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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Eine
Schaltungsanordnung zum Schalten einer induktiven Last mit einer
Schutzbeschaltung ist beispielsweise aus der
DE 198 41 227 C1 bekannt. Die
bekannte Schaltungsanordnung dient zum Schalten einer induktiven
Last, die in Reihenschaltung mit einem ansteuerbaren Schaltelement
an den Polen einer Spannungsquelle liegt, wobei eine Schutzbeschaltung
zum Schutz des Schaltelements vor zu hohen Abschaltspannungen vorgesehen
ist, welche im Falle einer Überschreitung
einer vorbestimmten Schutzschwelle durch die Abschaltspannung das
Schaltelement zwangsweise in einen leitenden Zustand steuert.
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Zum
Schutz vor zu hohen Abschaltspannungen am Drain des als FET ausgebildeten
Schaltelements ist als Schutzbeschaltung zwischen dem Gate und dem
Drain des FET eine Reihenschaltung einer zum Drain hin stromleitenden
Zenerdiode, einer zum Gate hin stromleitenden Sperrdiode und eines
Widerstandes angeordnet. Wenn beim Abschalten des FET eine im Wesentlichen
durch die Zenerspannung der Zenerdiode bestimmte Schutzschwelle
durch die Abschaltspannung überschritten
wird, so bricht die Zenerdiode durch und es fließt ein Strom vom Drain zum
Gate, so dass der FET zwangsweise wieder in einen leitenden Zustand
gesteuert wird, bis die gespeicherte Energie in der induktiven Last
nennenswert abgebaut ist (so genanntes ”clamping” der Abschaltspannung).
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Problematisch
ist bei diesem Stand der Technik in vielen Anwendungsfällen die ”richtige
Wahl” der Schutzschwelle
(Zenerspannung), die einerseits nicht zu klein sein sollte, um ein
möglichst
rasches Abschalten der induktiven Last zu ermöglichen, und andererseits nicht
zu groß sein
sollte, um eine Schädigung
oder gar Zerstörung
des ansteuerbaren Schalt elements zuverlässig zu verhindern. In der Praxis
muss daher eine Schutzschwelle gewählt werden, die mit einem gewissen
Sicherheitsabstand unterhalb der eigentlich optimalen Schutzschwelle
liegt.
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Die
gattungsbildende
JP
2006-352931 A offenbart eine Schaltungsanordnung zum Schalten
einer induktiven Last, die eine Schutzbeschaltung zum Schutz des
Schaltelements vor zu hohen Abschaltspannungen aufweist. Gemäß den dortigen
Ausführungsbeispielen
kann diese Schutzbeschaltung entweder mit zwei Zenerdioden gebildet
sein, von denen eine über
einen Transistor kurzgeschlossen werden kann, wenn dieser von einem
Temperatursensor angesteuert wird. Alternativ ist die Parallelschaltung von
zwei Serienschaltungen aus einer Zenerdiode und einem Transistor
offenbart, wobei die Transistoren von einem Temperatursensor über eine
Steuerschaltung ansteuerbar sind. Es ist außerdem offenbart, dass auch
mehrere Zenerdioden und mehrere Transistorschalter sowie mehrere
Temperatursensoren vorgesehen sein können. Hierdurch soll ein empfindlicher Übertemperaturschutz
erreicht werden. Bei der Ausführung
gemäß der
3 der
JP2006-352931 sollen
die beiden Transistoren jedoch gleichzeitig angesteuert werden.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art hinsichtlich der Wahl der Schutzschwelle zu
verbessern. Insbesondere soll die Erfindung besonders rasche Abschaltvorgänge ermöglichen, ohne
hierbei jedoch die Gefahr einer Schädigung des Schaltelements zu
vergrößern.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
Die abhängigen
Ansprüche
betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß der Erfindung
umfasst die Zenerdiodenanordnung mehrere, in Reihenschaltung angeordnete
Zenerdioden durch die die Absenkung der Schutzschwelle durch eine Überbrückung eines
Teils dieser Zenerdioden bewerkstelligt wird.
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Es
sind mehrere verschiedene Temperaturschwellen vorgesehen, deren
sukzessive Überschreitung
eine entsprechende sukzessive Absenkung der Schutzschwelle bewirkt.
Mit anderen Worten kann die Absenkung der Schutzschwelle auch in mehreren
diskreten Stufen erfolgen. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, die
Schutzschwelle sehr genau den momentanen Erfordernissen anzupassen.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
ist gekennzeichnet durch einen Temperatursensor zur Erfassung einer
Temperatur im Bereich des Schaltelements und eine Steuereinrichtung
zur Absenkung der Schutzschwelle im Falle einer übermäßigen Temperatur.
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Die
Grundidee der Erfindung besteht somit darin, die Schutzschwelle
bedarfsweise abzusenken, nämlich
in Abhängigkeit
von einem Parameter (Temperatur des Schaltelements), welcher ebenso
wie der Wert der Abschaltspannung selbst die Gefahr einer Schädigung des
Schaltelements beeinflusst.
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Zu
den betreffenden Zenerdioden kann in Reihenschaltung in an sich
bekannter Weise z. B. ein Widerstand und/oder eine Sperrdiode angeordnet sein.
Im Normalfall (bei nicht abgesenkter Schutzschwelle) kann die Schutzschwelle
dann z. B. im Wesentlichen der Zenerspannung bzw. der Summe der Zenerspannungen
entsprechen.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass der Temperatursensor als Halbleitersensor auf demselben
Substrat wie das Schaltelement ausgebildet ist. In einer Weiterbildung
ist vorgesehen, dass noch weitere Komponenten der Schaltungsanordnung
als integrierte Schaltung auf demselben Substrat ausgebildet sind.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung ist beispielsweise vorgesehen, dass
alle wesentlichen Komponenten der Schaltungsanordnung in einer integrierten
Schaltung zusammengefasst sind.
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Dabei
kann es sich insbesondere um eine integrierte Leistungsendstufe
zum Schalten der induktiven Last handeln, wobei das ansteuerbare
Schaltelement, der Temperatursensor, die Steuereinrichtung, die
Schutzbeschaltung sowie die Mittel zur bedarfsweisen Absenkung der
Schutzschwelle auf dem selben Substrat ausgebildet sind.
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Eine
besonders bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
besteht für
eine Leistungsendstufe zum Schalten einer oder mehrerer induktiver
Lasten im Bereich einer Automobilelektronik. Insbesondere kann die
Schaltungsanordnung in einem Motorsteuergerät zur Steuerung von Funktionen
einer Brennkraftmaschine vorgesehen sein.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die induktive Last eine Erregerwicklung eines Magnetaktors,
insbesondere die Erregerwicklung eines Magnetventils darstellt.
Im Bereich der Automobilelektronik kann die induktive Last beispielsweise die
Erregerwicklung eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine
darstellen. Insbesondere in einem derartigen Anwendungsfall müssen die
einzelnen Lasten mit möglichst
exakt einzuhaltenden Schaltzeiten angesteuert werden, wofür die Realisierbarkeit
von raschen Abschaltvorgängen
von besonderem Vorteil ist.
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Was
die Ausbildung des ansteuerbaren Schaltelements anbelangt, so kann
vorteilhaft auf an sich bekannte Gestaltungen aus dem Bereich von Schaltungsanordnungen
der hier interessierenden Art zurückgegriffen werden. Bevorzugt
ist ein ansteuerbares Halbleiterschaltelement wie ein Transistor vorge sehen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist
ein solcher Transistor in DMOS(= ”doppelt dotiert MOS”)-Technologie
(z. B. als DMOS-FET) ausgebildet.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf
die beigefügte
Zeichnung weiter beschrieben. Es stellt dar:
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1 ist
ein Schaltbild einer Leistungsendstufe zum Schalten einer induktiven
Last.
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1 zeigt
eine Endstufe 10 zum Schalten einer induktiven Last L1
(z. B. Erregerwicklung eines Kraftstoffeinspritzventils), die in
Reihenschaltung mit einem Schalttransistor T an den Polen einer
Spannungsquelle Vbat liegt, bei welcher es sich im dargestellten
Ausführungsbeispiel
z. B. um die Batterie eines Kraftfahrzeuges handelt.
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Der
in der Figur eingezeichnete Widerstand R2 symbolisiert den in der
Praxis stets vorhandenen ohmschen Anteil der betreffenden Lastimpedanz.
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Das
Einschalten und Ausschalten des hier als FET ausgebildeten Schalttransistors
T wird durch eine Steuerspannung Us gesteuert, welche durch einen
(nicht dargestellten) Schaltungsteil der Endstufe 10 erzeugt
wird und an einem Steuereingang 12 anliegt, der über einen
Widerstand R1 mit dem Steueranschluss (hier: Gate) des Schalttransistors
T verbunden ist. Das Potenzial am Gate bzw. einem Schaltungsknoten
K1 bestimmt den Zustand des Transistors T. Der Transistor T beginnt
zu leiten, wenn dessen Gate-Source-Spannung die betreffende Schwellenspannung
des Transistors übersteigt.
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Beim
Einschalten des Transistors T kommt es in an sich bekannter Weise
zu einem Anstieg des durch die induktive Last L1 fließenden Laststromes bis
maximal auf einen Wert, der dem Quotienten aus der Versorgungsspannung
(Spannungsquelle Vbat) und dem ohmschen Widerstandsanteil R2 entspricht.
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Beim
Ausschalten des Transistors T, z. B. durch Anlegen eines Potenzials ”0” an dem
Steuereingang 12, welches der elektrischen Masse GND entspricht),
baut sich auf Grund der Selbstinduktion in der induktiven Last L1
eine mehr oder weniger große
Abschaltspannung zwischen dem Drain und der Source des Transistors
T auf, die in der Praxis zumeist auf einen Wert ansteigt, der ein
Vielfaches der Versorgungsspannung darstellt. Da der Transistor
T auch in seinem ausgeschalteten Zustand keinen unendlich großen Widerstand
besitzt, fließt
in dieser Abschaltphase ein gewisser Strom durch den Transistor T,
der zu einer unter Umständen
gefährlich
großen Verlustleistung
im Transistor führt.
Insbesondere besteht in dieser Abschaltphase aufgrund des erhöhten Stroms
und/oder der erhöhten
Spannung die Gefahr einer Schädigung
wenn nicht sogar Zerstörung
des Transistors T bzw. eines diesen Transistor enthaltenden elektronischen
Bausteins.
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Um
diese Gefahr zu beseitigen, ist zwischen dem mit der Last L1 verbundenen
Anschluss (Drain) des Transistors T bzw. einem Schaltungsknoten
K2 und dem Steueranschluss (Gate) des Transistors T bzw. dem Schaltungsknoten
K1 eine Schutzbeschaltung 14 vorgesehen, welche im Falle
einer Überschreitung
einer vorbestimmten Schutzschwelle durch die Abschaltspannung den
Transistor T zwangsweise in einen leitenden Zustand steuert.
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Die
Schutzbeschaltung 14 besteht wie dargestellt aus einer
Reihenschaltung von 8 Zenerdioden D2 bis D9 sowie einer Sperrdiode
D1. In diesem Beispiel ergibt sich die Schutzschwelle im Wesentlichen
durch die Summe der einzelnen Zenerspannungen (die Flussspannung
der Sperrdiode D1 und die Gate-Source-Spannung des Transistors T
sind demgegenüber
in erster Näherung
vernachlässigbar). Wenn
die Abschaltspannung diese Schutzschwelle überschreitet, so brechen die
Zenerdioden D2 bis D9 durch und es fließt ein das Potenzial am Schaltungsknoten
K1 erhöhender
Strom über
die Dioden D1 bis D9, so dass auf Grund eines leitenden Zustands
des Transistors T eine Verringerung bzw. Begrenzung der Abschaltspannung
auf ein unbedenkliches Maß bewirkt
wird. Dieses Maß entspricht
etwa der Summe der 8 Zenerspannungen.
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Eine
Besonderheit der Endstufe 10 besteht darin, dass außerdem ein
Temperatursensor 16 zur Erfassung der Temperatur des Transistors
T und eine Steuereinrichtung 18 zur Absenkung der Schutzschwelle
im Falle Einer Erfassung einer übermäßigen Temperatur
vorgesehen sind.
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Diese
bedarfsweise Absenkung der Schutzschwelle funktioniert im dargestellten
Ausführungsbeispiel
wie folgt:
Wenn der z. B. als Halbleitersensor in der Nähe des Transistors
T ausgebildete Temperatursensor 16 erfasst, dass die Temperatur
eine z. B. fest vorgegebene Temperaturschwelle überschreitet, so bewirkt die Steuereinrichtung 18 das
Schließen
eines ansteuerbaren Schaltelements U1. Ein Ausgangssignal st des Temperatursensors 16 wird
hierzu der Steuereinrichtung 18 zugeführt. Der Schalter U1 ist bevorzugt
als Transistor, insbesondere FET ausgebildet und im dargestellten
Ausführungsbeispiel
in Reihenschaltung mit einem Widerstand R10 zwischen dem Schaltungsknoten
K2 und einem Schaltungsknoten K3 angeordnet, der sich zwischen den
Zenerdioden D4 und D5 befindet.
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Beim
Schließen
des Schalters U1 wird somit ein Teil der in Reihenschaltung angeordneten
Zenerdioden D2 bis D9 (nämlich
der Teil D5 bis D9) überbrückt. Dies
hat zur Folge, dass der Schutzmechanismus (Durchbrechen der Zenerdioden)
empfindlicher reagiert bzw. die Schutzschwelle abgesenkt wird. Die abgesenkte
Schutzschwelle entspricht dann der Summe nurmehr der Zenerspannungen
der Zenerdioden D2 bis D4. Der Spannungsabfall an dem Widerstand
R10 wie auch die Flussspannung der in Durchlassrichtung gepolten
Sperrdiode D1 sind gegenüber dieser
Summe der verbleibenden Zenerspannungen praktisch vernachlässigbar.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Zenerdioden D2 bis D9 identisch ausgebildet und besitzen
folglich identische Zenerspannungen. In diesem Fall ergibt sich
durch das temperaturabhängige
Schließen
des Schalters bzw. Schalttransistors U1 eine abgesenkte Schutzschwelle
von etwa 3/8 des ursprünglichen
Werts der Schutzschwelle. Ganz allgemein ist eine Absenkung um wenigstens
30% bevorzugt (im dargestellten Ausführungsbeispiel: ca. 60%).
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
ist folgende, selbstverständlich
lediglich beispielhaft zu verstehende Bauelement-Dimensionierung vorgesehen:
Vbat:
14 V
L1: 13 mH
R2: 13 Ω
Zenerspannungen
der Zenerdioden D2 bis D9: jeweils 6 V
R10: 1 kΩ
R1:
1 kΩ
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Die
Absenkung der Schutzschwelle im Falle der übermäßigen Temperatur des Schalttransistors
T wird in der Praxis dazu führen,
dass bei nachfolgenden Abschaltvorgängen die Schutzbeschaltung 14 entsprechend
empfindlicher bzw. bei einem kleineren Überspannungswert reagiert.
Dementsprechend verringert sich die Verlustleistung im Schalttransistor
T, so dass dessen Temperatur sich wieder normalisiert.
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Eine
fest vorgegebene Temperaturschwelle, bei deren Überschreitung die Steuereinrichtung 18 das
Schließen
des Schalters U1 bewirkt, kann beispielsweise einen Wert besitzen,
der 50 bis 100°C über einer
im ”Normalbetrieb” zu erwartenden
Temperatur im Bereich des Schaltelements T liegt.
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Wenn
die von dem Temperatursensor 16 erfasste Temperatur wieder
dieselbe (oder eine andere) vorbestimmte Temperaturschwelle unterschreitet, so
bewirkt die Steuereinrichtung 18 das Ausschalten des Schalters
U1 und somit wieder eine Anhebung der Schutzschwelle auf den ursprünglichen
Schwellenwert.
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Zusammenfassend
wird mit der beschriebenen Endstufe und deren Schutzbeschaltung
eine Temperatur des die induktive Last schaltenden Schaltelements überwacht
und bei der Festlegung der Schutzschwelle berücksichtigt. Ein besonderer Vorteil
ergibt sich bei der Ausbildung der Schaltung als integrierte Schaltung,
weil in diesem Fall durch einen ”flächenmäßig knapp bemessenen” und somit kostengünstigen
Schalttransistor (z. B. DMOS-FET) dennoch ein zuverlässiger und
den Betriebsbedingungen angepasster Schutzmechanismus bereitgestellt
wird. Der Schutzmechanismus passt sich dynamisch den aktuellen Erfordernissen
an.
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Wenngleich
die Erfindung beispielhaft anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert wurde,
so können
in der Praxis zahlreiche Modifikationen vorgenommen werden.
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Eine
solche Modifikation könnte
beispielsweise darin bestehen, die Anordnung des Schaltelements
im Laststrompfad anstatt masseseitig (”low side”, wie z. B. in 1 dargestellt)
versorgungsseitig (”high
side”)
vorzusehen.
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Eine
andere Modifikation könnte
z. B. darin bestehen, eine Mehrzahl von Überbrückungsschaltern (wie den dargestellten Überbrückungsschalter U1)
vorzusehen und mittels der Steuereinrichtung anzusteuern, um wahlweise
verschiedene Teile der in Reihe geschalteten Zenerdioden zu überbrücken. Solche
weiteren Überbrückungspfade
könnten
z. B. ausgehend von dem Schaltungsknoten K2 über einen jeweiligen Schalter
(und gegebenenfalls Widerstand) zu anderen Schaltungsknoten zwischen
zwei benachbarten der Zenerdioden D2 bis D9 verlaufen.
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Auch
die Anzahl von Zenerdioden lässt
sich selbstverständlich
auch abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel modifizieren.