DE19502016C1 - Überstromabsicherung in einem PWM-Steller für Gleichstrommotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Überstromabsicherung in einem PWM-Steller für Gleich­ strommotoren in der elektrischen Anlage von Kraftfahrzeugen, insbesondere für Lüfter­ motoren, unter Verwendung eines Leistungs-MOS-FET, der im Schaltbetrieb arbeitet und dessen Innenwiderstand als Meßwiderstand zur Überstrommessung und zur Erzeugung der Steuerspannung für die Überstromabsicherung genutzt wird.

Bei PWM-Stellern der genannten Gattung kommt der Stromüberwachung des Leistungs­ transistors eine besondere Bedeutung zu, da es bei zu großen Ausgangsströmen zu Schäden am angeschlossenen Kabelbaum kommen kann. Es ist bereits bekannt, in der Leistungsendstufe des PWM-Stellers zur Erkennung des durch den MOS-FET fließenden Stromes, einen Meß­ widerstand in den Source-Zweig zu schalten. Der durch den MOS-FET fließende Strom ruft dann eine Spannung in diesem Meßwiderstand hervor, die zur Überstrom-Überwachung herangezogen wird. Dieser Meßwiderstand muß jedoch eine Baugröße besitzen, die es er­ möglicht, die auftretende Verlustleistung abzuführen.

Durch die DE 31 32 257 C2 ist auch bereits eine Überstromabsicherung in einem PWM- Steller für Gleichstrommotore bekannt geworden, bei der der Innenwiderstand eines Leistungs-MOS-FET als Meßwiderstand zur Überstrommessung und zur Erzeugung der Steuerspannung genutzt wird. Hier ist es jedoch nachteilig, daß die Überstromabschaltung in jeder Ansteuerperiode neu ausgelöst wird, woraus sich eine hohe Verlustleistung ergibt.

Aus der DE 30 01 632 C2 ist gleichfalls bereits eine Überstromabsicherung bekannt ge­ worden, die im Überstromfall den Leistungstransistor abschaltet. Es wird hier jedoch ein herkömmlicher Transistor verwendet, so daß auch hier eine relativ hohe Verlustleistung unvermeidbar ist.

In der DE 32 43 467 C2 ist eine Überstromabsicherung beschrieben, bei der der Leistungstransistor auf der Versorgungsseite angeordnet ist. Hier wird zwar bereits ein MOS-FET eingesetzt, die Schaltung ist jedoch sehr aufwendig.

Auch durch die DE 36 29 185 A1 ist bereits eine Überstromabsicherung bekannt geworden, die im Überstromfall den Leistungstransistor abschaltet. Hier wird jedoch ein separater Widerstand verwendet, in dem eine hohe Verlustleistung entsteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln sicherzustellen, daß eine einmal ausgelöste Überstromabschaltung solange wirksam bleibt, bis die Versorgungs­ spannung der Steuerschaltung abschaltet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, daß ein Leistungs-MOS-FET eingesetzt wird, der im Schaltbetrieb arbeitet und dessen Innenwiderstand als Meßwiderstand zur Überstrommessung und zur Erzeugung der Steuerspannung für die Überstromabsicherung genutzt wird, wobei mittels eines Sollwertgebers die Pulsweite eines am MOS-FET anliegenden Steuersignals vorgegeben wird und die Signalabführung eines zusätzlichen Transistors über zwei in Reihe geschaltete Widerstände an die Steuerelektrode eines Thyristors geführt ist und in der Signalabführung des zusätzlichen Transistors zwischen den Widerständen ein als Kondensator ausgebildeter Energiespeicher angeordnet ist, wird erreicht, daß die Überstromabsicherung dauernd ausgelöst bleibt, d. h. daß auch während der Zeit, während der das am MOS-FET anliegende Steuersignal auf Null zurückgeht, ein Strom von der Größe des Haltestromes durch den Thyristor fließen kann. Bei gesperrtem MOS-FET ist auch der zusätzliche Transistor ge­ sperrt, d. h. an dessen Signalabführung liegt keine Steuerspannung an.

Gemäß einer vereinfachten Ausführungsform ist die Signalabführung des zusätzlichen Transistors über einen Widerstand an die Steuerelektrode eines Thyristors geführt. Über diesen Thyristor wird dann beim Vorliegen eines Überstromes das Steuersignal des MOS-FET und des zusätzlichen Transistors abgeschaltet. Der vom Steuersignal gesteuerte MOS-FET schaltet dabei so lange durch, bis die Spannung ca. 0,8 V erreicht hat. Dann zündet der Thyristor und zieht das Steuersignal auf die gemeinsame Masse der Schaltung, was zur Abschaltung des MOS-FET und des Transistors führt. Der Thyristor bleibt dabei jedoch je­ weils nur solange leitend, bis sein Haltestrom unterschritten wird, was genau dann eintritt, wenn das als Rechteckspannung ausgebildete Steuersignal auf Null geht. Da andererseits bei gesperrtem Transistor keine Steuerspannung am Thyristor anliegt, kann über die Steuerelektrode des Thyristors kein Haltestrom fließen. Diese Schaltung führt dazu, daß der Ausgangsstrom während jeder Steuerperiode bis zum Abschaltstrom ansteigt und dann für den Rest der Periode auf 0 A absinkt. Ein derartiges Verfahren stellt durchaus bereits eine vorteilhafte und praktizierbare Lösung dar, führt jedoch zu einer verhältnismäßig großen thermischen Belastung des MOS-FET.

Um zu erreichen, daß die Überstromabsicherung solange aktiv bleibt, bis sie wieder zu­ rückgesetzt wird, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in der Signalabführung des zusätzlichen Transistors ein als Kondensator ausgebildeter Ener­ giespeicher angeordnet, derart, daß die Überstromabsicherung ausgelöst bleibt, d. h. daß auch während der Zeit, während der das steuernde Signal auf Null zurückgeht, ein Strom von der Größe des Haltestromes durch den Thyristor fließen kann.

Die Schaltung zur Überstromabsicherung ist so ausgebildet, daß ein Transistor und ein MOS-FET angeordnet sind, deren Signalzuführungsleitungen an einen Motor geführt sind, daß die Signalabführung des Transistors über zwei in Reihe geschaltete Widerstände an die Steuerelektrode eines Thyristors geführt ist, daß der Thyristor mit seiner Anode an der dem MOS-FET und dem zusätzlichen Transistor gemeinsamen Ansteuerung liegt, daß die gemein­ same Ansteuerung des MOS-FET und des zusätzlichen Transistors über einen Reihen­ widerstand mit der Signalquelle des Steuersignals verbunden ist, daß die Kathode des Thyristors auf einer gemeinsamen Masse der Schaltung liegt und daß zwischen den beiden in Reihe geschalteten Widerständen eine an einen Kondensator führende Leitung von einem gemeinsamen Punkt abzweigt, dessen zweite Seite an die gemeinsame Masse gelegt ist. Der Kondensator wirkt dabei als Energiespeicher, so daß erreicht wird, daß die Über­ stromabsicherung auch dann ausgelöst bleibt, wenn das steuernde Signal auf Null zu­ rückgeht, da stets ein Strom von der Größe des Haltestromes durch den Thyristor fließt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im fol­ genden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1, ein Blockschaltbild eines PWM-Stellers,

Fig. 2, ein Schaltbild der Leistungsstufe des PWM-Stellers,

Fig. 3, ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform der Leistungsstufe des PWM- Stellers,

Fig. 4, eine Darstellung eines realen Ansteuersignals.

In der Fig. 1 der Zeichnung ist mit 1 eine Eingangsschutzschaltung bezeichnet, hinter der ein in einer Brückenschaltung 2 betriebener Temperaturfühler 3 angeordnet ist. Der Temperaturfühler 3 ist in dem zu überwachenden, nicht dargestellten Kühlsystem einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges angeordnet. Der Temperaturfühler 3 ist im übrigen in der Brückenschaltung 2 angeordnet, um Einflüsse der Versorgungsspannung auszuschalten.

Das Signal des Temperaturfühlers 3 ist über eine Leitung 4 an einen Schaltverstärker 5 geführt, der ab einer einstellbaren Temperaturgrenze eine Versorgungsspannung für die restliche Schaltung zuschaltet. Es ist somit möglich, die Stromaufnahme im Ruhebetrieb auf einen sehr kleinen Wert abzusenken, der noch unterhalb der geforderten minimalen Ruhe­ stromaufnahme von ca. 1 mA liegt.

Im aktiven Betrieb wird das Signal des Temperaturfühlers 3 über einen Verstärker 6 ge­ führt, mit dem die gewünschte Stellkennlinie beeinflußt werden kann. Dieses Signal wird dann auf einen Komparator 7 geführt, wo es mit dem Signal eines freilaufenden Dreieck- Generators 8 verglichen wird. Überschreitet dessen Dreieck-Signal mit seiner steigenden Flanke den Wert des vom Temperaturfühler 3 vorgegebenen Signals, so gibt der Komparator 7 über seinen Ausgang 9 ein Ausgangssignal ab. Unterschreitet das Dreieck-Signal mit seiner fallenden Flanke dann wieder das vom Temperaturfühler 3 vorgegebene Signal, so wird das Ausgangssignal am Ausgang 9 des Komparators 7 von diesem abgeschaltet. Es ent­ steht so ein Steuersignal, dessen Gesamtperiode konstant ist, dessen Einschaltzeit aber mit der Höhe des vom Temperaturfühler 3 vorgegebenen Signals verändert wird. Dieses Steu­ ersignal wird zur Ansteuerung eines in einer Leistungsstufe 10 angeordneten MOS-FET 11 mit einem inneren Widerstand Rds herangezogen.

Aus dem in der Fig. 2 dargestellten Prinzipschaltbild der Leistungsstufe 10 des PWM- Stellers ist ersichtlich, daß das Steuersignal des in der Fig. 1 dargestellten Komparators 7 über eine Leitung 12 an die Leistungsstufe 10 geführt wird. In der Leitung 12 ist ein Reihenwiderstand 13 angeordnet, der sicherstellt, daß ein durch einen nachgeschalteten Thyristor 14 fließender Strom in seiner Höhe begrenzt wird. Im übrigen liegt das Steuer­ signal der Leitung 12 sowohl an der Ansteuerung des MOS-FET 11 als auch an der An­ steuerung eines zusätzlichen Transistors 15 an. Das Steuersignal der Leitung 12 liegt außerdem an der Anode des Thyristors 14 an.

Der zusätzliche Transistor 15 ist mit seiner Signalzuführung, d. h. mit seinem Kollektor, über eine Signalzuführungsleitung 16 mit der Signalzuführungsleitung 17 des MOS-FET 11 verbunden. Die Signalzuführungsleitung 17 ist im übrigen an einen Lüftermotor 18 geführt. Eine Signalabführungsleitung 19 des zusätzlichen Transistors 15 ist über einen Widerstand 20 an die Steuerelektrode des Thyristors 14 geführt. Die Kathode des Thyristors 14 liegt auf einer gemeinsamen Masse der Schaltung.

Gemäß dem in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Signalabführungsleitung 19 des zusätzlichen Transistors 15 über zwei in Reihe geschaltete Widerstände 20 und 21 an die Steuerelektrode des Thyristors 14 geführt. Die Kathode des Thyristors 14 liegt auf einer gemeinsamen Masse der Schaltung. Zwischen den beiden in Reihe geschalteten Widerständen 20 und 21 zweigt an einen gemeinsamen Punkt eine an einen Kondensator 22 führende Leitung 23 ab. Der Kondensator 22 liegt mit seiner zweiten Seite an der gemein­ samen Masse der Schaltung an.

In der erfindungsgemäßen Überstromabsicherung wird zur Abschaltung des vom Komparator 7 ausgehenden, an der Leitung 12 anliegenden Steuersignals der Thyristor 14 eingesetzt. Der vom Steuersignal gesteuerte MOS-FET 11 schaltet grundsätzlich so lange durch, bis gemäß Fig. 2 die Spannung Uds, bzw. gemäß Fig. 3 die Spannung Um einen Wert von ca. 0,8 V erreicht hat. Dann zündet der Thyristor 14 und zieht das Steuersignal auf die gemeinsame Masse der Schaltung, was zur Abschaltung des MOS-FET 11 führt. Der durch den Thyristor 14 fließende Strom wird dabei durch den Reihenwiderstand 13 in seiner Höhe begrenzt. Im übrigen erfolgt die Messung eines möglicherweise auftretenden Überstromes erfindungsge­ mäß stets über den inneren Widerstand Rds des MOS-FET 11. Der innere Widerstand eines Leistungs-MOS-FET 11, der hier erforderlichen Leistungsklasse liegt in der Größenordnung von R = 0,04 Ω. Solange der MOS-FET 11 angesteuert ist, fließt über ihn ein Laststrom i, der am inneren Widerstand Rds des MOS-FET 11 einen Spannungsabfall von Um = i × R = 20 A × 0,04 Ω = 0,8 V hervorruft. Diese Spannung wird erfindungsgemäß zur Überstrom­ absicherung herangezogen.

Um während der Zeit, in der der MOS-FET 11 sperrt, ein Ansprechen der Überstromab­ schaltung zu verhindern, ist der zusätzliche Transistor 15 angeordnet. Der MOS-FET 11 schaltet nur so lange durch, bis die Spannung ca. 0,8 V erreicht hat. Bei dieser Spannung erfolgt die Zündung des Thyristors 14. Der Thyristor 14 zieht das Steuersignal, d. h. die Steuerspannung auf Masse, was zur Abschaltung des MOS-FET 11 und des zusätzlichen Transistors 15 führt. Gemäß der in der Fig. 2 dargestellten vereinfachten Aus­ führungsform der Erfindung ist die Signalabführung des zusätzlichen Transistors 15 über den Widerstand 20 an die Steuerelektrode eines Thyristors 14 geführt. Über diesen Thyristor 14 wird dann beim Vorliegen eines Überstromes das Steuersignal des MOS-FET 11 und des zusätzlichen Transistors 15 abgeschaltet. Der vom Steuersignal gesteuerte MOS-FET 11 schaltet dabei so lange durch, bis die Spannung ca. 0,8 V erreicht hat. Dann zündet der Thyristor und zieht das Steuersignal auf die gemeinsame Masse der Schaltung, was zur Abschaltung des MOS-FET 11 und des Transistors 15 führt. Der Thyristor 14 bleibt dabei jedoch jeweils nur solange leitend, bis sein Haltestrom unterschritten wird, was genau dann eintritt, wenn das als Rechteckspannung ausgebildete Steuersignal auf Null geht. Da ande­ rerseits bei gesperrtem Transistor 15 keine Steuerspannung am Thyristor 14 anliegt, kann dann über die Steuerelektrode des Thyristors 14 kein Haltestrom fließen. Dieses führt dazu, daß der Ausgangsstrom während jeder Steuerperiode bis zum Abschaltstrom ansteigt und dann für den Rest der Periode auf 0 A absinkt. Ein derartiges Verfahren stellt durchaus be­ reits eine vorteilhafte und praktizierbare Lösung dar, führt jedoch zu einer verhältnis­ mäßig hohen thermischen Belastung des MOS-FET 11.

Um zu erreichen, daß die Überstromabsicherung solange aktiv bleibt, bis sie wieder zu­ rückgesetzt wird, ist gemäß der in der Fig. 3 dargestellten Lösung in der Signalabführung des zusätzlichen Transistors 15 ein als Kondensator 22 ausgebildeter Energiespeicher an­ geordnet. Hier fließt während der Zeit, in der das Steuersignal Uin auf einen Wert zurück­ geht, der zur Aufrechterhaltung des Haltestromes für den Thyristor 14 nicht mehr aus­ reicht, durch den Thyristor 14 ein Steuerstrom von der Größe des Zündstromes. Dieses wird erreicht, indem der als Energiespeicher dienende Kondensator 22 während der Ansteuerzeit, d. h. während ein Steuersignal anliegt, über den Steueranschluß des gezündeten Thyristors 14 und den Widerstand 21 geladen wird.

Wie aus der Fig. 4 der Zeichnung hervorgeht, ist bei dem dort dargestellten realen Aussteuersignal die Zeit, die durch den als Energiespeicher wirkenden Kondensator 22 zu überbrücken ist, sehr kurz und mit tl bezeichnet. Während der Zeit tl ist das Ansteuersignal Uin kleiner, als zur Erhaltung des Haltestromes für den Thyristor 14 notwendig. Uin ist kleiner als ca. 0,2 V. Die Spannung Uaus beträgt ca. 0,4 V und reicht aus, bei durchge­ schalteten Thyristor 14 einen Strom über den Widerstand 13 fließen zu lassen, der den Thyristor 14 leitend, d. h. geöffnet, hält. Die Spannung Uaus führt aber nicht zu einem Durchschalten des MOS-FET 11 und des Transistors 15. Aus der Tatsache, daß die zu überbrückende Zeit tl sehr kurz ist, ergibt sich der Vorteil, daß ein kleiner Kondensator 22 eingesetzt werden kann.

Geht das Steuersignal Uin auf 0 V zurück, so fließt der Steuerstrom aus dem Kondensator 22 über den Widerstand 21 in die Steuerelektrode des Thyristors 14. Sobald jedoch das Steuersignal Uin zumindest in der Höhe Uaus wieder anliegt, so wird der Thyristor 14 durch den Haltestrom i = Uein/R oder i = Uaus/R in leitendem Zustand gehalten. Eine Spannung in der Höhe von Uein schaltet den MOS-FET 11 und den Transistor 15 durch. Ein Übergang in den Sperrzustand kann im übrigen nur erfolgen, wenn die Zeit, in der ein Steuerstrom aus dem Kondensator 22 fließen kann, kürzer ist als die Zeit, in der Uin kleiner ist, als zur Erzeugung des Haltestromes für den Thyristor 14 notwendig.

Die Stromflußzeit des Kondensators 22 ist durch die Dimensionierung der Widerstände 20, 21 und des Kondensators 22 einstellbar. Vorteilhaft ist es, wenn die Stromflußzeit so ein­ gestellt wird, daß sie gleich groß einer Periode des Steuersignals Uin ist. So wird erreicht, daß eine einmal ausgelöste Überstromabschaltung solange wirksam bleibt, bis die geschaltete Versorgungsspannung der Steuerschaltung abschaltet. Nach einem erneuten Inbetriebsetzen ist die Überstromabsicherung wieder in ihrem Ausgangszustand.

Claims (1)

1. Überstromabsicherung in einem PWM-Steller für Gleichstrommotoren in der elektri­ schen Anlage von Kraftfahrzeugen, insbesondere für Lüftermotoren (17), mit einer Reihenschaltung eines Gleichstrommotors und eines Leistungs-MOS-FET (11), der im Schaltbetrieb arbeitet und dessen Innenwiderstand (24) als Meßwiderstand zur Überstrommessung und zur Erzeugung der Steuerspannung für die Überstromabsicherung genutzt wird, wobei mittels eines Sollwertgebers die Pulsweite eines am MOS-FET (11) anliegenden Steuersignals vorgegeben wird und mit einem Transistor (15), dessen Basis mit der Steuerelektrode des MOS-FETs (11) verbunden ist und dessen Kollektor-Emitter- Strecke von dem Ausgangsanschluß des MOS-FETs (11) über zwei in Reihe geschaltete Widerstände (20, 21) an die Steuerelektrode eines Thyristors (14) geführt ist, dessen Anode mit der Steuerelektrode des MOS-FETs und dessen Kathode mit Masse verbunden ist, und zwischen den Widerständen (20, 21) ein als Kondensator (22) ausgebildeter Energiespeicher angeordnet ist, derart, daß die Überstromabsicherung dauernd ausgelöst bleibt, d. h. daß auch während der Zeit, während der das am MOS-FET an­ liegende Steuersignal auf Null zurückgeht, ein Strom von der Größe des Haltestromes durch den Thyristor (14) fließen kann.