DE10013939A1

DE10013939A1 - Elektrischer Schaltkreis mit Verpolungsschutz

Info

Publication number: DE10013939A1
Application number: DE2000113939
Authority: DE
Inventors: Matthias Wendt
Original assignee: Philips Corporate Intellectual Property GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 2000-03-21
Filing date: 2000-03-21
Publication date: 2001-09-27

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schaltkreis mit Verpolungsschutz. Dabei ist es wesentlich, dass in der positiven Versorgungsleitung des Schaltkreises ein Verpolungsschutz vorgesehen ist, dass der Verpolungsschutz einen N-Kanal MOSFET-Transistor (1) mit parallelgeschalteter Zener-Diode (5) und einen Kleinsignal-MOSFET-Transistor (2) mit parallelgeschalteter Zener-Diode (6) aufweist, dass die Drain-Anschlüsse der beiden Transistoren (1, 2) zur Speisung durch die positive Versorgungsleitung vorgesehen sind und dass der Gate-Anschluss des N-Kanal MOSFET-Transistors (1) zur Versorung durch eine Leistungsbrückenschaltung vorgesehen ist und mit dem Source-Anschluss des Kleinsignal-MOSFET-Transistors (2) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schaltkreis mit einem Verpolungsschutz.

Im Bereich der Automobilelektronik ist für alle elektrischen Verbraucher ein Verpolungs schutz vorzusehen, der sicherstellt, dass die elektronischen Baugruppen bei versehentlich verpoltem Anschluss der Autobatterie nicht zerstört werden. Gerade leistungselektronische Schaltungen mit Halbbrücken- oder Vollbrückenschaltungen sind bei Verpolung besonders gefährdet, da sie bei verpolter Betriebsspannung einen Kurzschluss durch ihre inneren Dioden verursachen. Ohne Schutzvorrichtung werden diese Schaltungen bzw. die Zulei tungen wegen der hierbei auftretenden hohen Ströme zerstört. Eine Sicherung ist als Schutzvorrichtung in Autos nicht zulässig, da bei anschließendem richtigen Anschluss der Batterie das Fahrzeug weiterhin fahrtüchtig sein muss und alle seine elektrischen Einrich tungen sofort wieder betriebsbereit sein sollen.

Die einfachste Schaltung zum Verpolungsschutz eine in Serie liegende Gleichrichterdiode. Diese kann sowohl in der positiven wie in der Massezuleitung liegen. Eine Diode hat aber zwei wichtige Nachteile. Sie lässt nur Stromfluss in eine Richtung zu, was zum Betrieb eines Aktuators oder anderer reaktiver Lasten sehr problematisch sein kann (fehlende Rückspeisefähigkeit). Außerdem hat die Diode einen funktionsbedingten Spannungsabfall, der bei hohen Strömen zu Verlusten in der Diode führt. Ebenfalls üblich ist die Verwen dung eines Relais, das nur bei positiver Versorgung anzieht und den Stromkreis schließt. In Applikationen mit hohen Strömen, hoher Umgebungstemperatur oder hoher Rüttelbe lastung kann diese Lösung oft nicht verwendet werden.

Eine Variante, die beide vorgenannten Lösungen inzwischen ablöst, nutzt einen MOS-FET als Schalter. Hier wird zumeist ein N-Kanal MOSFET verwendet, da N-Kanal Typen bei gleicher Fläche einen geringeren Einschaltwiderstand und entsprechend geringere Ein schaltverluste haben als P-Kanal Typen. Der N-Kanal MOSFET wird in der Massezu leitung betrieben, da hier auf einfache Weise die Gate-Spannung verfügbar ist.

Durch diesen Aufbau wird jedoch das Massepotential der vor Verpolung geschützten Schaltung um den Spannungsabfall am MOSFET angehoben. Dies verringert die Stör festigkeit der Eingänge, da diese sich in der Regel auf das Massepotential als Bezugspoten tial beziehen. Außerdem kann die Einhaltung der Normen zur elektromagnetischen Ver träglichkeit dadurch erheblich erschwert werden, da jeder Stromsprung einen Spannungs sprung der gesamten gegen Verpolung geschützten Schaltung verursacht. Um dies zu ver meiden, muss der N-Kanal MOSFET von einer positiven Versorgungsspannung gespeist werden. US 5,434,739 beschreibt eine solche Anordnung, wobei die benötigte Gate- Spannung für den N-Kanal MOSFET von einer Ladungspumpe geliefert wird.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verpolungsschutz für elektrische Schalt kreise zur Verfügung zu stellen, welcher die Störfestigkeit der Eingänge der zu schützenden Schaltung erhält und den Stromverbrauch der zu schützenden Schaltung nicht erhöht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in der positiven Versorgungs leitung des Schaltkreises ein Verpolungsschutz vorgesehen ist, dass der Verpolungsschutz einen N-Kanal MOSFET-Transistor mit parallelgeschalteter Zener-Diode und einen Kleinsignal-MOSFET-Transistor mit parallelgeschalteter Zener- Diode aufweist, dass die Drain-Anschlüsse der beiden Transistoren zur Speisung durch die positive Versorgungsleitung vorgesehen sind und dass der Gate-Anschluss des N-Kanal MOSFET-Transistors zur Versorgung durch eine Leistungsbrückenschaltung vorgesehen ist und mit dem Source-Anschluss des Kleinsignal-MOSFET-Transistors verbunden ist.

Dadurch, dass der Verpolungsschutz direkt von der positiven Versorgungsleitung gespeist wird, wird ein unerwünschtes Anheben des Massepotentials der vor Verpolung zu schützenden Leistungsbrückenschaltung verhindert. Somit bleibt die Störfestigkeit der Eingänge der Leistungsbrückenschaltung ungeschmälert erhalten. Durch die Ausnutzung der vorhandenen Gate-Spannungen der Leistungsbrückenschaltung wird eine gesonderte Bereitstellung einer Gate-Spannung für den N-Kanal MOSFET mittels einer Ladungs pumpe überflüssig. Dies spart Bauteile und vermeidet erhöhten Stromverbrauch. Die beiden Zener-Dioden bieten den Vorteil, dass sie die Gate-Anschlüsse der beiden Transi storen des Verpolungsschutzes vor Überspannung schützen.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 2 sorgt dafür, dass der N-Kanal MOSFET-Transistor bei verpolter Betriebsspannung öffnet und die Leistungsbrückenschaltung von der Betriebsspannung trennt.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 3 gewährleistet, dass die interne Diode des N-Kanal MOSFET-Transistors nur bei richtig gepolter Betriebsspannung leitend ist und bei verpolter Betriebsspannung nicht den Abschaltvorgang beeinträchtigt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an Hand einer Figur näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild einer Leistungsbrückenschaltung mit einem erfindungs gemäßen Verpolungsschutz.

Der Verpolungsschutz besteht aus einem N-Kanal MOSFET-Transistor 1 mit parallel geschalteter Zener-Diode 5 und einem Kleinsignal-MOSFET-Transistor 2 mit parallel geschalteter Zener-Diode 6. Deren Drain-Anschlüsse werden jeweils von der positiven Versorgungsleitung mit Spannung U_B versorgt. Außerdem ist der Gate-Anschluss des Kleinsignal-MOSFET-Transistors 2 über einen Vorwiderstand 7 mit dem Massepotential verbunden.

Wie in Fig. 1 dargestellt wird die Gate-Spannung des N-Kanal MOSFET-Transistors 1 aus einer sogenannten Bootstrap-Versorgung der Leistungsbrücke durch Spitzenwertgleich richtung mit zwei Dioden 3, 4 gewonnen. Dadurch bekommt der N-Kanal MOSFET- Transistor 1 immer ausreichend Gate-Spannung, solange auch einer der oberen Schalter der Leistungsbrücke mit Gate-Spannung versorgt ist.

Ein bekanntes Problem bei der sogenannten Bootstrap-Versorgung ist das Starten der Schaltung. Für den Verpolungsschutz ist dieses Problem jedoch von untergeordneter Bedeutung, da die innere Diode des N-Kanal MOSFET-Transistors 1 bei nicht verpoltem Betrieb leitend ist und die folgende Schaltung, auch wenn die Bootstrap-Kapazitäten entladen sind, versorgen kann. Sobald in der Leistungsbrücke Strom fließt, muss auch mindestens einer der oberen Schalter der Leistungsbrücke versorgt sein. Somit hat dann auch der N-Kanal MOSFET-Transistor 1 ausreichend Gate-Potential. Dadurch entstehen keine Durchlassverluste in seiner inneren Diode.

Die Zener-Dioden 5, 6 sind als Schutzbeschaltung für die jeweiligen Gates der Transi storen 1, 2 des Verpolungsschutzes gegen Überspannung vorgesehen und tragen zur eigentlichen Funktion nicht bei.

Der Kleinsignal-MOSFET 2 wird über einen Vorwiderstand 7 immer dann durchge schaltet, wenn die Betriebsspannung U_B verpolt ist. Dadurch wird das Gate des N-Kanal MOSFET-Transistors 1 kurzgeschlossen und dieser öffnet. Damit ist die Verpolungsab schaltung gewährleistet. Die interne Diode (Body-Diode) des N-Kanal MOSFET- Transistors 1 ist nur bei richtiger Polung der Betriebsspannung U_B leitend, stört also die Abschaltung bei Verpolung nicht. Vorraussetzung dafür ist allerdings, dass der N-Kanal MOSFET-Transistor 1 passend zu den Schaltern der Brücke gewählt ist. Die entschei denden Parameter dabei sind der Maximalstrom und die Threshold-Spannung der Transistoren.

Claims

1. Elektrischer Schaltkreis mit Verpolungsschutz, dadurch gekennzeichnet,
dass in der positiven Versorgungsleitung des Schaltkreises ein Verpolungsschutz vorgesehen ist,
dass der Verpolungsschutz einen N-Kanal MOSFET-Transistor (1) mit parallelgeschalteter Zener-Diode (5) und einen Kleinsignal-MOSFET-Transistor (2) mit parallelgeschalteter Zener-Diode (6) aufweist,
dass die Drain-Anschlüsse der beiden Transistoren (1, 2) zur Speisung durch die positive Versorgungsleitung vorgesehen sind und
dass der Gate-Anschluss des N-Kanal MOSFET-Transistors (1) zur Versorgung durch eine Leistungsbrückenschaltung vorgesehen ist und mit dem Source-Anschluss des Kleinsignal- MOSFET-Transistors (2) verbunden ist.

2. Elektrischer Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorwiderstand (7) dazu vorgesehen ist, den Kleinsignal-MOSFET-Transistor (2) bei verpolter Spannung der Versorgungsleitung durchzuschalten und damit den N-Kanal MOSFET-Transistor (1) kurzzuschließen, wodurch dieser öffnet.

3. Elektrischer Schaltkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnete dass der N-Kanal MOSFET-Transistor (1) in Bezug auf Maximalstrom und Threshold- Spannung vergleichbare Daten wie die Leistungsschalter der Leistungsbrückenschaltung aufweist.