DE3871846T2

DE3871846T2 - Einschaltstromrueckfuehrung durch einen eine induktive last treibenden leistungsschalttransistor.

Info

Publication number: DE3871846T2
Application number: DE8888830137T
Authority: DE
Inventors: Giampietro Maggioni; Fabio Marchio'; Marco Morelli; Francesco Tricoli
Original assignee: SGS Thomson Microelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1987-04-14
Filing date: 1988-03-30
Publication date: 1993-02-04
Anticipated expiration: 2008-03-31
Also published as: EP0287525B1; JP2911453B2; DE3871846D1; US4962346A; EP0287525A2; JPS63272221A; EP0287525A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Erfindungsbereich

Die vorliegende Erfindung betrifft elektronische Schaltungen zum Ansteuern oder Treiben induktiver Lasten, welche Halbleiter-Leistungsvorrichtungen zum Ansteuern der Last nutzen, genauer gesagt, monolithisch integrierte Schaltungen dieses Typs.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Es ist bekannt, daß das Ansteuern stark rückwirkender Lasten Probleme bezüglich Transistoren bereitet. Beispielsweise wird über der Last eine durch die Entladung der in einer Induktanz während einer Aufladephase (beim Beginn des Stromflusses durch die induktive Last) gespeicherten Energie verursachte negative Überspannung erzeugt, wenn ein Strom durch die geerdete induktive Last plötzlich unterbrochen wird. Eine derartige Spitze negativer Spannung kann den Durchbruch von Sperrschichten und - bei monolithisch integrierten Schaltungen - das Auslösen parasitärer Transistoren und damit zusammenhängende Probleme verursachen, falls sie bezüglich ihrer Intensität ungehemmt bleibt. In dieser Situation besteht der notwendige Eingriff darin, eine Einrichtung zum Entladen der in der Induktanz gespeicherten Energie vorzusehen, während die negative Überspannung auf einen Absolutwert kleiner oder gleich einer VBE (Basis-Emitter-Spannung) begrenzt wird.
Gemäß bekannter Vorgehensweisen gibt es im wesentlichen zwei für diesen Zweck genutzte Schaltungstypen.
Eine erste Lösung erwägt, eine Rückflußdiode über die induktive Last zu schalten, um einen Rückflußpfad für den Strom zum Entladen der gespeicherten Energie vorzusehen.
Eine andere Lösung erwägt, den Entladestrom der in der induktiven Last gespeicherten Energie durch denselben Leistungsschalttransistor zurück zuführen, indem ein für kleine Leistungen bestimmter zweiter Transistor zwischen der Basis und den Kollektor des Leistungstransistors geschaltet wird. Eine Treiberschaltung dieses Typs ist aus dem veröffentlichten U.S.-Patent US-A-4,287,436 bekannt.
Die erste Lösung weist den Nachteil auf, daß sie mindestens eine zusätzliche Leistungsvorrichtung, d.h., die Rückführdiode, aufweist, welche angemessen dimensioniert sein muß, um dem Durchfluß der Entladestrom-Spitze zu widerstehen.
Die zweite Lösung ist nicht in der Lage, den Maximalbetrag der Gesamtspannung, bei welchem die Rückführung des Entladestromes durch den Leistungstransistor stattfindet, zu begrenzen, obgleich sie in vorteilhafter Weise denselben Leistungstreibertransistor zum Rückführen des Entladestroms verwendet, falls gleichzeitig mit dem Abschalten des Stroms durch die Last ein anormaler Anstieg der Versorgungsspannung (beispielsweise durch einen Dumping-Effekt verursacht) auftreten sollte. Unter diesen unglücklichen Umständen kann die Leistungsvorrichtung einer übermäßigen oder zerstörerischen Spannung unterworfen werden.

DIE ERFINDUNG IN KÜRZE

Die vorliegende Erfindung, wie es sie in den anhängenden Patentansprüchen festgelegt ist, schlägt eine neue und vorteilhafte Schaltung vor, welche, anders als die Schaltungen des Standes der Technik, den Leistungstreibertransistor vor den Folgen eines anormalen Anstiegs der Versorgungsspannung zum Zeitpunkt des Schaltens schützt und die gleichzeitig im wesentlichen an jede von der Schaltung genutzte Versorgungsspannung angepaßt ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, sicherzustellen, daß das Rückführen des Entladestroms der in einer induktiven Last auch bei einem durch "Dumping-Effekt" verursachten anormalen Anstieg der Versorgungsspannung unterhalb einer vorbestimmten Maximalspannung stattfindet.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung und ihre Vorzüge sind unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung leichter verständlich, wobei:
Fig. 1 ein Schaltbild einer Treiberschaltung für induktive Lasten nach dem Stand der Technik ist;
Fig. 2 den Schaltplan einer Treiberschaltung für induktive Lasten zeigt welche Vorrichtungen verwendet, die eine bezüglich der in der Schaltung von Fig. 1 genutzten Vorrichtungen entgegengesetzte Polarität aufweisen;
Fig. 3 den Schaltplan der Erfindung zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

In allen Fign. wird die induktive Last mit L, der Leistungsschalttransistor mit Tpw bezeichnet, und die Treiberschaltung wird schematisch durch die innerhalb des mit 1 bezeichneten Strichellinien-Blockes gezeichneten Elemente dargestellt.
Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Schaltung erwägt den Gebrauch eines Steuertransistors Tc (NPN) mit einer bezüglich derjenigen des Leistungstransistors Tpw (PNP) entgegengesetzten Polarität. Der Emitter des Steuertransistors Tc wird mit dem Kollektor des Leistungstransistors Tpw zusammengeschaltet, der Kollektor des Steuertransistors Tc wird mit der Basis des Leistungstransistors und die Basis des Steuertransistors mit dem Masse- oder Erdungspunkt der Schaltung verbunden.
Im wesentlichen ähnlich ist die in Fig. 2 dargestellte, aus Vorrichtungen entgegengesetzter Polarität, d.h. aus einem NPN-Leistungstransistor Tpw und einem PNP-Steuertransistor Tc, erstellte Schaltung. Die Schaltungen nach Fig. 1 und Fig. 2 arbeiten wesentlich wie folgt.
Wenn das Treibersignal für den Leistungsschalttransistor Tpw unterbrochen wird, entwickelt sich eine negative (Fig. 1) oder eine positive (Fig. 2) Überspannung über der Induktanz L. Wenn diese Spannung eine dem Wert einer VBE entsprechenden Wert erreicht, schaltet der Steuertransistor Tc durch und steuert den Leistungstransistor Tpw in einen leitenden Zustand. Der Steuertransistor Tc widersteht einem Mindestbruchteil des Entladestroms der in der Induktanz L gespeicherten Energie (d.h., einem Teil gleich 1/β des Entladestroms, wobei β der Stromverstärkungsfaktor des Steuertransistors Tc ist), und daher kann er ein Transistor relativ kleiner Größe sein.
Wie dem Fachmann deutlich ist, kann die Rückführung des Entladestroms der Induktanz bei inkrementell zunehmenden Spannungen (zunehmend mit einer vielfachen Zahl (n) von VBE) durch Einfügen von (n) Dioden oder (n) Zenerdioden in Serie zwischen dem Kollektor des Leistungstransistors Tpw und dem Emitter des Steuertransistors entgegengesetzter Polarität Tc ausgeführt werden, falls dies gewünscht ist.
Die in den Fign. 1 und 2 dargestellten bekannten Schaltungen sind nicht in der Lage, den Maximalbetrag der Gesamtspannung, bei der die Rückführung des Entladestromes von der induktiven Last durch den Leistungstransistor Tpw stattfindet, zu begrenzen, sollte ein anormaler Anstieg der Versorgungsspannung (beispielsweise durch einen Dumping- Effekt verursacht) gleichzeitig mit dem Abschalten des Stroms durch die Last auftreten. Unter diesen unglücklichen Umständen kann die Leistungsvorrichtung Tpw einer übermäßigen Spannung unterworfen werden.
Der Schaltplan der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Der Betrieb der Schaltung kann wie folgt beschrieben werden. Im Fall normaler Betriebsbedingungen, d.h. bei einem normalen Wert der Versorgungsspannung, entwickelt sich eine positive Überspannung über der Induktanz L, wenn die Ansteuerung des Leistungsschalttransistors Tpw (beispielsweise durch Öffnen des Schalters S1 der Treiberschaltung 1) unterbrochen wird. Wenn diese Überspannung den zu VAL + VBETc + VBED1 entsprechenden Wert erreicht (wobei VAL die Versorgungsspannung ist), schaltet die Leistungsvorrichtung Tpw infolge des Durchschaltens des PNP-Steuertransistors Tc, der als eine Treibervorrichtung wirkt, wieder durch.
Für den Fall, daß die Schaltung gelegentlich positiven Überspannungen oberhalb des normalen Wertes der Versorgungsspannung VAL unterworfen ist, verhält sich die Schaltung wie folgt.
Wenn die Ansteuerung des Leistungstransistors Tpw unterbrochen wird, während gleichzeitige eine positive Überspannung auf dem Versorgungsspannungswert VAL vorhanden ist, zwingt die zusätzliche, durch die Diode D2 und die Zenerdiode DZ1 gebildete Einrichtung den Steuertransistor Tc und folgerichtig den Leistungstransistor Tpw, durchzuschalten, wann immer die Spannung am Ausgangsknoten VOUT einen durch den Ausdruck
VBETc + VBED2 + VDZ1
gegebenen Wert erreicht, wobei dies während des Auslösens der Zenerdiode DZ1 und dem fölgerichtigen Durchschalten von D2 und von Tc stattfindet.
Auf diese Weise kann die maximale Rückführspannung, die den Leistungstransistor Tpw beeinflußt, leicht begrenzt werden, wodurch die Leistungsvorrichtung Tpw sogar bei Anwesenheit hoher Überspannungen der Versorgungsspannung in dem Augenblick der Unterbrechung der Ansteuerung des Leistungsschalttransistors positiv davor geschützt wird, zerstörerischen Spannungen unterworfen zu werden.
Unter dem Gesichtspunkt der monolithischen Integration bietet die in Fig. 3 dargestellte Erfindung den Vorzug, daß sie es ermöglicht, einen Herstellungsprozeß für relativ geringere Spannungen zu übernehmen, da die erfindungsgemäße Schaltung einen zuverlässigen Schutz des Leistungstransistors gegen Durchbruch vorsieht.
Selbstverständlich kann die Schaltung aus Fig. 3 mit Vorrichtungen (Transistoren) entgegengesetzter Polarität durch Umkehren aller Polaritäten der Schaltung hergestellt werden.

Claims

Schaltung zum Rückführen eines Entladungs- bzw. Selbstinduktionsstromes einer induktiven Last durch einen Leistungsschalttransistor einer ersten Polarität mit einem an eine erste Stromversorgungsschiene angeschlossenen Emitter, mit einem an einen Anschluß der induktiven Last angeschlossenen Kollektor, wobei deren anderer Anschluß an eine zweite Stromversorgungsschiene angeschlossen ist, und mit einer Basis, der ein Treibersignal zugeführt wird, umfassend einen Transistor entgegengesetzter Polarität bezüglich der Polarität des Leistungsschalttransistors mit einem Emitter, mit einem Kollektor und mit einer Basis, wobei der Emitter des Transistors entgegengesetzter Polarität mit dem Kollektor des Leistungstransistors verbunden ist, wobei der Kollektor des Transistors entgegensetzter Polarität mit der Basis des Leitungstransistors verbunden ist, gekennzeichnet durch eine erste Diode mit einer mit der Stromvesorgungsschiene be einer bezüglich der anderen Stromversorgungsschiene positiv Spannung verbundenen Kathode; eine zweite Diode mit einer der Anode der ersten Diode verbundenen Anode; eine Zener-D ode mit einer mit der Kathode der zweiten Diode verbunden Kathode und mit einer mit der anderen Stromversorgungssc verbundenen Anode; wobei die Basis des Transistors entge setzter Polarität gemeinsam mit den Anoden der ersten b der zweiten Diode verbunden ist.