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Dokumentenidentifikation DE19640433C2 12.10.2000
Titel Leistungsendstufe zum Schalten induktiver Verbraucher
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE;
Harris Semiconductor GmbH, 81739 München, DE
Erfinder Göser, Gerhard, 93080 Pentling, DE;
Elliot, Mark, 93055 Regensburg, DE;
Preslar, Don, Ringoes, NJ., US
Vertreter Fuchs, F., Dr.-Ing., Pat.-Anw., 82211 Herrsching
DE-Anmeldedatum 30.09.1996
DE-Aktenzeichen 19640433
Offenlegungstag 16.04.1998
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.10.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.10.2000
IPC-Hauptklasse H03K 17/16
IPC-Nebenklasse H03K 17/082   H03K 17/695   H03F 1/32   F02D 41/20   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Leistungsendstufe zum Schalten induktiver Verbraucher, beispielsweise von Kraftstoff-Einspritzventilen für Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Beim Schalten induktiver Verbraucher, insbesondere beim Abschalten, wird in sehr kurzer Zeit ein hoher Spannungshub durchlaufen. Aus der EP 0 680 147 A2 ist eine Leistungsendstufe bekannt, bei der zum Schutz des Schalttransistors diese hohe Abschaltspannung durch Zenerdioden begrenzt wird; beim Einsetzen der Zenerung entsteht ein scharfer Knick im zeitlichen Spannungsverlauf, wodurch eine elektromagnetische Abstrahlung verursacht wird, welche die Umgebung, d. h., andere elektrische oder elektronische Systeme, in Kraftfahrzeugen, beispielsweise ein Autoradio, negativ beeinflussen kann.

Zur Verringerung von Störstrahlung auch bei geschalteten Leistungsendstufen mit Zenerung wird bislang die allgemein bekannte Lösung angewandt, den zeitlichen Verlauf des hohen Spannungshubs beim Abschalten zu verlangsamen, was aber den gesamten Schaltvorgang verlangsamt, wodurch der Schalttransistor höherer Verlustleistung ausgesetzt wird und die Abschaltgeschwindigkeit verschlechtert wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine geschaltete Leistungsendstufe für induktive Verbraucher dahingehend weiterzubilden, daß beim Schalten entstehende Störstrahlung wesentlich verringert wird, ohne den Schaltvorgang zu verlangsamen und ohne die Verlustleistung im Schalttransistor zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Schaltung einer bekannten Leistungsendstufe,

Fig. 2 die Schaltung einer erfindungsgemäßen Leistungsend stufe, und

Fig. 3 ein Spannungsdiagramm zu beiden Schaltungen.

Fig. 1 zeigt die Schaltung einer bekannten Leistungsendstufe zum Ansteuern eines induktiven Verbrauchers L am Beispiel eines Kraftstoff-Einspritzventils einer nicht dargestellten Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine.

Die Erregerspule L des Kraftstoff-Einspritzventils liegt mit einem Lowside-n-Kanal-Power-MOS-Transistor (Schalttransistor) T in Reihenschaltung zwischen dem Pluspol +V und dem Minuspol GND einer nicht dargestellten Betriebsspannungsquelle.

Zwischen dem Verbindungspunkt A zwischen der Erregerspule L und dem Drainanschluß Dr des Schalttransistors T und dem Steueranschluß (Gateanschluß G) des Schalttransistors T liegen eine zum Steueranschluß hin stromdurchlässige Sperrdiode D, zwei in Gegenrichtung dazu stromdurchlässige Zenerdioden ZD1 und ZD2 und ein Widerstand RS in Reihenschaltung.

Da Zenerdioden nicht für beliebig hohe Zenerspannungen erhältlich sind, kann in bekannter Weise anstelle einer Zenerdiode auch eine Reihenschaltung mehrerer Zenerdioden verwendet werden, deren Zenerspannungen sich addieren.

In Fig. 3 zeigt das obere Signaldiagramm a den zeitlichen Verlauf eines Steuersignals Ust, welches dem Gateanschluß G des Schalttransistors T zugeführt wird, während das darunterliegende Signaldiagramm b den zeitlichen Verlauf der Drainspannung UDr (der Spannung am Verbindungspunkt A) der Leistungsendstufe während eines Schaltvorgangs dargestellt.

Bei ausgeschaltetem Verbraucher L (Ust = L) liegen seine beiden Anschlüsse und damit auch der Drainanschluß Dr des Schalttransistors T am Potential des Pluspols +V, beispielsweise +12 V. Beim Erscheinen eines Steuersignals (Ust = H) zum Zeitpunkt t1 wird der Schalttransistor T leitend, die Spannung am Drainanschluß Dr wird nahezu 0 V und es fließt ein Strom vom Pluspol +V über den Verbraucher L und den Schalttransistor T zum Minuspol GND - der Verbraucher ist eingeschaltet, solange ein Steuersignal Ust vorhanden ist.

Beim Abschalten des Verbrauchers L zum Zeitpunkt t2 wird der Schalttransistor T nichtleitend (Ust = L); die Drainspannung UDr am Punkt A steigt infolge der Induktivität des Verbrauchers L rasch an (strichpunktiert), und könnte Werte annehmen durch die der Schalttransistor T zerstört werden könnte. Das aber wird durch die Reihenschaltung aus Sperrdiode D, zwei Zenerdioden ZD1 und ZD2 und Widerstand Rs zwischen dem Verbindungspunkt A zwischen Verbraucher L und Schalttransistor T und dem Steueranschluß G des Schalttransistors T verhindert.

Die Sperrdiode D verhindert bei leitendem Schalttransistor T einen Stromfluß vom Gateanschluß G zum Drainanschluß Dr; die beiden in Reihe geschalteten Zenerdioden ZD1 und ZD2, deren Zenerspannung UZ beispielsweise je 40 V beträgt, brechen bei einer Zenerspannung UZ = 80 V durch, sodaß, wenn die Drainspannung UDr einen Wert von etwa 80 V erreicht, vom Punkt A zum Gateanschluß G ein Strom fließt, der den Schalttransistor T im Zeitpunkt t3 öffnet und die Drainspannung UDr damit auf den Wert der Zenerspannung UZ begrenzt. Die Spulenenergie wird dadurch rasch abgebaut. Sobald der Spulenstrom abgebaut ist, sinkt die Drainspannung UDr unter die Zenerspannung UZ und der Schalttransistor T wird wieder nichtleitend (die Zenerdioden sperren wieder), so daß die Drainspannung rasch auf das Potential +V abfällt.

Der Anstieg der Drainspannung UDr im Zeitpunkt t2 beim Abschalten des Verbrauchers L erfolgt stetig, bedingt durch das Schaltverhalten des Schalttransistors T; das Einsetzen der Zenerung (der Begrenzung der Drainspannung auf die Zenerspannung) im Zeitpunkt t3 hingegen erfolgt mit einem scharfen Knick, wodurch starke elektromagnetische Störstrahlung freigesetzt wird.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung, die eine Minimierung dieser Störstrahlung ermöglicht. Diese Schaltung entspricht im wesentlichen der Schaltung nach Fig. 1, wobei gleiche Schaltungselemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, sodaß auf eine erneute Beschreibung verzichtet werden kann.

Der Unterschied dieser Schaltung zu der nach Fig. 1 besteht darin, daß anstelle zweier Zenerdioden eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Zenerdioden vorgesehen ist, wobei für eine Zenerspannung von 80 V beispielsweise acht Zenerdioden ZD1 bis ZD8 mit einer Zenerspannung von je 10 V vorgesehen sind.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist, um mehrere Möglichkeiten aufzuzeigen, zu Zenerdiode ZD1 ein Kondensator C1, zu Zenerdiode ZD3 eine Parallelschaltung aus einem Kondensator C3 und einem Widerstand R3, zu Zenerdiode ZD5 eine Reihenschaltung aus einem Kondensator C5 und einem Widerstand R5 und zu Zenerdiode ZD8 ein Widerstand R8 jeweils parallelgeschaltet.

Durch eine Parallelschaltung eines Kondensators, eines Widerstandes oder einer Reihen- oder Parallelschaltung eines Kondensators und eines Widerstandes zu einer Zenerdiode wird die an der Zenerdiode sich aufbauende Spannung je nach Dimensionierung der Bauelemente zeitlich geringfügig verzögert, so daß der Einsatz der Begrenzung der Drainspannung UDr auf die Zenerspannung UZ nicht mit einem scharfen Knick, sondern je nach Anzahl der auf diese Weise "verzögerten" Zenerdioden mit einem Polygonzug P, also, wie in Fig. 3 zum Zeitpunkt t3 strichliert dargestellt, mehr abgerundet erfolgt. Dadurch wird eine wesentlich geringere elektromagnetische Störstrahlung freigesetzt als bei der Schaltung nach Fig. 1. Der übrige Verlauf der Drainspannung UDr entspricht dem bereits in Fig. 3 eingezeichneten Verlauf.

Die Schaltungen nach den Fig. 1 und 2 sind mit n-Kanal- Feldeffekt-Transistoren T bestückt. Sie funktionieren genausogut mit p-Kanal-FET's oder mit anderen Transistoren (pnp- statt npn-Transistoren) mit an sich bekannter Umpolung der Spannung bzw. Vertauschung der Emitter- und Kollektoranschlüsse.


Anspruch[de]
  1. Leistungsendstufe zum Schalten induktiver Verbraucher, mit einer zwischen den Polen (+V, GND) einer Spannungsquelle angeordneten Reihenschaltung aus dem Verbraucher (L) und einem Schalttransistor (T),

    mit einer Reihenschaltung aus einer Sperrdiode (D) und wenigstens einer Zenerdiode (ZD1 bis ZD8) zwischen dem Verbindungspunkt (A) zwischen Verbraucher (L) und Schalttransistor (T) und dem Steueranschluß (G) des Schalttransistors (T),

    dadurch gekennzeichnet,

    daß wenigstens einer der Zenerdioden (ZD1 bis ZD8) jeweils entweder ein Kondensator (C1), oder ein Widerstand (R8) oder eine Reihenschaltung (R3, C3) oder Parallelschaltung (R5, C5) aus einem Kondensator und einem Widerstand parallelgeschaltet ist.






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