DE19838109B4

DE19838109B4 - Ansteuerschaltung für induktive Lasten

Info

Publication number: DE19838109B4
Application number: DE1998138109
Authority: DE
Inventors: Rainald Sander; Chihao Dr. Xu; Gerold Schrittesser
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1998-08-21
Filing date: 1998-08-21
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2018-08-22
Also published as: DE19838109A1; WO2000011785A1

Abstract

Ansteuerschaltung für induktive Lasten mit einem High-Side-Halbleiterschalter (T1) zum Verbinden und Trennen einer Last (ZL) mit bzw. von einer Betriebsspannung (Vbb), sowie einer Abkommutierungseinrichtung zum Schutz des Halbleiterschalters (T1) vor durch Schaltvorgänge induzierte Gegenspannungen, wobei die Abkommutierungseinrichtung eine erste Spannungs-Begrenzerschaltung (D2, ZD2) aufweist, die zwischen einen Steueranschluß des Halbleiterschalters (T1) und ein Massepotential geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spannungs-Begrenzerschaltung (D2, ZD2) in Reihe zu einer Massepotential führenden Reihenschaltung aus einer zweiten Diode (D3) und einem ersten Widerstand (R3) geschaltet und durch Strombeaufschlagung dieser Reihenschaltung (D3, R3) steuerbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für induktive Lasten mit einem High-Side-Halbleiterschalter zum Verbinden und Trennen der Last mit bzw. von einer Betriebsspannung, sowie einer Abkommutierungseinrichtung zum Schutz des Halbleiterschalters vor durch Schaltvorgänge induzierten Gegenspannungen.
Beim Schalten von induktiven Lasten wird bekanntlich eine Gegenspannung induziert, die insbesondere bei der Unterbrechung des durch eine solche Last fließenden Stroms sehr groß werden und zu Schäden an anderen Bauteilen führen kann. Bei der Verwendung eines Halbleiterschalters kann diese Gegenspannung die Durchbruchspannung erreichen, was dazu führt, daß der Halbleiterschalter, bei dem es sich im allgemeinen um einen (MOS-) Transistor handelt, den erzeugten Gegenstrom aufnehmen und dadurch den Abkommutierungsvorgang einleiten muß.

Da ein Transistor durch einen häufigen Betrieb im Bereich seiner Durchbruchspannung beschädigt oder sogar zerstört werden kann, wird die Abkommutierungseinrichtung in vielen Fällen in die Ansteuerschaltung integriert. 4 zeigt eine entsprechend beschaltete, bekannte Ansteuerschaltung 10. Ein erster MOS-Schalttransistor T1 dient in Abhängigkeit von der Ansteuerung über seinen Gateanschluß zum Verbinden bzw. Trennen einer induktiven Last ZL mit/von einer Betriebsspannung Vbb. Da sich der erste Schalttransistor T1 auf der positiven Seite der Last ZL, das heißt zwischen dieser und dem positiven Anschluß der Betriebsspannung Vbb befindet, wird bei einem Übergang des ersten Schalttransistors T1 in den gesperrten Zustand und die dadurch bewirkte Trennung der Last ZL von der Betriebsspannung Vbb an dem Punkt 1 eine negative Gegenspannung aufgebaut, die ohne zusätzliche Vorkehrungen bis zur Durchbruchspannung des ersten Schalttransistors T1 ansteigen kann.

Um dies zu verhindern, wird üblicherweise zwischen Gate und Drain des ersten Schalttransistors T1 eine Zenerdiode ZD1 geschaltet, die bei Erreichen der Zenerspannung das Gate des ersten Schalttransistors T1 auf positives Potential zieht, so daß dieser eingeschaltet und die Gegenspannung abgebaut wird. Eine Diode D1 schützt das Gate in eingeschaltetem Zustand des ersten Schalttransistors T1 vor einer Selbstentladung. Die Widerstände R1, R2 dienen zur Begrenzung des Stroms durch die Dioden ZD1, D1.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist uns aus der US 4,928,053 bekannt.

Nachteilig hierbei ist jedoch, daß der Wert der Zenerdiodenspannung immer auf den maximal möglichen Wert der Sperrspannung des ersten Schalttransistors T1 und somit auf die maximale Betriebsspannung Vbb ausgelegt sein muß, bei der der erste Schalttransistor T1 zum Schutz vor der Gegenspannung eingeschaltet wird. Dies hat zur Folge, daß die Abkommutierspannung über die maximale Betriebsspannung und somit über die Zenerdiodenspannung festgelegt ist.

In Wilkinson, R. u.a.: „Protecting Power devices in cars", in: Electronic Engineering, August 1994, Seiten 29 bis 30, ist eine Ansteuerschaltung für einen Leistungs-MOSFET beschrieben, wie sie in 1 dargestellt ist. Diese Ansteuerschaltung weist eine erste Spannungs-Begrenzerschaltung mit einer Reihenschaltung einer Diode und einer Zenerdiode, die zwischen den Gate-Anschluß des Leistungs-MOSFET und Bezugspotential geschaltet ist, und eine zweite Spannungs-Begrenzerschaltung mit einer Reihenschaltung einer Diode und einer Zenerdiode, die zwischen den Gate-Anschluß des Leistungs-MOSFET und ein Versorgungspotential geschaltet ist, auf.

Die EP 0 489 935 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung mit einem MOSFET, dessen Drain-Source-Strecke in Reihe zu einer induktiven Last geschaltet ist, deren einer Anschluss an Bezugspotential liegt. Zwischen den Steueranschluß des MOSFET und Bezugspotential ist bei dieser Schaltungsanordnung eine Reihenschaltung eines weiteren MOSFET und einer Zenerdiode geschaltet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ansteuerschaltung der eingangs genannten Art für induktive Lasten zu schaffen, bei der die Abkommutierspannung unabhängig von anderen Spannungen, insbesondere der Betriebsspannung einstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Ansteuerschaltung gemäß der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Danach kann insbesondere die erste Spannungs-Begrenzerschaltung durch eine erste Zenerdiode gebildet sein, wobei zwischen der ersten Zenerdiode und dem Steueranschluß des Halbleiterschalters eine erste Diode liegt, die eine Entladung des Steueranschlusses verhindert.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigt:

1 ein Prinzipschaltbild einer bekannten Ansteuerschaltung;

2 ein Prinzipschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung;

3 ein Prinzipschaltbild einer alternativen Ansteuerschaltung und

4 ein Prinzipschaltbild einer bekannten Ansteuerschaltung.

Gemäß 1 ist eine induktive Last ZL mit einem ersten MOS-Schalttransistor T1 in Reihe geschaltet, wobei ein Anschluß der induktiven Last ZL an Masse und der Drainanschluß des ersten Schalttransistors T1 an dem positiven Pol einer Betriebsspannung Vbb anliegt. Der erste Schalttransistor, der somit als sogenannter "Highsideschalter" geschaltet ist, dient zum Ein- und Ausschalten der induktiven Last ZL. Zu diesem Zweck ist das Gate des ersten Schalttransistors T1 mit einer an sich bekannten Ansteuerschaltung 10 verbunden, mit der der Transistor in an sich bekannter Weise in den leitenden oder gesperrten Zustand gebracht wird.

Die Schaltung weist eine dritte Diode D1 auf, deren Kathode mit dem Gateanschluß des ersten Schalttransistors T1 und deren Anode mit der Anode einer zu dieser in Reihe geschalteten zweiten Zenerdiode ZD1 verbunden ist. Die Kathode der zweiten Zenerdiode ZD1 liegt an einem positiven Anschluß der Betriebsspannung Vbb. Weiterhin befindet sich zwischen dem Sourceanschluß und dem Gateanschluß des ersten Schalttransistors T1 ein zweiter Widerstand R1. Mit dem Gateanschluß ist ferner die Kathode einer ersten Diode D2 verbunden, deren Anode mit der Anode einer ersten Zenerdiode ZD2 verbunden ist. Die Kathode der ersten Zenerdiode ZD2 liegt an Masse. Der Gateanschluß des ersten Schalttransistors T1 ist schließlich über einen dritten Widerstand R2 mit dem an sich bekannten Teil der Ansteuerschaltung 10 verbunden.

Wenn die induktive Last durch entsprechende Ansteuerung des ersten Schalttransistors T1 von der Betriebsspannung Vbb getrennt wird, wird eine (negative) Gegenspannung induziert, die bei Erreichen der Zenerspannung der ersten Zenerdiode ZD2 nach Masse kurzgeschlossen wird. Dadurch wird der Abkommutierungsvorgang eingeleitet. Die Widerstände R1, R2 begrenzen den Strom durch die Dioden D1, ZD1, wobei der zweite Widerstand R1 zur Beeinflussung der Stromcharakteristik auch mit Halbleiterelementen (vorzugsweise MOS) ergänzt werden kann.

Da die Abkommutierungsspannung im allgemeinen so gewählt werden wird, daß sie unter der Betriebsspannung Vbb liegt, können die zweite Zenerdiode ZD1 und die dritte Diode D1 (zweite Spannungs-Begrenzungsschaltung) auch entfallen. Mit dieser Schaltung ist es somit möglich, den absoluten Wert der (negativen) Abkommutierungsspannung durch entsprechende Wahl der Zenerspannung der ersten Zenerdiode ZD2 unabhängig von der Betriebsspannung Vbb einzustellen. Mit der ersten Diode D2 wird verhindert, daß sich das Gate des ersten Schalttransistors T1 nach Masse entlädt.

Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist die Kathode der ersten Zenerdiode ZD2 mit einem stromführenden Zweig einer beliebigen, von der Ansteuerschaltung 10 unabhängigen Schaltung 11 verbunden. Dieser Zweig stellt über eine zweite Diode D3 (oder ein anderes, in Stromrichtung sperrendes Element) sowie einen ersten, dazu in Reihe geschalteten Lastwiderstand R3, eine Verbindung zum Massepotential her. Die zweite Diode D3 sperrt bei negativen Strömen, wie sie bei der Abkommutierung auftreten, den Strom nach Masse.
Wenn dieses Element überbrückt wird, entsteht funktionell die in 1 gezeigte Schaltung. Die unabhängige Schaltung 11 muß dabei so ausgelegt sein, daß durch den negativen Stromfluß keine Beeinflussung auftritt. Auch bei dieser Ausführungsform können die zweite Zenerdiode ZD1 und die dritte Diode D1 (zweite Spannungs-Begrenzungsschaltung) entfallen.
3 zeigt eine mögliche Alternativschaltung, bei der die Reihenschaltung aus der ersten Diode D2 und der ersten Zenerdiode ZD2 über eine interne oder externe Schaltspannung Us gesteuert und somit die Abkommutierspannung auf einen gewünschten Wert eingestellt werden kann. Hierzu dient ein in Reihe zu den Dioden geschalteter zweiter p-Kanal MOS-Schalttransistor T2 (oder ein entsprechender bipolarer Transistor), der mit der Schaltspannung Us beaufschlagt wird. Der zweite Schalttransistor T2 ist vorzugsweise an eine positive Referenzspannung Vref und nicht an Massepotential angeschlossen, damit zwischen Gate und Source dieses Schalttransistors T2 nicht negative Spannungen angelegt werden müssen.
Auch bei der Ausführungsform der Erfindung könnte, sofern erforderlich, anstelle des Massepotentials ein geeignetes anderes Referenzpotential gewählt werden.
Die zweite Spannungs-Begrenzungsschaltung in Form der zweiten Zenerdiode ZD1 und der dritten Diode D1 kann wiederum entfallen.

ZL: induktive Last
T1: erster Schalttransistor
T2: zweiter Schalttransistor
D1: erste Diode
D2: zweite Diode
D3: dritte Diode
ZD1: erste Zenerdiode
ZD2: zweite Zenerdiode
R1: erster Widerstand
R2: zweiter Widerstand
R3: dritter Widerstand
10: Ansteuerschaltung
11: unabhängige Schaltung

Claims

Ansteuerschaltung für induktive Lasten mit einem High-Side-Halbleiterschalter (T1) zum Verbinden und Trennen einer Last (ZL) mit bzw. von einer Betriebsspannung (Vbb), sowie einer Abkommutierungseinrichtung zum Schutz des Halbleiterschalters (T1) vor durch Schaltvorgänge induzierte Gegenspannungen, wobei die Abkommutierungseinrichtung eine erste Spannungs-Begrenzerschaltung (D2, ZD2) aufweist, die zwischen einen Steueranschluß des Halbleiterschalters (T1) und ein Massepotential geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spannungs-Begrenzerschaltung (D2, ZD2) in Reihe zu einer Massepotential führenden Reihenschaltung aus einer zweiten Diode (D3) und einem ersten Widerstand (R3) geschaltet und durch Strombeaufschlagung dieser Reihenschaltung (D3, R3) steuerbar ist.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spannungs-Begrenzerschaltung durch eine erste Zenerdiode (ZD2) gebildet ist, wobei zwischen der ersten Zenerdiode (ZD2) und dem Steueranschluss des Halbleiterschalters (T1) eine erste Diode (D2) liegt, die eine Entladung des Steueranschlusses verhindert.
Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch eine zweite Spannungs-Begrenzerschaltung (D1, ZD1), die zwischen den Steueranschluß des Halbleiterschalters (T1) und die Betriebsspannung (Vbb) geschaltet ist.
Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die induktive Last (ZL) und den Steueranschluß des Halbleiterschalters (T1) ein zweiter Widerstand (R1) zur Be grenzung des Stroms durch die mindestens eine Spannungs-Begrenzerschaltung geschaltet ist.
Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter ein erster MOS-Schalttransistor (T1) ist, der zwischen einen positiven Anschluß der Betriebsspannung (Vbb) und die induktive Last (ZL) geschaltet ist.