Zur Ansteuerung induktiver Verbraucher werden Leistungsend- stufen mit Transistoren, insbesondere MOSFET-Transistoren, als Leistungsschalter verwendet. Beim Abschalten der Transi- storen muß die Energie des induktiven Verbrauchers entweder über Zenerung der Endstufe oder über eine Freilaufdiode abge- baut werden. Bei Lasten mit hoher induktiver Energie wird ei- ne Freilaufdiode über der Last verwendet. Ein Nachteil sol- cher Endstufen, insbesondere getakteter Endstufen, ist, daß sie erhebliche elektromagnetische Störungen hervorrufen.

Eine bekannte Ursache dafür ist die schnelle Spannungsände- rung am Verbindungspunkt zwischen Verbraucher und Leistungs- schalter. Dieser Ursache wird beispielsweise bei Schaltungen mit MOSFET's durch hochohmige Ansteuerung des Steueranschlus- ses mittels eines Widerstandes begegnet.

Eine weitere Ursache für die hervorgerufenen elektromagneti- schen Störungen ist die durch das Schalten bewirkte schnelle Änderung des durch den Leistungsschalter fließenden Stromes.

Aus US 4,661,766 ist eine Leistungsendstufe für einen induk- tiven Verbraucher mit Freilaufdiode bekannt, bei welcher die Änderungsgeschwindigkeit (current slew rate) des durch den Leistungsschalter oder durch den Freilaufzweig fließenden Stromes auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird. Dadurch wird jedoch der Schaltvorgang, d. h., der Übergang vom Aus-

schaltzustand in den Einschaltzustand, oder umgekehrt, sehr verzögert.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ansteuern eines induktiven Verbrauchers anzugeben, durch wel- ches die elektromagnetischen Störungen verringert und die Schaltverzögerung (delay time) sowie die Verlustleistung klein gehalten werden können. Aufgabe der Erfindung ist auch, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaf- fen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Ansprü- chen 1 und 3 genannten Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Schaltung bietet den Vorteil, daß die Stromänderungsgeschwindigkeit einfach und gerade nur so steil einstellbar ist, daß keine wesentlichen Störungen auftreten, dabei die Schaltverzögerung aber nur unwesentlich verlängert wird.

Nachstehend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung im ein- zelnen beschrieben. Es zeigen : Figur 1 : ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lei- stungsendstufe, Figur 2 : ein Flußdiagramm über den Ablauf des erfindungsgemä- ßen Verfahrens, Figur 3 : ein Diagramm über den Verlauf der Spannungen und Ströme beim Einschalten des Verbrauchers, und Figur 4 : ein Diagramm über den Verlauf der Spannungen und Ströme beim Ausschalten des Verbrauchers.

Die Erfindung wird anhand einer in einem Kraftfahrzeug einge- setzten, in einer integrierten Schaltung angeordneten, getak- teten Leistungsendstufe zum Schalten eines induktiven Ver- brauchers L mit Freilaufdiode F gemäß Figur 1 beschrieben.

Die integrierte Leistungsendstufe kann beispielsweise in ei-

nem nicht dargestellten Motorsteuergerät angeordnet sein, von welchem sie die Steuersignale st zum getakteten Ein-und Aus- schalten der induktiven Last L, beispielsweise eines Regel- ventils für die Abgasrückführung, erhält. Je nach dem einge- stellten Taktverhältnis wird dieses Ventil mehr oder weniger aufgesteuert.

An den Polen +Vb und GND einer nicht dargestellten Spannungs- quelle, beispielsweise der Fahrzeugbatterie, liegt eine Rei- henschaltung des induktiven Verbrauchers L und eines durch einen MOSFET realisierten Leistungsschalters T.

Der Verbraucher L liegt zwischen dem Drainanschluß d des Lei- stungsschalters T und dem positiven Pol +Vb der Spannungs- quelle. Der Sourceanschluß s ist über einen Meßwiderstand R mit dem negativen Pol GND verbunden. Parallel zum Verbraucher L ist eine zum Pluspol +Vb stromleitende Freilaufdiode F an- geordnet. Zum Schutz des Leistungsschalters T ist zwischen dem Drainanschluß d und dem Gateanschluß g eine Reihenschal- tung einer zum Drainanschluß d hin stromleitenden Zenerdiode Z und einer zum Gateanschluß g hin stromleitenden Diode D an- geordnet.

Die Ansteuerung des Leistungsschalters T erfolgt über eine Steuerschaltung ST, in welcher aus den Steuersignalen st, ei- nem Vergleichsergebnis der Drainspannung Vd mit einem vorge- gebenen Spannungsschwellwert Vs und einem Vergleichsergebnis des Stromes, der durch den Leistungsschalter T fließt, im folgenden mit Drainstrom Id bezeichnet, mit einem vorgegebe- nen Stromschwellwert Is in Ansteuersignale kl bis k4 für Kon- stantstromquellen K1 bis K4 umgewandelt werden. Der Span- nungsschwellwert Vs ist so gewählt, daß er etwas unterhalb der Batteriespannung Vb liegt (beispielsweise Vb = 14V, Vs = 13V), und der Stromschwellwert Is soll etwa den zehnten bis zwanzigsten Teil des Drainstrom-Nennwertes Id betragen (bei- spielsweise Id = 2A, Is = 100mA).

Zur Durchführung des Spannungs-und Stromvergleichs sind in der Steuerschaltung ST zwei Komparatoren Cv und Ci vorgese- hen, denen neben den vorgegebenen Schwellwerten Vs und Is die Drainspannung Vd und der Drainstrom Id (als am Meßwiderstand R abfallender Spannungswert Id') zugeführt werden.

Diese Konstantstromquellen K1 bis K4 erzeugen in eingeschal- tetem Zustand konstante Lade-bzw. Entladeströme Igl bis Ig4, mit welchen das Gate des Leistungsschalters T geladen oder entladen wird.

Die Steuerschaltung ST und die Konstantstromquellen K1 bis K4 werden mit einer an den Polen +Vcc und GND abgreifbaren Ver- sorgungsspannung Vcc betrieben, wobei die parallel zueinander liegenden Konstantstromquellen K1 und K2 zwischen dem Pluspol +Vcc und dem Gateanschluß g angeordnet sind und in einge- schaltetem Zustand zum Gateanschluß g hin gerichtete Lade- ströme Igl und Ig2 einprägen, und die ebenfalls parallel zu- einander liegenden Konstantstromquellen K3 und K4 zwischen dem Gateanschluß g und dem Minuspol GND angeordnet sind und in eingeschaltetem Zustand in Richtung vom Gateanschluß g weg gerichtete Entladeströme Ig3 und Ig4 einprägen.

Die Konstantstromquellen K1 und K3 erzeugen etwa um den Fak- tor 10 höhere Ströme Igl, Ig3 (beispielsweise 2mA) als die Konstantstromquellen K2 und K4 (Ig2, Ig4), die je nach der gewünschten Drainstrom-Anstieg-bzw. Abfallgeschwindigkeit (current slew rate) hier beispielsweise 0.2mA erzeugen, was in Figur 1 durch dicke bzw. dünne, in die jeweilige Strom- richtung zeigende Pfeile in den Konstantstromquellen Kl bis K4 angedeutet ist.

Im folgenden wird das Verfahren zum Schalten des induktiven Verbrauchers mittels der Leistungsendstufe anhand der Figuren 1 bis 4 beschrieben. In dem Flußdiagramm nach Figur 2 ist der Verfahrensablauf zum getakteten, fortlaufenden Ein-und Aus- schalten der Last dargestellt. Auf die einzelnen, mit römi-

schen Zahlen bezeichneten Verfahrensschritte wird in der fol- genden Beschreibung durch in Klammern gesetzte römische Zah- len hingewiesen.

Figur 3 zeigt die Strom-und Spannungsverläufe beim Einschal- ten des Verbrauchers L, und Figur 4 die Strom-und Spannungs- verläufe beim Ausschalten des Verbrauchers, wobei jeweils das Steuersignal st sowie der Ladestrom (mit positivem Vorzeichen in Figur 3), der Entladestrom (mit negativem Vorzeichen in Figur 4) und die daraus resultierenden Verläufe der Drain- spannung Vd am Drainanschluß d und des Drainstromes Id aufge- tragen sind. Des weiteren sind der Spannungsschwellwert Vs und der Stromschwellwert Is eingezeichnet.

Figuren 3 und 4 zeigen die Ströme und Spannungen während des Taktbetriebes, also nicht beim erstmaligen Einschalten der Last bei Betriebsbeginn.

Wenn ein Steuersignal st = 1 zum Einschalten der Last L zum Zeitpunkt tl erscheint (I), wird von der Steuerschaltung ST ein Signal kl zum Einschalten der Konstantstromquelle K1 ge- geben (II), wodurch ein großer Ladestrom Igl zum Gate des Leistungsschalters T fließt, welches schnell geladen wird.

Sobald zum Zeitpunkt t2 der daraufhin ansteigende Drainstrom Id den Schwellwert Is übersteigt (III), wird die Konstant- stromquelle K1 abgeschaltet und an ihrer Stelle die Konstant- stromquelle K2 mit einem Signal k2 eingeschaltet (IV), die nun ihrerseits das Gate mit einem kleinen Ladestrom Ig2 lädt.

Der Drainstrom Id steigt jetzt mit der gewünschten Anstiegs- geschwindigkeit auf seinen Sollwert, wodurch die Drainspan- nung Vd, die im nichtleitenden Zustand des Leistungsschalters T wegen des fließenden Freilaufstroms einen um die Spannung an der Freilaufdiode F größeren Wert als die Batteriespannung +Vb aufwies, abfällt und der Leistungsschalter T in den stromleitzustand übergeht.

Sobald die Drainspannung Vd zum Zeitpunkt t3 den Spannungs- schwellwert Vs unterschreitet (V), wird die Konstantstrom- quelle K2 abgeschaltet und noch einmal für eine vorgegebene Dauer Tv die Konstantstromquelle Kl eingeschaltet (VI, VII).

Durch diese Maßnahme wird der Leistungsschalter T mit großem Ladestrom Igl voll aufgesteuert und sein Drain-Source-Wider- stand minimiert, wodurch am Leistungsschalter T im leitenden Zustand eine sehr kleine Spannung abfällt.

Nach Ablauf der vorgegebenen Dauer Tv wird zum Zeitpunkt t4 die Konstantstromquelle Kl wieder ausgeschaltet ; die Last ist nun voll eingeschaltet (VIII). Dieser Zustand bleibt solange erhalten, bis das Steuersignal st zum Zeitpunkt t5 (Figur 4) verschwindet (IX), was bedeutet, daß die Last L abgeschaltet werden soll.

Mit dem Ende des Steuersignals st = 0 wird die Konstantstrom- quelle K3 eingeschaltet (X), wodurch ein großer Entladestrom Ig3 aus dem Gate des Leistungsschalters T abfließt. Die Drainspannung Vd steigt deshalb an. Wenn sie zum Zeitpunkt t6 den Spannungsschwellwert Vs überschreitet (XI), wird die Kon- stantstromquelle K3 abgeschaltet und die Konstantstromquelle K4 eingeschaltet (XII), wodurch der Drainstrom Id mit der ge- wünschten, dem Entladestrom Ig4 zugeordneten Stromabfallge- schwindigkeit kleiner wird und der Freilaufzweig den Strom übernimmt. Die Drainspannung Vd steigt wieder auf einen um die Spannung an der Freilaufdiode F größeren Wert als die Batteriespannung +Vb an.

Sobald der Drainstrom den Stromschwellwert Is unterschreitet (XIII), wird die Konstantstromquelle K4 abgeschaltet und er- neut die Konstantstromquelle K3 für die vorgegebene Dauer Tv eingeschaltet (XIV), um nun das Gate mit großem Entladestrom Ig3 schnell auszuräumen und den Leistungsschalter T nichtlei- tend zu machen. Nach Ablauf der vorgegebenen Dauer Tv wird (XV) wird die Konstantstromquelle K3 ausgeschaltet (XVI), wo- durch der Ausgangszustand wieder erreicht ist. Es kann nun

weiter getaktet (I) oder die Ansteuerung der Last beendet werden.

Durch das abwechselnde Laden bzw. Entladen des Leistungs- schalters mit großen bzw. kleinen Lade-bzw. Entladeströmen wird erreicht, daß die Ein-und Ausschaltverzögerungszeiten klein bleiben (die bei Ansteuerung nur mit einem der ge- wünschten Anstiegs-und Abfallgeschwindigkeit zugeordneten kleinen Lade-oder Entladestrom etwa zehn-bis zwanzigmal so lange dauern würden) und dennoch keine oder nur geringe elek- tromagnetische Störungen auftreten, da die Anstiegs-und Ab- fallgeschwindigkeiten des Drainstromes Id auf vorgegebene Werte begrenzt sind.

In diesem Ausführungsbeispiel sind die Beträge Igl ! = Ig3 !, IIg21 = lIg41 und ITvl (beim Laden) = ITvl (beim Entladen) jeweils gleich groß gewählt. Diese Größen können jedoch, den Erfordernissen angepaßt, auch unterschiedlich groß gewählt werden.