DE10302811A1

DE10302811A1 - Schaltungsanordnung zum Schutz einer Leistungsendstufe mit Halbleiterschaltern

Info

Publication number: DE10302811A1
Application number: DE2003102811
Authority: DE
Inventors: Matthias Hadamik; Ingo Tempels
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-01-24
Filing date: 2003-01-24
Publication date: 2004-08-12
Also published as: WO2004068710A3; WO2004068710A2

Abstract

Bei einer Schaltungsanordnung zum Schutz einer Leistungsendstufe mit Halbleiterschaltern, insbesondere in Steuergeräten für Kraftfahrzeuge, sind die Halbleiterschalter mit Temperatursensoren versehen, die mit einer Steuerschaltung derart zusammenwirken, dass bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur mindestens eines der Halbleiterschalter die Zuführung von Steuerimpulsen zu den Halbleiterschaltern unterbleibt. In einem von den Halbleiterschaltern gebildeten Lastkreis ist mindestens ein Strombegrenzungswiderstand angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schutz einer Leistungsendstufe mit Halbleiterschaltern, insbesondere in Steuergeräten für Kraftfahrzeuge.

Leistungsendstufen müssen in der Regel gegen Überlast und Kurzschluss abgesichert werden. Dies trifft insbesondere zu, wenn die Endstufe elementare Funktionen bei der elektronischen Steuerung von Brennkraftmaschinen oder sicherheitsrelevante Funktionen durchführt. Insbesondere bei Brückenschaltungen sind dabei alle verschiedenen Möglichkeiten einer Überlast bzw. eines Kurzschlusses zu berücksichtigen. Dies führt dazu, dass Spannungsmessungen an der Drain-Source-Strecke der meist als Leistungs-MOS-FETs ausgeführten Halbleiterschalter und Strommessungen innerhalb oder außerhalb der Brückenschaltungen entweder aufwendig sind oder zu Lücken in der Absicherung führen. Außerdem muss bei diesen Verfahren ein genügend großer Sicherheitsabstand zwischen Betriebsstrom und Abschaltstrom liegen, das heißt, die Endstufe muss überdimensioniert werden, was zu erheblichen Kosten bei den Halbleiterschaltern führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, Kurzschlüsse und Überlastungen sicher zu erkennen, wobei die Endstufe lediglich für die eigentliche im Betrieb vorgesehene Belastung ausgelegt zu werden braucht. Diese Fehlerfälle sollen zu einer Abschaltung, aber nicht zu einer Schädigung der Endstufe führen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Halbleiterschalter mit Temperatursensoren versehen sind, die mit einer Steuerschaltung derart zusammenwirken, dass bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur mindestens eines der Halbleiterschalter die Zuführung von Steuerimpulsen zu den Halbleiterschaltern unterbleibt und dass in einem von den Halbleiterschaltern gebildeten Lastkreis mindestens ein Strombegrenzungswiderstand angeordnet ist.

Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist ein lückenloser Schutz der Leistungsendstufe. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass bei der Erfindung nicht zwischen Überlast (beispielsweise durch schwergängige Gleichstrommotore), Kurzschluss der Motorleitung (gegen Masse, Batteriespannung oder auch untereinander) oder Übertemperatur (Überhitzen des Steuergerätes durch zu hohe Umgebungstemperaturen) unterschieden werden muss.

Durch die Maßnahmen zur Strombegrenzung wird der Strom durch alle möglichen Strompfade begrenzt. Zusätzlich wird dadurch erreicht, dass der Temperaturgradient im Halbleiterschalter ebenfalls begrenzt wird. Bei unbegrenztem Strom kann in einer Endstufe eine kritische Transistortemperatur bereits nach wenigen æs erreicht werden. Eine Absicherung durch eine Temperaturmessung ist dann durch den Mikrocomputer nicht möglich, da dieser zu langsam reagiert. Durch die Strombegrenzung kann jedoch der Temperaturgradient soweit begrenzt werden, dass kritische Temperaturen erst nach beispielsweise 100 ms erreicht werden. Dies ermöglicht eine Messung durch den im Steuergerät ohnehin vorhandenen Mikrocomputer.

Die Strombegrenzung erfolgt bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung vorzugsweise dadurch, dass ferner der Span nungsabfall an dem mindestens einen Strombegrenzungswiderstand zur Regelung des Tastverhältnisses der Steuerimpulse im Sinne einer Strombegrenzung bei höherem Spannungsabfall dient, wobei vorzugsweise ferner vorgesehen sein kann, dass die Steuerschaltung einen Mikrocomputer enthält, an den die Temperatursensoren über Analog/Digital-Wandler angeschlossen sind, und der Ausgänge für die Steuerimpulse aufweist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht darin, dass zwischen die Ausgänge des Mikrocomputers und Steuereingänge der Halbleiterschalter Schaltungen zur Steuerung des Tastverhältnisses der Steuerimpulse zwischengeschaltet sind, die in Abhängigkeit vom Spannungsabfall an dem mindestens einen Strombegrenzungswiderstand steuerbar sind. Bei der Strombegrenzung an sich wird der Strom in den Widerständen gemessen und bei Erreichen eines Grenzwertes die Ansteuerung der Endstufe für eine gewisse Zeit abgeschaltet. Dadurch stellt sich zusammen mit der Induktivität des Motors ein mittlerer Strom ein. Hierbei wird insbesondere der Vorteil sichergestellt, dass die Strombegrenzung äußerst schnell einsetzt.

Eine vollständige Absicherung einer Endstufe ist bei einer anderen vorteilhaft ausgestalteten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung insbesondere dadurch möglich, dass jeweils zwei Halbleiterschalter einen Zweig einer Brückenschaltung bilden, wobei die Verbindungspunkte der jeweils einen Zweig bildenden Halbleiterschalter einen Ausgang darstellen, und die Zweige zwischen den Polen einer Spannungsquelle angeordnet sind, dass ein Strombegrenzungswiderstand beide Zweige mit einem Pol der Spannungsquelle verbindet und dass je ein Strombegrenzungswiderstand die Zweige mit dem anderen Pol der Spannungsquelle verbindet.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon ist schematisch in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigt:

1 teilweise in Form eines Blockschaltbildes ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und

2 ein Diagramm zur Erläuterung des Temperaturanstiegs.

Die Schaltungsanordnung nach 1 umfasst Teile eines Steuergerätes, wie es beispielsweise in Kraftfahrzeugen verwendet wird. Dabei wird ein Gleichstrommotor 1 über eine Brückenendstufe, welche aus Feldeffekttransistoren 2, 3, 4, 5 besteht und zwischen den positiven Pol 6 einer Betriebsspannungsquelle und Massepotential geschaltet ist, angesteuert. In Abhängigkeit von der gewünschten Drehrichtung und dem gewünschten Drehmoment werden über eine Begrenzungsschaltung 8 und Treiberstufen 9 den Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren 2 bis 5 breitenmodulierte Impulse zugeführt, die in einem Mikrocomputer 7 erzeugt werden.

Die Feldeffekttransistoren 2 bis 5 sind mit jeweils einem Thermosensor 11, 12, 13, 14 versehen, die von jeweils einer Diode gebildet sind. Die Dioden sind in die Feldeffekttransistoren integriert, so dass sie die Temperaturen der Feldeffekttransistoren unmittelbar annehmen. Über Verstärker 15 bis 18 und Analog/Digital-Wandler 19 bis 22 werden die gemessenen Temperaturen an den Mikrocomputer 7 gemeldet.

In beiden Zweigen ist masseseitig jeweils ein Strombegrenzungswiderstand bzw. Strommesswiderstand 23, 24 eingefügt, während betriebsspannungsseitig ein Strombegrenzungswider stand 25 für beide Zweige gemeinsam vorgesehen ist. Der Spannungsabfall an den Strombegrenzungswiderständen 23 bis 25 wird mit Hilfe jeweils eines Analog/Digital-Wandlers 26, 27, 28 digitalisiert. Die Ausgangssignale der Analog/Digital-Wandler 26 bis 28 steuern eine Schaltung 29, welche die Pulsbreite der vom Mikrocomputer erzeugten Steuerimpulse vermindert, wenn mindestens einer der Spannungsabfälle einen vorgegebenen Wert überschreitet. Dadurch wird der Strom durch die Feldeffekttransistoren 2 bis 5 begrenzt.

2 zeigt den Verlauf der Temperatur Tj eines Feldeffekttransistors als Funktion der Zeit, wobei angenommen wird, dass von einer normalen Betriebstemperatur T0 ausgehend eine Temperaturerhöhung durch einen Kurzschluss zum Zeitpunkt t0 bzw. eine einsetzende Überlastung stattfindet. Der Anstieg der Temperatur wird, wie oben beschrieben, verlangsamt. Nach der Zeit t1 ist jedoch die zulässige Temperatur T1 erreicht, was ein Abschalten der Endstufe bewirkt.

Claims

Schaltungsanordnung zum Schutz einer Leistungsendstufe mit Halbleiterschaltern, insbesondere in Steuergeräten für Kraftfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (2, 3, 4, 5) mit Temperatursensoren (11, 12, 13, 14) versehen sind, die mit einer Steuerschaltung (7, 8, 9) derart zusammenwirken, dass bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur mindestens eines der Halbleiterschalter (2 bis 5) die Zuführung von Steuerimpulsen zu den Halbleiterschaltern (2 bis 5) unterbleibt und dass in einem von den Halbleiterschaltern (2 bis 5) gebildeten Lastkreis mindestens ein Strombegrenzungswiderstand (23, 24, 25) angeordnet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ferner der Spannungsabfall an dem mindestens einen Strombegrenzungswiderstand (23, 24, 25) zur Regelung des Tastverhältnisses der Steuerimpulse im Sinne einer Strombegrenzung bei höherem Spannungsabfall dient.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (7, 8, 9) einen Mikrocomputer (7) enthält, an den die Temperatursensoren (11 bis 14) über Analog/Digital-Wandler (19, 20, 21, 22) angeschlossen sind, und der Ausgänge für die Steuerimpulse aufweist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Ausgänge des Mikrocomputers (7) und Steuereingänge der Halbleiterschalter (2 bis 5) Schaltungen (8) zur Steuerung des Tastverhältnisses der Steuerimpulse zwischengeschaltet sind, die in Abhängigkeit vom Spannungsabfall an dem mindestens einen Strombegrenzungswiderstand (23, 24, 25) steuerbar sind.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Halbleiterschalter (2, 3; 4, 5) einen Zweig einer Brückenschaltung bilden, wobei die Verbindungspunkte der jeweils einen Zweig bildenden Halbleiterschalter (2, 3; 4, 5) einen Ausgang darstellen, und die Zweige zwischen den Polen einer Spannungsquelle angeordnet sind, dass ein Strombegrenzungswiderstand (25) beide Zweige mit einem Pol (6) der Spannungsquelle verbindet und dass je ein Strombegrenzungswiderstand (23, 24) die Zweige mit dem anderen Pol der Spannungsquelle verbindet.