldes t_AB (t_AB >> t_PWMaus, t_AB ≍ 1-2 ms) den Strom schnell aus der Ventilspule 4 zieht, so dass sich das Ventil von der Arbeitsstellung in die Grundstellung zurückbewegt. Dieser Abklemmtransistor T₃ wirkt während des Abschaltvorgangs wie eine Zenerdiode. Dieser Effekt wird durch das antiserielle Diodenpaar 11, realisiert, das im Abklemmtransistor T₃ beinhaltet ist. Hierbei wird beispielsweise während des Brems-Betriebes der Spulenstrom schnell abgezogen. Der DRAIN-Anschluss des Abklemmtransistors T₃ ist hierbei mit der Spule 4 verbunden. Die Dauer des Abschaltvorgangs t_AB wird durch die Spannung des Abklemmtransistors bestimmt. Um eine Abschaltzeit t_AB von t_AB ≍ 1-2 ms zu erreichen, sollte diese bei einem 42 V-Bordnetz ca. U_T3 = 60 V betragen. Um die Verluste im Ventiltreiber möglichst gering zu halten, sind die Widerstände der drei Transistoren T₁, T₂ und T₃ alle gleich groß und betragen: R_DSonT1 - R_DSonT2 = R_DSonT3 = R_DSon. Im Ausführungsbeispiel können für die Spannungsfestigkeit U_DS(BR) der einzelnen Transistoren T₁, T₂ und T₃ gleich große Werte gewählt werden:

U_DS(BR)T1 = U_DS(BR)T2 = U_DS(BR)T3 = 75 V.
In PWM operation, the valve in the valve coil 4 is caused by the inertia of the structure on a certain one during the brief ON and OFF switching (for example: t _PWMein ≍ t _PWMaus ≍ 0.2 ms) of the switching transistor T ₁ Position held. In order to obtain the energy contained in the spool 4, the freewheeling transistor T ₂ are connected in parallel to the armature 4, whose DRAIN-degree, the DC voltage source is allied with the U _Bat -potential, which is 42 V, for example, newer electrical systems U _Bat = and which maintains the current flow during the PWM control in the valve coil 4 . The clamping transistor T _{3 is} arranged antiserially to this free-wheeling transistor 2 , which quickly pulls the current out of the valve coil 4 when the magnetic field t _AB (t _AB >> t _PWMaus , t _AB ≍ 1-2 ms) is switched off for a long time, so that the valve moves back from the working position to the basic position. This clamping transistor T ₃ acts like a zener diode during the switch-off process. This effect is realized by the anti-serial diode pair 11 , which is contained in the clamping transistor T ₃ . Here, for example, the coil current is quickly drawn off during braking operation. The DRAIN connection of the clamping transistor T ₃ is connected to the coil 4 . The duration of the switch-off process t _AB is determined by the voltage of the pinch transistor. In order to achieve a switch-off time t _AB of t _AB ≍ 1-2 ms, this should be approx. U _T3 = 60 V for a 42 V vehicle electrical system. In order to keep the losses in the valve driver as low as possible, the resistances of the three transistors T ₁ , T ₂ and T _{3 are} all of the same size and are: R _DSonT1 - R _DSonT2 = R _DSonT3 = R _DSon . In the exemplary embodiment, values of the same magnitude can be selected for the dielectric strength U _{DS (BR) of} the individual transistors T ₁ , T ₂ and T ₃ :

U _{DS (BR) T1} = U _{DS (BR) T2} = U _{DS (BR) T3} = 75 V.

Dieser Wert von 75 V ergibt sich aus der Spannung am Abklemmtransistor U_T3 zuzüglich eines frei wählbaren Sicherheitsfaktors oder der maximalen Betriebsspannung zuzüglich eines frei wählbaren Sicherheitsfaktors. This value of 75 V results from the voltage at the clamping transistor U _T3 plus a freely selectable safety factor or the maximum operating voltage plus a freely selectable safety factor.

Bei einem so aufgebauten Ventiltreiber können, insbesondere bei Bordnetzen mit einer höheren Versorgungsspannung U_Bat ≥ 14 V, Transistoren verwendet werden, die mit einem Standardhalbleiterprozess hergestellt werden. Die für den Schalttransistor T₁ benötigte Fläche ist gegenüber der herkömmlichen Lösung stark verkleinert. Bei einem 42 V- Bordnetz können dann ca. 20% der Transistorfläche eingespart werden. With a valve driver constructed in this way, in particular in the case of on-board electrical systems with a higher supply voltage U _Bat ≥ 14 V, transistors can be used which are produced using a standard semiconductor process. The area required for the switching transistor T ₁ is greatly reduced compared to the conventional solution. With a 42 V vehicle electrical system, approximately 20% of the transistor area can be saved.

Auch ist es bei den dargestellten Ausführungen nicht relevant, ob die antiseriell angeordneten Transistoren T₂, T₃ einen gemeinsamen SOURCE- oder einen gemeinsamen DRAIN-Anschluss aufweisen. In the embodiments shown, it is also irrelevant whether the transistors T ₂ , T _{3 arranged in series have} a common SOURCE or a common DRAIN connection.

Ferner lässt sich bei einem solchen Ventiltreiber eine zusätzliche Schaltfunktion realisieren. Tritt beispielsweise eine Fehlfunktion in einem Ventilbereich auf, so muss nicht der Schalter für den gesamten Ventilblock abgeschaltet werden. Die Funktionsfähigkeit der anderen Ventile kann dadurch erhalten bleiben. Furthermore, an additional one can be used with such a valve driver Realize switching function. For example, a malfunction occurs in one Valve area, the switch for the entire valve block does not have to be switched off. The functionality of the other valves can thereby remain.

Ein solcher Aufbau ermöglicht auch die Zusammenfassung der Halbbrücken mehrerer Ventiltreiber, wobei die Spulen nie gleichzeitig über PWM angesteuert werden sollten. Dadurch können bei Aufbauten, die mehrere Ventile beinhalten, mehrere Transistoren eingespart werden. Der Abklemmtransistor T₃ dient dann auch als Entkoppeltransistor. Such a structure also enables the half-bridges of several valve drivers to be combined, whereby the coils should never be controlled simultaneously via PWM. In this way, multiple transistors can be saved in structures which contain several valves. The clamping transistor T ₃ then also serves as a decoupling transistor.

Fig. 3 zeigt einen Ventiltreiber, wie in Fig. 2 bereits erläutert. Jedoch wird in diesem Ausführungsbeispiel eine vereinfachte Ansteuerschaltung gezeigt, die darstellt, wie die GATE-Anschlüsse der einzelnen Transistoren angesteuert werden. Der Freilauftransistor T₃ ist zur Vereinfachung zwischen GATE und SOURCE kurzgeschlossen, so dass nur die intrinsische Diode des Transistors T₃ als Freilaufdiode wirkt. Der GATE-Anschluss des Abklemmtransistors T₂ ist mit einem Monoflop 7 verbunden, das beispielsweise beim ABS-Betrieb ein bremsabhängiges Signal erzeugt. Dieses Signal wird in einem Synchronisierer 8 mit dem Signal eines Frequenzgenerators 6 synchronisiert, der die PWM erzeugt und der über einen ersten Verstärker 10 mit dem GATE des Schalttransistors T₁ verbunden ist. Ein anderer Eingang dieses Verstärkers 10 ist mit dem Ausgang des Synchronisierers 8 verbunden. Dieses Ausgangssignal dient auch als Eingangssignal eines weiteren Verstärkers 9, dessen Ausgangssignal das GATE des Abklemmtransistors T₂ steuert. Der bei einem solchen Aufbau im ABS-Betrieb durch die Ventilspule 4 fließenden Strom I_SP und die an der Ventilspule 4 anliegenden Spannung U_SP ist in Fig. 4 dargestellt. FIG. 3 shows a valve driver, as already explained in FIG. 2. However, in this exemplary embodiment a simplified drive circuit is shown, which represents how the GATE connections of the individual transistors are driven. Of the freewheel transistor _T3 is short-circuited to simplify between gate and source, so that only the intrinsic diode of the transistor T ₃ acts as a freewheeling diode. The GATE terminal of the clamping transistor T ₂ is connected to a monoflop 7 which, for example, generates a brake-dependent signal during ABS operation. This signal is synchronized in a synchronizer 8 with the signal of a frequency generator 6 which generates the PWM and which is connected via a first amplifier 10 to the GATE of the switching transistor T ₁ . Another input of this amplifier 10 is connected to the output of the synchronizer 8 . This output signal also serves as the input signal of a further amplifier 9 , the output signal of which controls the GATE of the clamping transistor T ₂ . The in such a structure in the ABS operating current flowing through the solenoid coil 4 current I _SP and the voltages applied to the spool 4 voltage U _SP is illustrated in Fig. 4.

Fig. 4 zeigt ein Diagramm mit dem zeitabhängigen Stromverlauf I_SP(t) 12 und Spannungsverlauf U_SP(t) 13 während des PWM-Betriebs, bei dem kurzzeitig der Schalttransistor T₁ die Ventilspule 4 EIN und AUS schaltet, wodurch ein Ventil in einer Arbeitsstellung gebracht und gehalten wird und während des Abschaltvorgangs, bei dem die Spule langfristig AB geschaltet wird, wodurch das Ventil in seine Grundstellung zurückkehren kann. Während den ersten 800 µsec wird die Ventilspule 4 gepulst betrieben. Hierbei wird der Schalttransistor T₁ aus Fig. 3 kurzzeitig ein und ausgeschaltet, das heißt kurzzeitig an die Spannungsquelle U_Bat angeschlossen und abgetrennt. Die Zeitdauer des Ein- und Ausschaltvorgangs beträgt ca. t_PWMein ≍ t_PWMaus ≍ 0,2 msec. Während des Pulsbetriebs dient der Freilauftransistor T₂ dazu, den Strom und damit die Energie in der Schaltung zu behalten, so dass sie der Ventilspule 4 nach dem erneuten Einschalten wieder zur Verfügung gestellt werden kann. Beim kurzzeitigen Ausschalten im PWM-Betrieb wird die Spannung U_SP von 40 V Betriebsspannung auf ca. 0,6 V herabgesetzt. Hierbei stellt sich ein Strom I_SP von ca. 330 mA ein, der sägezahnförmig um ca. 5% hin und her schwankt. Beim langfristigen Abschalten der Ventilspule, die das Ventil von einer Arbeitsstellung in eine Grundstellung zurückbewegt, sinkt die Spannung U_SP auf einen Wert von ca. -56 V (Dieser Wert ist relevant für die Spannungsfestigkeit). Gleichzeitig fängt der Spulenstrom I_SP an abzufließen. Bis der Spulenstrom I_SP auf I_SP = 0A abgesunken ist, vergehen t_AB = 2 msec. Sobald kein Strom mehr in der Ventilspule fließt, sinkt die Spulenspannung U_SP asymptotisch von U_SP = -56 V gegen -12 V. Fig. 4 shows a diagram with the time-dependent current curve I _SP (t) 12 and voltage curve U _SP (t) 13 during PWM operation, in which the switching transistor T ₁ switches the valve coil 4 ON and OFF, whereby a valve in one Working position is brought and held and during the shutdown process, in which the coil is switched OFF for a long time, whereby the valve can return to its basic position. The valve coil 4 is operated in a pulsed manner for the first 800 microseconds. The switching transistor T ₁ from FIG. 3 is briefly switched on and off, that is to say briefly connected to the voltage source U _Bat and disconnected. The duration of the switch-on and switch-off process is approx. T _PWMein ≍ t _PWMaus ≍ 0.2 msec. During the pulse operation, the freewheeling transistor T ₂ serves to keep the current and thus the energy in the circuit, so that it can be made available to the valve coil 4 again after it is switched on again. When switching off briefly in PWM mode, the voltage U _{SP is} reduced from 40 V operating voltage to approx. 0.6 V. This results in a current I _SP of approx. 330 mA, which fluctuates in a sawtooth pattern by approx. 5%. When the valve coil is switched off for a long time and moves the valve back from a working position to a basic position, the voltage U _SP drops to a value of approx. -56 V (this value is relevant for the dielectric strength). At the same time the coil current I _SP begins to flow. Until the coil current I _SP has dropped to I _SP = 0A, t _AB = 2 msec. As soon as no more current flows in the valve coil, the coil voltage U _SP drops asymptotically from U _SP = -56 V to -12 V.

Würde das System jetzt wieder eingeschaltet, so würde die Spannung wieder auf +40 V und der Strom auf ca. 330 mA ansteigen. If the system were now switched on again, the voltage would increase back to +40 V and the current to approx. 330 mA.

Claims

1. Ventiltreiber zur Betätigung eines Ventils von einer Grundstellung in eine Arbeitsstellung oder umgekehrt, bestehend aus
einer Ventilspule (4), die bei Zufuhr von elektrischer Energie das Ventil von der Grundstellung in eine Arbeitsstellung bewegt,
einer Schaltvorrichtung (1), welche die Ventilspule mit einer elektrischen Energiequelle (5) verbindet und von einer solchen abtrennt,
einer Freilaufvorrichtung (2), welche die Energie in der Ventilspule speichert, während das Ventil in einer Arbeitsstellung gehalten wird und
einer Abklemmvorrichtung (3), welche die in der Ventilspule gespeicherte Energie schnell abführt, um das Ventil von einer Arbeitsstellung in eine Grundstellung zurückzuführen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Abklemmvorrichtung (3) seriell zwischen der Ventilspule (4) und der Schaltvorrichtung (1) und
die Freilaufvorrichtung (2) parallel zur Ventilspule (4) und zur Abklemmvorrichtung (3) angeordnet ist. 1. Valve driver for actuating a valve from a basic position to a working position or vice versa, consisting of
a valve coil ( 4 ) which moves the valve from the basic position into a working position when electrical energy is supplied,
a switching device ( 1 ), which connects the valve coil to an electrical energy source ( 5 ) and separates it from one,
a freewheel device ( 2 ) which stores the energy in the valve coil while the valve is held in a working position and
a clamping device ( 3 ) which quickly dissipates the energy stored in the valve coil in order to return the valve from a working position to a basic position,
characterized in that
the clamping device ( 3 ) serially between the valve coil ( 4 ) and the switching device ( 1 ) and
the freewheeling device (2) is arranged parallel to the valve spool (4) and Abklemmvorrichtung (3).

2. Ventiltreiber nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (5) eine Gleichspannungsquelle ist, deren Spannung (U_Bat) größer als 12 V ist. 2. Valve driver according to claim 1, characterized in that the energy source ( 5 ) is a DC voltage source, the voltage (U _Bat ) is greater than 12 V.

3. Ventiltreiber nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (1) ein Transistor (T₁), insbesondere ein MOS- FET, ist. 3. Valve driver according to claim 1, characterized in that the switching device ( 1 ) is a transistor (T ₁ ), in particular a MOSFET.

4. Ventiltreiber nach Patentanspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventiltreiber eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung der Schaltvorrichtung (1) aufweist, die bewirkt, dass das Ventil in einer Arbeitsstellung gehalten wird. 4. Valve driver according to claims 2 and 3, characterized in that the valve driver has a pulse-width-modulated control of the switching device ( 1 ), which causes the valve to be held in a working position.

5. Ventiltreiber nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abklemmvorrichtung (3) ein Transistor (T₃), insbesondere ein MOS-FET ist, der wie eine Zenerdiode wirkt und die Energieabfuhr beschleunigt. 5. Valve driver according to claim 1, characterized in that the clamping device ( 3 ) is a transistor (T ₃ ), in particular a MOS-FET, which acts like a Zener diode and accelerates the energy dissipation.

6. Ventiltreiber nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Freilaufvorrichtung (2) ein Transistor (T₂), insbesondere ein MOS- FET, ist. 6. Valve driver according to claim 1, characterized in that the freewheel device ( 2 ) is a transistor (T ₂ ), in particular a MOSFET.

7. Ventiltreiber nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ventilspulen (4) eine gemeinsame Schaltvorrichtung (1) aufweisen. 7. Valve driver according to claim 1, characterized in that several valve coils ( 4 ) have a common switching device ( 1 ).

8. Ventiltreiber nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ventilspulen (4) eine gemeinsame Freilaufvorrichtung (2) aufweisen. 8. Valve driver according to claim 1, characterized in that a plurality of valve coils ( 4 ) have a common freewheel device ( 2 ).