DE19841227C1 - Leistungsendstufe zum Schalten einer induktiven Last - Google Patents

Leistungsendstufe zum Schalten einer induktiven Last

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Abstract

Leistungsendstufe zum Schalten einer induktiven Last (V) ohne Freilaufkreis, mit einer Zenerdiode (Z) zwischen Gate und Drain eines Leistungsschalters (T), wobei eine Logikschaltung (LS) vorgesehen ist, welche ein erneutes Einschalten der Last (V) durch Steuersignale (st) unterbindet, solange beim Entladen der Last ein Strom durch die Zenerdiode (Z) zum Steueranschluß (g) des Leistungsschalters (T) fließt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leistungsendstufe zum Schalten einer induktiven Last, insbesondere der Erregerwicklung eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Leistungsendstufen werden insbesondere im Motorsteuerungsbe­ reich von Kraftfahrzeugen in großer Zahl verwendet. Für be­ stimmte Anwendungszwecke (beispielsweise Kraftstoffeinsprit­ zung oder Zündung, insbesondere Mehrfacheinspritzung) müssen die einzelnen Lasten mit exakt einzuhaltenden Schaltzeiten angesteuert werden. Aus diesem Grund werden solche Lasten oh­ ne Freilaufkreis betrieben, um kurze Abschaltphasen zu errei­ chen. Zum Schutz vor zu hohen Abschaltspannungen am Kollektor bzw. Drain des mit der Last in Reihe liegenden Leistungs­ schalters ohne Freilaufkreis (bei fehlender Freilaufdiode) wird zwischen dessen Basis/Gate und Kollektor/Drain in be­ kannter Weise eine Zenerdiode geschaltet, welche bei zu hohen Abschaltspannungen durchbricht und den Leistungsschalter in den leitenden Zustand steuert, bis die Abschaltspannung auf ungefährliche Werte abgeklungen ist. Dieser Zustand wird mit 'Zenerphase' bezeichnet.
Bevor die induktive Last wieder eingeschaltet werden kann, muß nach dem Abschalten die Dauer der Zenerphase abgewartet werden, um die Restenergie der Last abbauen zu können. Dies wurde bisher durch eine vorgegebene Sperr- oder Wartezeit ge­ währleistet, die jedoch aufgrund von Bauteiletoleranzen ver­ hältnismäßig lang bemessen sein mußte.
Im ersten Ausführungsbeispiel einer Leistungsendstufe LE nach Fig. 1 ist eine Reihenschaltung einer induktiven Last V und eines als N-MOSFET ausgebildeten Leistungsschalters T zwi­ schen Pluspol +Uv und Minuspol GND einer nicht dargestellten Spannungsquelle angeordnet. Die Last V ist einerseits mit dem Pluspol +Uv und andererseits mit dem Drain d des als Lowside­ schalters ausgebildeten Leistungsschalters T verbunden, die Source s des Leistungsschalters T ist mit dem Minuspol GND verbunden. Zwischen Gate g und Drain d des Leistungsschalters T ist in bekannter Weise eine Reihenschaltung einer zum Drain d hin stromleitenden Zenerdiode Z, einer zum Gate g hin stromleitenden, nicht näher bezeichneten Sperrdiode (um einen Stromfluß vom Gate g zum Drain d bei leitendem Leistungs­ schalter T zu verhindern) und eines Widerstandes angeordnet.
Zwischen dem Steuereingang E und einem Gatetreiber Tr, der das Steuersignal st auf die zur Ansteuerung des Leistungs­ schalters T erforderliche Spannung bringt, ist eine als strichlierter Kasten angedeutete Logikschaltung LS angeord­ net, die in diesem Ausführungsbeispiel ein Und-Glied UND auf­ weist, an deren einen Eingang die dem Eingang E der Lei­ stungsendstufe LE zugeführten Steuersignale st zum Ein- und Ausschalten der Last V gelegt werden und dessen Ausgang über die Treiberschaltung Tr mit dem Gate g des Leistungsschalters T verbunden ist.
Außerdem ist ein Differenzverstärker DV vorgesehen, dessen Eingänge mit je einem Anschluß des Shuntwiderstandes R ver­ bunden sind, und in welchem eine bei einem durch ihn fließen­ den Strom entstehende Potentialdifferenz (Spannung am Shunt­ widerstand) feststellbar ist, indem am Ausgang des Differen­ tialverstärkers DV ein logisches H-Signal erscheint, wenn keine Potentialdifferenz meßbar ist, und ein logisches L-Si­ gnal erscheint, wenn eine solche meßbar ist, d. h., wenn die Zenerdiode Z in leitendem Zustand ist. Der Ausgang des Diffe­ rentialverstärkers DV ist mit dem zweiten Eingang des Und- Gliedes UND verbunden. Im folgenden bedeutet 'L' ein Low- Signal, 'H' ein High-Signal, beispielsweise L = 0 V, H = +5 V.
Bei ausgeschalteter Last V ist das Steuersignal st = L, der Ausgang des Und-Gliedes UND ist ebenfalls L und der Lei­ stungsschalter T nichtleitend. Am Shuntwiderstand R ist keine Spannung und infolgedessen auch keine Potentialdifferenz meß­ bar, was ein H-Signal am zweiten Eingang des Und-Gliedes UND bewirkt.
Sobald am Eingang E der Leistungsendstufe LE ein Steuersignal st = H erscheint, wird dieses über das Und-Glied UND dem Gate g des Leistungsschalters T zugeführt, wodurch dieser in den leitenden Zustand übergeht. Die Drainspannung geht nahezu nach Null. Es fließt ein Strom vom Pluspol +Uv über die Last V und den Leistungsschalter T zum Minuspol GND, solange das Steuersignal st ansteht.
Aus der gattungsgemäßen DE 40 00 820 A1 ist eine Schutzschaltung für einen elek­ trischen Verbraucher bekannt, welche den Verbraucher abschal­ tet, wenn der durch ihn fließende Strom einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
Die DE 44 28 675 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines abschaltbaren Leistungshalbleiter-Schalters vor energiereichen Überspannungen, mit einer Spannungsklemmbe­ schaltung zwischen Gate und Drain des Leistungshalbleiter- Schalters; abhängig von dem durch die Spannungsklemmbeschal­ tung fließenden Strom wird der Leistungshalbleiter-Schalter gesteuert, wodurch die Elemente der Spannungsklemmbeschaltung entlastet werden und eine Begrenzung der Spannung am Lei­ stungshalbleiter-Schalter mit hoher Wiederholrate ermöglicht wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Leistungsendstufe ohne Freilaufkreis zum Schalten einer induktiven Last dahingehend auszubilden, daß ein erneutes Einschalten sofort nach Ende der Zenerphase erfolgen kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Leistungsendstufe beschrieben und deren Funktionsweise erläu­ tert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Leistungsend­ stufe, und
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Leistungs­ endstufe.
Wenn das Steuersignal verschwindet, st = L, wird der Lei­ stungsschalter T nichtleitend. An seinem Drain d steigt die Spannung schnell an, bis sie die Durchbruchspannung der Zenerdiode Z erreicht, beispielsweise +40 V, auf welche sie begrenzt wird. Ohne Zenerdiode würde sie noch wesentlich hö­ her ansteigen.
Bei leitender Zenerdiode Z fließt ein Strom von der Last über die Sperrdiode, die Zenerdiode Z und den Shuntwiderstand R zum Gate g des Leistungsschalters T, wodurch dieser wieder und solange leitend gesteuert wird, bis die in der induktiven Last gespeicherte Energie abgebaut ist (Zenerphase).
Der durch den Shuntwiderstand R fließende Strom bewirkt eine an ihm abfallende Spannung und damit eine Potentialdifferenz am Differenzverstärker DV, woraufhin am Ausgang des Diffe­ renzverstärkers DV ein L-Signal erscheint, welches das Und- Glied UND so lange sperrt, bis die Zenerdiode Z wieder nicht­ leitend und der durch sie fließende Strom zu Null wird. Da­ durch wird eine erneute Ansteuerung des Leistungsschalters T während der Zenerphase verhindert. Nach Ablauf der Zenerphase wird das Und-Glied UND wieder für ein nächstes - kommendes oder bereits während der Zenerphase am Eingang E erscheinen­ des - Steuersignal st freigegeben. Dies ist der früheste Zeitpunkt für eine neue Ansteuerung der Last V.
In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Lei­ stungsendstufe LE dargestellt. Zum Unterschied von dem Aus­ führungsbeispiel nach Fig. 1 liegt hier der Shuntwiderstand R nicht in Reihe mit der Zenerdiode Z, sondern zwischen Sour­ ce s des Leistungsschalters T und dem Minuspol GND.
Auch hier ist wieder eine Reihenschaltung einer induktiven Last V und eines als N-MOSFET ausgebildeten Leistungsschal­ ters T zwischen Pluspol +Uv und Minuspol GND einer nicht dar­ gestellten Spannungsquelle angeordnet.
Zwischen Gate g und Drain d des Leistungsschalters T ist ebenfalls eine Reihenschaltung einer zum Drain d hin strom­ leitenden Zenerdiode Z und einer zum Gate g hin stromleiten­ den, nicht näher bezeichneten Sperrdiode angeordnet.
Die am Shuntwiderstand R abfallende Spannung wird in einem Komparator K mit einem Schwellwert S verglichen, der an sei­ nem Ausgang ein H-Signal abgibt, wenn diese Spannung den Schwellwert S übersteigt, andernfalls ein L-Signal.
Wie in Fig. 1 ist zwischen dem Steuereingang E und dem Ga­ tetreiber Tr eine in einem strichlierten Kasten befindliche Logikschaltung LS angeordnet.
Da der Shuntwiderstand R sowohl während der Ansteuerung der Last als auch während der daran anschließenden Zenerphase von einem Strom durchflossen wird, ist in diesem Fall die Logik­ schaltung LS etwas aufwendiger, um die Zenerphase zu detek­ tieren. Sie weist ein erstes Und-Glied U1 mit einem invertie­ renden Eingang auf, dem die Steuersignale st zugeführt wer­ den. Der andere Eingang ist mit dem Ausgang des Komparators K verbunden. Der Ausgang des ersten Und-Gliedes U1 ist mit dem mit einem Pfeil gekennzeichneten Takteingang eines D-Flip- Flop's FF verbunden. Ein D-Flip-Flop gibt das an seinem Ein­ gang D anliegende Signal mit dem Erscheinen der ansteigenden Flanke eines Taktsignals t an seinen Ausgang Q weiter. Der D- Eingang des D-Flip-Flop's FF liegt in diesem Ausführungsbei­ spiel permanent auf H-Signal, während der andere Eingang und der Q-Ausgang nicht beschaltet sind.
Der Ausgang Q des D-Flip-Flop's FF ist mit dem einen Eingang eines zweiten Und-Gliedes U2 verbunden, dessen anderer Ein­ gang mit dem Eingang E verbunden ist. Der Ausgang des Kompa­ rators K ist noch mit einem "Clear"-Eingang CL des D-Flip- Flop's FF verbunden. Ein L-Signal am Clear-Eingang setzt das D-Flip-Flop in seinen Ausgangszustand Q = L, Q = H.
Diese Schaltung arbeitet folgendermaßen:
Beim Einschalten der Versorgungsspannung Uv ist der Lei­ stungsschalter T gesperrt, die Source s liegt auf GND-Po­ tential und es geht das Ausgangssignal des Komparators K nach L. Dadurch wird das D-Flip-Flop FF über den Eingang CL in seinen Ausgangszustand Q = H gesetzt, wodurch das zweite Und-Glied U2 für ein Steuersignal st freigegeben wird. Das erste Und-Glied U1 ist gesperrt, da am Ausgang des Kompara­ tors K ein L-Signal liegt.
Erscheint ein Steuersignal st = H, so wird über den Gatetrei­ ber Tr das Gate g des Leistungsschalters T angesteuert, wor­ auf dieser leitend wird. Es fließt ein Strom vom Pluspol +Uv durch die Last V, den Leistungsschalter T und den Shuntwider­ stand R zum Minuspol GND.
Die daraufhin am Shuntwiderstand R abfallende Spannung über­ steigt schnell den Schwellwert S. woraufhin das Ausgangssi­ gnal des Komparators K von L nach H geht. Das Und-Glied U1 bleibt aber weiter gesperrt, weil jetzt an seinem invertie­ renden Eingang infolge des anstehenden Steuersignals st ein L-Signal anliegt.
Wenn beim Abschalten der Last V das Steuersignal st von H nach L geht, erscheint am Ausgang des ersten Und-Gliedes U1 ein H-Signal als Taktsignal t, mit dessen ansteigender Flanke das am D-Eingang des D-Flip-Flop's FF anstehende H-Signal auf dessen Q-Ausgang übernommen wird. Infolge dessen erscheint am Q-Ausgang ein L-Signal, durch welches das zweite Und-Glied gesperrt wird.
Gleichzeitig wird infolge der beginnenden Zenerphase der Lei­ stungsschalter T leitend gehalten, bis die Abschaltspannung an seinem Drain d auf ungefährliche Werte abgeklungen ist. Während der Zenerphase wird eine neuerliche Ansteuerung des Leistungsschalters T durch das gesperrte zweite Und-Glied U2 verhindert.
Wenn die Zenerphase beendet ist, wird der Leistungsschalter T gesperrt. Die Spannung am Shuntwiderstand R verschwindet, wo­ durch das Ausgangssignal des Komparators K von H nach L geht. Dieses Ausgangssignal des Komparators K erscheint auch am Clear-Eingang CL des D-Flip-Flop's FF und setzt dieses in seinen Ausgangszustand Q = L, wodurch der Anfangszustand der Leistungsendstufe wieder hergestellt ist.
Ab diesem Moment kann durch ein danach erscheinendes oder am Eingang E bereits vorliegendes Steuersignal st die Last V zum frühest möglichen Zeitpunkt wieder angesteuert werden.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß die vorstehend in einer Ausführung mit einem N-MOSFET als Leistungsschalter T be­ schriebene Leistungsendstufe sowohl mit Bipolartransistoren (npn, pnp) als auch mit P-MOSFET's als Leistungsschalter T ausführbar ist, wobei diese Leistungsschalter, unter Berück­ sichtigung der jeweiligen Polungen, sowohl als Lowside-Schal­ ter, wie beschrieben, aber auch als Highside-Schalter ein­ setzbar sind.
Infolge der großen Zahl benötigter Leistungsendstufen werden oft vielfach integrierte Mehrfach-Leistungsendstufen einge­ setzt, z. B. Vier- oder Achtfach-Leistungsendstufen, und in naher Zukunft IC's mit noch mehr Leistungsendstufen infolge höherer Integrationsdichte. Für jede dieser Leistungsendstu­ fen wird eine oben beschriebene Schaltung LE benötigt, wobei diese Schaltungen ebenfalls zu integrierten Mehrfach-Lei­ stungsendstufen zusammengefaßt werden können.

Claims (3)

1. Leistungsendstufe zum Schalten einer induktiven Last (V) ohne Freilaufkreis, die in Reihenschaltung mit einem Lei­ stungsschalter (T) an den Polen (+Uv, GND) einer Spannungs­ quelle liegt, mittels Steuersignalen (st), die über eine Treiberschaltung (Tr) dem Steueranschluß (g) des Leistungs­ schalters (T) zugeführt werden, wobei zwischen dem Steueran­ schluß (g) und dem mit der Last (L) verbundenen Anschluß (d) des Leistungsschalters (T) eine vom Steueranschluß (g) weg stromleitende Zenerdiode (Z) zum Schutz des Leistungsschal­ ters (T) vor zu hohen Abschaltspannungen liegt, und mit einer Logikschaltung (LS), dadurch gekennzeichnet, daß die Logikschaltung (LS) ein Einschalten der Last (V) durch Steuersignale (st) unterbindet, solange ein den leiten­ den Zustand der Zenerdiode (Z) kennzeichnender Strom durch die Zenerdiode (Z) zum Steueranschluß (g) des Leistungs­ schalters (T) fließt.
2. Leistungsendstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Logikschaltung (LS) ein Und-Glied (UND) enthält, des­ sen einem Eingang (E) die Steuersignale (st) zugeführt wer­ den, dessen Ausgangssignal über die Treiberschaltung (Tr) auf den Steueranschluß (g) des Leistungsschalters (T) ein­ wirkt, und dessen anderer Eingang mit dem Ausgang eines Differenzverstärkers (DV) verbunden ist, und
daß ein mit der Zenerdiode (Z) in Reihe liegender Shuntwider­ stand (R) vorgesehen ist, dessen Anschlüsse mit den Eingän­ gen des Differenzverstärkers (DV) verbunden sind.
3. Leistungsendstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß in der Logikschaltung (LS)
ein erstes Und-Glied (U1) vorgesehen ist, mit einem inver­ tierenden Eingang, dem die Steuersignale (st) zugeführt werden,
ein D-Flip-Flop (FF) vorgesehen ist, dessen Takteingang mit dem Ausgang des ersten Und-Gliedes (U1) verbunden ist, und dessen D-Eingang konstant mit einem H-Signal beaufschlagt ist,
ein zweites Und-Glied (U2) vorgesehen ist, dessen einer Eingang mit dem Q-Ausgang des D-Flip-Flop's (FF) verbunden ist, dessen anderem Eingang die Steuersignale (st) zuge­ führt werden, und dessen Ausgang über die Treiberschaltung (Tr) auf den Steueranschluß (g) des Leistungsschalters (T) einwirkt,
daß ein zwischen dem der Last (V) abgewandten Anschluß (s) des Leistungsschalters (T) und dem nicht mit der Last (V) verbundenen Pol (GND) der Spannungsquelle liegender Shunt­ widerstand (R) vorgesehen ist, und
daß ein Komparator (K) vorgesehen ist, dessen einem Eingang die am Shuntwiderstand (R) abfallende Spannung (uSh) zuge­ führt wird, dessen anderem Eingang ein Schwellwert (S) zu­ geführt wird, und dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang des ersten Und-Gliedes (U1) und mit einem Clear-Eingang (CL) des D-Flip-Flop's (FF) verbunden ist.
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