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Die Erfindung betrifft eine H-Brückenschaltung zur Ansteuerung mindestens eines Gleichstrommotors mit mindestens einer H-Brücke, welche vier jeweils paarweise elektrisch ansteuerbare Halbleiterschalter für eine Richtungsumschaltung des Gleichstrommotors aufweist, sowie auch einen integrierten Schaltkreis zur Ansteuerung einer solchen H-Brückenschaltung.
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Derartige H-Brückenschaltungen sind hinreichend bekannt.
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In 1a ist eine bekannte einfache H-Brückenschaltung 101 zur Ansteuerung eines Gleichstrommotors (DC-Motor) 102 mit einer aus vier MOSFETs M1-M4 gebildeten H-Brücke 103 gezeigt. Die beiden oberen MOSFETs M1, M3 werden als Top- und die beiden unteren MOSFETs M2, M4 als Bottom-MOSFETs bezeichnet. Da die einzelnen Zuleitungen je nach Motordrehrichtung einmal positives Potenzial und einmal negatives Potenzial bzw. Massepotenzial aufweisen, ist es nicht möglich, den DC-Motor 102 oder dessen Zuleitungen definiert zu entstören, Zur Minimierung des EMV-Einflusses auf das Bordnetz ist ein Filter 104 vorgesehen, allerdings ist dies auf der Motorseite der H-Brückenschaltung 101 nicht möglich.
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Ein weiteres Problem stellt sich, wenn die Motorgeschwindigkeit mittels PWM eingestellt oder geregelt werden soll. Je nach Drehrichtung sind entweder die MOSFETs M1, M4 oder M2, M3 aktiv. Zum Einstellen der Geschwindigkeit ist es ausreichend, je einen MOSFET mittels PWM zu steuern. Um die Schaltung möglichst einfach zu halten, werden im Beispiel nur die Bottom-MOSFETs M2, M4 geschaltet. Es ist so aber trotzdem notwendig, für zwei MOSFETs eine eigene Ansteuerung zu entwerfen. Da die Signalform des Ein- und Ausschaltvorgangs am Gate des MOSFET einen großen Einfluss auf das Schaltverhalten hat, ist an der Stelle sehr genau darauf zu achten, wie die Leitungen beschaffen sind, um parasitäre Effekte wirkungsvoll zu minimieren. Im Betrieb wird jeweils nur ein MOSFET mit einer PWM, d.h. dynamisch, getaktet, während sich die anderen drei MOSFETs in einem statischen Zustand befinden. Für diese drei MOSFETs muss aber der gleiche Aufwand betrieben werden, um identische Ergebnisse zu erhalten. Es wird also immer nur ein MOSFET getaktet, aber es müssen immer drei MOSFETs dafür vorgesehen werden. Weiterhin ist eine Filterung nicht möglich, da sich die Polarität am DC-Motor 102 ändert und der Taktgeber sich somit auch ändert.
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1b ist zeigt symbolisch, welcher MOSFET der H-Brücke 103 für die Geschwindigkeitsregelung dynamisch angesteuert wird und welche MOSFETs zur Richtungsumschaltung statisch geschaltet werden.
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Das Konzept lässt sich ebenso zur getrennten Ansteuerung von zwei DC-Motoren 102 übertragen, indem die H-Brücke 103 um eine halbe H-Brücke 103', also um zwei weitere MOSFETs M5, M6, erweitert wird. Im Betrieb werden dann entsprechend drei MOSFETs mit einer PWM, d.h. dynamisch, getaktet, während sich die anderen drei MOSFETs in einem statischen Zustand befinden. 2 zeigt symbolisch, welche MOSFETs der H-Brücke 103, 103' für die Geschwindigkeitsregelung dynamisch angesteuert und welche MOSFETs zur Richtungsumschaltung statisch geschaltet werden.
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Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine H-Brückenschaltung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass eine alternative Ansteuerung möglich ist, sowie einen zugehörigen integrierten Schaltkreis zur Ansteuerung der H-Brückenschaltung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein weiterer elektrisch ansteuerbarer Halbleiterschalter, der PWM-getaktet ist, in Reihe mit der H-Brücke geschaltet ist und dass alle Halbleiterschalter der H-Brücke einzig und allein der Richtungsumschaltung dienen. Besonders bevorzugt sind die Halbleiterschalter durch Feldeffekttransistoren, insbesondere MOSFETs, ausgeführt.
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Erfindungsgemäß wird der dynamische Schaltvorgang vom statischen Schaltvorgang getrennt. Die Halbleiterschalter der H-Brücke müssen nicht dynamisch schalten, was geringere Anforderungen nach sich zieht. Das bedeutet, dass nur an einer Stelle der Schaltung die Modulation mit einem PWM-Signal erfolgt. Am Motor kann deshalb genauso die Geschwindigkeit eingestellt werden. Die nunmehr statisch angesteuerten Halbleiterschalter der H-Brücke dienen einzig und allein der Richtungsumschaltung. Es muss nur sichergestellt sein, dass die Halbleiterschalter voll durchgeschalten bzw. voll sperren und kurzschlussfest schalten, also einen Shoot-Through verhindern. Für den PWM-getakteten, dynamischen Halbleiterschalter wird nur die Forderung gestellt, die Signale „sauber“ zu schalten. Um dies zu erreichen, ist es nur noch notwendig, eine optimierte Gate-Ansteuerung zur Verfügung zu stellen.
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Von Nachteil sind zwar die höheren Kosten infolge des zusätzlichen Halbleiterschalters. Diese können aber wieder kompensiert werden, indem kleinere Halbleiterschalter genutzt werden können, da die auftretenden Schaltverluste nur noch an einer Stelle entstehen. Die Verluste zur Richtungsumschaltung sind rein ohmscher Natur und im Falle eines Feldeffekttransistors abhängig von seinem Durchgangswiderstand RDS(on).
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Vorzugsweise ist der PWM-getaktete Halbleiterschalter im Versorgungsspannungszweig der H-Brückenschaltung angeordnet. In diesem Fall kann vorteilhaft zwischen dem PWM-getakteten Halbleiterschalter und der H-Brücke ein Filter, insbesondere ein Tiefpassfilter, angeordnet werden, damit Motorströme gefiltert zum Motor übertragen werden können. Bisher war es nicht möglich, die Leitungen zum Motor zu entstören und somit die Abstrahlung der Vielfachen der Grundfrequenz des PWM-Signals wirkungsvoll zu minimieren. Die steilen Flanken des PWM-Rechtecksignals sind Ursache für die Störungen in der Abstrahlung, wobei der Polaritätswechsel der Motorleitungen eine sinnvolle Entstörung für Filter zunichtemacht, da ein Filter einen direkten Massebezug benötigt. Da infolge der erfindungsgemäßen Trennung zwischen Richtungsumschaltung und Geschwindigkeitseinstellung der Polaritätswechsel der Motorleitungen keinen Einfluss mehr hat, kann nun mittels des Tiefpassfilter das PWM-Signal von seinen höheren Frequenzanteilen befreit werden. Zu diesem Zweck wird der Tiefpassfilter dem PWM-getakteten Halbleiterschalter nachgeschaltet. Auf die Motorleitungen kommen somit nur noch von der Hochfrequenz befreite Signale.
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Zur Ansteuerung jedes weiteren Gleichstrommotors weist die H-Brückenschaltung bevorzugt jeweils eine weitere halbe H-Brücke mit zwei elektrisch ansteuerbaren Halbleiterschaltern für eine Richtungsumschaltung des weiteren Gleichstrommotors auf.
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Zusammenfassend können mit der Erfindung folgende Vorteile erreicht werden:
- 1. Die Halbleiterschalter der H-Brücke müssen nicht dynamisch schalten, was geringere Anforderungen nach sich zieht.
- 2. Motorströme können gefiltert zum Motor übertragen werden.
- 3. Es ist nur ein optimierter Gatetreiber für die dynamische Ansteuerung notwendig, was Bauteile oder Chipfläche spart.
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Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch einen integrierten Schaltkreis zur Ansteuerung der wie oben ausgebildeten H-Brückenschaltung, wobei der integrierte Schaltkreis aufweist:
- einen Eingang für Eingangsspannung, einen Enable-Eingang, einen PWM In-Eingang, einen Richtungseingang und einen Motor-Eingang,
- einen Ground-Anschluss, sowie
- einen Ausgang zur Ansteuerung des Gate des PWM-getakteten Halbleiterschalters und jeweils einen Ausgang zur Ansteuerung jeder Halbbrücke der mindestens einen H-Brücke und eine VInt-Einheit, eine Ladungspumpe-Einheit, eine PWM-Einheit, eine Eingangslogik und eine Richtungslogikeinheit.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Es zeigen:
- 1a, 1b eine einfache H-Brückenschaltung mit vier MOSFETs zur Ansteuerung eines Motors gemäß Stand der Technik in einem elektronischen Schaltplan (1a) und in einer symbolischen Darstellung der MOSFET-Ansteuerung (1b);
- 2 eine H-Brückenschaltung mit sechs MOSFETs zur Ansteuerung zweier Motoren gemäß Stand der Technik in einer symbolischen Darstellung der MOSFET-Ansteuerung;
- 3a, 3b eine erfindungsgemäße H-Brückenschaltung mit fünf MOSFETs zur Ansteuerung eines Motors in einer symbolischen Darstellung der MOSFET-Ansteuerung ohne Filterung (3a) und mit Filterung (3b);
- 4a, 4b eine erfindungsgemäße H-Brückenschaltung mit sieben MOSFETs zur Ansteuerung zweier Motoren in einer symbolischen Darstellung der MOSFET-Ansteuerung ohne Filterung (4a) und mit Filterung (4b); und
- 5 das Blockschaltbild eines integrierten Schaltkreises zur Ansteuerung der in 4a, 4b gezeigten H-Brückenschaltung.
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Die in 3a gezeigte H- Brückenschaltung 1 zur Ansteuerung eines Gleichstrommotors (DC-Motor) 2 umfasst eine aus vier, hier lediglich beispielhaft als MOSFETs ausgeführten Halbleiterschaltern S1-S4 gebildete H-Brücke 3 und einen in Reihe mit der H-Brücke 3 geschalteten, weiteren elektrisch ansteuerbaren Halbleiterschalter 50, der im Versorgungsspannungszweig Vbatt der H-Brückenschaltung 1 angeordnet und PWM-getaktet ist. Für eine Richtungsumschaltung des DC-Motors 2 werden die Schalter S1, S4 und S2, S3 jeweils paarweise statisch angesteuert. Der weitere Halbleiterschalter S0 wird hingegen dynamisch angesteuert, um die Motorgeschwindigkeit einzustellen oder zu regeln.
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Bei der Ansteuerung des PWM-getakteten Halbleiterschalters S0 steht das saubere Durchschalten im Vordergrund. Dabei ist es zum einen wichtig, die Zeit, in welcher sich der Halbleiterschalter S0 im linearen Bereich der Kennlinie befindet, minimal zu halten, und zum anderen, ein mehrfaches Schalten oder Prellen zu verhindern. Im linearen Bereich der Kennlinie arbeitet der PWM-getaktete Halbleiterschalter S0 als gesteuerter Widerstand. Mehrfaches Schalten oder Prellen kann dadurch entstehen, dass auf der Gateleitung infolge von parasitären Effekten gedämpfte Schwingungen entstehen können. Falls die Amplituden die Schwellspannung am Gate über- bzw. unterschreiten, kommt es zu mehrfachen kurzen Schaltvorgängen des Halbleiterschalter. Weil jetzt nur noch das Gate des PWM-getakteten Halbleiterschalters S0 sauber anzusteuern ist, kann dieser Schaltungsteil optimal auf diese Belange ausgelegt werden.
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Da bei der H- Brückenschaltung 1 infolge der Trennung zwischen Richtungsumschaltung und Geschwindigkeitseinstellung der Polaritätswechsel der Motorleitungen keinen Einfluss mehr hat, kann nun mittels eines in 3b gezeigten Tiefpassfilters 4, der zwischen dem PWM-getakteten Halbleiterschalter S0 und der H-Brücke 3 angeordnet ist, das PWM-Signal von seinen höheren Frequenzanteilen befreit werden. Auf die Motorleitungen kommen somit nur noch von der Hochfrequenz befreite Signale.
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Zur getrennten Ansteuerung von zwei DC-Motoren 2 ist die H-Brücke 3 in 4a, 4b um eine weitere halbe H-Brücke 3', also um zwei weitere Halbleiterschalter S5, S6, erweitert. Dabei ist auch hier symbolisch gezeigt, dass die Halbleiterschalter S1-S6 zur Richtungsumschaltung statisch geschaltet werden und der Halbleiterschalter S0 für die Geschwindigkeitsregelung dynamisch angesteuert wird.
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5 zeigt das Blockschaltbild eines integrierten Schaltkreises (IC) 10 zur Ansteuerung der in 4a, 4b gezeigten H-Brückenschaltung 1 mit drei Halbbrücken.
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Der IC 10 hat fünf Eingänge, nämlich einen Eingang VIn für die Eingangsspannung, einen Enable-Eingang für die Aktivierung des IC, einen PWM In-Eingang für die Einstellung der Geschwindigkeit durch ein pulsweitenmoduliertes Signal, einen Direction-Eingang für die Umschaltung der Drehrichtung des Motors und einen Motor-Eingang für die Auswahl des Motors bei mehreren Motoren, einen Ground-Anschluss, sowie vier Ausgänge, nämlich einen PWM_GATE-Ausgang zur Ansteuerung des Gate des PWM-getakteten Halbleiterschalters S0 und drei Ausgänge HB1, HB2, HB3 zur Ansteuerung der drei Halbbrücken.
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Das Innenleben des IC 10 umfasst weiterhin eine VInt-Einheit 11 für die Bereitstellung der internen Versorgungsspannung, eine Ladungspumpe-Einheit 12 zur Erzeugung der Gatespannung, eine PWM-Einheit 13 für die Aufbereitung der PWM Eingangssignale zur Geschwindigkeitseinstellung des jeweiligen Motors, eine Eingangslogik 14 und eine Richtungslogik 15 für die logische Zuordnung des Drehrichtungs- und Motorsignals zu den Ausgängen HB1, HB2 und HB3, sowie einen Ground-Anschluss 16.
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Der Schaltkreis 10 hat die Aufgabe, auf Basis von vier Eingangssignalen bis zu zwei Motoren anzusteuern. Die Motoren können in Drehrichtung und Geschwindigkeit gesteuert werden. Die Geschwindigkeit wird über das Puls-Pause-Verhältnis (Dutycycle) des PWM-Signals gesteuert. Zur Verminderung von EMV-Einflüssen kann die Frequenz des PWM-Signals mit einigen hundert Hertz sehr niedrig sein. Die Umsetzung auf die notwendige Motorfrequenz erfolgt in der PWM-Einheit 13. Die Motorfrequenz wird über einen externen Widerstand eingestellt. Der Dutycycle des PWM-Eingangssignales ist gleich dem Dutycycle des Signales PWM_Gate.
