DE19900383A1 - Vorrichtung zum Einstellen einer Impulsflanke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einstellen ei­ ner Impulsflanke insbesondere am Ausgang eines Halbleiter­ schalters, dessen Steuer-Anschluß nach Maßgabe diskreter Impulse ansteuerbar ist, gemäß dem Oberbegriff des unabhän­ gigen Anspruches.

Halbleiterschalter werden z. B. in der KFZ-Technik einge­ setzt, um z. B. bei einer Bremsanlage mit Bremsassistent- Funktion das Magnetventil eines Bremskraftverstärkers anzu­ steuern. Dabei kann der Halbleiterschalter über pulsweiten­ modulierte Impulse (PWM-Impulse) angesteuert werden. Ein Beispiel dafür ist in Fig. 1 gezeigt. Dort ist der Halblei­ terschalter ein MOS-Feldeffekttransistor (MOSFET) 10, auf dessen Gate-Anschluß G Impulse 11 zur Ansteuerung des MOSFET 10 gegeben werden. Der Transistorausgangsstrom I_S, der ebenfalls impulsförmig ist, wird einem induktiven Bau­ teil 12, z. B. einem Elektromagneten eines Bremskraftver­ stärkers, zugeführt. Die dazu parallel geschaltete Diode 13 dient als Freilauf. Aufgrund der hohen Schaltgeschwindig­ keit des MOSFET ergeben sich sehr steile Flanken der Drain- Source-Spannung U_DS und des Transistorstromes I_S. Die stei­ len Flanken des Stromes I_S, der hier z. B. zum Schalten ei­ nes Bremskraftverstärkers verwendet wird, führen zu hoch­ frequenten Signalanteilen, die ihrerseits zu erheblichen Problemen bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) führen. Das Problem ist insbesondere deshalb merkbar, weil hohe, leistungstragende Spannungen bzw. Ströme ge­ schaltet werden.

Nach den seit 1997 geltenden EMV-Richtlinien wird gefor­ dert, daß Elektronik-Schaltungen hinsichtlich der EMV zu optimieren sind. Das bedeutet wiederum für die Halbleiter­ schalter, daß ihre Ausgangsgrößen, die zum Schalten einge­ setzt werden, möglichst flache Flanken aufweisen sollten. Dabei muß allerdings je nach Anwendungsfall ein Kompromiß zwischen minimaler Flankensteilheit und den durch flache Flanken hervorgerufenen Schaltverlusten gefunden werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Einstel­ len einer Impulsflanke am Ausgang eines Halbleiterschalters bereitzustellen, die einfach mit diskreten Bauteilen aufge­ baut werden kann und gleichzeitig preisgünstig und flexibel ist.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ge­ löst. Abhängige Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungs­ formen der Erfindung gerichtet.

Die Vorrichtung zum Einstellen einer Impulsflanke am Aus­ gang eines Halbleiterschalters weist eine erste Rückführ­ einrichtung auf, die nach Maßgabe der Änderung einer ersten Ausgangsgröße des Halbleiterschalters ein erstes Signal er­ zeugt, nach dessen Maßgabe der Halbleiterschalter angesteu­ ert wird. An den Steuer-Anschluß des Halbleiterschalters werden diskrete Impulse angelegt, die den Halbleiterschal­ ter steuern. Das erste Signal wird diesem Impuls-Signal überlagert, beispielsweise additiv bzw. Subtraktiv, und korrigiert so die Steuergröße des Halbleiterschalters. Der Halbleiterschalter kann ein Feldeffekttransistor (FET), insbesondere ein MOSFET sein. Dann ist der Steuer-Anschluß der Gate-Anschluß. Die Ausgangsgrößen können dann die Span­ nung am Leistungsanschluß, also je nach Beschaltung die Drain-Spannung U_D oder die Source-Spannung U_S, und/oder der Source-Strom bzw. Drain-Strom (Transistor- Strom) I_S sein. Eine dieser Ausgangsgrößen kann der ersten Rückführeinrich­ tung als erste Eingangsgröße zugeführt werden, wobei die erste Rückführeinrichtung dann das nach Maßgabe der Ände­ rung dieser ersten Eingangsgröße ermittelte erste Signal z. B. zum Gate-Anschluß zurückführt.

Weiterhin kann eine zweite Rückführeinrichtung vorgesehen sein, die nach Maßgabe der Änderung einer zweiten Ausgangs­ größe des Halbleiterschalters ein zweites Signal erzeugt, nach dessen Maßgabe der Halbleiterschalter ebenfalls ange­ steuert wird. Bei einem MOSFET als Schalter kann die andere der obengenannten Ausgangsgrößen der zweiten Rückführein­ richtung als zweite Eingangsgröße zugeführt werden, wobei die zweite Rückführeinrichtung dann das nach Maßgabe der Änderung der zweiten Eingangsgröße ermittelte zweite Signal z. B. ebenfalls zum Gate-Anschluß zurückführt.

Vorzugsweise werden das erste und/oder das zweite Signal zur Ansteuerung des Halbleiterschalters den diskreten Im­ pulsen gegengekoppelt, d. h. von diesen abgezogen.

Vorzugsweise ist die Vorrichtung zur Einstellung von Flan­ ken von digitalen, insbesondere PWM-Impulsen vorgesehen, die entsprechend einem Steuersignal aus einer PWM-Endstufe erzeugt werden können. Diese dienen dann z. B. in der KFZ-Technik zur Ansteuerung eines Bremskraftverstärkers. Es gibt jedoch auch viele andere Möglichkeiten, mit Impulsen gesteuerte Halbleiterschalter zum Schalten von elektroni­ schen Einrichtungen einzusetzen. Als besonders vorteilhaft haben sich dabei MOSFETs als Halbleiterschalter erwiesen, da diese in der Lage sind, schnell zu schalten.

Vorteilhaft ist es, wenn die erste und/oder die zweite Rückführeinrichtung eine Differenziereinrichtung aufweist, die auf starke Änderungen der jeweiligen Ausgangsgröße hin ein großes Signal und auf kleine Änderungen der jeweiligen Ausgangsgröße hin ein kleines Signal erzeugt. Demnach er­ gibt sich bei einer Ausgangsgröße mit einer steilen Flanke ein großes Signal, das z. B. der steilen Flanke am Steuer- Anschluß gegengekoppelt wird und damit dort die Flanken­ steilheit und als Folge davon auch die Flankensteilheit der Ausgangsgröße verringert.

Die Differenziereinrichtung kann ein Kondensator sein, der z. B. die Drain-Spannung U_D differenziert. Die Differen­ ziereinrichtung kann auch ein als Differenzierer geschalte­ ter Operationsverstärker (OP) sein, der z. B. den Transi­ storstrom I_S differenziert. Sind zwei Rückführeinrichtungen vorhanden, die jeweils eine Differenziereinrichtung aufwei­ sen, so können sowohl die Spannung U_D als auch der Strom I_S differenziert werden.

Weiterhin ist es möglich, die diskreten Impulse mit den steilen Flanken und/oder das erste und/oder zweite Signal aus der jeweiligen Rückführeinrichtung über einen Treiber zu führen. Dieser kann z. B. eine Push-Pull-Stufe sein. Das Ausgangssignal des Treibers stellt dann die Impulse zum Steuern des Halbleiterschalters zur Verfügung.

Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung werden nun an­ hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbei­ spielen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen mit Impulsen angesteuerten MOSFET-Schalter nach Stand der Technik,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Ausfüh­ rungsform,

Fig. 3 beispielhaft impulsförmige Signalverläufe, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem MOSFET- Schalter eingesetzt wird, und

Fig. 4 ein elektrisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Vorrichtung zum Einstellen einer Im­ pulsflanke am Ausgang eines MOSFET 10. Die beiden Ausgangs­ größen sind hier der Transistorstrom I_S und die Drain-Span­ nung U_D. Diese werden jeweils auf die Rückführeinrichtung 21 und 22 gegeben. An einem Summationspunkt 20 werden das impulsförmige Eingangssignal 11 und die Ausgangssignale der Rückführeinrichtungen 21 und 22 zusammengeführt. In diesem Fall werden die Ausgangssignale der Rückführeinrichtungen 21 und 22 vom Eingangssignal 11 abgezogen. Aus dem Summati­ onspunkt 20 wird ein Signal herausgeführt, das auf den Steuer-Anschluß G des MOSFET gegeben wird, um diesen anzu­ steuern. Der Ausgangstransistorstrom I_S wird wie bereits anhand von Fig. 1 beschrieben dem induktiven Bauteil 12 zu­ geführt. In diesem Beispiel ist die Versorgungsspannung des MOSFET positiv, sie kann jedoch auch bei einem anderen Transistor nach Bedarf negativ sein.

Fig. 3 zeigt beispielhaft die Signalverläufe bei einer er­ findungsgemäßen Vorrichtung mit einem MOSFET als Halblei­ terschalter. Oben in der Figur ist der Transistorstrom I_S dargestellt. Der gestrichelte Verlauf I_S', zeigt den Strom­ verlauf ohne Anwendung der erfindungsgemäßen Flankenrege­ lung und die durchgezogene Linie den Verlauf von I_S bei An­ wendung der Erfindung. Die Flanken des durchgezogenen Ver­ laufs sind gegenüber denen des gestrichelten Verlaufs wie gefordert abgeflacht. Im unteren Teil der Fig. 3 sind der Spannungsverlauf U_DS über dem MOSFET 10 ohne (gestrichelt) und den Spannungsverlauf U_DS, (durchgezogen) bei Anwendung der Erfindung wiedergegeben.

Fig. 4 zeigt ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vor­ richtung. Hierbei werden wie in Fig. 2 die Drain-Spannung U_D und der Source-Strom I_S jeweils der Rückführeinrichtung 21 und 22 zugeführt. Die Rückführeinrichtung 21 weist einen Kondensator 406 auf, der die Spannung U_D differenziert. Der Kondensatorstrom wird auf den Summationspunkt 20 gegeben. Die zweite Rückführeinrichtung 22 weist einen als Differen­ zierer geschalteten Operationsverstärker 411 auf. Der Strom I_S wird über einen kleinen Meßwiderstand 417 (Shunt) als Spannung abgegriffen und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 411 über einen Widerstand 416 und ei­ nen Kondensator 415 zugeführt. Der nichtinvertierende Ein­ gang des OP wird auf einem Spannungspegel gehalten, der zwischen Masse und einer Versorgungsspannung V_CC liegt. Zwischen den Masseanschluß und den Versorgungsspannungsan­ schluß sind zwei Widerstände 413 und 414 geschaltet, zwi­ schen denen die Spannung für den nichtinvertierenden Ein­ gang des OP 411 abgegriffen wird. Zwischen nichtinvertie­ renden Eingang des OP 411 und den Masseanschluß ist außer­ dem ein Kondensator 412 geschaltet, der die Schwankungen der Versorgungsspannung V_CC ausgleicht. Zwischen den inver­ tierenden Eingang und den Ausgang des OP 411 ist ein Wider­ stand 410 geschaltet, und parallel dazu ist ein Kondensator 409 angeordnet. In Serie zum Ausgang des OP 411 sind ein Widerstand 408 und ein Kondensator 407 geschaltet, der die Ausgangsgröße der zweiten Rückführeinrichtung 22 von einem aus dem OP 411 kommenden Gleichstromanteil DC entkoppelt, so daß nur noch Wechselstromanteile AC an den Summations­ punkt 20 weitergegeben werden.

Der Summationspunkt 20 weist einen Widerstand 405 auf, über den das impulsförmige Eingangssignal 11 geführt wird. Zwi­ schen den Summationspunkt 20 und den MOSFET 10 ist ein Treiber 400 geschaltet. Dieser weist eine Push-Pull-Stufe auf, die aus zwei in Serie geschalteten Transistoren 401 und 404 mit dazwischengeschalteten Widerständen 402 und 403 aufweist. Die Steuer-Spannung U_G für den Steuer-Anschluß G des MOSFET wird zwischen diesen beiden Widerständen 402 und 403 abgegriffen. Der Treiber 400 wird ebenfalls mit einer Versorgungsspannung V_CC versorgt, die aber nicht notwendi­ gerweise gleich der Versorgungsspannung V_CC der OP-Schal­ tung sein muß.

Selbstverständlich sind andere Beschaltungsmöglichkeiten für die beiden Rückführeinrichtungen 21 und 22 denkbar. Ebenso können der Treiber 400 und der Summationspunkt 20 anders aufgebaut sein. Die Beschaltung der Ausführungsform in Fig. 4 ist derart, daß die Ausgangssignale der beiden Rückführeinrichtungen 21 und 22 dem Eingangssignal 11 ge­ gengekoppelt werden. In dieser Ausführungsform werden Strö­ me im Summationspunkt 20 addiert bzw. subtrahiert. Denkbar ist jedoch auch eine Addition/Subtraktion von Spannungen.

Im allgemeinen ergibt sich die Steilheit der Ausgangsflan­ ken des Halbleiterschalters durch die Dimensionierung der einzelnen Bauteile der Rückführeinrichtungen 21 und 22. So­ mit kann durch geeignete Dimensionierung eine gewünschte Flankensteilheit erreicht werden. Dabei besteht das Ein­ gangssignal 11 aus diskreten Impulsen, die Impulse unter­ schiedlicher Länge und/oder unterschiedlicher Höhe sein können. Dieses hängt vom jeweiligen Anwendungsfall ab. An­ statt eines MOSFET kann selbstverständlich auch ein norma­ ler FET oder auch einer anderer Transistortyp als Halblei­ terschalter eingesetzt werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Art von Halbleiterschaltern begrenzt. Ste­ hen bei einem Halbleiterschalter mehr als zwei Ausgangsgrö­ ßen zur Verfügung, so sind dementsprechend auch mehr als zwei erfindungsgemäße Rückführeinrichtungen denkbar.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie nicht für einen bestimmten Typ von Halbleiterschalter vorgesehen ist und sie zudem aus wenigen diskreten Bauteilen aufgebaut und dimensioniert werden kann.

Es ist denkbar, daß die Rückführeinrichtungen 21 und 22 di­ gital ausgeführt werden. Durch entsprechende Ana­ log/Digital-Wandler bzw. Digital/Analog-Wandler könnten die jeweils entstehenden Größen aneinander angepaßt werden. Da­ bei könnten der Summationspunkt und/oder der Treiber eben­ falls digital ausgeführt werden. Hardwaremäßig könnten die Komponenten dann gleich im PWM-Steuer-Chip vorgesehen sein, der dann Flanken der gewünschten Form erzeugen würde. Ein solcher Chip würde dann Eingänge (analog oder digital) für die erforderlichen analogen oder digitalen Größen der Si­ gnalrückführung benötigen.

Claims (14)

1. Vorrichtung zum Einstellen einer Impulsflanke am Aus­ gang eines Halbleiterschalters, dessen Steuer-Anschluß nach Maßgabe diskreter Impulse ansteuerbar ist, gekennzeichnet durch eine erste Rückführeinrichtung (21, 22), die nach Maß­ gabe der Änderung einer ersten Ausgangsgröße des Halb­ leiterschalters ein erstes Signal erzeugt, nach dessen Maßgabe der Halbleiterschalter angesteuert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zweite Rückführeinrichtung (22, 21), die nach Maßgabe der Änderung einer zweiten Ausgangsgröße des Halblei­ terschalters ein zweites Signal erzeugt, nach dessen Maßgabe der Halbleiterschalter angesteuert wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste und/oder zweite Signal zur An­ steuerung des Halbleiterschalters gegengekoppelt wird.

4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter ein FET ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ausgangsgröße des FET die Drain-Spannung (U_D) oder der Transistorstrom (I_S) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die zweite Ausgangsgröße des FET die jeweils andere von Drain-Spannung (U_D) und Transistorstrom (I_S) ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß sie zur Einstellung von Flan­ ken von digitalen, insbesondere PWM-Impulsen ausgelegt ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die erste und/oder die zweite Rückführeinrichtung (21, 22) eine Differenziereinrich­ tung aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche und An­ spruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dann,
wenn die erste Ausgangsgröße die Drain-Spannung (U_D) ist, die erste Rückführeinrichtung (21) einen Kondensa­ tor (406) aufweist, der mit dem Drain-Anschluß (D) ver­ bunden ist, und dann,
wenn die erste Ausgangsgröße der Transistor-Strom (I_S) ist, die erste Rückführeinrichtung (22) einen als Dif­ ferenzierer geschalteten Operationsverstärker (411) aufweist, wobei zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und dem Source-Anschluß (S) ein Kondensator (415) geschaltet ist und zwischen dem Aus­ gang und dem invertierenden Eingang des Operationsver­ stärkers (411) ein Widerstand (410) liegt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9 und 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die zweite Rückführeinrichtung (21, 22) das jeweils andere von Kondensator (415) und als Differen­ zierer geschalteter Operationsverstärker (411) auf­ weist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Kondensator (407) zum Ausgang des Operationsverstärkers in Serie geschaltet ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die diskreten Impulse und/oder das erste Signal über einen Treiber (400) ge­ führt werden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das zweite Signal über den Treiber (400) geführt wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Treiber eine Push-Pull-Stufe auf­ weist.