Titel

Verfahren und Schaltungsanordnung zum Überwachen eines Stromflusses durch ein Halbleiterschaltelement

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Überwachen eines Stromflusses durch ein Halbleiterschaltelement sowie eine Recheneinheit mit einer solchen Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Stand der Technik

Aktoren wie bspw. Magnetventile, insbesondere bei der Verwendung für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, oder allgemein (Hochleistungs-) Verbraucher in Fahrzeugen werden in der Regel mittels Endstufen angesteuert, die ein Schaltelement auf der Seite des positiven Anschlusses der Spannungsversorgung und ein Schaltelement auf der Seite des negativen Anschlusses der Spannungsversorgung bzw. Masseseite aufweisen. Der Strom zum Ein- bzw. Ausschalten des Schaltelements kann von einer Treiberschaltung bereitgestellt werden.

Beim Betrieb solcher Verbraucher ist ein häufig auftretender Fehler ein Kurz- schluss eines der Anschlüsse des Verbrauchers nach Masse. Insofern ist eine Überwachung des Stromflusses auf Seiten des positiven Anschlusses der Spannungsversorgung angezeigt, um Schäden an den Bauteilen zu verhindern.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung sowie eine Recheneinheit zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Überwachen eines Stromflusses durch ein Halbleiterschaltelement, das zur Ansteuerung eines Aktors zwischen einem positiven Anschluss einer Spannungsversorgung und dem Aktor angeordnet ist. Hierbei wird ein Strom zum Ein- und Ausschalten des Halbleiterschaltelements von einer Transistortreiberschaltung bereitgestellt und eine über einem Widerstand, der zwischen dem positiven Anschluss der Spannungsversorgung und dem Halbleiterschaltelement in Reihe mit dem Halbleiterschaltelement vorgesehen ist, abfallende Spannung mittels eines Komparators, der Teil der Transistortreiberschaltung ist, erfasst. Sobald die erfasste Spannung einen Schwellwert überschreitet, wird eine Stromversorgung des Aktors unterbrochen. Dies kann bspw. durch Öffnen des Halbleiterschaltelements erfolgen. Bei der Transis- tortreiberschaltung handelt es sich um eine Schaltung zur Ansteuerung von Halbleiterschaltelementen wie bspw. MOSFETs. Insbesondere kann es sich hierbei um diskrete Schaltungen oder fertige ICs handeln. Übliche Transistortreiberschaltungen weisen bereits eine Komparatorschaltung für die Strombegrenzung auf, die im Rahmen der Erfindung den Strom nun genauer messen kann.

Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dient zum Überwachen eines Stromflusses durch ein Halbleiterschaltelement, das zur Ansteuerung eines Aktors eingerichtet ist. Hierzu weist die Schaltungsanordnung das Halbleiterschaltelement, einen damit in Reihe geschalteten Widerstand und eine Transistortrei- berschaltung zur Bereitstellung eines Stroms zum Ein- und Ausschalten des

Halbleiterschaltelements auf. Eine von dem Halbleiterschaltelement abgewandte Seite des Widerstands ist zur Verbindung mit einem positiven Anschluss einer Spannungsversorgung vorgesehen und eingerichtet, und eine von dem Widerstand abgewandte Seite des Halbleiterschaltelements ist zur Verbindung mit ei- nem Anschluss des Aktors vorgesehen und eingerichtet. Die Schaltungsanordnung weist weiterhin einen Komparator auf, der Teil der Transistortreiberschaltung ist und der mit beiden Seiten des Widerstands zum Abgriff einer über den Widerstand abfallenden Spannung verbunden ist, und der Komparator ist dazu eingerichtet, sobald die erfasste Spannung einen Schwellwert überschreitet, ein Unterbrechen einer Stromversorgung des Aktors zu veranlassen. Das Veranlassen des Unterbrechens der Stromversorgung des Aktors kann bspw. durch eine geeignete Ansteuerung des Halbleiterschalelements durch den Komparator selbst oder aber bspw. auch mittelbar über eine Ansteuerung einer ohnehin zum Öffnen und Schließen des Halbleiterschaltelements vorgesehene Einrichtung erfolgen. Eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist bevorzugterweise Bestandteil eines Steuergeräts eines Fahrzeugs (Land-, Wasser- oder Luftfahrzeug). Zwar kann die Überwachung des Stromflusses durch das Halbleiterschaltelement auch durch einen Komparator, bspw. auch einen Komparator, der Teil der Transistortreiberschaltung ist, der die Spannung über dem Halbleiterschaltelement selbst abgreift, durchgeführt werden. Allerdings weist der Widerstand solcher Halbleiterschaltelemente in der Regel eine starke Temperaturabhängigkeit auf. Dies führt dazu, dass der Schwellwert relativ hoch gewählt werden müsste, sodass, je nach aktueller Temperatur des Halbleiterschaltelements, ein sehr hoher Stromfluss durch das Halbleiterschaltelement entsteht. Das Halbleiterschaltelement müsste demnach für hohe Stromflüsse ausgelegt werden. Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen kann nun durch einen zusätzlichen, kostengünstigen Widerstand, insbesondere einen geeigneten Strommesswiderstand, der Stromfluss durch das Halbleiterschaltelement auch durch den Spannungsabfall über den zum Halbleiterschaltelement in Reihe geschalteten Widerstand ermittelt werden. Gegenüber dem Widerstand des Halbleiterschaltelements weist ein separater Widerstand nun eine deutlich geringere Temperaturabhängigkeit auf. Dies führt dazu, dass der Schwellwert geringer bzw. genauer ange- passt gewählt werden kann. Zudem kann das Halbleiterschaltelement bzgl. des maximalen Stromflusses optimiert werden, d.h. das Halbleiterschaltelement kann in der Regel schwächer ausgelegt werden. Zudem kann für das vorgeschlagene Verfahren ein Komparator verwendet werden, der ansonsten für die Erfassung der Spannung über das Halbleiterschaltelement verwendet wird. Insofern ist nur eine geringe Anpassung einer zugehörigen Schaltungsanordnung nötig, um das vorgeschlagene Verfahren durchführen zu können. Eine weitere Möglichkeit zur Überwachung des Stromflusses durch das Halbleiterschaltelement wäre eine Verwendung eines separaten Differenz- oder Operationsverstärkers, mittels dessen ein Spannungsabfall über einen zum Halbleiterschaltelement in Reihe geschalteten Widerstand erfasst wird. Die über den Differenz- oder Operationsverstärker erfasste Spannung könnte dann gegen

Masse gemessen und mit einem Schwellwert verglichen werden. Solche Differenz- bzw. Operationsverstärker sind jedoch sehr kostspielig.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren hingegen kann der Komparator der Transis- tortreiberschaltung, die ohnehin vorhanden ist, verwendet werden, wodurch auch eine zugehörige Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens günstiger wird.

Vorzugsweise wird als Halbleiterschaltelement ein FET, insbesondere MOSFET, verwendet. Bei MOSFETs handelt es sich um oftmals zur Ansteuerung von Aktoren verwendete Halbleiterschaltelemente, deren Widerstand jedoch eine starke Temperaturabhängigkeit aufweist, weswegen in diesem Fall das vorgeschlagene Verfahren besonders vorteilhaft ist. Alternativ ist es bevorzugt, wenn als Halbleiterschaltelement ein IGBT verwendet wird. Auch bei IGBTs handelt es sich um oftmals zur Ansteuerung von Aktoren verwendete Halbleiterschaltelemente, deren Widerstand jedoch eine starke Temperaturabhängigkeit aufweist, weswegen auch in diesem Fall das vorgeschlagene Verfahren besonders vorteilhaft ist.

Bevorzugterweise wird ein Verbraucher in einem Fahrzeug (Land-, Wasser- oder Luftfahrzeug) als Aktor angesteuert. Gerade bei Fahrzeugen liegt die Karosserie üblicherweise auf Massepotential, so dass hier Masseschlüsse leicht auftreten können und durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen sehr einfach zu erken- nen sind. Bevorzugt anzusteuernde Verbraucher sind Magnet- und Piezoventile, wie sie z.B. als Kraftstoffinjektor eingesetzt werden, Elektromotoren, Heizungen usw. Es ist von Vorteil, wenn als Aktor ein Magnetventil verwendet wird. Gerade Magnetventile, die bspw. bei Brennkraftmaschinen, dort insbesondere auch als Kraftstoffinjektoren, verwendet werden, werden in der Regel über eine Endstufe mit Halbleiterschaltelementen angesteuert, wobei relativ häufig ein Kurzschluss ei- nes Anschlusses des Magnetventils nach Masse auftritt. Insofern ist es wichtig, eine geeignete Überwachung des Stromflusses auf der Seite des positiven Anschlusses an die Spannungsversorgung gewährleisten zu können, um Schäden zu vermeiden. Insofern ist also das vorgeschlagene Verfahren in diesem Fall besonders vorteilhaft.

Vorteilhafterweise wird der Schwellwert in Abhängigkeit von einem für das Halbleiterschaltelement zulässigen Stromfluss eingestellt. Zweckmäßig ist es hierbei, den Schwellwert auf einen Wert einzustellen, bei dem ein maximal zulässiger Stromfluss durch das Halbleiterschaltelement gerade nicht mehr erreicht wird. Es kann aber auch ein gewisser Sicherheitsaufschlag berücksichtigt werden. Auf diese Weise kann das Halbleiterschaltelement vor möglichen Schäden bestmöglich geschützt werden. Anderseits ist es dadurch aber auch möglich, das Halbleiterschaltelement derart auszugestalten oder auszuwählen, dass der Stromfluss, bei dem das Halbleiterschaltelement geöffnet wird, gering gehalten wird, wodurch das Halbleiterschaltelement klein und günstig in der Herstellung sein kann.

Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, weist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung auf und/oder ist, ins- besondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figuren 1 und 2 zeigen schematisch nicht erfindungsgemäße Schaltungsanordnungen.

Figur 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer bevorzugten Ausführungsform.

Figur 4 zeigt einen Stromfluss durch ein Halbleiterschaltelement und einen

Spannungsabfall über einen Widerstand bei regulärem Betrieb eines Aktors.

Figur 5 zeigt einen Stromfluss durch ein Halbleiterschaltelement und einen

Spannungsabfall über einen Widerstand bei einem Kurzschluss des Aktors ohne Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Figur 6 zeigt einen Stromfluss durch ein Halbleiterschaltelement und einen

Spannungsabfall über einen Widerstand bei einem Kurzschluss des Aktors bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.

Ausführungsform(en) der Erfindung

In Figur 1 ist schematisch eine nicht näher bezeichnete, nicht erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gezeigt, mit der ein Stromfluss durch ein Halbleiterschaltelement 1 10, hier beispielhaft als MOSFET ausgebildet, das zur Ansteuerung eines Aktors 120, bspw. eines Magnetventils, vorgesehen bzw. eingerichtet ist.

Die dem Aktor 120 abgewandte Seite des MOSFETs 1 10 ist an einem positiven Anschluss 151 einer Spannungsversorgung 150, bspw. einer Batterie, angebunden. Weiterhin sind auf der dem MOSFET 1 10 abgewandten Seite des Aktors 120 ein weiteres Halbleiterschalelement 140, hier beispielhaft ebenfalls als MOSFET ausgebildet, sowie ein Strommesswiderstand 160 vorgesehen und an Masse bzw. einen negativen Anschluss 152 der Spannungsversorgung ange- bunden. Auf diese Weise ist eine Ansteuerung, d.h. bspw. ein Ein- bzw. Ausschalten des Aktors 120 möglich.

Weiterhin ist ein Komparator 130 vorgesehen, der Teil einer Transistortreiber- Schaltung 135 ist und an die beiden Seiten des MOSFETs 1 10 angeschlossen ist, sodass mittels des Komparators 130 ein Spannungsabfall über den MOSFET 1 10 erfasst werden kann. Über die Transistortreiberschaltung 135 kann ein Strom zum Ein- und Ausschalten des MOSFETs 1 10 und bspw. auch für den MOSFET 140 bereitgestellt werden. Weiterhin ist der Komparator 130 dazu ein- gerichtet, die über den MOSFET 1 10 abfallende Spannung mit einem Schwellwert zu vergleichen und, falls die Spannung den Schwellwert überschreitet, eine Stromversorgung des Aktors 120 zu unterbrechen. Auf diese Weise kann im Falle eines Kurzschlusses des Aktors 1 10, bspw. gegen Masse, eine Beschädigung von Bauteilen vermieden werden.

Das Unterbrechen der Stromversorgung des Aktors 1 10 kann bspw. durch Öffnen des MOSFETs 1 10 erfolgen. Wie eingangs bereits erwähnt, ist der Widerstand des MOSFETs 1 10 stark temperaturabhängig, weswegen bei der hier gezeigten Schaltungsanordnung sehr hohe Stromflüsse durch den MOSFET 1 10 auftreten können. Da der Kurzschlussdetektions-Schwellwert so hoch eingestellt werden muss, dass er in allen Betriebspunkten keine nicht vorhandenen Fehler anzeigt, können sich im Fehlerfall durch MOSFET 1 10 sehr hohe Stromwerte einstellen. In Figur 2 ist schematisch eine weitere, nicht näher bezeichnete und nicht erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gezeigt, mit der ein Stromfluss durch ein Halbleiterschaltelement 1 10, hier beispielhaft als MOSFET ausgebildet, das zur Ansteuerung eines Aktors 120, bspw. eines Magnetventils, vorgesehen bzw. eingerichtet ist.

Die hier gezeigte Schaltungsanordnung unterscheidet sich von der in Figur 1 gezeigten Schaltungsanordnung dadurch, dass kein Komparator 130 vorgesehen ist. Stattdessen ist ein Widerstand 170 vorgesehen, der zwischen dem positiven Anschluss 151 der Spannungsversorgung und dem MOSFET 1 10 mit dem MOSFET 1 10 in Reihe geschaltet ist.

Weiterhin ist ein separater Differenzverstärker 131 vorgesehen, der an die beiden Seiten des Widerstands 170 angebunden ist und eine über den Widerstand 170 abfallende Spannung erfasst und verstärkt. Weiterhin ist ein auf Masse bezogener Messverstärker 132 an den Ausgang des Differenzverstärkers 131 angebunden, sodass die über den Widerstand 170 abfallende Spannung mit einem Schwellwert verglichen werden kann.

Auch mit der hier gezeigten Schaltungsanordnung kann, falls die Spannung den Schwellwert überschreitet, eine Stromversorgung des Aktors 120 unterbrochen werden. Auf diese Weise kann im Falle eines Kurzschlusses des Aktors 1 10, bspw. gegen Masse, eine Beschädigung von Bauteilen vermieden werden. Wie eingangs bereits erwähnt, ist eine solche Schaltungsanordnung aufgrund des separaten Differenzverstärkers allerdings sehr kostspielig.

In Figur 3 ist nun schematisch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 100 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Die hier gezeigte Schaltung ist ähnlich zu der in Figur 1 gezeigten Schaltungsanordnung, jedoch ist hier zusätzlich ein Widerstand 170 vorgesehen, der zwischen dem positiven Anschluss 151 der Spannungsversorgung und dem MOSFET 1 10 mit dem MOSFET 1 10 in Reihe geschaltet ist.

Der Komparator 130, der insbesondere wie der in Figur 1 gezeigte Komparator ausgebildet sein kann und auch Teil der Transistortreiberschaltung 135 ist, ist hier jedoch nicht an die beiden Seiten des MOSFETs 1 10 sondern an die beiden Seiten des Widerstands 170 angebunden, sodass damit die über den Widerstand 170 abfallende Spannung erfasst und mit einem Schwellwert verglichen werden kann.

Im Übrigen entspricht die Schaltung der in Figur 1 gezeigten Schaltung, insbesondere auch hinsichtlich der Unterbrechung der Stromversorgung des Aktors 1 10. Insofern sei auf die dortige Beschreibung verwiesen. Es sei noch ange- merkt, dass die Schaltungsanordnung 100 hier beispielhaft nur den Widerstand 170, den MOSFET 1 10 sowie den Komparator 130 umfasst. Es können jedoch, je nach Ausgestaltung, auch weitere Bauteile umfasst sein. Weiterhin ist schematisch eine Recheneinheit 190, bspw. ein Steuergerät eines

Kraftfahrzeugs, dargestellt das die Schaltungsanordnung 100 sowie zusätzlich den MOSFET 140 und den Strommesswiderstand 160 umfasst. Die Recheneinheit 190 ist dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. In Figur 4 ist ein Stromfluss I durch ein Halbleiterschaltelement einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und eine Spannung U, die über einen Widerstand einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung abfällt, bei regulärem Betrieb eines Aktors gezeigt. Hierzu sind Strom I und Spannung U gegen die Zeit t aufgetragen.

Dabei sind nach einer initialen Ansteuerung des Aktors, bspw. einer Öffnungsansteuerung eines Magnetventils, kurze Spannungspulse und ein zugehöriger Stromverlauf zu sehen. Hierzu sei angemerkt, dass der Stromfluss durch den Widerstand aufgrund der Reihenschaltung dem Stromfluss im Halbleiterschalt- element entspricht.

In Figur 5 sind nun ein Stromfluss I durch das Halbleiterschaltelement und eine Spannung U, die über den Widerstand abfällt, bei einem Kurzschluss des Aktors ohne Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bspw. bei Verwendung der in Figur 1 gezeigten Schaltungsanordnung, gezeigt. Hierzu sind Strom I und

Spannung U gegen die Zeit t aufgetragen. Zusätzlich sind, nur eines Vergleichs halber, ein Schwellwert ls für den Stromfluss sowie ein Schwellwert Us für die Spannung gezeigt, wie sie bei einem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden könnten (vergleiche hierzu Figur 6).

Hierbei ist zu sehen, dass nach dem Kurzschluss zum Zeitpunkt to der Stromfluss I und entsprechend die Spannung U ansteigen und zwar über die jeweiligen Schwellwerte ls bzw. Us. Erst zum Zeitpunkt ti wird die Stromversorgung unter- brachen, allerdings fließt bis dahin ein hoher Strom durch das Halbleiterschaltelement.

In Figur 6 sind nun ein Stromfluss I durch das Halbleiterschaltelement und eine Spannung U, die über den Widerstand abfällt, bei einem Kurzschluss des Aktors bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform und bspw. bei Verwendung der in Figur 3 gezeigten Schaltungsanordnung gezeigt. Hierzu sind Strom I und Spannung U gegen die Zeit t aufgetragen. Zusätzlich sind der Schwellwert Is für den Stromfluss sowie der Schwellwert Us für die Spannung gezeigt.

Bereits kurz nach dem Kurzschluss zum Zeitpunkt to erreicht die Spannung U zum Zeitpunkt t.2 den Schwellwert Us und die Stromversorgung wird unterbrochen. Entsprechend erreicht auch der Stromfluss I im MOSFET nur den

Schwellwert Is. Hierzu sei angemerkt, dass bei der Durchführung des Verfahrens nur die Spannung U bzgl. des Schwellwerts Us überwacht wird. Der Schwellwert Is ist hier nur zur Veranschaulichung gezeigt.

Da ein Widerstand, wie er für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung verwendet werden kann, bspw. nur eine Temperaturabhängigkeit von 50 ppm/K aufweist, ergibt sich bei einer Genauigkeit von ca. 0,5% bspw. eine Toleranz des Wertes des Widerstands über einen in der Regel relevanten Temperaturbereich von bspw. -40°C bis 140°C von ca. 1 %. Hingegen kann der Widerstand eines MOSFETS im genannten Temperaturbereich zwischen dem 0,8-fachen und dem 1 ,75-fachen des Nennwerts bei Raumtemperatur variieren. In diesem Fall müsste also ein deutlich größerer Schwellwert gewählt werden, um bei hoher Temperatur nicht zu früh bzw. fälschlich die Stromversorgung zu unterbrechen. Dies führt jedoch auch dazu, dass, gerade bei tiefen Temperaturen, ein sehr hoher Stromfluss durch den MOSFET auftreten kann, wie dies in Figur 5 zu sehen ist.

Dies kann entweder zu Schäden am MOSFET führen oder eine Auslegung des MOSFETs für solche Stromflüsse benötigen. Mit dem erfindungsgemäßen Ver- fahren bzw. der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann nun der Schwellwert abgesenkt bzw. die Auslegung des MOSFETs optimiert werden. Der maximale Stromfluss kann, je nach Situation, mit den oben genannten Widerstandswerten bzw. deren Variation über der Temperatur bspw. bis zu 60% ge- senkt werden.

Weiterhin entfallen durch die Detektion der Spannung am Strommesswiderstand Verzögerungszeiten in der Auswertung, die wegen des veränderlichen Widerstandswertes des Strompfades im Halbleiter bzw. MOSFET während des Ein- schaltvorgangs vorgehalten werden müssen.