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Dokumentenidentifikation DE3730503A1 30.03.1989
Titel Gleichstrom-Steuerschaltung
Anmelder Marks, Walter, 7118 Künzelsau, DE
Erfinder Marks, Walter, 7118 Künzelsau, DE
Vertreter Müller, H., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 7100 Heilbronn
DE-Anmeldedatum 11.09.1987
DE-Aktenzeichen 3730503
Offenlegungstag 30.03.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.03.1989
IPC-Hauptklasse H02M 3/155
IPC-Nebenklasse H03K 17/687   H03K 17/08   
Zusammenfassung Eine Gleichstrom-Steuerschaltung weist einen induktiven Verbraucher (3), eine Stromquelle (2) und einen zwischen diese beiden Bauteile geschalteten Schalttransistor (1) auf. Zwischen den Gate-Anschluß (G) und den Source-Anschluß (S) des Schalttransistors ist ein Kondensator (6) geschaltet, der von einer Steuerschaltung (4) geladen oder entladen wird und dadurch die Gate/Source-Spannung festlegt. Durch den Kondensator wird der zeitliche Verlauf der Gate/Source-Spannung beim Ein- bzw. Ausschalten so festgelegt, daß eine parallel zum Verbraucher liegende Freilaufdiode (5) mit Sicherheit sperrt und somit kein Stromfluß über die Diode, aber über Transistor und Diode noch Masse auftritt bzw. die Diode durchgeschaltet hat, bevor eine durch den Verbraucher induzierte Gegenspannung zu einem Störimpuls oder gar zu einem den Schalttransistor zerstörenden hohen Strom durch den Transistor führt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung zum Ein- und Ausschalten, insbesondere zur Leistungssteuerung, des durch einen induktiven Verbraucher fließenden Gleichstromes. Als Schalter in einer solchen Schaltung wird häufig ein N-Kanal- MOSFET für hohe Leistungen verwendet. Würde ein solcher Transistor durch Anwenden einer sprunghaften Änderung der Gate- Spannung gesperrt oder durchgeschaltet werden, würde dies, wenn nicht weitere Maßnahmen ergriffen würden, zur Zerstörung des Transistors aufgrund hoher Ströme führen, die durch die induzierte Gegenspannung des induktiven Verbrauchers entstehen. Damit induzierte Ströme nicht über den Transistor fließen, wird eine Freilaufdiode verwendet, die parallel zum Verbraucher geschaltet ist, an die Source des Transistors angeschlossen ist und bei durchgeschaltetem Transistor sperrt, jedoch Strom, der durch die induzierte Gegenspannung hervorgerufen wird, durchläßt.

Problematisch bei einer solchen Schaltung ist, daß die Freilaufdiode nicht innerhalb beliebig kurzer Zeit vom sperrenden in den durchlassenden Zustand übergeht, oder umgekehrt. Es ist daher darauf zu achten, daß beim Abschalten durch Steuern der Gate-Spannung des Transistors der durch den Verbraucher fließende Strom zunächst nur soweit abgesenkt wird, daß die induzierte Gegenspannung noch nicht zu einem Strom führt, der den Transistor zerstört, jedoch ausreichend groß wird, um die Freilaufdiode vom sperrenden in den durchlassenden Zustand zu überführen. Beim Einschalten muß umgekehrt die Freilaufdiode sperren, bevor der Transistor ganz öffnet. Die entsprechende Steuerung der Gate-Spannung wird über eine Steuerschaltung vorgenommen. Die herkömmliche Steuerschaltung verändert das Potential der Gate-Elektrode in bezug auf das negative Potential der Stromquelle, also in der Regel in bezug auf Masse.

Es hat sich herausgestellt, daß es trotz der besonderen Steuerung der Gate-Spannung bei den herkömmlichen Schaltungen noch zu Stromspitzen am N-Kanal-MOSFET kommt, die diesen zerstören können, oder die zu leitungsgebundenen Störimpulsen oder Störstrahlung führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der beschriebenen Art anzugeben, bei der besonders wenig Störimpulse auftreten.

Die Erfindung ist durch die Merkmale von Anspruch 1 gegeben. Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist Gegenstand eines Unteranspruches.

Die erfindungsgemäße Gleichstrom-Steuerschaltung zeichnet sich dadurch aus, daß das Gate so geschaltet ist, daß das an ihm anliegende Potential auf das Source-Potential und nicht auf Masse bezogen ist. Dies hat den Vorteil, daß der Potentialunterschied zwischen Gate und Source, d. h. die Gate/ Source-Spannung genau definiert ist. Nur diese legt aber die Durchlaßcharakteristik des N-Kanal-MOSFET fest.

Bei der herkömmlichen Schaltung wie auch bei der erfindungsgemäßen hängt das Source-Potential unter anderem von der vom induktiven Verbraucher erzeugten Gegenspannung ab. Bei der herkömmlichen Schaltung führte dies dazu, daß die Gate/ Source-Spannung nicht nur von dem auf Masse bezogenen Gate- Potential abhing, sondern auch von dem auf Masse bezogenen Source-Potential, das sich aufgrund der induktiven Eigenschaften der Gesamtschaltung in nicht genau vorhersehbarer Weise änderte. Das Durchlaßverhalten des Transistors war daher nicht genau steuerbar, was dazu führen konnte, daß eine hohe induktive Gegenspannung bereits auftrat, bevor die Freilaufdiode geöffnet hatte. Dies ist bei der erfindungsgemäßen Schaltung ausgeschlossen, da die Gate/Source-Spannung genau einstellbar ist und daher genau festgelegt werden kann, innerhalb welcher Zeitspanne die Stromleitfähigkeit des Transistors auf einen vorgegebenen Wert heruntergesteuert wird. Diese Zeitspanne wird in herkömmlicher Weise an die Zeitkonstanten für das Sperren bzw. Durchlassen der Freilaufdiode angepaßt.

Es wird darauf hingewiesen, daß Gleichstrom-Steuerschaltungen mit genau definierter Gate/Source-Spannung auch aus dem Stand der Technik bekannt sind, jedoch nur für solche Ausführungsarten, bei denen der N-Kanal-MOSFET zwischen Masse und den Verbraucher geschaltet ist. In diesem Fall kann sich das Source-Potential nicht aufgrund einer induzierten Gegenspannung ändern, so daß die Gate/Source-Spannung zu jeder Zeit eindeutig durch das gesteuerte, auf Masse bezogene Potential der Gate-Elektrode festgelegt ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines durch eine Figur veranschaulichten Ausführungsbeispieles näher beschrieben.

Die Steuerschaltung gemäß der Figur weist einen N-Kanal- MOSFET auf, der im folgenden als Schalttransistor bezeichnet wird. Der Drain-Anschluß D des Schalttransistors 1 ist mit einer Stromquelle verbunden, die im Ausführungsbeispiel als Batterie 2 dargestellt ist. Der Source-Anschluß S steht mit einem induktiven Verbraucher 3 in Verbindung, der mit einem weiteren Anschluß geerdet ist. Der Gate-Anschluß G des Schalttransistors 1 wird von einer Steuerschaltung 4 mit einer vorgegebenen Spannung versorgt. Je nach angelegter Spannung zwischen Gate und Source kann ein bestimmter Maximalstrom durch den Schalttransistor 1 fließen.

Wird der Schalttransistor 1 durch Anlegen einer entsprechenden Gate-Spannung vom leitenden in den sperrenden Zustand überführt, wird vom induktiven Verbraucher 3 eine Gegenspannung erzeugt, die über eine parallel zum Verbraucher 3 liegende Freilaufdiode 5 kurzgeschlossen wird, sobald diese durchgeschaltet hat, was dann der Fall ist, wenn das eingangsseitige Potential am Verbraucher 3, und damit das Potential am Source-Anschluß S negativ geworden ist. Dabei wird die Gate/Source-Spannung durch die Steuerschaltung 4 und den Kondensator 6 so geführt, daß die Diode 5 durchgeschaltet hat, bevor der induzierte Strom so groß wird, daß er den Schalttransistor 1 zerstören kann oder zu starken Störimpulsen führen kann.

Damit für die Freilaufdiode 5 ausreichend Zeit zur Verfügung steht, um vom sperrenden in den leitenden Zustand überzugehen, bevor der Schalttransistor 1 weitgehend sperrt, wird die steuernde Spannung zwischen Gate G und Source S durch die Steuerschaltung 4 in vorgegebener Weise abhängig von der Zeit abgesenkt. Das zeitliche Verhalten wird beim dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen Kondensator 6 mitbestimmt, der zwischen den Gate-Anschluß G und den Source-Anschluß S geschaltet ist. Die Spannung zwischen Gate-Anschluß G und Source-Anschluß S wird allein über die Spannung am Kondensator 6 bestimmt, unabhängig davon, auf welchem Potential der Source-Anschluß S zu einem jeweiligen Zeitpunkt aufgrund einer jeweils gerade induzierten Gegenspannung liegt. Durch die genau festliegende Gate/Source-Spannung zu einem jeweiligen Zeitpunkt liegt auch das Durchlaßverhalten des Schalttransistors 1 zum jeweiligen Zeitpunkt genau fest. Dieses wird durch die Steuerschaltung so bestimmt, daß die Freilaufdiode 5 mit Sicherheit durchgeschaltet hat, wenn aufgrund des Verringerns der Durchlaßfähigkeit des Schalttransistors 1 die induzierte Gegenspannung so weit zugenommen hat, daß sie über die Freilaufdiode 5 kurzgeschlossen werden kann.

Entsprechendes wie für den Ausschaltvorgang vorstehend beschrieben, gilt auch für den Einschaltvorgang. Ist zum Zeitpunkt des Einschaltens die Sourcespannung noch negativ, ist die Freilaufdiode 5 noch leitend. Durch die Steuerschaltung 4 und den Kondensator 6 wird vor dem Durchschalten des Schalttransistors 1 zunächst das Sourcepotential auf einen positiven Wert gezogen, so daß die Freilaufdiode 5 sperrt. Öffnet danach der Schalttransistor 1 ganz, ist die direkte Verbindung zu Masse über die Freilaufdiode gesperrt, so daß es zu keinem starken Stromfluß durch den Schalttransistor 1nach Masse kommt.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Zeitverhalten der Gate/Source-Spannung durch die Kapazität des Kondensators 6 bestimmt. Das Zeitverhalten kann jedoch auch direkt in der Steuerschaltung 4 festgelegt werden, die dann zwischen den Gate-Anschluß G und den Source-Anschluß S geschaltet wird, um die Spannung zwischen diesen Anschlüssen in vorgegebener Weise beim Ein- und Ausschalten zu variieren.


Anspruch[de]
  1. 1. Gleichstrom-Steuerschaltung mit
    1. - einem induktiven Verbraucher
    2. - einer Gleichstromquelle für den Verbraucher
    3. - einem N-Kanal-MOSFET, der mit seinem Drain mit der Stromquelle und mit seiner Source mit dem Verbraucher und mit seinem Gate mit einer Steuerschaltung verbunden ist, um den durch den Verbraucher fließenden Strom ein- und auszuschalten, und
    4. - einer Freilaufdiode, die an die Source angeschlossen ist und parallel zum Verbraucher liegt und bei durchgeschaltetem N-Kanal-MOSFET sperrt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gate (G) so geschaltet ist, daß das an ihm anliegende Potential auf das Source-Potential bezogen ist.
  2. 2. Gleichstrom-Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Gate (G) und Source (S) ein Kondensator (6) geschaltet ist, der durch die Steuerschaltung (4) ge- und entladen wird.






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