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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Anmeldung betrifft DC-DC-Wandler, und insbesondere Schutzschaltkreise für Transistoren in DC-DC-Wandlern.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Batterien (und manchmal eine Anzahl von Batterien) werden zum Betreiben von bzw. als Energieversorgung für verschiedene Arten von Systemen verwendet. Beispielsweise werden Batterien zur Energieversorgung eines elektrischen Systems einer herkömmlichen internen Verbrennungskraftmaschine von Kraftfahrzeugen, zur Energieversorgung des Motors von Elektrofahrzeugen oder zur Energieversorgung von Hybrid-Elektrofahrzeugen verwendet. Die Batterien in diesen Systemen können Batteriepacks sein, welche Spannungen im Bereich von 12 bis 400 Volt bereitstellen.
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Zusatzeinrichtungen und andere Komponenten (zum Beispiel Kraftstoffeinspritzdüsen), welche in den Fahrzeugen gleichermaßen verwendet werden, benötigen typischerweise Spannungen, welche sich um 200 bis 400 Volt unterscheiden. Diese Spannungen werden typischerweise von einer 12 Volt-Batterie oder von einer Batterieanordnung mit 24 Volt bereitgestellt. Ein solches Umwandlungssystem, welches verwendet werden kann, ist ein DC-DC-Wandler. Bei einigen Beispielen von DC-DC-Wandlern kann die Spannung von 12 Volt in 48 Volt umgewandelt werden (zum Beispiel zum Betreiben von Kraftstoffeinspritzdüsen). Andere Beispiele von Umwandlungen sind möglich.
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Trotz der Verwendung von DC-DC-Wandlern weisen diese Wandler betriebliche Probleme und Begrenzungen auf. Beispielsweise verwendet der Umwandlungsschaltkreis beim DC-DC-Wandler typischerweise Transistoren. Transistoren können jedoch bei einem zu hohen Strom beschädigt oder zerstört werden. Beispielsweise können bei bestimmten Anwendungen, welche Spulen verwenden, die Spulen schadhaft werden, wodurch hohe Ströme in den die Schaltkreise antreibenden Transistoren entstehen. Bei anderen Beispielen können Überbelastungen am Ausgang oder Störimpulse in der Steuerlogik des Schaltkreises zu einem zu hohen Stromfluss durch die Transistoren führen, was möglicherweise zur Zerstörung dieser Transistoren führt.
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Bisherige Lösungsansätze waren bei der Lösung der oben erwähnten Probleme nicht gänzlich erfolgreich. Dies hat bei den bisherigen Systemen und Lösungsansätzen zu einer gewissen Unzufriedenheit bei den Nutzern geführt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Für ein besseres Verständnis der Offenbarung sollte auf die folgende detaillierte Beschreibung und die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen werden, wobei:
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1 ein Schaltkreisdiagramm eines Schutzschaltkreises in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst;
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2 ein Schaltkreisdiagramm eines Systems umfasst, welches den Schutzschaltkreis aus 1 in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet; und
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3 eine Kurve umfasst, welche Aspekte hinsichtlich des Betriebs gemäß 1 und 2 in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aufzeigt.
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Der Fachmann wird bevorzugen, dass Elemente in den Figuren für Zwecke der Einfachheit und Klarheit dargestellt sind. Es wird außerdem bevorzugt werden, dass bestimmte Maßnahmen und/oder Schritte in einer bestimmten Reihenfolge des Auftretens beschrieben oder dargestellt sein können, wobei dem Fachmann geläufig sein wird, dass eine solche Spezialisierung mit Bezug auf die Reihenfolge nicht tatsächlich erforderlich ist. Es wird außerdem klar sein, dass die hierin verwendeten Begriffe und Ausdrücke ihre gewöhnliche Bedeutung aufweisen, wie sie solchen Begriffen und Ausdrücken hinsichtlich ihrer entsprechenden Bedeutungsherkunft und Verwendung innewohnt, es sei denn, dass bestimmte andere Bedeutungen hierin dafür gelten.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Hierin werden Lösungsansätze beschrieben, welche den Betrieb eines oder mehrerer Kanäle eines Hochspannungs-DC-DC-Wandlers zu einem Zeitpunkt unterbrechen, wenn der Strom erreicht ist, welcher größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist. Insbesondere wird ein Treiber-Transistor, welcher von einem beliebigen Kanal verwendet wird, deaktiviert, so dass der Transistor nicht durch einen Überstrom-Zustand beeinträchtigt werden kann. Der Transistor verbleibt für den gesamten Zeitraum eines fest vorgegebenen Timeouts im deaktivierten Zustand, wodurch sichergestellt wird, dass der Transistor den Überstrom-Zustand übersteht.
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Bei vielen dieser Ausführungsformen wird eine Bestimmung durchgeführt, wann der durch den Haupt-Transistor fließende Strom einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Wenn der Strom den vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, dann wird der Transistor deaktiviert. Die Deaktivierung des Transistors bewirkt eine Begrenzung des Stroms, welcher durch den Haupt-Schalter fließt, und reduziert in beträchtlicher Weise seinen Leistungsverlust. Die Begrenzung des Stroms bewirkt eine Verhinderung einer Beschädigung am Transistor in einem Überstrom-Zustand. Der Transistor wird in einem deaktivierten Zustand gehalten, bis ein Timeout-Schaltkreis den DC-DC-Wandler zurücksetzt. Das Halten des Transistors im deaktivierten Zustand bewirkt zusätzlich, dass der Betriebs-Zyklus (Time-on) und die Frequenz des Betriebs des Haupt-Schalters in bedeutender Weise reduziert werden, wobei somit seine Verlustleistung reduziert wird.
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Unter noch weiteren Aspekten könnte der Überstrom-Zustand durch eine fehlerhafte Spule in dem DC-DC-Wandlerschaltkreis verursacht werden. Eine Möglichkeit, diesen Überstrom-Zustand zu detektieren, besteht im Vergleichen einer Bezugsspannung mit einer Spannung, welche proportional zu dem durch den Transistor fließenden Strom ist. Dieser Vergleich wird unter Verwendung eines als ein Komparator angeordneten elektronischen Schaltkreises durchgeführt. Die Ausgabe des Komparators wird zum Zurücksetzen des Speicher-Auffang-Registers und zum Deaktivieren des Haupt-Schalters verwendet. Die Ausgabe des Registers könnte außerdem als ein Fehlerzustand-Hinweis für einen Mikrocontroller verwendet werden.
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Unter einigen Aspekten betreibt der DC-DC-Wandler eine Einrichtung am Fahrzeug. Bei einigen Beispielen ist die Einrichtung eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung. Weitere Beispiele von Einrichtungen sind möglich.
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Nunmehr mit Bezug auf 1 und 2 wird ein Beispiel eines Schutzschaltkreises 102 beschrieben, welcher innerhalb eines DC-DC-Wandlers 100 angeordnet ist. Der Schutzschaltkreis 102 umfasst einen ersten Widerstand 104 (R1999), einen zweiten Widerstand 105 (R2000), einen Operationsverstärker 106 (U3), einen ersten Kondensator (C1) 107, einen dritten Widerstand 111 (2001), einen zweiten Operationsverstärker (U2) 108, ein erstes NAND-Gate 109 sowie ein zweites NAND-Gate 110. Die NAND-Gates 109 und 110 sind als ein Register angeordnet.
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Der DC-DC-Wandler 100 weist einen Eingangsschaltkreis 120 auf, einen Ausgangsschaltkreis 130, einen Treiber-Schaltkreis 140, einen Time Off-Schaltkreis 150, einen Strom-Feedback-Schaltkreis 160, einen Speicherkanal 170, einen Transistor 190, ein NAND-Gate 192, einen Bipolartransistor 93, einen Widerstand 194 und einen Kondensator 195.
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Der Eingangsschaltkreis 120 umfasst eine Batterie 122, einen Kondensator 124, einen Widerstand 126 und eine Spule 128. Der Ausgangsschaltkreis 130 umfasst einen Kondensator 132, einen Schalter 134 und eine Last 136. Die Last 136 kann in einem Beispiel eine Fahrzeugzusatzeinrichtung sein. In einem weiteren Beispiel kann die Last eine Kraftstoffeinspritzdüse sein. Weitere Beispiele sind möglich.
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Der Treiber-Schaltkreis 140 umfasst einen ersten Transistor 141, einen zweiten Transistor 142, und einen dritten Transistor 143, einen Kondensator 144 sowie Widerstände 145, 146 und 147. Der Time Off-Schaltkreis 150 umfasst einen Operationsverstärker 151, einen Widerstand 152 und Kondensatoren 153 und 154.
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Der Strom-Feedback-Schaltkreis 160 umfasst Widerstände 161, 162 und 163, und Kondensatoren 164 und 165 sowie einen Operationsverstärker 166. Der Speicherkanal 170 umfasst NAND-Gates 171, 172, 173 und 174.
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Der Transistor 190 ist als ein Inverter verbunden und mit dem NAND-Gate 192, dem Schutzschaltkreis 102, dem Eingangsschaltkreis 120 und dem Ausgangsschaltkreis 180 gekoppelt.
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Unter einigen Aspekten des Betriebs der Schaltkreise aus 1 und 2 erzeugt die Batterie 122 eine Spannung und einen Strom. Der Strom fließt durch die Spule 128 hindurch und ist in dieser gespeichert. Strom von der Spule 128 fließt zum Treiber-Schaltkreis 140, wenn der Transistor 143 geschlossen ist, wobei der Strom zu dem Nebenwiderstand 161 fließt, wobei er eine Spannung an dem Knoten 167 in dem Strom-Feedback-Schaltkreis 160 erzeugt. Wenn diese Spannung einen vorbestimmten Wert überschreitet, ändert sich die Ausgabe des Operationsverstärkers 166 in dem Strom-Feedback-Schaltkreis 160 zu einem logischen Low Value.
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Der Low Value am Ausgang des Operationsverstärkers 166 setzt das Register in dem Speicherkanal 170 zurück. Insbesondere ändert sich die Ausgabe des NAND-Gates 172 zu einem hohen logischen Level, die Ausgabe des nächsten NAND-Gates 173 ändert sich zu einem niedrigen logischen Level, und die Ausgabe des nächsten NAND-Gates 174 ändert sich zu einem hohen logischen Level, falls der andere Eingang des Gates 174 auf ein hohes logisches Level gesetzt ist (den „Enable Input”).
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Dieses hohe logische Level vom NAND-Gate 174 wird zurück zu dem Treiber-Schaltkreis 140 übertragen. Dies wiederum aktiviert den Transistor 142. Eine Aktivierung des Transistors 142 schaltet den Treiber-Transistor 143 aus. Folglich fließt der Strom nicht länger entlang des Pfads von der Spule 128 zu dem Strom-Feedback-Schaltkreis 160. Stattdessen fließt dieser Strom zum Ausgang 130.
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Falls die Spule 128 keinen Strom und eine negative Spannung am Ausgang der Spule aufweist (dieser Zustand wird „Swing Back” genannt), dann ist die Diode 193 vorwärts gespannt, wobei dies dem Kondensator 153 ermöglicht, sich zu entladen.
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Der Schutzschaltkreis 102 ist in diesem Beispiel derart ausgebildet, dass er mehrere Stufen aufweist, wobei der Verstärker 106 in der ersten Stufe ein LM2903-Komparator sein kann, welcher in einem Beispiel als ein nicht-invertierender Verstärker ausgebildet ist. VSHUNT ist mit dem Strommess-Nebenwiderstand des DC/DC-Wandlers verbunden, was dem Verlauf durch den Treiber-Transistor 143 entspricht. Diese Stufe verstärkt die Spannung des Nebenwiderstands um etwa das 11-fache. Andere Verstärkungen sind möglich.
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Die zweite Stufe des Schutzschaltkreises in diesem Beispiel ist der Komparator 108, wenn das verstärkte VSHUNT den Schwellenwert von 2,5 Volt-Bezugsspannung überschreitet, wobei die Ausgabe dann zu 0 Volt wird und ansonsten bei 5 Volt gehalten wird. Andere Werte sind möglich.
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Die dritte Stufe des Schutzschaltkreises 102 ist ein S-R-Register, welches durch zwei schnell-schaltende NAND-Gates erzeugt wird (NAND-Gates 109 und 110). Wenn der Ausgang des Komparators 108 zu 0 Volt wird, dann wird das Register zurückgesetzt, wodurch ermöglicht wird, dass die Ausgänge (Q und Ǭ) zu logischen Zuständen schalten. Ǭ wird hierin auch als „Q negativ” bezeichnet.
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Q befindet sich normalerweise im hohen Zustand (high state), während sich Ǭ im niedrigen Zustand (low state) befindet. Bei Detektion eines Überstrom-Zustands wird Q zu einem niedrigen Zustand und Ǭ wird zu einem hohen Zustand. Q ist mit dem Transistor 190 verbunden (welcher in diesem Beispiel ein NMOS ist, welcher die „Swing Back”-Erkennung aktiviert bzw. deaktiviert). Wenn sich Q im hohen Zustand befindet, dann ist der Transistor 190 geschlossen und die „Swing Back”-Erkennung aktiviert, wodurch der DC/DC-Wandler 100 auf normale Art und Weise funktioniert. Wenn Q niedrig ist, dann öffnet der Transistor 190, wodurch die „Swing Back”-Erkennung deaktiviert wird. Dies verringert auf effektive Art und Weise die Frequenz des Betriebs des Schaltkreises aus 2 auf ein Minimum. Somit zwingt dies den Treiber-Schaltkreis 140 dazu, solange ausgeschaltet zu bleiben, wie die Spannung an dem RC-Netzwerk (Kondensator 153 und Widerstand 152) des Time Off-Schaltkreises 150 oberhalb des Schwellenwertes ist (zum Beispiel 2,5 Volt).
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Ǭ ist mit einem Transistor 197 verbunden (zum Beispiel einem digitalen NPN), welcher das Register des Speicherkanals 170 zurücksetzen kann, was wiederum den Treiber-Transistor 143 ausschalten wird. Dies begrenzt auf effektive Art und Weise den Maximalstrom, welcher durch den Transistor 143 und die Spule 128 fließen kann. Schließlich, und wenn der Timeout-Komparator des DC/DC-Wandlerschaltkreises sich zu 0 Volt ändert, wird das Register in dem Speicherkanal 170 erneut gesetzt und alles ist für den nächsten Zyklus bereit.
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Schließlich ändert sich der Timeout-Schaltkreis 150, um eine Null-Ausgabe aufzuweisen. Dies setzt das Register in dem Speicherschaltkreis 170 und ein neuer Betriebszyklus wird initiiert.
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Schließlich, und wenn die Ausgabe des Time Off-Komparators 151 sich zu 0 Volt ändert, wird das Register (NAND-Gate 110) in dem Schutzschaltkreis 102 erneut gesetzt und alle Komponenten des DC-DC-Wandlers 100 sind für den nächsten Zyklus bereit.
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Nunmehr mit Bezug auf 3 werden Anwendungsbeispiele der vorliegenden Lösungen beschrieben. Das Beispiel aus 3 verwendet zwei Schaltkreise (das heißt Kanäle), wobei jeder Kanal einen Schaltkreis nach 2 aufweist. Ein erster Strom 302 (von der Spule 128) des ersten Kanals entspricht dem richtigen Verhalten einer nicht-fehlerhaften Spule. Jedoch ist die zweite Spule fehlerhaft und erzeugt die Stromwellenform 304. Dies ist durch den Vergleich der Wellenform 306 mit dem Schwellenwert 308 begrenzt, und zwar aufgrund des Betriebs des Schutzschaltkreises 102. Falls kein Schutzschaltkreis 102 existieren würde, dann würde die Stromwellenform 304 einen Überstrom darstellen und der Transistor 143 würde beschädigt oder zerstört werden. Eine Wellenform 306 zeigt die Ausgabe des nicht-negativen Verstärkers 106. Die Wellenform 310 ist Teil der Wellenform 304 und repräsentiert die Zeit, wenn der Transistor ausgeschaltet bleibt, obwohl der Strom in der fehlerhaften Spule auf Null Ampere abfällt.
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Hierin sind bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung beschrieben, einschließlich der besten den Erfindern bekannten Ausführungsform zum Ausführen der Erfindung. Es soll davon ausgegangen werden, dass die dargestellten Ausführungsformen lediglich beispielhaft sind und nicht als den Umfang der Erfindung beschränkend aufgefasst werden sollen.
