DE102012222944A1 - Parallelschaltung mehrerer Halbbrücken in H-Brücken-Schaltungsbausteinen - Google Patents

Parallelschaltung mehrerer Halbbrücken in H-Brücken-Schaltungsbausteinen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (100) zur Versorgung eines Aggregats (200) in einem Kraftfahrzeug mit Strom, mit wenigstens zwei parallel geschalteten Halbbrücken (111, 112; 121, 122) aufweisend jeweils zwei Transistoren, wobei jede der wenigstens zwei Halbbrücken (111, 112; 121, 122) in einem H-Brücken-Schaltungsbaustein (110, 120) integriert ist, der eine integrierte Recheneinheit (113, 123) aufweist, die dazu eingerichtet ist, einen aktiven Freilauf für die integrierte Halbbrücke (111, 112, 121, 122) nach Maßgabe eines Aktivierungssignals zu aktivieren oder zu deaktivieren.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen.
  • Stand der Technik
  • In Kraftfahrzeugen werden für unterschiedliche Zwecke H-Brücken-Transistorschaltungen verwendet. Aufgrund der relativ rauen Umgebungsbedingungen (Hitze, Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit usw.) werden dafür bspw. zur Ansteuerung von Gleichstrommotoren insbesondere im Bereich des Antriebsstranges (z.B. Drosselklappensteuerungen, Abgasrückführungssysteme, variable Ventilsteuerungen, Turbolader mit variabler Geometrie usw.) meist monolithisch integrierte Schaltungen (im Folgenden als H-Brücken-IC, H-Brücken-Schaltungsbaustein oder H-Brücke bezeichnet) verwendet, die neben einer Anzahl von Halbbrücken mit Schaltungstransistoren auch interne Steuerungs- und Überwachungsfunktionen aufweisen, insbesondere eine interne Strombegrenzung sowie einen automatischen aktiven Freilauf.
  • Die interne Strombegrenzung sorgt dafür, dass der von einer Halbbrücke der H-Brücke für die angeschlossene Komponente zur Verfügung gestellte Strom automatisch (meist durch interne PWM-Ansteuerung des High-Side-Transistors) auf einen bestimmten Wert begrenzt wird. Beim aktiven Freilauf wird in der passiven Phase (High-Side-Transistor aus) die interne Freilaufdiode durch Einschalten des Low-Side-Transistors überbrückt. Dies reduziert die Verlustleistung. Der H-Brücken-IC umfasst zur Bereitstellung dieser Funktionalitäten eine interne Recheneinheit, die auch über eine Schnittstelle, z.B. eine Bus-Schnittstelle (z.B. SPI-Bus), verfügen kann. Über die Schnittstelle kann eine Konfiguration und Ansteuerung des H-Brücken-ICs erfolgen und Daten können ausgelesen werden.
  • Der "intelligente" Aufbau der H-Brücken-ICs bereitet jedoch Schwierigkeiten, da Halbbrücken aus solchen H-Brücken-ICs nicht parallel (Eingänge und Ausgänge parallel) geschaltet werden können, weil hier ungewollt große Querströme zwischen einzelnen Halbbrücken entstehen können, z.B. wenn sich bei Überstromsituationen nicht alle Halbbrücken synchron (d.h. gleichzeitig ein und aus) in der Strombegrenzung befinden.
  • Es ist jedoch in bestimmten Situationen, z.B. bei hohen Strömen und/oder hohen Temperaturen, wünschenswert, zwei oder mehr derartige Halbbrücken parallel zu betreiben. Gerade bei Kraftfahrzeugen treten stellenweise sehr hohe Temperaturen auf. Je höher die Umgebungstemperatur ist, desto geringere Leistung kann die Halbbrücke für das angeschlossene Aggregat bereitstellen. Da weiterhin die in der Halbbrücke umsetzbare Verlustleistung durch den monolithischen Aufbau begrenzt ist, ist es bei hohem Strombedarf des angeschlossenen Aggregates oder bei Einsatz dieses H-Brücken-ICs bei hohen Umgebungstemperaturen vorteilhaft, zwei oder mehrere Halbbrücken parallel zu schalten.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß werden eine Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass eine Parallelschaltung von zwei Halbbrücken aus H-Brücken-ICs im Wesentlichen deshalb zu unerwünschten Querströmen führt, wenn sich bei Überstromsituationen nicht alle Halbbrücken synchron in der Strombegrenzung befinden, weil aufgrund des automatischen aktiven Freilaufs der Low-Side-Transistor der Halbbrücke in der Strombegrenzung eingeschaltet wird und damit mit einem High-Side-Transistor einer parallelen Halbbrücke ohne Strombegrenzung einen Kurzschluss bildet.
  • Bereits durch Verhindern eines aktiven Freilaufs wird somit eine Parallelschaltung möglich.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung beschreibt eine Möglichkeit, zwei oder mehrere Halbbrücken von intelligenten H-Brücken-ICs in Kraftfahrzeugen parallel zu betreiben. Dabei werden jedoch die die in den H-Brücken-ICs vorhandenen Steuerungs- und Überwachungsfunktionen erhalten.
  • Die in den parallel geschalteten H-Brücken entstehende Verlustleistung wird sehr klein gehalten.
  • Im Rahmen der Erfindung werden H-Brücken-ICs vorgeschlagen und verwendet, bei denen die Möglichkeit besteht, den aktiven Freilauf selektiv zu deaktivieren. Dadurch wird der parallele Betrieb zweier oder mehrerer Halbbrücken, auch in der internen Strombegrenzung, möglich. Die Deaktivierungsmöglichkeit kann durch entsprechende Konfiguration der internen Recheneinheit des H-Brücken-ICs, beispielsweise durch Beschreiben eines Konfigurationsregisters, beispielsweise über einen SPI-Bus, erfolgen.
  • Die Erfindung führt zu einer niedrigeren (durchschnittlichen) Elektronik-Temperatur und zu einem verbesserten Wirkungsgrad. Der mögliche Temperatur-Hub für transiente Leistungsspitzen wird erhöht. Eine (durchschnittliche) System-Dynamik wird verbessert und die Anwendung wird auch bei hohen Umgebungstemperaturen robuster. Durch die erhöhten Leistungsspitzen kann das angeschlossene Aggregat, z.B. die Drosselklappe, ebenfalls mit einer erhöhten Dynamik betrieben werden. Dies wirkt sich wiederum positiv auf die gesamte System-Dynamik aus.
  • Ein typischer H-Brücken-IC umfasst zwei oder mehr Halbbrücken mit jeweils einem Mittelabgriffsanschluss, wobei das zu versorgende Aggregat zwischen zwei Mittelabgriffsanschlüssen oder zwischen einem Mittelabgriffsanschluss und Masse angeschlossen wird. Bei einer Parallelschaltung von Halbbrücken werden nun einer Halbbrücke eine oder weitere Halbbrücken parallel geschaltet. Vorteilhafterweise kann das zu versorgende Aggregat auch zwischen zwei H-Brücken-ICs, in denen jeweils wenigstens zwei Halbbrücken parallel geschaltet sind, angeschlossen sein.
  • Vorzugsweise wird der aktive Freilauf einer ersten Halbbrücke nur dann deaktiviert, wenn sich wenigstens eine parallel geschaltete zweite Halbbrücke in der Strombegrenzung befindet.
  • Vorteilhafterweise wird der aktive Freilauf aller parallel geschalteten Halbbrücken in Abhängigkeit von dem an das angeschlossene Aggregat zu liefernden Strom aktiviert oder deaktiviert. Dies reduziert die Verlustleistung, die durch einen deaktivierten aktiven Freilauf hervorgerufen wird.
  • Vorzugsweise ist der aktive Freilauf extern aktivierbar und deaktivierbar, wofür zweckmäßigerweise ein entsprechender Eingang an dem wenigstens einen H-Brücken-IC vorgesehen ist. Der Eingang kann separat oder im Rahmen einer Bus-Schnittstelle (z.B. SPI) realisiert sein. Die Aktivierung/Deaktivierung kann beispielsweise durch Setzen/Löschen eines internen Konfigurationsregisters erfolgen. Das Aktivieren und Deaktivieren des aktiven Freilaufs erfolgt dann vorzugsweise durch eine übergeordnete Einheit, vorzugsweise einen Mikrorechner bzw. ein Steuergerät.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können in einem Betriebsmodus, insbesondere bei kleiner geforderter Leistungsabgabe ("Sparmodus") an das angeschlossene Aggregat, alle parallel geschalteten Halbbrücken bis auf eine ganz abgeschaltet werden, so dass die geringe Leistungsabgabe von dieser einen Halbbrücke allein und damit optimal erfolgt. Bei größerer geforderter Leistungsabgabe (Leistungsmodus) werden in einem anderen Betriebsmodus weitere Halbbrücken mit dann deaktiviertem aktivem Freilauf parallel aktiviert. Ein geeigneter Übergangswert bzw. Schwellwert zwischen diesen beiden Betriebsmodi ist applikations- bzw. aggregatsabhängig. Er kann beispielsweise vorher berechnet oder anhand der auftretenden Verlustleistung ausgemessen werden. Der Übergangswert wird zweckmäßigerweise in der übergeordneten Einheit gespeichert.
  • Vorzugsweise sind die Halbbrücken extern aktivierbar und deaktivierbar, wofür zweckmäßigerweise ein entsprechender Eingang an dem wenigstens einen H-Brücken-IC vorgesehen ist. Der Eingang kann separat oder im Rahmen einer Bus-Schnittstelle (z.B. SPI) realisiert sein. Die Aktivierung/Deaktivierung kann beispielsweise durch Setzen/Löschen eines internen Konfigurationsregisters erfolgen.
  • Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
  • Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Stromversorgung eines Aggregats.
  • 2 zeigt die Verlustleistungen an den Freilaufdioden der Transistoren beim Betrieb des Aggregats.
  • Ausführungsform(en) der Erfindung
  • In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 100 zur Stromversorgung eines Aggregats 200 schaltplanartig dargestellt. Das Aggregat 200 ist hier als elektrischer Antrieb (Gleichstrommotor M mit Getriebe) einer elektrischen Drosselvorrichtung eines Kraftfahrzeugs ausgebildet. Auch die Schaltungsanordnung 100 ist Bestandteil der elektrischen Drosselvorrichtung. Diese regelt bei Benzinmotoren im Einlasstrakt die Luftzufuhr. Sie umfasst eine Drosselklappe mit dem elektrischen Antrieb und mit einem Winkelsensor.
  • Ein Motorsteuergerät 10 berechnet aus einer Fahrpedalstellung u.a. die erforderliche Öffnung der Drosselklappe. Der Gleichstrommotor verstellt die Drosselklappenwelle über das Getriebe und dosiert so die Luftmenge. Mit der präzisen Zumessung von Luft steuert die Drosselvorrichtung das vom Motor abgegebene Drehmoment und damit die Leistung.
  • Die Schaltungsanordnung 100 umfasst zwei gleiche H-Brücken-Schaltungsbausteine bzw. ICs 110, 120, die jeweils zwei Halbbrücken 111, 112, bzw. 121, 122 aufweisen. Jeder H-Brücken-IC 110, 120 weist daneben noch eine Recheneinheit 113, 123 auf, die zur Ansteuerung der Transistoren der Halbbrücken eingerichtet ist. Die Recheneinheit steuert die Transistoren der Halbbrücken nach Maßgabe von an Ansteueranschlüssen 114, 114', 115, 115', 116, 116' bzw. 124, 124', 125, 125', 126, 126' anliegenden Signalen an. Jeder H-Brücken-IC 110, 120 weist für jede Halbbrücke einen Anschluss (in der Figur Bezugszeichen ohne' und Bezugszeichen mit') auf, im vorliegenden Beispiel also immer zwei. Jedem Transistor ist eine Freilaufdiode parallel geschaltet. Es kann sich dabei um intrinsische Freilaufdioden (z.B. bei MOS-Transistoren) oder um separates Elemente (z.B. bei IGBT) handeln.
  • Es kann sich bei den Anschlüssen 114, 114' bzw. 124, 124' um Ansteuereingänge, bspw. zur Vorgabe von Schaltzeiten, bei den Anschlüssen 115, 115' bzw. 125, 125' um Strombegrenzungseingänge zur Vorgabe eines zulässigen Höchststroms und bei den Anschlüssen 116, 116' bzw. 126, 126' um Freilaufeingänge zum Deaktivieren eines aktiven Freilaufs im H-Brücken-IC 110 bzw. 120 handeln. Diese Anschlüsse sind mit dem Motorsteuergerät 10 verbunden, das im Rahmen der Erfindung dazu eingerichtet ist, die Schaltungsanordnung bedarfsgerecht anzusteuern.
  • Weiterhin weist jeder H-Brücken-IC 110, 120 für jede Halbbrücke einen Ausgangsanschluss 119, 119' bzw. 129, 129' als Mittelabgriffsanschluss zwischen den zwei Transistoren auf, an den zu versorgende Aggregate anzuschließen sind.
  • Bei der dargestellten Schaltungsanordnung sind jeweils zwei Halbbrücken 111 und 112 bzw. 121 und 122 parallel geschaltet, so dass deren Ansteueranschlüsse und Ausgangsanschlüsse parallel geschaltet sind. Die elektrischen Drosselvorrichtung 200 ist somit zwischen den Ausgangsanschlüssen 119, 119' auf einer Seite und 129, 129' auf der anderen Seite angeschlossen.
  • Jeder H-Brücken-IC 110, 120 weist auch Versorgungsanschlüsse 117, 118 bzw. 127, 128 zur Stromversorgung auf, die mit dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs verbunden sind.
  • Das Motorsteuergerät 10 ist dazu eingerichtet, die Schaltungsanordnung 100 anzusteuern. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können bei kleiner geforderter Leistungsabgabe ("Sparmodus") an die elektrische Drosselvorrichtung 200 die parallel geschalteten Halbbrücken 112 und 122 abgeschaltet werden (z.B. mittels Setzen der Ansteuerzeit auf null; hier kann vorgesehen sein, dass nicht alle Ansteueranschlüsse parallel geschaltet werden, so dass einzelne Halbbrücken unbetrieben sein können), so dass die geringe Leistungsabgabe nur durch die Halbbrücken 111 und 121 erfolgt. Bei größerer geforderter Leistungsabgabe (Leistungsmodus) werden die Halbbrücken 112 und 122 parallel aktiviert und der aktive Freilauf der Halbbrücken wird deaktiviert. Ein Leistungsschwellwert zwischen Sparmodus und Leistungsmodus kann applikationsabhängig ermittelt werden. Beispielsweise sind in 2 die Verlustleistungen an den Freilaufdioden der Transistoren in Abhängigkeit von einem PWM-Ansteuersignal beim Betrieb einer beispielhaften elektrischen Drosselvorrichtung abgebildet. PWM = 100% bedeutet Dauer-Ein des High-Side-Transistors einer Halbbrücke.
  • Der Graph 301 bezeichnet die Verlustleistung für jeweils zwei parallel geschaltete Halbbrücken auf beiden Seiten des Gleichstrommotors M der elektrischen Drosselvorrichtung, der Graph 302 bezeichnet die Verlustleistung für nur jeweils eine Halbbrücke auf beiden Seiten des Gleichstrommotors M der elektrischen Drosselvorrichtung. Man erkennt, dass sich die beiden Graphen bei 303 schneiden. Für PWM kleiner 303 ist die Verlustleistung 302 kleiner (d.h. hier wird zweckmäßigerweise nur eine Halbbrücke betrieben, "Sparmodus"), für PWM größer 303 ist die Verlustleistung 301 kleiner (d.h. hier werden zweckmäßigerweise beide Halbbrücke parallel betrieben, "Leistungsmodus").

Claims (13)

  1. Schaltungsanordnung (100) zur Versorgung eines Aggregats (200) in einem Kraftfahrzeug mit Strom, mit wenigstens zwei parallel geschalteten Halbbrücken (111, 112; 121, 122) aufweisend jeweils zwei Transistoren, wobei jede der wenigstens zwei Halbbrücken (111, 112; 121, 122) in einem H-Brücken-Schaltungsbaustein (110, 120) integriert ist, der eine integrierte Recheneinheit (113, 123) aufweist, die dazu eingerichtet ist, einen aktiven Freilauf für die integrierte Halbbrücke (111, 112, 121, 122) nach Maßgabe eines Aktivierungssignals zu aktivieren oder zu deaktivieren.
  2. Schaltungsanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei die integrierte Recheneinheit (113, 123) dazu eingerichtet ist, den Strom durch die integrierte Halbbrücke (111, 112, 121, 122) begrenzen zu können.
  3. Schaltungsanordnung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Aggregat (200) zwei Versorgungsanschlüsse aufweist, von denen einer mit einem Mittelabgriffsanschluss (119, 119'; 129, 129') der wenigstens zwei parallel geschalteten Halbbrücken (111, 112; 121, 122) elektrisch verbunden ist.
  4. Schaltungsanordnung (100) nach Anspruch 3, mit wenigstens zwei weiteren parallel geschalteten Halbbrücken (111, 112; 121, 122) aufweisend jeweils zwei Transistoren, wobei jede der wenigstens zwei weiteren Halbbrücken (111, 112; 121, 122) in einem H-Brücken-Schaltungsbaustein (110, 120) integriert ist, wobei ein anderer der Versorgungsanschlüsse mit einem Mittelabgriffsanschluss (119, 119'; 129, 129') der wenigstens zwei weiteren parallel geschalteten Halbbrücken (111, 112; 121, 122) elektrisch verbunden ist.
  5. Schaltungsanordnung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der H-Brücken-Schaltungsbaustein (110, 120) einen Anschluss (116, 116', 126, 126') zum extern Aktivieren und Deaktivieren des aktive Freilaufs der integrierten Halbbrücke aufweist.
  6. Schaltungsanordnung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Aggregat (200) ein Gleichstromaggregat, insbesondere ein Gleichstrommotor ist.
  7. Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in einem ersten Betriebsmodus die wenigstens zwei parallel geschalteten Halbbrücken (111, 112; 121, 122) zur Versorgung des Aggregats (200) verwendet werden und der aktive Freilauf für die wenigstens zwei Halbbrücken (111, 112; 121, 122) deaktiviert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei in einem zweiten Betriebsmodus nur eine der wenigstens zwei parallel geschalteten Halbbrücken (111, 112; 121, 122) zur Versorgung des Aggregats (200) verwendet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der aktive Freilauf für die eine der wenigstens zwei Halbbrücken (111, 112; 121, 122) nicht deaktiviert wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, wobei der erste bzw. der zweite Betriebsmodus in Abhängigkeit von einer Verlustleistung an den wenigstens zwei parallel geschalteten Halbbrücken (111, 112; 121, 122) vorgegeben wird.
  11. Recheneinheit (10), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Verfahrensansprüche durchzuführen.
  12. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die eine Recheneinheit veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10 durchzuführen, wenn sie auf der Recheneinheit, insbesondere nach Anspruch 11, ausgeführt werden.
  13. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 12.
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