Verpolschutzschaltungen mit einem Leistungsschalter, der in Reihe mit einer Last zwischen zwei Klemmen einer Versorgungs- spannung geschaltet ist sowie mit einer parallel zur Last ge- schalteten Freilaufdiode sind allgemein bekannt. Ein Beispiel für eine solche Verpolschutzschaltung befindet sich in DE 41 393 178 Al.

Eine andere bekannte Verpolschutzschaltung zeigt Figur 1.

Dort ist angenommen, daß als Last 14 eine induktive Last in Reihe zu einem Leistungshalbleiterschalter 12, dessen Steuer- einheit der Einfachheit halber nicht dargestellt ist, ge- schaltet ist. Der Leistungshalbleiterschalter 12 dient dazu, die Last 14 mit einer Versorgungsspannung zu versorgen, die von einer Spannungsquelle 10 stammt. Hierfür weist die Span- nungsquelle 10 eine erste Klemme 2 und eine dritte Klemme 3 auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist an der ersten Klemme 2 positives Potential abgreifbar, während die zweite Klemme 3 auf Bezugspotential liegt. Da die Last vereinbarungsgemäß eine induktive Last ist, was durch die Last 14 selbst oder deren Zuleitungen bestimmt wird, muß bei Abschaltung des Leistungshalbleiterschalters 12 dafür gesorgt werden, daß die in der Last 14 gespeicherte Energie entweder vom Leistungshalbleiterschalter 12 selbst absorbiert werden kann. Ist dies nicht der Fall, muß eine Freilaufschaltung vorgesehen werden, in der die in der Last gespeicherte induk- tive Energie abklingen kann.

Die Absorbtionsmöglichkeiten der induktiven Energie durch den Leistungshalbleiterschalter 12 sind gewöhnlich sehr begrenzt.

Bei Pulsweitenmodulation des Leistungshalbleiterschalters 12, wie es beim Antrieb von Motoren der Fall ist, ist darüber hinaus mit einer erhöhten Verlustleistung am Halbleiterschal- ter 12 zu rechnen. Deshalb ist eine Freilaufschaltung und da- mit ein Freilauf für den Laststrom die häufig günstigere Lö- sung.

Die bekannteste Lösung ist die Verwendung einer Freilaufdiode 18, wie diese in Figur 1 gezeigt ist. Die Freilaufdiode 18 ist hierbei parallel zur Last 14 geschaltet, so daß die in- duktive Energie bei ausgeschaltetem Leistungshalbleiterschal- ter 12 im Freilaufkreis verbraucht werden kann. Hierfür ist der Kathodenanschluß der Freilaufdiode 18 mit dem Verbin- dungspunkt des Leistungshalbleiterschalters 12 und der Last 14 in Kontakt, während der Anodenanschluß der Freilaufdiode 18 auf Bezugspotential liegt und damit mit der zweiten Klemme 3 in Verbindung steht.

Problematisch bei dieser Schaltungsanordnung mit Freilauf- kreis ist, daß diese ohne weitere Schaltungsmaßnahmen nicht verpolgeschützt ist, wenn der Leistungshalbleiterschalter ein Leistungs-MOSFET ist oder wenn der Leistungshalbleiterschal- ter die Verpolspannung nicht mehr sperren kann. Um dieses Problem zu lösen, wird eine weitere Diode 16 vorgesehen, wie in Figur 1 dargestellt.

Diese weitere Diode 16 ist zwischen die erste Klemme 2 der Versorgungsspannung und eine Klemme des Leistungshalbleiter- schalters 12 angeschlossen und zwar derart, daß der Kathoden- anschluß mit dem Leistungshalbleiterschalter 12 und deren An- odenanschluß mit der ersten Klemme 2 der Versorgungsspannung in Verbindung steht. Hierdurch kann an die Last 14 nur dann Strom gelangen, wenn einerseits der Leistungshalbleiterschal-

ter 12 eingeschaltet ist und sich die Diode 16 in Flußrich- tung befindet, also die Spannungsquelle 10 richtig herum an die Klemmen 2 und 3 der Schaltungsanordnung angeschlossen ist. Im Ausführungsbeispiel von Figur 1 muß deshalb der posi- tive Pol der Spannungsquelle 10 an die erste Klemme 2 und der negative Pol an die zweite Klemme 3 angeschlossen werden.

Im Verpolungsfall dagegen, d. h., daß der negative Pol der Spannungsquelle 10 an die erste Klemme 2 und der positive Pol der Spannungsklemme 10 an die zweite Klemme 3 gelegt ist, sperrt die Diode 16.

Problematisch bei dieser Lösung ist, daß durch das Vorsehen der weiteren Diode 16 im Laststromkreis die Verlustleistung der gesamten Schaltungsanordnung deutlich erhöht ist, da der Laststrom auch durch die weitere Diode 16 fließen muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verpolschutz- schaltung anzugeben, die sich durch eine deutlich geringere Verlustleistung auszeichnet.

Diese Aufgabe wird durch eine Verpolschutzschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran- sprüche.

Die Verpolschutzschaltung nach der Erfindung beruht im we- sentlichen darauf, daß in Serie zur Freilaufdiode ein von ei- ner Steuereinrichtung ein-und ausschaltbarer Halbleiter- schalter angeordnet ist, wobei dieser Halbleiterschalter im- mer dann eingeschaltet wird, wenn der Leistungshalbleiter- schalter ausgeschaltet ist und kontinuierlich ausgeschaltet bleibt, sobald an den Klemmen die Spannungsquelle falsch her- um gepolt angeschlossen wird.

Der Halbleiterschalter, der vorzugsweise ein MOSFET ist, weist parallel zu seiner Laststrecke eine Inversdiode auf.

Die den in Serie zur Freilaufdiode liegenden Halbleiterschal- ter steuernde Steuereinrichtung verfügt über einen Operati- onsverstärker, dessen erste Eingangsklemme mit dem Verbin- dungspunkt zwischen Leistungshalbleiterschalter und Last ver- bunden ist und die eine zweite Eingangsklemme an die zweite Klemme der Versorgungsspannung angeschlossen ist. Die Aus- gangsklemme des Operationsverstärkers ist mit dem Steuerein- gang eines weiteren Halbleiterschalters in Verbindung. Dieser weitere Halbleiterschalter liegt in Reihe zu einem Widerstand und die gesamte Reihenschaltung des weiteren Halbleiterschal- ters und des Widerstandes ist zwischen die zwei Klemmen der Versorgungsspannung geschaltet. Der Verbindungspunkt des wei- teren Halbleiterschalters und des Widerstandes ist an den Steueranschluß des in Serie zur Freilaufdiode liegenden Halb- leiterschalters angekoppelt.

Eine derartige Schaltungsanordnung sorgt selbsttätig dafur, daß der in Serie zur Freilaufdiode liegende Halbleiterschal- ter immer dann eingeschaltet wird, wenn der Leistungshalblei- terschalter ausgeschaltet ist und immer dann ausgeschaltet bleibt, wenn die Spannungsquelle an die beiden Klemmen für die Versorgungsspannung falsch herum angeschlossen ist.

Die Freilaufdiode selbst kann erfindungsgemäß als herkömmli- che PN-Diode oder aber auch als MOSFET im Inversbetrieb rea- lisiert sein. Zweckmäßigerweise ist die Steuerschaltung Be- standteil eines integrierten Schaltkreises.

Die erfindungsgemäße Verpolschutzschaltung wird nachfolgend im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel näher erläu- tert. Es zeigen :

Fig. 1 die bereits bekannte Verpolschutzschaltung nach dem Stand der Technik, Fig. 2 ein Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Verpolschutzschaltung mit in Serie zur Freilaufdiode geschaltetem Halbleiter- schalter und an einer diesen Halbleiterschalter steuernden Steuereinrichtung, und Fig. 3 die Schaltungsanordnung von Figur 2 mit detaillier- ter Darstellung der Steuereinrichtung.

In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht angege- ben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeu- tung. Die im Zusammenhang mit Erläuterungen von Figur 1 er- wähnten Bezugszeichen gelten ebenfalls mit gleicher Bedeutung weiter.

Die Schaltungsanordnung von Figur 2 entspricht bis auf die nachgenannten Unterschiede der Schaltungsanordnung von Figur 1. Im Gegensatz zu Figur 1 ist der Leistungshalbleiterschal- ter 12 direkt an die erste Klemme 2 der Versorgungsspannung angeschlossen. Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß in Serie zur Freilaufdiode 18 ein Halbleiterschalter 30, im vor- liegenden Fall ein MOSFET, mit seiner Laststrecke angeschlos- sen ist. Der MOSFET ist vorzugsweise als Leistungs-MOSFET ausgebildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel von Figur 2 ist der Drainanschluß D mit dem Anodenanschluß der Freilauf- diode 18 in Kontakt. Der Kathodenanschluß der Freilaufdiode ist mit dem Verbindungspunkt des Leistungshalbleiterschalters 12 und der Last 14 in Verbindung. Der Sourceanschluß des Halbleiterschalters 30 ist auf Bezugspotential gelegt und da- mit mit der zweiten Klemme 3 in Verbindung. Der Steueran- schluß des Halbleiterschalters 30 und damit der Gateanschluß

G des diesen Halbleiterschalter 30 realisierenden MOSFET ist mit dem Ausgang einer Steuereinrichtung 32 in Verbindung.

Diese Steuereinrichtung 32 ist zugleich an die beiden Klemmen 2,3 der Versorgungsspannung angeschlossen.

Wie die strichlierte Darstellung in Figur 2 zeigt, ist paral- lel zur Laststrecke des Halbleiterschalters 30 eine Inversdi- ode 31 geschaltet. Diese Inversdiode 31 ist antiseriell zur Freilaufdiode 18 angeordnet, so daß der Anodenanschluß der Inversdiode 31 mit dem Anodenanschluß der Freilaufdiode 18 in Verbindung steht und der Kathodenanschluß der Inversdiode 31 an die Klemme 3 geschaltet ist. Die Inversdiode 31 ist ge- wöhnlich in den Halbleiterkörper des Halbleiterschalters 30 integriert.

Durch die antiserielle Schaltung der Freilaufdiode 18 und der Inversdiode 31 kann kein Strom über diesen Freilaufkreis fließen. Wenn der Strom in der Last 14 durch das Abschalten des Leistungshalbleiterschalters 12 auf den Freilaufkreis ab- kommutiert werden soll, muß deshalb die Steuereinrichtung 32 dafür sorgen, daß der Halbleiterschalter 30 aufgesteuert und damit eingeschaltet wird. Hierfür sorgt die Steuereinrichtung 32 in noch zu erläuternder Weise.

Vorausgesetzt, daß die Spannungsquelle richtig an die Klemmen 2,3 gepolt angeschlossen ist, spielt es in den übrigen Zeit- abschnitten, also dann, wenn der Leistungshalbleiterschalter eingeschaltet ist, keine Rolle, ob der Halbleiterschalter 30 ein-oder ausgeschaltet ist.

Im Fall der Verpolung der Spannungsquelle 10 sorgt die Steu- ereinrichtung 32 jedoch dafür, daß auf jeden Fall der Halb- leiterschalter 30 ausgeschaltet ist, so daß ein unkontrol- lierter Stromfluß durch die Freilaufdiode 18 verhindert wird.

Der wesentliche Vorteil der Schaltungsanordnung von Figur 2 besteht darin, daß die Schaltungsanordnung eine geringere Verlustleistung als die in Figur 1 gezeigte und bekannte Schaltungsanordnung aufweist. Im Normalfall fließt nämlich nur während der Abkommutierung Strom durch den Halbleiter- schalter 30 und erzeugt deshalb eine verminderte Verlustlei- stung.

In Figur 3 ist die Schaltungsanordnung von Figur 2 nochmals dargestellt, allerdings mit detaillierteren Schaltungskompo- nenten der Steuereinrichtung 32.

Die Steuereinrichtung 32 weist einen Operationsverstärker 34 auf, der als Differenzverstärker arbeitet und eine erste Ein- gangsklemme 34a, eine zweite Eingangsklemme 34b und eine Aus- gangsklemme 34c aufweist. Die erste Eingangsklemme 34a ist der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 34, während die zweite Eingangsklemme 34b der invertierende Ein- gang des Operationsverstärkers 34 ist. Die erste Eingangs- klemme 34a ist an den Kathodenanschluß der Freilaufdiode 18 und damit an den Verbindungspunkt zwischen Leistungshalblei- terschalter 12 und Last 14 angeschlossen. Die zweite Ein- gangsklemme 34b des Operationsverstärkers 34 ist dagegen mit Bezugspotential und damit mit der Klemme 3 in Kontakt. Die Ausgangsklemme 34c des Operationsverstärkers 34 ist an den Steueranschluß eines weiteren Halbleiterschalters, hier einem weiteren MOSFET 36 angeschlossen. Der Sourceanschluß dieses weiteren Halbleiterschalters 36 ist mit dem Steueranschluß des Halbleiterschalters 30 und mit einem Anschluß eines Wi- derstandes 38 in Verbindung. Der andere Anschluß des Wider- standes 38 ist mit der Klemme 3 in Kontakt. Der Drainanschluß des weiteren Halbleiterschalters 36 ist an die Klemme 2 der Versorgungsspannung angeschlossen.

Die Schaltungsanordnung von Figur 3 arbeitet wie folgt. Im Normalbetrieb, also bei richtig gepolter Spannungsquelle 10, wie diese in Figur 3 dargestellt ist, liegt bei eingeschalte- tem Leistungshalbleiterschalter 12 eine positive Spannung am Verbindungspunkt zwischen Leistungshalbleiterschalter 12 und Last 14. Folglich ist an der ersten Eingangsklemme 34 a eine positivere Spannung vorhanden als an der zweiten Eingangs- klemme 34 b des Operationsverstärkers 34. An der Ausgangs- klemme 34 c des Operationsverstärkers 34 ist positives Poten- tial abgreifbar und der weitere Halbleiterschalter 36, dessen Gateanschluß G vom Ausgang des Operationsverstärkers 34 ange- steuert wird, bleibt in seinem Aus-Zustand. Es fließt folg- lich kein Strom durch den Widerstand 38. Der Gateanschluß G und der Drainanschluß D des weiteren Halbleiterschalter 36 befinden sich auf tiefstem Potential. Es kann im übrigen auch kein Strom durch die Inversdioden 31 des Halbleiterschalters 30 fließen, da die Freilaufdiode 18 einen Stromfluß blok- kiert. Der von der Spannungsquelle 10 bereitgestellte Strom fließt daher direkt über den geschlossenen Leistungshalblei- terschalter 12 in die Last 14.

Wird der Leistungshalbleiterschalter 12 abgeschaltet und da- mit geöffnet, sinkt die Spannung am Verbindungspunkt zwischen Leistungshalbleiterschalter 12 und Last 14 ins Negative. Kon- sequenter Weise wird auch die Eingangsspannung an der ersten Eingangsklemme 34 a des Operationsverstärkers 34 negativer als das Potential an der zweiten Eingangsklemme 34 b des Ope- rationsverstärkers 34. Die Folge ist, daß an der Ausgangs- klemme 34 c des Operationsverstärkers 34 ein Low-Signal an- liegt, wodurch der weitere Halbleiterschalter 36 einschaltet.

Der Drainstrom des weiteren Halbleiterschalters 36 hebt das Potential am Steueranschluß G des Halbleiterschalters 30 und schaltet diesen ein. Der von der Induktivität der Last 14 getriebene Strom kann somit durch die Freilaufdiode 18 und die Laststrecke des Halbleiterschalters 30 fließen. Der Lei-

stungshalbleiterschalter 12 braucht deshalb die in der Induk- tivität der Last 14 gespeicherte Energie nicht absorbieren, weil diese Energie im Freilaufkreis verbraucht werden kann.

Da der Spannungsabfall an der Laststrecke des Halbleiter- schalters 30 und der Freilaufdiode 18 und damit auch die ne- gative Spannung an der Last 14 gering ist, nimmt der Strom nur langsam ab. Die meiste Energie wird von der Last selbst absorbiert. Die Belastung der Freilaufdiode 18 und des Halb- leiterschalters 30 ist deshalb verhältnismäßig gering. Der Halbleiterschalter 30 kann deshalb deutlich kleiner dimensio- niert sein, als der Leistungshalbleiterschalter 12. Wenn die Last 14 ein Motor ist und der Leistungshalbleiterschalter 12 in Pulsweitenmodulation betrieben wird, wird der Motor wäh- rend der Pulspausen kaum gebremst, wodurch sich ein Rundlauf des Motors einstellt. Da die Abnahmerate des Stromes, wie er- läutert, gering ist, ist die EMV-Abstrahlung ebenfalls klein.

Wenn die Induktivität in der Last 14 vollständig demagneti- siert ist, ist die Eingangsspannung, bezogen auf Bezugspoten- tial, an der ersten Eingangsklemme 34 a des Operationsver- stärkers 34 Null. Je nach Dimensionierung der Schaltungsan- ordnung (wie z. B. die Offsetspannung des Operationsverstär- kers 34) ist der Halbleiterschalter 30 dann ein-oder ausge- schaltet. Dies führt in keinem Fall zu Problemen. Sobald der Leistungshalbleiterschalter 12 nämlich wieder eingeschaltet wird, ist die Spannung an der ersten Eingangsklemme 34a des Operationsverstärkers 34 im Vergleich zum Potential an der zweiten Eingangsklemme 34 b positiv, so daß der weitere Halb- leiterschalter 36 und damit auch der Halbleiterschalter 30 wieder ausgeschaltet sind.

Im Verpolungsfall, also wenn der positive Pol der Gleichspan- nungsquelle 10 an die Klemme 3 und der negative Pol der

Gleichspannungsquelle 10 an die Klemme 2 gelegt ist, ergibt sich folgende Funktionsweise.

Das Potential am Steueranschluß G des Halbleiterschalters 30 ist aufgrund der sogenannten Drain-Bulk-Diode 37 des weiteren Halbleiterschalters 36, der vorzugsweise als Leistungs-MOSFET realisiert ist, auf ein Minimum begrenzt. Das Potential am Steueranschluß G liegt in diesem Fall um eine Dioden- Schleuse-Spannung und damit um etwa 0,7 Volt über dem Poten- tial an der Klemme 2. Dadurch ist der Halbleiterschalter 30 sicher abgeschaltet und blockiert den Strom im Freilaufkreis.

Ohne den Halbleiterschalter 30 oder mit eingeschaltetem Halb- leiterschalter 30 wäre der Strom durch diesen Freilaufkreis nicht begrenzt. Der Strom ist jedoch Dank des abgeschalteten Halbleiterschalters 30 im Laststrom 2 durch die Last 14 selbst begrenzt und die Belastung des Leistungshalbleiter- schalters 12 kann in der gleichen Größe gehalten werden wie im Vorwärtsbetrieb, also im Betrieb bei richtig gepolter Spannungsquelle 10.

Selbstverständlich kann die Steuerschaltung 32 der Schal- tungsanordnung von Figur 2 auch auf andere Art und Weise rea- lisiert werden. Die in Figur 3 dargestellte Schaltungsanord- nung ist für Highside-Konfigurationen konzipiert, also für Schaltungsanordnungen, bei denen der Leistungshalbleiter- schalter 12 an den positiven Pol der Versorgungsspannung an- geschlossen ist. Das Schaltungsprinzip läßt sich jedoch ohne weiteres für den Fachmann auch auf Lowside-Konfigurationen umsetzen.

Die in den Figuren 2 und 3 dargestellte Freilaufdiode D1 kann als herkömmliche PN-Diode realisiert sein. Es ist jedoch auch möglich, die Freilaufdiode 18 durch einen MOSFET im inversen Betrieb zu realisieren. Eine derartige Realisierung hat den

Vorteil, daß die Verlustleistung durch die Freilaufdiode 18 deutlich reduziert ist im Vergleich zu einer herkömmlichen PN-Diode.

Die Steuerschaltung 32 wird vorzugsweise als integrierter Schaltkreis oder als Bestandteil eines integrierten Schalt- kreises realisiert. Dies kann z. B. als Teil eines Smart- Power-Bauteil der Fall sein. In diesen integrierten Schalt- kreis können wahlweise das Halbleiterschalterelement 30 und/oder die Freilaufdiode 18 ebenfalls integriert werden.

Wenngleich in den Schaltungsanordnungen von Figur 2 und Figur 3 die Halbleiterschalter 30 und 36 als MOS-Schalter reali- siert gezeigt sind, ist die Erfindung hierauf nicht be- schränkt. Es können auch andere Transistoren Verwendung fin- den.