DE10150752A1

DE10150752A1 - Ventiltreiber

Info

Publication number: DE10150752A1
Application number: DE2001150752
Authority: DE
Inventors: Matthias Goecke
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Aumovio Microelectronic GmbH
Priority date: 2001-10-13
Filing date: 2001-10-13
Publication date: 2003-04-17
Anticipated expiration: 2021-10-14
Also published as: DE10150752B4

Abstract

Bisherige Ventiltreiber weisen eine Ventilspule, eine Schalt-, eine Freilauf- und Abklemmvorrichtung auf, wobei parallel zur Spule die Freilauf- und die Abklemmvorrichtung angeordnet sind. Die Schaltvorrichtung ist seriell zur Ventilspule angeordnet. Die Spannungsfestigkeit, die bei solchen Aufbauten benötigt wird, kann bei höheren Versorgungsspannungen nicht mit Standardbauelementen realisiert werden. DOLLAR A Der neue Ventiltreiber besteht aus denselben Komponenten, jedoch sind hier die Ventilspule, die Abklemmvorrichtung und die Schaltvorrichtung seriell und die Freilaufvorrichtung parallel zur Ventilspule und zur Abklemmvorrichtung angeordnet. DOLLAR A Diese Ventiltreiber eignen sich für Ventilsteuerungen, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich, die mit energiereichen Bordnetzen, insbesondere mit 42 V-Bordnetzen arbeiten. Derartige Ventiltreiber können dann mit herkömmlichen Bauteilen zuverlässig und kostengünstig aufgebaut werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ventiltreiber zur Betätigung eines Ventils gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Insbesondere hydraulische Systeme mit elektronischer Regelung enthalten als wesentliche Komponenten Ventiltreiber für Ventile, mit denen der hydraulische Druck in der gewünschten Weise elektronisch gesteuert oder geregelt wird. Zu diesen hydraulischen Systemen gehören z. B. elektrohydraulische Bremsanlagen (EHB), insbesondere Blockierschutzregelung (ABS), Antriebsschlupfregelungssysteme (ASR), elektronische Systeme zur Bremskraftverteilung (EBV) und elektronische Stabilisierungssysteme (ESP). In diesen Systemen werden die Ventile oder Teile davon in elektromagnetischen Ventilspulen angeordnet. Bei der Bestromung der Spulen werden Magnetfelder erzeugt, mit denen die Ventile betätigt werden. Die Stromzufuhr der Spulen wird über Transistoren geregelt. Bei den oben genannten Systemen wird die elektrische Energie dem Bordnetz, das heißt einer Gleichspannungsquelle entnommen und mittels der Ventilspule in magnetische Energie umgewandelt, die dann dazu verwendet wird, ein Ventil von einer Grundstellung, das heißt die Lage des Ventils ohne Einwirkung eines Magnetfeldes, in mindestens eine gewünschte Arbeitsstellung, bei Einwirkung eines Magnetfeldes zu bewegen.

Ein solcher Ventiltreiber für ein 14 V Bord-Netz ist in Fig. 1 abgebildet. Dieser befindet sich beispielsweise in heutigen EHB-Systemen für Kraftfahrzeuge. Hierbei wird beim Bremsen die Energiezufuhr von der Gleichspannungsquelle 5, mit der Spannung U_Bat = 14 V, zur Ventilspule 4 über eine Puls-Weiten-Modulation (PWM) gesteuert. Diese PWM erfolgt mithilfe einer Schaltvorrichtung 1, beispielsweise eines Transistors T₁. Bei diesem Transistor T₁ handelt es sich um einen n-Kanal MOS-FET, dessen DRAIN-Anschluss mit der Spule 4 verbunden ist und dessen SOURCE- Anschluss auf Masse liegt, so dass im PWM-Betrieb beim kurzen EIN- und AUS-Schalten (z. B.: t_PWMein ≍ t_PWMaus ≍ 0,2 ms) des MOS-FETs, das Ventil in der Ventilspule 4 bedingt durch die Trägheit des Aufbaus auf einer bestimmten Arbeitsstellung gehalten werden kann. Um die in der Ventilspule 4 befindliche Energie zu erhalten, ist parallel zur Ventilspule 4 eine Freilaufvorrichtung 2, insbesondere ein Freilauftransistor T₂, geschaltet, dessen DRAIN-Abschluss mit dem + 14 V-Potential der Gleichspannungsquelle 5 verbunden ist und der den Stromfluss bei der PWM-Ansteuerung in der Ventilspule 4 aufrechterhält. Antiseriell zu diesem Freilauftransistor T₂ ist mit dessen SOURCE-Anschluss der SOURCE-Anschluss einer Abklemmvorrichtung 3, insbesondere eines Lösch- oder Abklemmtransistor T₃, verbunden. Beim langandauernden AB-Schalten des Magnetfeldes t_AB (t_AB >> t_PWMaus, t_AB ≍ 1-2 ms) zieht der Lösch- oder Abklemmtransistor T₃ den Strom schnell aus der Ventilspule 4, so dass sich das Ventil von der Arbeitsstellung in die Grundstellung zurückbewegt. Dieser Abklemmtransistor T₃ wirkt während des Abschaltvorgangs wie eine Zenerdiode, die mit Hilfe des antiseriellen Diodenpaars 11, die im Abklemmtransistor T₃ beinhaltet sind, realisiert wird. Hierbei wird beispielsweise während des Brems-Betriebes der Spulenstrom schnell abgezogen. Der DRAIN-Anschluss des Abklemmtransistors T₃ ist hierbei mit der Ventilspule 4 verbunden. Im Standard-Bremsbetrieb ist dieser Transistor T₃ ständig eingeschaltet. Die Dauer des Abschaltvorgangs t_AB wird durch die Spannung U_T3 des Abklemmtransistors T₃ bestimmt. Um eine Abschaltzeit t_AB von t_AB ≍ 1-2 ms zu erreichen, sollte diese bei einem 14 V-Bordnetz ca. U_T3 = 20 V betragen. Um die Verluste im Ventiltreiber möglichst gering zu halten, sollte der Widerstand der beiden Transistoren T₂ und T₃ im gesamten Freilaufpfad genauso hoch sein wie der Widerstand von dem Schalttransistor T₁: R_DSonT1 = R_DSonT2+ R_DSonT3. Sind die Widerstände von T₂ und T₃ gleich groß mit R_DSonT2 = R_DSonT3 = R_DSon, dann gilt:

R_DSonT1 = 2 × R_DSon.

Für die Spannungsfestigkeit U_DS(BR) der Transistoren T₁, T₂ und T₃ werden in diesem Anwendungsbeispiel die folgenden Werte festgesetzt:

U_DS(BR)T2 = U_DS(BR)T3 = 25 V und U_DS(BR)T1 = 50 V

Der Wert für U_DS(BR)T2 = U_DS(BR)T3 von 25 V ergibt sich aus der maximal zulässigen Betriebsspannung und einem beliebig wählbaren Sicherheitsfaktor.

Der Wert für U_DS(BR)T1 von 50 V ergibt sich aus der Summe der maximal zulässigen Betriebsspannung, der Spannung U_T3 des Abklemmtransistors und einem beliebig wählbaren Sicherheitsfaktor.

Nachteilig bei einem so aufgebauten Ventiltreiber ist es jedoch, dass ein solcher Ventiltreiber für Bordnetze mit einer höheren Versorgungsspannung U_Bat > 14 V nicht mehr verwendet werden kann, da der hierfür benötigte Transistor T₁ nicht mehr mit einem Standardhalbleiterprozess hergestellt werden kann. Würde sich beispielsweise die Versorgungsspannung U_Bat von 14 V auf 42 V verdreifachen, so würde man zur Reduzierung des Spulenstroms I_SP die Windungszahl der Spulenanordnung verdreifachen und bei gleichem Gewicht der Spulenanordnung den Drahtquerschnitt der Windungen dritteln. Dadurch wäre gewährleistet, dass man die gleiche Amperewindungszahl bei dreifacher Spannung erreicht. Der Spulenstrom I_SP würde gedrittelt und damit die Belastung für die Elektronik und deren Komponenten deutlich vermindert. Jedoch müsste dann zur Erreichung der bereits beschriebenen Abschaltzeit, die Spannung U_T3 am Abklemmtransistor T₃ U_T3 = 60 V betragen. Dies hätte dann wiederum zur Folge, dass die Spannungsfestigkeit U_DS(BR) der Transistoren T₁, T₂ und T₃ in diesem Anwendungsbeispiel folgende Werte aufweisen müsste:

U_DS(BR)T2 = U_DS(BR)T3 = 75 V und U_DS(BR)T1 150 V

Aufgrund der dreifach höheren Betriebsspannung ergeben sich ca. dreifach höhere Werte für die Durchbruchsspannungen der entsprechenden Transistoren.

Eine Spannungsfestigkeit von U_DS(BR)T1 = 150 V ist mit einem Standard- Halbleiterprozess nur schwer zu realisieren. Die für eine solche Spannungsfestigkeit benötigte Halbleiterfläche wäre zu groß für einen Standardherstellungsprozess.

Aufgabe der Erfindung ist es einen Ventiltreiber aufzuzeigen, der sich für höhere Bordnetzspannungen eignet und mit Standardkomponenten aufgebaut werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. Hierbei wird die Abklemmvorrichtung, die den gespeicherten Spulenstrom schnell abführt, seriell zwischen der Ventilspule und der Schaltvorrichtung angeordnet und die Freilaufvorrichtung wird parallel zur dieser Abklemmvorrichtung und zur Ventilspule eingebaut.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass derartige Ventiltreiber kostengünstig aufgebaut werden können, da beispielsweise für das 42 V- Bordnetz 20% der Transistorfläche eingespart werden kann. Ferner kann mit einem solchen Aufbau eine zusätzliche Schaltfunktion genutzt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Hierbei können die Halbbrücken bestehend aus dem Freilauf- und dem Schalttransistor für mehrere Spulen, die nicht gleichzeitig angesteuert werden müssen, zusammengefasst werden. Auch ergeben sich zusätzliche Vorteile, wenn es sich bei den Transistoren um MOS-FETs handelt, die pulsweitenmoduliert betrieben werden.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mithilfe der Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 herkömmlicher Ventiltreiber
Fig. 2 Ventiltreiber mit Halbbrücke
Fig. 3 Ventiltreiber mit Ansteuerschaltung
Fig. 4 Diagramm der Ein-, Aus- und Abschaltzeiten
Fig. 2 zeigt einen Ventiltreiber mit einer Halbbrücke. Die Halbbrücke besteht aus der Schalt- und der Freilaufvorrichtung 1 und 2, die in diesem Ausführungsbeispiel von den zwei Transistoren T₁ und T₂ gebildet werden, die seriell zwischen der Versorgungsspannung U_Bat 5 und dem Masseanschluss angeordnet sind. In diesem Anwendungsbeispiel ist der DRAIN-Anschluss eines n-Kanal MOS-FET T₂, der den Freilauftransistor 2 ausbildet, mit der Versorgungsspannung U_Bat 5 verbunden. Der SOURCE- Anschluss von T₂ ist mit dem DRAIN-Anschluss eines n-Kanal MOS-FET T₁, der den Schalttransistor 2 ausbildet, verbunden. Der SOURCE- Anschluss von T₁ ist auf Masse gelegt. Parallel zum Freilauftransistor T₂ ist die Ventilspule 4 angeordnet, wobei sich seriell zur Ventilspule 4 ein dritter n-Kanal MOS-FET 3, der als Lösch- oder Abklemmtransistor T₃ dient, befindet. Dieser Abklemmtransistor T₃ arbeitet wie eine Zenerdiode, aufgrund des antiseriellen Diodenpaars 11, die im Abklemmtransistor T₃ beinhaltet sind. Dadurch wird beim Abschaltvorgang die Energie schnell aus der Ventilspule 4 gezogen. Der DRAIN-Anschluss des Abklemmtransistors T₃ ist hierbei mit einem Anschluss der Spule 4 verbunden, während der andere Anschluss der Spule 4 mit der Versorgungsspannung U_Bat 5 in Verbindung steht. Weiter ist die Schaltung so aufgebaut, dass der Abklemmtransistor T₃ und der Freilauftransistor T₂ einen gemeinsamen SOURCE-Anschluss aufweisen. Alternativ dazu können die beiden Transistoren T₂ und T₃ auch einen gemeinsamen DRAIN-Anschluss aufweisen.
Bei dieser Anordnung wird die Energiezufuhr von der Gleichspannungsquelle 5 zur Ventilspule 4 über eine Puls-Weiten- Modulation (PWM) mit dem Schalttransistor T₁ gesteuert. Jedoch bewirkt dieser Ventiltreiber, dass beim ABS-Betrieb der Abklemmtransistor T₃ immer gleichzeitig mit dem Schalttransistor T₁ ausgeschaltet wird und nicht, wie bisher üblich, die ganze Zeit eingeschaltet bleibt.
Beim PWM-Betrieb wird während des kurzen EIN- und AUS-Schaltens (z. B.: t_PWMein ≍ t_PWMaus ≍ 0,2 ms) des Schalttransistors T₁ das Ventil in der Ventilspule 4 bedingt durch die Trägheit des Aufbaus auf einer bestimmten Position gehalten. Um die in der Ventilspule 4 befindliche Energie zu erhalten, ist parallel zur Ventilspule 4 der Freilauftransistor T₂ geschaltet, dessen DRAIN-Abschluss mit dem U_Bat-Potential, das beispielsweise für neuere Bordnetzsysteme U_Bat = 42 V beträgt, der Gleichspannungsquelle verbünden ist und der den Stromfluss bei der PWM-Ansteuerung in der Ventilspule 4 aufrechterhält. Antiseriell zu diesem Freilauftransistor 2 ist der Abklemmtransistor T₃ angeordnet, der beim langandauernden AB-Schalten des Magnetfeldes t_AB (t_AB >> t_PWMaus, t_AB ≍ 1-2 ms) den Strom schnell aus der Ventilspule 4 zieht, so dass sich das Ventil von der Arbeitsstellung in die Grundstellung zurückbewegt. Dieser Abklemmtransistor T₃ wirkt während des Abschaltvorgangs wie eine Zenerdiode. Dieser Effekt wird durch das antiserielle Diodenpaar 11, realisiert, das im Abklemmtransistor T₃ beinhaltet ist. Hierbei wird beispielsweise während des Brems-Betriebes der Spulenstrom schnell abgezogen. Der DRAIN-Anschluss des Abklemmtransistors T₃ ist hierbei mit der Spule 4 verbunden. Die Dauer des Abschaltvorgangs t_AB wird durch die Spannung des Abklemmtransistors bestimmt. Um eine Abschaltzeit t_AB von t_AB ≍ 1-2 ms zu erreichen, sollte diese bei einem 42 V-Bordnetz ca. U_T3 = 60 V betragen. Um die Verluste im Ventiltreiber möglichst gering zu halten, sind die Widerstände der drei Transistoren T₁, T₂ und T₃ alle gleich groß und betragen: R_DSonT1 - R_DSonT2 = R_DSonT3 = R_DSon. Im Ausführungsbeispiel können für die Spannungsfestigkeit U_DS(BR) der einzelnen Transistoren T₁, T₂ und T₃ gleich große Werte gewählt werden:

U_DS(BR)T1 = U_DS(BR)T2 = U_DS(BR)T3 = 75 V.
Dieser Wert von 75 V ergibt sich aus der Spannung am Abklemmtransistor U_T3 zuzüglich eines frei wählbaren Sicherheitsfaktors oder der maximalen Betriebsspannung zuzüglich eines frei wählbaren Sicherheitsfaktors.
Bei einem so aufgebauten Ventiltreiber können, insbesondere bei Bordnetzen mit einer höheren Versorgungsspannung U_Bat ≥ 14 V, Transistoren verwendet werden, die mit einem Standardhalbleiterprozess hergestellt werden. Die für den Schalttransistor T₁ benötigte Fläche ist gegenüber der herkömmlichen Lösung stark verkleinert. Bei einem 42 V- Bordnetz können dann ca. 20% der Transistorfläche eingespart werden.
Auch ist es bei den dargestellten Ausführungen nicht relevant, ob die antiseriell angeordneten Transistoren T₂, T₃ einen gemeinsamen SOURCE- oder einen gemeinsamen DRAIN-Anschluss aufweisen.
Ferner lässt sich bei einem solchen Ventiltreiber eine zusätzliche Schaltfunktion realisieren. Tritt beispielsweise eine Fehlfunktion in einem Ventilbereich auf, so muss nicht der Schalter für den gesamten Ventilblock abgeschaltet werden. Die Funktionsfähigkeit der anderen Ventile kann dadurch erhalten bleiben.
Ein solcher Aufbau ermöglicht auch die Zusammenfassung der Halbbrücken mehrerer Ventiltreiber, wobei die Spulen nie gleichzeitig über PWM angesteuert werden sollten. Dadurch können bei Aufbauten, die mehrere Ventile beinhalten, mehrere Transistoren eingespart werden. Der Abklemmtransistor T₃ dient dann auch als Entkoppeltransistor.
Fig. 3 zeigt einen Ventiltreiber, wie in Fig. 2 bereits erläutert. Jedoch wird in diesem Ausführungsbeispiel eine vereinfachte Ansteuerschaltung gezeigt, die darstellt, wie die GATE-Anschlüsse der einzelnen Transistoren angesteuert werden. Der Freilauftransistor T₃ ist zur Vereinfachung zwischen GATE und SOURCE kurzgeschlossen, so dass nur die intrinsische Diode des Transistors T₃ als Freilaufdiode wirkt. Der GATE-Anschluss des Abklemmtransistors T₂ ist mit einem Monoflop 7 verbunden, das beispielsweise beim ABS-Betrieb ein bremsabhängiges Signal erzeugt. Dieses Signal wird in einem Synchronisierer 8 mit dem Signal eines Frequenzgenerators 6 synchronisiert, der die PWM erzeugt und der über einen ersten Verstärker 10 mit dem GATE des Schalttransistors T₁ verbunden ist. Ein anderer Eingang dieses Verstärkers 10 ist mit dem Ausgang des Synchronisierers 8 verbunden. Dieses Ausgangssignal dient auch als Eingangssignal eines weiteren Verstärkers 9, dessen Ausgangssignal das GATE des Abklemmtransistors T₂ steuert. Der bei einem solchen Aufbau im ABS-Betrieb durch die Ventilspule 4 fließenden Strom I_SP und die an der Ventilspule 4 anliegenden Spannung U_SP ist in Fig. 4 dargestellt.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm mit dem zeitabhängigen Stromverlauf I_SP(t) 12 und Spannungsverlauf U_SP(t) 13 während des PWM-Betriebs, bei dem kurzzeitig der Schalttransistor T₁ die Ventilspule 4 EIN und AUS schaltet, wodurch ein Ventil in einer Arbeitsstellung gebracht und gehalten wird und während des Abschaltvorgangs, bei dem die Spule langfristig AB geschaltet wird, wodurch das Ventil in seine Grundstellung zurückkehren kann. Während den ersten 800 µsec wird die Ventilspule 4 gepulst betrieben. Hierbei wird der Schalttransistor T₁ aus Fig. 3 kurzzeitig ein und ausgeschaltet, das heißt kurzzeitig an die Spannungsquelle U_Bat angeschlossen und abgetrennt. Die Zeitdauer des Ein- und Ausschaltvorgangs beträgt ca. t_PWMein ≍ t_PWMaus ≍ 0,2 msec. Während des Pulsbetriebs dient der Freilauftransistor T₂ dazu, den Strom und damit die Energie in der Schaltung zu behalten, so dass sie der Ventilspule 4 nach dem erneuten Einschalten wieder zur Verfügung gestellt werden kann. Beim kurzzeitigen Ausschalten im PWM-Betrieb wird die Spannung U_SP von 40 V Betriebsspannung auf ca. 0,6 V herabgesetzt. Hierbei stellt sich ein Strom I_SP von ca. 330 mA ein, der sägezahnförmig um ca. 5% hin und her schwankt. Beim langfristigen Abschalten der Ventilspule, die das Ventil von einer Arbeitsstellung in eine Grundstellung zurückbewegt, sinkt die Spannung U_SP auf einen Wert von ca. -56 V (Dieser Wert ist relevant für die Spannungsfestigkeit). Gleichzeitig fängt der Spulenstrom I_SP an abzufließen. Bis der Spulenstrom I_SP auf I_SP = 0A abgesunken ist, vergehen t_AB = 2 msec. Sobald kein Strom mehr in der Ventilspule fließt, sinkt die Spulenspannung U_SP asymptotisch von U_SP = -56 V gegen -12 V.
Würde das System jetzt wieder eingeschaltet, so würde die Spannung wieder auf +40 V und der Strom auf ca. 330 mA ansteigen.

Claims

1. Ventiltreiber zur Betätigung eines Ventils von einer Grundstellung in eine Arbeitsstellung oder umgekehrt, bestehend aus
einer Ventilspule (4), die bei Zufuhr von elektrischer Energie das Ventil von der Grundstellung in eine Arbeitsstellung bewegt,
einer Schaltvorrichtung (1), welche die Ventilspule mit einer elektrischen Energiequelle (5) verbindet und von einer solchen abtrennt,
einer Freilaufvorrichtung (2), welche die Energie in der Ventilspule speichert, während das Ventil in einer Arbeitsstellung gehalten wird und
einer Abklemmvorrichtung (3), welche die in der Ventilspule gespeicherte Energie schnell abführt, um das Ventil von einer Arbeitsstellung in eine Grundstellung zurückzuführen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Abklemmvorrichtung (3) seriell zwischen der Ventilspule (4) und der Schaltvorrichtung (1) und
die Freilaufvorrichtung (2) parallel zur Ventilspule (4) und zur Abklemmvorrichtung (3) angeordnet ist.

2. Ventiltreiber nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (5) eine Gleichspannungsquelle ist, deren Spannung (U_Bat) größer als 12 V ist.

3. Ventiltreiber nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (1) ein Transistor (T₁), insbesondere ein MOS- FET, ist.

4. Ventiltreiber nach Patentanspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventiltreiber eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung der Schaltvorrichtung (1) aufweist, die bewirkt, dass das Ventil in einer Arbeitsstellung gehalten wird.

5. Ventiltreiber nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abklemmvorrichtung (3) ein Transistor (T₃), insbesondere ein MOS-FET ist, der wie eine Zenerdiode wirkt und die Energieabfuhr beschleunigt.

6. Ventiltreiber nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Freilaufvorrichtung (2) ein Transistor (T₂), insbesondere ein MOS- FET, ist.

7. Ventiltreiber nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ventilspulen (4) eine gemeinsame Schaltvorrichtung (1) aufweisen.

8. Ventiltreiber nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ventilspulen (4) eine gemeinsame Freilaufvorrichtung (2) aufweisen.