DE19950023A1

DE19950023A1 - Ansteuervorrichtung für einen Schalter zum elektronischen Schalten eines Verbrauchers

Info

Publication number: DE19950023A1
Application number: DE19950023A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Rieger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-10-09
Filing date: 1999-10-09
Publication date: 2001-04-12
Also published as: GB0024553D0; GB2356504A; GB2356504B; FR2799591A1; FR2799591B1; JP2001160745A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ansteuervorrichtung für einen Schalter zum elektronischen Schalten eines Verbrauchers. Der Schalter weist einen oder mehrere in Reihe zwischen einer Betriebsspannungsquelle und dem Verbraucher angeordnete Feldeffekttransistoren auf. Zur Erzeugung der Gate-Spannung der Feldeffekttransistoren sind eine Halbbrückenschaltung und eine Ladungspumpe vorgesehen. Die Halbbrückenschaltung weist einen Taktsignal-Eingangsanschluß und die Ladungspumpe einen ersten Versorgungsspannungsanschluß für eine Versorgungsspannung von 42 Volt auf.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Ansteuervorrichtung für einen Schalter zum elektronischen Schalten eines Verbrauchers.

Aus der DE-A-195 48 612 ist ein elektronischer Schalter zum zeitweiligen Verbinden zweier Anschlüsse bekannt. Dieser Schalter weist wenigstens zwei elektrisch steuer bare Schaltelemente auf, die in einer Leitung zwischen den beiden Anschlüssen angeordnet sind. Wenigstens eines der elektrisch steuerbaren Schaltelemente ist ein Feldef fekttransistor oder ein anderes bidirektionales Bauele ment mit externer oder integrierter Überlastabschaltung.

Ferner ist es bereits bekannt, zum elektronischen Ein schalten von Verbrauchern in einem 12 V-Bordnetz Relais oder sogenannte Smart-Power-Bausteine (PROFET's) zu ver wenden. Diese Bausteine haben nur einen begrenzten Span nungs- und Stromeinsatzbereich. Für höhere Betriebsspan nungen ist das elektronische Schalten nur mit Leistungs halbleitern möglich. Diese Leistungshalbleiter werden mit einer Gate-Treiberstufe versehen, die das Gate schnell auflädt.

Bei der Gate-Treiberstufe kann es sich um einen sogenann ten High-Side-Schalter handeln. Derartige High-Side- Schalter sind zum Schalten von Lasten vorgesehen, die einseitig an Masse, beispielsweise an der Fahrzeugkaros serie, liegen. Dieser Schalter, bei dem es sich vorzugs weise um einen N-Kanal-Leistungs-MOSFET handelt, liegt zwischen der Betriebsspannung und der Last. Zum Einschal ten benötigt er eine Gate-Spannung, die über der Versor gungsspannung von beispielsweise + 12 V liegt. Diese Gate-Spannung kann unter Verwendung einer Ladungspumpe und eines Oszillators erzeugt werden.

Weiterhin sind für den 12 V-Bereich Ladungspumpen nach dem Greinacher-Prinzip bekannt. Diese arbeiten mit einer Spannungsverdoppelung bzw. -verdreifachung, welche durch eine Kaskadierung von Dioden-Kondensator-Kombinationen erzielt wird. Prinzipbedingt lassen sich dabei nur ganz zahlige Vielfache der Eingangsspannung, vermindert um die Dioden-Flußspannungen, einstellen.

Ferner sind bereits Ladungspumpen bekannt, die nach dem Bootstrap-Verfahren arbeiten.

Vorteile der Erfindung

Mittels der erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 wird im Vergleich zu bekannten Lösungen, bei denen das Potential eines auf 12 Volt auf geladenen Speicherkondensators um 42 Volt angehoben wird, eine Reduzierung der Anzahl der notwendigen Bauelemente und eine Reduzierung der Beanspruchung der Bauelemente erreicht. Die zur Realisierung der erfindungsgemäßen An steuervorrichtung notwendigen Bauelemente sind für 12 V geeignete Schalttransistoren, für 54 V geeignete Dioden und für 42 V ausgelegte Kondensatoren. Dies bedeutet bei spielsweise, daß im Vergleich zu bekannten Lösungen die Notwendigkeit von Hochvolt-Transistoren entfällt und letztere durch eine geringere Anzahl von preisgünstigeren Kleinsignal-Transistoren ersetzt werden können.

Auch eine Verwendung von zusätzlichen Halbleiterventilen zum Schutz der Schaltung sind nicht notwendig.

Zeichnung

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Figur beispiel haft erläutert. Es zeigt die Fig. 1 ein Ausführungsbei spiel für eine erfindungsgemäße Ansteuervorrichtung und die Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für eine Schaltung zur Erzeugung des am Eingangsanschluß E1 von Fig. 1 zur Verfügung gestellten Taktsignals.

Beschreibung

Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine erfin dungsgemäße Ansteuervorrichtung für einen Schalter zum elektronischen. Schalten eines Verbrauchers. Dieser Ver braucher V soll über den genannten Schalter aus dem Bord netz eines Kraftfahrzeuges mit einer Versorgungsspannung von 42 V beaufschlagt werden, wobei diese Versorgungs spannung an einer Anschlußklemme K4 bereitgestellt wird.

Der Eingangsschalter weist einen oder mehrere Feldeffekt transistoren T3 auf, deren Drain-Source-Strecken zwischen der Anschlußklemme K4 und dem Verbraucher V angeordnet sind. Bei dem in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsbei spiel ist ein derartiger Feldeffekttransistor vorgesehen. Der Drain-Anschluß dieses Feldeffekttransistors ist mit der Anschlußklemme K4 und der Source-Anschluß mit dem Verbraucher V verbunden.

Zum Durchschalten bzw. Leitendschalten und der Aufrecht erhaltung des durchgeschalteten Betriebes des Feldeffekt transistors T3 ist eine hinreichend große Spannung am Gate-Anschluß G erforderlich. Diese wird unter Verwendung einer Ansteuervorrichtung erzeugt, welche eine Halb brückenschaltung HB und eine Ladungspumpe L aufweist.

Die Ansteuerung der Halbbrückenschaltung HB erfolgt durch ein Taktsignal CK, welches der Halbbrückenschaltung an einem Eingangsanschluß E1 zur Verfügung gestellt wird. Das Taktsignal CK ist vorzugsweise ein Rechtecksignal mit einer Frequenz in der Größenordnung von 100 KHz.

Das Taktsignal CK wird zur Ansteuerung zweier Feldeffekt transistoren T1 und T2 verwendet, die wechselseitig lei ten und sperren.

Ein zweiter Versorgungsspannungsanschluß K2, an welchem eine Versorgungsspannung von 12 Volt anliegt, ist mit der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors T1 verbunden, der der High-Side-Schalter der Halbbrücke ist. Der Source-Anschluß des Feldeffekttransistors T2, der den Low-Side-Schalter der Halbbrücke bildet, ist auf Masse gelegt. Die Drain-Anschlüsse der beiden Feldeffekttransi storen T1 und T2 sind miteinander verbunden und bilden den Ausgang P1 der Halbbrückenschaltung. Durch das wech selseitige Leiten der Feldeffekttransistoren T1 und T2 wird am Schaltungspunkt P1 ein springendes Potential er zeugt.

Bei leitendem Transistor T2 wird der Schaltungspunkt P1 über die Drain-Source-Strecke von T2 auf Masse gelegt. Dadurch kann der Ladekondensator C1 der Ladungspumpe L über die Diode D1 auf die an der Anschlußklemme K1 be reitgestellte Versorgungsspannung von 42 V aufgeladen werden.

Bei leitendem Transistor T1 wird der Schaltungspunkt P1 über die Source-Drain-Strecke von T1 mit der an der Ein gangsklemme K2 vorhandenen zweiten Versorgungsspannung von 12 V beaufschlagt. Dies führt dazu, daß die Diode D1 sperrt und der Ladekondensator C1 seine Ladung über die dann leitende Diode D2 an den Speicherkondensator C2 überträgt.

Bei der nächsten Durchschaltung des Transistors T2 wird der Schaltungspunkt P1 erneut über den T2 auf Masse ge legt. Dadurch wird der Ladekondensator C1 wiederum über D1 auf die an der Klemme K1 vorliegende Versorgungsspan nung von 42 V aufgeladen, wobei die Diode D2 sperrt. Wird danach T2 in den gesperrten und T1 in den leitenden Zustand gebracht, dann erfolgt erneut eine Übertragung der im Ladekondensator C1 gespeicherten Ladung auf den Speicherkondensator C2.

Der Speicherkondensator C2 ist direkt mit dem Gate G des Feldeffekttransistors T3 verbunden. Die Folge davon ist, daß durch den vorstehend beschriebenen Aufpumpvorgang die Spannung bzw. das Potential am Gate-Anschluß des Transi stors T3 soweit angehoben wird, daß T3 in den leitenden Zustand kommt und dort gehalten wird.

Im leitenden Zustand von T3 gelangt die an der Klemme K4 bereitgestellte Versorgungsspannung von 42 Volt aus dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs an den Verbraucher V, der an den Source-Anschluß S des Feldeffekttransistors T3 ange schlossen ist.

Im Unterschied zu bekannten Ladungspumpen wird der Lade kondensator C1 bei leitendem Transistor T2 über die Diode D1 auf eine Versorgungsspannung von 42 Volt, anzüglich der Durchlaßspannung der Diode D1, aufgeladen. Diese Spannung wird dann bei gesperrtem Transistor T2 auf den Speicherkondensator C2 übertragen. Mittels der Ladungs pumpe erfolgt danach eine Anhebung des Spannungsniveaus am Speicherkondensator C2 um weitere 12 Volt, so daß die am Gate des Feldeffekttransistors T3 anliegende Spannung U₂ gegenüber Masse 42 V + 12 V = 54 V beträgt.

Da am Source-Anschluß von T3 bei durchgeschaltetem T3 die Versorgungsspannung von 42 V anliegt, ist die Potential differenz zwischen der Drain- und der Source-Elektrode von T3 groß genug, um T3 im leitenden Zustand zu halten.

Das am Eingangsanschluß E1 anliegende Taktsignal CK kann von einem nicht gezeichneten Prozessor zur Verfügung ge stellt werden. Weiterhin ist es möglich, das genannte Taktsignal unter Verwendung eines rückgekoppelten, inver tierenden Schmitt-Triggers zu generieren. Verwendet man einen rückgekoppelten NAND-Schmitt-Trigger zur Erzeugung des Taktsignals CK, wie es in der Fig. 2 gezeigt ist, dann besteht die Möglichkeit, die Erzeugung des Takt signals durch Eingabe eines Aktivierungs- bzw. Enable-Si gnals in die Wege zu leiten. Bei der in der Fig. 2 ge zeigten Ausführungsform der Taktsignalerzeugung wird das genannte Enable-Signal einem ersten Eingang eines NAND- Gatters zugeführt. Dieses stellt an seinem Ausgang das genannte Taktsignal CK zur Verfügung, welches weiterhin über einen Widerstand Rt an den zweiten Eingang des NAND- Gatters zurückgekoppelt ist. Der zweite Eingang des NAND- Gatters ist weiterhin über einen Kondensator Ct mit Masse verbunden.

Bei dem oben im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschriebe nen Ausführungsbeispiel ist es vorteilhaft, aufgrund der großen Lade- und Entladeströme, die über die Dioden D1 und D2 fließen, Strombegrenzungswiderstände an die Dioden anzuschließen.

Alternativ dazu besteht auch die Möglichkeit, für die am Ausgang P1 der Halbbrücke erzeugte Spannung U_S ein steti ges Signal vorzusehen, beispielsweise ein dreieckförmi ges, ein trapezförmiges, ein sägezahnförmiges oder ein sinusförmiges Signal. Die erfordert die zusätzliche Ver wendung eines Operationsverstärkers, ist aber mit dem Vorteil verbunden, daß Ladewiderstände eingespart werden und die Belastung der Dioden D1 und D2 reduziert ist.

Claims

1. Ansteuervorrichtung für einen Schalter zum elektroni schen Schalten eines Verbrauchers, wobei der Schalter ei nen oder mehrere in Reihe zwischen einer Betriebsspan nungsquelle und dem Verbraucher angeordnete Feldeffekt transistoren (T3) aufweist, wobei zur Erzeugung der Gate- Spannung der Feldeffekttransistoren eine Halbbrücken schaltung (HB) und eine Ladungspumpe (L) vorgesehen Sind, die Halbbrückenschaltung (HB) einen Taktsignal-Eingangs anschluß (E1) und die Ladungspumpe (L) einen ersten Ver sorgungsspannungsanschluß (K1) für eine Versorgungsspan nung von 42 Volt aufweist.

2. Ansteuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der erste Versorgungsspannungsan schluß (K1) über eine erste Diode (D1) mit einem ersten Anschluß (P2) eines Ladekondensators (C1)verbunden ist.

3. Ansteuervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der zweite Anschluß des Ladekon densators (C1) mit dem Ausgang (P1) der Halbbrückenschal tung (HB) verbunden ist.

4. Ansteuervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Anschluß (P2) des La dekondensators (C1) über eine zweite Diode (D2) mit einem ersten Anschluß (P3) eines Speicherkondensators (C2) ver bunden ist.

5. Ansteuervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß der erste Anschluß (P3) des Spei cherkondensators (C2) mit dem Gate-Anschluß (G) des Feld effekttransistors (T3) verbunden ist.

6. Ansteuervorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Anschluß des Spei cherkondensators (C2) mit dem ersten Versorgungsspan nungsanschluß (K1) verbunden ist.

7. Ansteuervorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Takt signal-Eingangsanschluß (E1) mit den Gate-Elektroden zweier Feldeffekttransistoren (T1, T2) der Halbbrücken schaltung (HB) verbunden ist, wobei einer dieser Feld effekttransistoren (T1) ein High-Side-Schalter und der andere Feldeffekttransistor (T2) ein Low-Side-Schalter ist und der Ausgang (P1) der Halbbrückenschaltung (HB) zwischen den beiden Feldeffekttransistoren (T1, T2) vor gesehen ist.

8. Ansteuervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß der High-Side-Schalter (T1) mit einem zweiten Versorgungsspannungsanschluß (K2) für eine zweite Versorgungsspannung von 12 V verbunden ist und diese zweite Versorgungsspannung bei leitendem High-Side- Schalter (T1) am Ausgang (P1) der Halbbrückenschaltung abgreifbar ist.

9. Ansteuervorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Takt signal-Eingangsanschluß (E1) mit einem Ausgangsanschluß eines Prozessors verbunden ist.

10. Ansteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktsignal-Ein gangsanschluß (E1) mit einem Ausgangsanschluß eines Takt oszillators verbunden ist.

11. Ansteuervorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktoszillator ein Schmitt- Trigger ist.

12. Ansteuervorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktoszillator ein rückge koppelter NAND-Schnitt-Trigger ist, der einen Eingang für ein Aktivierungssignal aufweist.

13. Ansteuervorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang (P1) der Halbbrückenschaltung (HB) ein rechteckförmiges, dreieckförmiges, trapezförmiges, sägezahnförmiges oder sinusförmiges Ausgangssignal abgreifbar ist.

14. Ansteuervorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Takt signal (CK) eine Frequenz in der Größenordnung von 100 KHz aufweist.

15. Ansteuervorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drain- Anschluß (D) des Feldeffekttransistors (T3) mit einem dritten Versorgungsspannungsanschluß (K4) verbunden ist, über welchen der Feldeffekttransistor an eine Versor gungsspannung von 42 Volt angeschlossen ist.