DE68924107T2

DE68924107T2 - Steuerschaltung für die Begrenzungsspannung einer durch eine Leistungsvorrichtung in spannungsseitiger Treiberkonfiguration getriebenen induktiven Last.

Info

Publication number: DE68924107T2
Application number: DE68924107T
Authority: DE
Inventors: Sergio Palara; Michele Zisa
Original assignee: SGS Thomson Microelectronics Inc
Current assignee: STMicroelectronics lnc USA
Priority date: 1988-07-29
Filing date: 1989-06-08
Publication date: 1996-11-28
Anticipated expiration: 2009-06-09
Also published as: DE68924107D1; IT1226557B; US5010439A; JPH0275222A; EP0352828A3; IT8821561A0; KR900002568A; EP0352828A2; EP0352828B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für die Klemmschaltung einer induktiven Last, die von einem Leistungsbauelement in einer Treiberkonfiguration an der heißen Seite getrieben wird.
Der letztgenannte Ausdruck bedeutet die Anordnung des Leistungsbauelements zwischen der Spannungsversorgung und der induktiven Last, die ihrerseits auf Masse gelegt ist. Dies ist eine sehr typische Anordnung bei industriellen Anwendungen, beispielsweise für Antriebsmotoren und zum Steuern von Ablenkschaltungen in Fernsehgeräten.
Ein solcher Schaltungsaufbau sieht vor, daß das Betreiben des Leistungsbauelements, sei es nun ein MOS-Transistor, ein Bipolartransistor, eine Darlington-Schaltung oder dergleichen, mit Hilfe eines Wechsel-Steuersignals erfolgt, welches in Kombination mit einem Abschalt-Signal arbeitet, welches den Steueranschluß des Leistungsbauelements erdet. Die niedrigen Pegel des Steuersignals bestimmen das Abschalten des Leistungsbauelements, dessen an die induktive Last angeschlossene Lastanschluß dadurch dazu gebracht wird, von letzterem so lange abzufallen, bis eine als Klemmspannung bezeichnete Spannung effeicht wird, welche die Aktivierung einer Entladeschaltung für die induktive Last festlegt, entweder durch erneutes Einschalten des Leistungsbauelements, oder mit Hilfe einer separaten Rücklaufdiode.
Dieses bekannte System hat den Nachteil, daß seine Klemm- und mithin Entladeschaltung im Betrag relativ gering ist, wovon eine proportional lange Entladungszeit abhängt.
Die US-A-4,808,839 offenbart eine Steuerschaltung für die Klemmschaltung einer von einem Leistungsbauelement betriebenen induktiven Last, die im wesentlichen dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Klemmspannung in ihrem Absolutwert zu erhöhen und dadurch die Entladungszeit für die induktive Last zu verringern.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, die oben erwähnte Klemmspannung einstellbar zu machen.
Erfindungsgemäß werden diese Ziele mit einer Steuerschaltung erreicht, welche die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale aufweist.
In anderen Worten ausgedrückt: die erfindungsgemäße Steuerschaltung basiert auf dem Umstand, daß während der Abschaltung des Leistungsbauelements die Spannung der Steuerelektrode auf diejenige der Lastelektrode gebracht wird, die ihrerseits erzwungenermaßen durch die auf Masse gelegte induktive Last unter Erdpotential abfällt. Auf diese Weise schaltet das Leistungsbauelement nicht noch einmal ein, und die Spannung der Lastelektrode kann weiter unter Massepotential abfallen, bis sie den Zündschwellenwert der Schwellenwerteinrichtung erreicht, die in die Entladeschaltung eingefügt ist. Ein solcher Schwellenwert repräsentiert die Klemmspannung der induktiven Last und kann in geeigneter Weise im Betrag sehr hoch und einstellbar gemacht werden.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden zum besseren Ver ständnis anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerschaltung;
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerschaltung;
Fig. 3 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerschaltung.
Fig. 1 zeigt eine schematisch durch eine Induktivität angedeutete induktive Last 1, die von einem Leistungsbauelement betrieben wird, das beispielsweise durch einen MOS-Leistungstransistor gebildet wird, dessen Stromversorgungsanschluß oder Drain 3 mit einer positiven Spannungsversorgung 4 verbunden ist, dessen Lastanschluß oder Source 5 über die Induktivität 1 mit Masse verbunden ist, und dessen Steueranschluß oder Gate 6 über einen Steuerverstärker 7 mit einem Einlaß 8 für ein Wechsel-Steuersignal gekoppelt ist. Der beschriebene Schaltungsaufbau, bei dem das Leistungsbauelement 2 an der heißen oder Spannungsversorgungs-Seite in bezug auf die induktive Last 1 angeordnet ist, wird üblicherweise als Treiber an der heißen Seite bezeichnet.
Zwischen dem Steueranschluß 6 des Leistungsbauelements 2 und dem Steuerverstärker 7 ist eine Steuerschaltung 9 gemäß der Erfindung angeordnet, die vollständig monolithisch integriert werden kann, wie dies durch eine gestrichelte Linie in Fig. 1 angedeutet ist.
Die oben erwähnte Steuerschaltung 9 enthält ein durch einen NPN-Transistor gebildetes Schaltelement, welches zwischen dem Gate 6 und der Source 5 des MOS-Leistungstransistors 2 liegt. Die Basis des Transistors ist mit dem Emitter desselben Transistors über einen Widerstand 11 verbunden und steht außerdem mit der Spannungsversorgung 4 über einen Widerstand 12 sowie einen ersten Schalter 13 in Verbindung, wobei letzterer (durch geeignete und an sich bekannte Mittel) im Gegentaktbetrieb mit einem zweiten Schalter 14 gekoppelt ist, der zwischen dem Verstärker 7 und dem Gate 6 des Leistungs-MOS 2 bei der gleichen Frequenz des an den Eingang 8 angelegten Steuersignals liegt, so daß der Schalter 13 geöffnet und der Schalter 14 geschlossen ist, wenn das Steuersignal hohen Pegel hat, während bei niedrigem Signalpegel die Verhältnisse umgekehrt sind.
Parallel zu dem Widerstand 11 liegt ein NPN-Transistor 15, dessen Basis an den Kollektor eines PNP-Transistors 16 angeschlossen ist, der mit seinem Emitter auf Erde und mit seiner Basis an einem Verbindungspunkt 17 zwischen einer Zenerdiode 18 und einer Diode 19 liegt, die in Reihe zwischen dem Gate 6 des MOS-Transistors 2 und Masse liegen.
Wenn im Betrieb das Steuersignal am Eingang 8 einen hohen Pegel hat, wird der Schalter 14 geschlossen, der Schalter 13 geöffnet und der MOS-Leistungstransistor 2 eingeschaltet, d. h. er leitet Strom zum Aufladen der Induktivität 1.
Geht das Steuersignal auf niedrigen Pegel, während gleichzeitig der Schalter 14 öffnet und der Schalter 13 schließt, erfolgt ein Stromfluß in dem Schaltungszweig, der die Widerstände 12 und 11 enthält, was den Transistor in den leitenden Zustand bringt und die Gate-Source-Kapazität des Leistungs-MOS 2 entlädt, was dessen Abschalten verursacht.
Zu diesem Zeitpunkt ist die Source-Spannung negativ, und zwar erzwungenermaßen aufgrund der Induktivität 1, was ihren progressiven Abfall unter Massepotential bedingt, gefolgt von der Gate-Spannung.
Diese Situation dauert so lange an, wie der negative Wert der Source Spannung nicht einen voreingestellten Wert erreicht, welcher dem Zünd zeitpunkt der Zenerdiode 18, zuzüglich der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 16, gleicht. An diesem Punkt geht der Transistor 16 in den leitenden Zustand und nimmt den Transistor 15 mit sich, was das Abschalten des Transistors 10 bedingt. Während das Gate 6 bei der Spannung festgeklemmt wird, die ihm zuvor durch den Zündschwellenwert aufgeprägt wurde, fällt die Source 5 weiter ab, um einen Schwellenwert zu erreichen, welcher die Klemm- oder Entladespannung darstellt, um ein erneutes Einschalten des Leistungs-MOS 2 zu veranlassen. Dann wird die Induktivität 1 über den Leistungs-MOS 2 entladen.
Durch geeignete Auswahl der Zündspannung der Zenerdiode 8, von welcher die Einschaltspannung des Leistungsbauelements abhängt, ist es möglich, zu erreichen, daß die Spannung, bei der die Entladung der Induktivität 1 erfolgt, an deren Anschlüssen sehr hoch ist, d. h. im Absolutbetrag höher als die entsprechende Spannung im Stand der Technik (-15 bis -30V gegenüber -3 bis -4V gegen Masse), so daß die Entladezeit sehr kurz ist.
Eine solche Entladespannung läßt sich leicht durch Ändern der Zenerdiode 18 variieren, wobei die einzige Vorsichtsmaßnahme darin besteht, unterhalb der Durchbruchspannung des Leistungsbauelements zu bleiben. Auf diese Weise ist es auch möglich, die Entladezeit einzustellen.
Fig. 2 zeigt eine Variante der Steuerschaltung nach Fig. 1, mit der es möglich ist, die Entladung der Induktivität über das Leistungsbauelement 2 zu vermeiden. Eine solche Entladung bedingt in der Tat eine beträchtliche Wärmeableitung in dem Leistungsbauelement selbst, welches einer Spannung ausgesetzt ist, die der Versorgungsspannung zuzüglich deijenigen Spannung gleicht, auf die die Source 5 in bezug auf Masse gelangt, wobei das Bauelement gleichzeitig aufgrund der Entladung der Induktivität 1 von einem starken Strom durchflossen wird.
Gemäß Fig. 2 erfolgt das Vermeiden der Entladung der Induktivität 1 über das Leistungsbauelement 2 durch Hinzufügung eines Teils 20 zu der Steuerschaltung 9, und zwar extern oder in integrierter Form, wobei der Teil 20 durch eine Serienschaltung aus einer Zenerdiode 21 und einer Diode 22 besteht, die parallel zu der Induktivität 1 geschaltet ist.
Damit die Entladung der Induktivität über die Dioden 21 und 22 erfolgt, muß die Bedingung erfüllt sein, daß die Summe der Gleichspannung an der Diode 12, der Schwellenspannung der Zenerdiode 18 und der Schwellenspannung des MOS-Leistungstransistors 2 größer ist als die Summe der Spannungen an der Diode 22 und der Zenerdiode 21. Wird diese Bedingung erfüllt, werden die Dioden 21 und 22 früher eingeschaltet als der MOS-Leistungstransistor 2, und damit wird die Induktivität 1 über die Dioden 21 und 22 entladen, und nicht über das Leistungsbauelement.
Im Fall nach Fig. 2 ist das Vorhandensein der Bauteile 15, 16, 18 und 19 nicht unbedingt notwendig, solange die Bedingung erfüllt ist, daß die Summe aus der Versorgungsspannung am Anschluß 4, der Spannung der Zenerdiode 21 und der Gleichspannung der Diode 22 geringer ist als die Durchbruchspannung des Leistungsbauelements, um dessen Durchbruch zu vermeiden.
In diesem Fall übernehmen die obigen Bauelemente 15, 16, 18 und 19 eine Sicherungsfunktion für das Leistungsbauelement und gelangen zur Auslösung, falls die Dioden 21 und 22 nicht eingeschaltet werden. Das erneute Zünden des MOS-Transistors 2 folgt der Entladung an den Dioden 21 und 22, wird jedoch durch den Schalter 13 gesteuert.
Fig. 3 zeigt eine weitere Variante der Schaltung nach Fig. 1, bei der die Bipolar-Transistoren 10 und 15 ersetzt sind durch MOS-Transistoren 30 und 35, und der Widerstand 12 in geeigneter Weise durch eine das Gate des MOS 30 schützende Zenerdiode 31 ersetzt ist.
Der Fachmann kann sich weitere Varianten ausdenken, ohne von dem durch die beigefügten Ansprüche festgelegten Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Insbesondere ist anzumerken, daß zwar bei den in den Zeichnungen als Beispiel angegebenen Ausführungsformen das Leistungsbauelement in Form von MOS-Transistoren dargestellt ist, die Erfindung aber gleichermaßen ohne das Konzept betreffende Änderungen anwendbar ist auch bei anderen Leistungsbauelementen, beispielsweise Bipolar-Transistoren, HIMOSs und Darlington-Schaltungen.

Claims

1. Steuerschaltung für die Klemmspannung einer induktiven Last (1), die von einem Leistungsbauelement (2) betrieben wird, welches einen Spannungsversorgungsanschluß (3), einen Lastanschluß (5), der über die induktive Last (1) mit Masse verbunden ist, und einen Steueranschluß (6) aufweist, der betrieblich mit einem Wechsel- Steuersignal-Eingang (8) gekoppelt ist, wobei eine Entladeschaltung für die induktive Last vorgesehen ist, die bei Erreichen der Klemmspannung aktiviert wird, und zwischen den Steueranschluß (6) und den Lastanschluß (5) ein Schaltelement (10, 30) geschaltet ist, welches von dem Eingangssignal gesteuert wird, um eine direkte Verbindung zwischen dem Steueranschluß (6) und dem Lastanschluß (5) immer dann zu erhalten, wenn das Leistungsbauelement (2) abgeschaltet wird, wobei die Entladeschaltung eine Einrichtung (18) mit einem vorbestimmten Zünd-Schwellenwert aufweist, die aktiviert wird, wenn die Spannung an dem Lastanschluß (5) des Leistungsbauelements (2) unter Masse abfällt, bis sie den Zünd-Schwellenwert erreicht, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (10, 30) ein Steuerelement (Basis, Gate) aufweist, welches mit einer Spannungsversorgung (4) über eine erste Schalteinrichtung (13) verbunden ist, die im Gegentaktbetrieb mit einer zweiten Schalteinrichtung (14) arbeitet, die zwischen den Steueranschluß (6) und den Steuersignaleingang (8) geschaltet ist, und die mit der gleichen Frequenz wie letzterer arbeitet, und daß die Schwellenwerteinrichtung (18) eine erste Zenerdiode (18) aufweist, die über eine erste Diode (19) zwischen den Steueranschluß (6) des Leistungsbauelements (2) und Masse geschaltet ist, wobei Mittel (16, 15, 35) vorgesehen sind, die auf das Zünden der ersten Zenerdiode (18) ansprechend die Deaktivierung des Schaltelements (10, 30) für das anschließende Einschalten des Leistungsbauelements (2) steuern.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellenwerteinrichtung außerdem eine zweite Zenerdiode (21) in Reihe mit einer zweiten Diode (22) aufweist, die parallel zu der induktiven Last liegen.

3. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement durch einen Bipolartransistor (10) gebildet wird.

4. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement durch einen MOS- Transistor (30) gebildet wird.