DE10308425A1

DE10308425A1 - Power amplifier with short-circuit protection

Info

Publication number: DE10308425A1
Application number: DE10308425A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Wolf; Oliver Messerschmid
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2004-09-16
Also published as: HUP0400480A2; HU226338B1; HU0400480D0; FR2851855A1

Abstract

Die erfindungsgemäße Leistungsendstufe mit Kurzschlussschutz weist einen Leistungstransistor (TL) auf, welcher wiederum einen Steuersignalausgang (A) umfasst, an dem ein betriebstemperaturabhängiges Signal abgreifbar ist. Zudem ist eine Erfassungs- und Steuereinheit (RSL, DSL, TKL, DKL, CKL) vorgesehen, die derart ausgebildet und betreibbar ist, dass ein Kurzschluss erfasst werden kann und im Kurzschlussfall die Betriebstemperatur im Leistungstransistor (TL) erhöht wird. Des Weiteren ist eine Endstufensteuerung (BT) zur Steuerung des Leistungstransistors (TL) vorgesehen, welche eingangsseitig mit dem Steuersignalausgang (A) und ausgangsseitig mit dem Steuereingang (G) des Leistungstransistors (TL) verbunden ist und derart ausgebildet und betreibbar ist, dass beim Überschreiten einer bestimmten Betriebstemperatur der Leistungstransistor (TL) abgeschaltet wird.The power output stage according to the invention with short-circuit protection has a power transistor (TL), which in turn comprises a control signal output (A) from which an operating temperature-dependent signal can be tapped. In addition, a detection and control unit (RSL, DSL, TKL, DKL, CKL) is provided, which is designed and operable in such a way that a short circuit can be detected and, in the event of a short circuit, the operating temperature in the power transistor (TL) is increased. Furthermore, an output stage control (BT) for controlling the power transistor (TL) is provided, which is connected on the input side to the control signal output (A) and on the output side to the control input (G) of the power transistor (TL) and is designed and operable in such a way that when exceeded a certain operating temperature, the power transistor (TL) is switched off.

Description

Technisches Gebiettechnical area

Die Erfindung betrifft eine Leistungsendstufe mit Kurzschlussschutz.The invention relates to a power amplifier Short circuit protection.

Bei der Steuerung von vorzugsweise Gleichstrommotoren mit Hilfe einer Leistungsendstufe ist es in der Regel auch erforderlich, einen umfassenden Kurzschlussschutz vorzusehen.When controlling preferably DC motors with the help of a power output stage it is in the It is also generally necessary to provide comprehensive short-circuit protection.

Stand der TechnikState of technology

Eine einfache Möglichkeit, einen gewissen Schutz vorzusehen, besteht darin, die Leistungsendstufe und damit das Steuergerät für den Gleichstrommotor in ein thermisch widerstandsfähiges Gehäuse einzubauen. Dadurch wurde bislang weitestgehend vermieden, dass ein Kurzschluss am Ausgang der Leistungsendstufe mit einer sich daraus ergebenden thermischen Oxidation zu einem Schaden an anderen Teilen, die sich in der Nähe des Steuergerätes befinden, führt. Nachdem es durch einen Kurzschluss zur erwähnten thermischen Oxidation gekommen ist, muss das Steuergerät selbst ausgetauscht werden. Wird das Steuergerät in einem Kraftfahrzeug verwendet, führt ein solcher Schaden in vielen Fällen zum Liegenbleiben des Fahrzeugs oder zumindest aber zu einer Beeinträchtigung des Fahrkomforts.An easy way to get some protection To provide, is the power stage and thus the control unit for the DC motor in a thermally resistant Install housing. So far, a short circuit has been largely avoided at the output of the power output stage with a resulting thermal Oxidation to damage to other parts that are close to the control unit leads. After a short circuit to the thermal oxidation mentioned has come, the control unit be exchanged yourself. If the control unit is used in a motor vehicle, introduces such damage in many cases to stop the vehicle or at least to impair it of driving comfort.

Beispiele für verschiedene mögliche Kurzschlüsse, die in einem solchen Steuergerät auftreten können, sind in 1 gezeigt. Über eine Batterie B und einen Pufferkondensator C, welcher zur Batterie B parallel geschaltet ist, wird eine sogenannte H-Brücke mit Spannung versorgt. Dabei ist die H-Brücke einerseits mit dem positiven Betriebspotential UB und andererseits mit dem Massepotential GND verbunden. Die H-Brücke selbst weist vier Transistoren T1, T2 und T3, T4 auf, wobei jeweils zwei Transistoren T1 , T2, T3 und T4 miteinander in Reihe geschaltet sind. Der Widerstand R bildet einen Shunt-Widerstand. Der erste Ausgang der H-Brücke wird durch die Steuerausgänge der beiden Transistoren T1 und T2 und der zweite Ausgang der H-Brücke durch die beiden Steuerausgänge der Transistoren T3 und T4 gebildet. An diesen beiden H-Brückenausgängen kann, wie in 1 gezeigt ist, beispielsweise ein Motor M angeschlossen sein.Examples of various possible short circuits that can occur in such a control device are shown in 1 shown. A so-called H-bridge is supplied with voltage via a battery B and a buffer capacitor C, which is connected in parallel with the battery B. The H-bridge is connected on the one hand to the positive operating potential UB and on the other hand to the ground potential GND. The H-bridge itself has four transistors T1, T2 and T3, T4, two transistors T1, T2, T3 and T4 being connected in series with one another. The resistor R forms a shunt resistor. The first output of the H-bridge is formed by the control outputs of the two transistors T1 and T2 and the second output of the H-bridge is formed by the two control outputs of the transistors T3 and T4. At these two H-bridge outputs, as in 1 is shown, for example a motor M may be connected.

Im in 1 mit A gekennzeichneten Kurzschlussfall ist der Transistor T3 dauerhaft leitend. Dies führt dazu, dass, falls die beiden Transistoren T1 und T4 zur Steuerung des Motors leitend werden, die Batterie B über die beiden Transistoren T3 und T4 kurzgeschlossen wird, so dass ein Kurzschlussstrom IKA über den Transistor T4 fließt. Mit dem Bezugszeichen B ist in 1 ein zweiter Kurzschluss fall angedeutet, wobei hier der Motor M selbst den Kurzschluss bildet. Falls die beiden Transistoren T1 und T4 leitend werden, fließt über diese ein Kurzschlussstrom IKB. Der in 1 dargestellte dritte Kurzschlussfall ist mit dem Bezugszeichen C gekennzeichnet. In diesem Fall ist der Transistor T4 dauerhaft leitend. Über den ersten Transistor T1 fließt dann ein Kurzschlussstrom IKC.In in 1 A short circuit case marked with A means that the transistor T3 is permanently conductive. As a result, if the two transistors T1 and T4 become conductive to control the motor, the battery B is short-circuited via the two transistors T3 and T4, so that a short-circuit current IKA flows through the transistor T4. With the reference symbol B is in 1 a second short circuit is indicated, in which case the motor M itself forms the short circuit. If the two transistors T1 and T4 become conductive, a short-circuit current IKB flows through them. The in 1 The third short-circuit case shown is identified by the reference symbol C. In this case, the transistor T4 is permanently conductive. A short-circuit current IKC then flows through the first transistor T1.

Darstellung der Erfindungpresentation the invention

Die erfindungsgemäße Leistungsendstufe mit Kurzschlussschutz mit den in Patentanspruch 1 genannten Merkmalen bietet dem gegenüber den Vorteil, dass ein Kurzschluss rechtzeitig erkannt wird und ohne die Gefahr einer Zerstörung der Endstufe bzw. des Steuergeräts die gesamte Leistungsendstufe oder Teile davon rechtzeitig abgeschaltet werden. Die erfindungsgemäße Leistungsendstufe mit Kurzschlussschutz weist dazu einen Leistungstransistor auf, welcher wiederum einen Steuersignalausgang umfasst, an dem ein betriebstemperaturabhängiges Signal abgreifbar ist. Zudem ist eine Erfassungs- und Steuereinheit vorgesehen, die derart ausgebildet und betreibbar ist, dass ein Kurzschluss erfasst werden kann und im Kurzschlussfall die Betriebstemperatur im Leistungstransistor erhöht wird. Des weiteren ist eine Endstufensteuerung zur Steuerung des Leistungstransistors vorgesehen, welche eingangsseitig mit dem Steuersignalausgang und ausgangsseitig mit einem Steuereingang des Leistungstransistors verbunden ist und derart ausgebildet und betreibbar ist, dass beim Überschreiten einer bestimmten Betriebstemperatur der Leistungstransistor abgeschaltet wird.The power output stage according to the invention with short-circuit protection with the features mentioned in claim 1 offers the advantage over that a short circuit is recognized in time and without the danger a destruction the power amplifier or the control unit the entire power stage or parts of it were switched off in good time become. The power output stage according to the invention with short-circuit protection has a power transistor, which in turn comprises a control signal output at which an operating temperature-dependent signal is tapped. In addition, a registration and control unit is provided, which is designed and operable in such a way that a short circuit can be recorded and in the event of a short circuit, the operating temperature in the Power transistor increased becomes. Furthermore, an output stage control for controlling the Power transistor provided on the input side with the control signal output and connected on the output side to a control input of the power transistor is and is designed and operated in such a way that when exceeded a certain operating temperature, the power transistor is switched off becomes.

Vorteilhafter Weise erfolgt bei der erfindungsgemäßen Lösung die Erkennung und Abschaltung der gesamten Leistungsendstufe oder Teilen davon, ohne dass es dafür einer speziellen Software und damit eines Mikrocontrollers bedarf.Advantageously, the solution according to the invention Detection and switch-off of the entire power stage or parts of it without it for it special software and thus a microcontroller is required.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den abhängigen Patentansprüchen angegebenen Merkmalen.Advantageous further developments of Invention result from the specified in the dependent claims Features.

Bei einer möglichen Ausführungsform der Erfindung ist die Erfassungs- und Steuereinheit der Leistungsendstufe derart ausgebildet und betreibbar, dass im Kurzschlussfall eine definierte Spannung am Steuereingang des Leistungstransistors erzeugt wird, die niedriger als die Spannung ist, die von der Endstufensteuerung erzeugt wird. Damit kann auf einfache Art und Weise dafür gesorgt werden, dass der Spannungsabfall zwischen dem Drain-, und dem Sourceanschluss des Leistungstransistors vergrößert wird, weil der Einschaltwiderstand im Leistungstransistor steigt. Durch die sich dadurch ergebende erhöhte Verlustleistung erwärmt sich der Leistungstransistor, was am Steuersignalausgang des Leistungstransistors detektiert werden kann.In one possible embodiment the invention is the detection and control unit of the power output stage designed and operable in such a way that a defined voltage is generated at the control input of the power transistor, which is lower than the voltage from the power amplifier control is produced. This can be done in a simple way that the voltage drop between the drain, and the source connection of the power transistor is increased, because the on-resistance in the power transistor increases. By the resulting increased Power loss heated the power transistor, which is at the control signal output of the power transistor can be detected.

Bei einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leistungsendstufe weist die Erfassungs- und Steuereinheit einen mit einer ersten Diode in Reihe geschalteten Widerstand auf, welche zwischen dem Steuereingang und einem Steuerausgang des Leis tungstransistors geschaltet sind. Die Erfassungs- und Steuereinheit weist zudem einen mit einer zweiten Diode in Reihe geschalteten Transistor auf, wobei die zweite Diode mit dem Steuereingang des Leistungstransistors und der Steuereingang des Transistors mit einem Kondensator und der ersten Diode verbunden ist. Damit kann mit wenigen zusätzlichen Bauelementen auf einfache Art und Weise ein Kurzschluss erkannt und entsprechend zügig darauf reagiert werden, indem die Steuerspannung am Steuereingang des Leistungstransistors herabgesetzt wird.In a second embodiment of the power output stage according to the invention, the detection and control unit has a resistor connected in series with a first diode, which is connected between the control input and a control output Gear of the power transistor are switched. The detection and control unit also has a transistor connected in series with a second diode, the second diode being connected to the control input of the power transistor and the control input of the transistor being connected to a capacitor and the first diode. With a few additional components, a short circuit can thus be detected in a simple manner and reacted to accordingly quickly by reducing the control voltage at the control input of the power transistor.

Vorteilhafter Weise ist bei der erfindungsgemäßen Leistungsendstufe die zweite Diode als Z-Diode oder Zener-Diode oder Lawinen-Diode ausgebildet. Mit Hilfe dieser Z-Diode kann die Spannung eingestellt werden, die am Steuereingang des Leistungstransistors anliegen soll, falls die Erfassungs- und Steuereinheit einen Kurzschluss detektiert.The power output stage according to the invention is advantageous the second diode as a Z diode or Zener diode or avalanche diode educated. With the help of this Z-diode the voltage can be adjusted which should be applied to the control input of the power transistor, if the detection and control unit detects a short circuit.

Zudem ist es von Vorteil, wenn bei der erfindungsgemäßen Leistungsendstufe mit Kurzschlussschutz der Transistor als Metal-oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) ausgebildet ist.It is also an advantage if at the power output stage according to the invention with short-circuit protection of the transistor as a metal-oxide semiconductor field Effect transistor (MOSFET) is formed.

Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Leistungsendstufe mit Kurzschlussschutz auch einen zweiten Leistungstransistor und eine mit diesem verbundene zweite Erfassungs- und Steuereinheit aufweisen. Der zweite Leistungstransistor wird ebenfalls über die Endstufensteuerung gesteuert. Damit kann eine einfache Brückenschaltung beispielsweise für die Ansteuerung eines. Gleichstrommotors realisiert wer den, bei der sowohl der erste als auch der zweite Leistungstransistor auf mögliche Kurzschlussfälle hin überwacht werden.In addition, the power output stage according to the invention with short circuit protection also a second power transistor and a second detection and control unit connected to it exhibit. The second power transistor is also on the Power stage control controlled. This allows a simple bridge circuit for example for the Control one. DC motor realized who the both the first and the second power transistor are monitored for possible short-circuit cases become.

Die erfindungsgemäße Leistungsendstufe mit Kurzschlussschutz kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung einen dritten und einen vierten Leistungstransistor aufweisen, welche mit einer dritten und einer vierten Erfassungs- und Steuereinheit verbunden sind. Der dritte und der vierte Leistungstransistor werden ebenfalls über die Endstufensteuerung gesteuert. Damit ist eine Brückenschaltung realisierbar, bei der sämtliche Leistungstransistoren auf Kurzschlussfälle hin überprüfbar sind.The power output stage according to the invention with short-circuit protection can according to a further feature of the invention a third and have a fourth power transistor, which with a third and a fourth detection and control unit are connected. The third and fourth power transistors are also on the Power stage control controlled. A bridge circuit can thus be implemented, at all Power transistors can be checked for short-circuit cases.

Vorteilhafter Weise bilden die vier Leistungstransistoren der Leistungsendstufe eine H-Brücke.The four advantageously form Power transistors of the power stage an H-bridge.

Bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Leistungsendstufe können die Leistungstransistoren als Speed-TEMPFET ausgebildet sein.In a further development of the power output stage according to the invention can the power transistors can be designed as a speed TEMPFET.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die Leistungsendstufe noch weiter verbessert werden, indem ein Mikrocontroller vorgesehen ist, der eingangsseitig mit den Steuerausgängen der Leistungstransistoren verbunden ist. Der Mikrocontroller wiederum kann abhängig von den Steuersignalen, die von den Leistungstransistoren geliefert werden, Einfluss auf die Endstufensteuerung nehmen.According to a further feature of the invention The power amplifier can be further improved by using a microcontroller is provided on the input side with the control outputs of the power transistors connected is. The microcontroller in turn can depend on the control signals provided by the power transistors influence the power amplifier control.

Schließlich kann die erfindungsgemäße Leistungsendstufe mit Kurzschlussschutz zur Steuerung eines Mo tors und insbesondere eines Gleichstrommotors verwendet werden.Finally, the power output stage according to the invention with short-circuit protection for controlling a motor and in particular a DC motor can be used.

Im folgenden wird die Erfindung mit mehreren Ausführungsbeispielen anhand von Figuren weiter erläutert.In the following the invention with several embodiments further explained with reference to figures.

1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer H-Brücke und der möglichen Kurzschlussfälle. 1 shows the basic structure of an H-bridge and the possible short-circuit cases.

2 zeigt eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leistungsendstufe mit Kurzschlussschutz. 2 shows a possible embodiment of the power output stage according to the invention with short-circuit protection.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to Execute the invention

Auf die Beschreibung der H-Brücke, wie sie in 1 gezeigt ist, wird hier nicht weiter eingegangen, sondern auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.On the description of the H-bridge, as in 1 is shown, is not discussed further here, but reference is made to the introduction to the description.

In 2 ist der prinzipielle Aufbau der Leistungsendstufe mit Kurzschlussschutz gezeigt. Die Leistungsendstufe wird über die beiden Klemmen 1 und 2 mit der Batteriespannung UB bzw. dem Massepotential GND verbunden. Über einen Brückentreiber BT mit Bootstrap-Schaltung werden zwei Leistungstransistoren TH und TL gesteuert. Der erste Leistungstransistor TH ist dazu mit seinem Steuereingang G über einen Vorwiderstand RGH mit Steuerausgang GH des Brückentreibers BT verbunden. Der zweite Leistungstransistor TL ist über seinen Steuereingang G und einen Vorwiderstand RGL mit dem Steuerausgang GL des Brückentreibers BT verbunden. Der Sourceausgang S des ersten Leistungstransistors TH und der Drainausgang D des zweiten Leistungstransistors TL bilden gemeinsam den Ausgang bzw. die Ausgangsklemme zum Anschließen des zu steuernden Verbrauchers, beispielsweise eines Elektromotors M.In 2 the basic structure of the power amplifier with short-circuit protection is shown. The power output stage is via the two terminals 1 and 2 connected to the battery voltage UB or the ground potential GND. Two power transistors TH and TL are controlled via a bridge driver BT with a bootstrap circuit. For this purpose, the first power transistor TH is connected to its control input G via a series resistor RGH with the control output GH of the bridge driver BT. The second power transistor TL is connected via its control input G and a series resistor RGL to the control output GL of the bridge driver BT. The source output S of the first power transistor TH and the drain output D of the second power transistor TL together form the output or the output terminal for connecting the consumer to be controlled, for example an electric motor M.

Im normalen Betriebsfall, d. h. in einem Betriebszustand, in dem keine Kurzschlüsse vorhanden sind, wird über den Brückentreiber BT entweder der erste Leistungstransistor TH oder der zweite Leistungstransistor TL leitend geschaltet, d. h. geschlossen, um den Motor M mit der Batteriespannung UB bzw. dem Massepotential GND zu verbinden. Die Steuerung der beiden Leistungstransistoren TH und TL erfolgt jeweils über eine Steuerspannung, die an den Ausgängen GH bzw. GL des Brückentreibers BT abgreifbar ist und beispielsweise 0 Volt oder 10 Volt beträgt. Für den Fall, dass beispielsweise der erste Leistungstransistor TH leitend sein soll, wird am Ausgang GH des Brückentreibers BT eine Spannung in Höhe von 10 Volt angelegt.In normal operation, i.e. H. in an operating state in which there are no short circuits is via the bridge drivers BT either the first power transistor TH or the second power transistor TL switched on, d. H. closed to the motor M with the To connect battery voltage UB or the ground potential GND. The control of the two power transistors TH and TL is done via one Control voltage at the outputs GH or GL of the bridge driver BT can be tapped and is, for example, 0 volts or 10 volts. In the case, that, for example, the first power transistor TH can be conductive should, at the exit GH of the bridge driver BT a tension in height of 10 volts applied.

Der Vorwiderstand RGH, welcher auch als Gate-Widerstand bezeichnet wird, ist ein Widerstand, dessen Wert beispielsweise zwischen 5 und 10 Ohm liegt. Über den Gate-Widerstand RGH wird der Anstieg der Spannung am Gate oder Steuereingang G des ersten Leistungstransistors TH eingestellt. Zudem können mit Hilfe des Gate-Widerstands RGH die Vorschriften bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) erfüllt werden. Sinngemäß gilt für den Gate-Widerstand RGL, der sich zwischen dem Steuerausgang GL und dem Gate-Anschluss G des zweiten Leistungstransistors TL befindet, das gleiche.The series resistor RGH, which is also referred to as a gate resistor, is a resistor whose value is, for example, between 5 and 10 ohms. The rise in voltage at the gate or control input G of the first power transistor TH is set via the gate resistor RGH. In addition, with the help of the gate resistor RGH Regulations regarding electromagnetic compatibility (EMC) are met. The same applies analogously to the gate resistor RGL, which is located between the control output GL and the gate terminal G of the second power transistor TL.

Während des normalen Betriebszustands fällt, falls der erste Leistungstransistor TH leitend ist, zwischen dessen Drain- und Sourceanschlüssen eine Drain-Source-Spannung UDSH ab, die im Bereich von wenigen Millivolt liegt.While the normal operating state falls, if the first power transistor TH is conductive, between its Drain and source connections one Drain-source voltage UDSH starting in the range of a few millivolts lies.

Der Widerstand RSH, die Diode DSH, die Z-Diode DKH, der Transistor TKH und der Kondensator CKH bilden zusammen eine Erfassungs- und Steuereinheit, mit der ein Kurzschluss detektiert werden kann, bei dem der erste Leistungstransistor TH involviert ist. Der Kurzschlussstrom, der durch den ersten Leistungstransistor TH fließt, wird mit IKH bezeichnet. Mit Hilfe des Widerstands RSL, der Diode DSL, der Z-Diode DKL, dem Transistor TKL und dem Kondensator CKL wird eine zweite Erfassungs- und Steuereinheit realisiert, mit deren Hilfe ein Kurzschluss detektierbar ist, bei dem der zweite Leistungstransistor TL involviert ist. Der Kurzschlussstrom, der durch den zweiten Leistungstransistor TL fließt, wird mit IKL bezeichnet.The resistor RSH, the diode DSH, form the Zener diode DKH, the transistor TKH and the capacitor CKH together a detection and control unit with which a short circuit can be detected in which the first power transistor TH is involved is. The short circuit current flowing through the first power transistor TH flows, is called IKH. With the help of the resistor RSL, the diode DSL, the Z-diode DKL, the transistor TKL and the capacitor CKL realized a second registration and control unit, with the A short circuit can be detected with the aid of the second power transistor TL is involved. The short circuit current flowing through the second power transistor TL flows, is called IKL.

Im folgenden wird am Beispiel des zweiten Leistungstransistors TL die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Leistungsendstufe mit Kurzschlussschutz für den Fall eines sogenannten harten Kurzschlusses beschrieben.In the following the example of the second power transistor TL, the operation of the power output stage according to the invention with short circuit protection for described the case of a so-called hard short circuit.

Als harter Kurzschluss wird im Gegensatz zu einem sogenannten weichen Kurzschluss nicht ein kurzzeitiger Überlastungszustand oder ein länger anhalten der, nicht tolerierbarer Belastungszustand bezeichnet, sondern ein tatsächlicher Kurzschluss. Tritt nun ein harter Kurzschluss auf, steigt die Drain-Source-Spannung UDSL am zweiten Leistungstransistor TL schnell auf einen Wert über 1 Volt an, weil der durch den zweiten Leistungstransistor TL fließende Strom, nämlich der Kurzschlussstrom IKL sich erhöht hat. Die Drain-Source-Spannung UDSL ergibt sich aus der Gleichung: UDSL = RDSon × IKLwobei RDSon der Einschaltwiderstand des Leistungstransistors TL ist.In contrast to a so-called soft short circuit, a hard short circuit does not refer to a short-term overload condition or a longer lasting, the intolerable load condition, but an actual short circuit. If a hard short circuit now occurs, the drain-source voltage UDSL at the second power transistor TL quickly rises to a value above 1 volt because the current flowing through the second power transistor TL, namely the short-circuit current IKL, has increased. The drain-source voltage UDSL results from the equation: UDSL = RDSon × IKL where RDSon is the on-resistance of the power transistor TL.

Eine sich über dem Kondensator CKL aufbauende Spannung sorgt nun dafür, dass der Transistor TKL durchschaltet, d. h. leitend wird, und die Zener-Diode DKL den Gate-Anschluss G des zweiten Leistungstransistors TL auf eine definierte Gate-Spannung, welche ursprünglich 10 V betragen hat, nunmehr beispielsweise auf 3 Volt einstellt. Die Höhe der Gate-Spannung ergibt sich aus der Dimensionierung der Zener-Diode DKL. Damit wird der Strom durch den zweiten Leistungstransistor TL innerhalb kurzer Zeit, beispielsweise innerhalb von 10 Mikrosekunden auf einen neuen Drain-Strom IDL, welcher kleiner als der Kurzschlussstrom IKL ist, reduziert. Aufgrund des höheren Einschaltwiderstands RDSon steigt jedoch die Drain-Source-Spannung UDSL weiter an und die am zweiten Leistungstransistor TL abfallende Verlustleistung PV, welche sich zu PV = UDSL × IDL ergibt, erwärmt den zweiten Leistungstransistor TL. Sobald der zweite Leistungstransistor TL eine Junction-Temperatur von ca. 150°C bis 170°C erreicht hat, schaltet der Thyristor des Leistungstransistors TL durch. Dies hat zur Folge, dass am Steuerausgang A des Leistungstransistors TL das durch den Leistungstransistor TL erzeugte Steuersignal seinen Pegel wechselt und dies über den Enabel-Eingang ENL des Brückentreibers BT diesem mitteilt. Der Brückentreiber BT legt dann an seinem Ausgang GL die Gate-Spannung auf 0 Volt. Dieser Zustand bleibt bis zur Löschung des Thyristors erhalten.A voltage building up across the capacitor CKL now ensures that the transistor TKL turns on, ie becomes conductive, and the Zener diode DKL the gate terminal G of the second power transistor TL to a defined gate voltage, which was originally 10 V. , now set to 3 volts, for example. The level of the gate voltage results from the dimensioning of the Zener diode DKL. The current through the second power transistor TL is thus reduced to a new drain current IDL, which is smaller than the short-circuit current IKL, within a short time, for example within 10 microseconds. Due to the higher switch-on resistance RDSon, however, the drain-source voltage UDSL continues to rise and the power loss PV falling at the second power transistor TL, which increases PV = UDSL × IDL results, heats the second power transistor TL. As soon as the second power transistor TL has reached a junction temperature of approximately 150 ° C. to 170 ° C., the thyristor of the power transistor TL switches through. The consequence of this is that the control signal generated by the power transistor TL changes its level at the control output A of the power transistor TL and communicates this via the Enabel input ENL of the bridge driver BT. The bridge driver BT then sets the gate voltage to 0 volts at its output GL. This state remains until the thyristor is extinguished.

Durch eine zusätzliche Verbindung des Steuerausgangs A, welcher gleichzeitig der Thyristor-Ausgang ist, zu einem Mikrocontroller μC kann das System über den Fehlerzustand informiert werden. Weiterhin kann damit der Thyristor durch ein Massesignal wieder zurückgesetzt werden.Through an additional connection of the control output A, which is also the thyristor output, to a microcontroller μC can do this System over be informed of the error status. Furthermore, the thyristor reset by a ground signal become.

Die Diode DSL kann je nach Anwendungsfall und technischen Erfordernissen als Schottky- oder als Silizium-Diode ausgebildet sein. Über die Dimensionierung des Kondensators CKL kann das Ansprechverhalten der Erfassungs- und Steuereinheit eingestellt werden. In einer möglichen Ausführungsform liegt der Wert des Widerstands RSL in einem Bereich von ca. 10 – 30 kΩ. Sinngemäß gilt dies auch für die Diode DSH, den Kondensator CKH und den Widerstand RSH.The diode DSL can, depending on the application and technical requirements as Schottky or as silicon diode be trained. about the dimensioning of the capacitor CKL can affect the response the registration and control unit. In one possible embodiment the value of the RSL resistor is in a range of approx. 10 - 30 kΩ. This applies analogously also for the diode DSH, the capacitor CKH and the resistor RSH.

Im folgenden wird die Funktionsweise der Schaltung für den Fall eines weichen Kurzschlusses beschrieben.The following is how it works the circuit for described the case of a soft short circuit.

Beim Auftreten eines weichen Kurzschlusses, also immer dann, wenn ein länger anhaltender, nicht tolerierbarer Belastungszustand auftritt, verharrt die Drain-Source-Spannung UDSL bei ca. 1 Volt. Die Gate-Spannung am Steuereingang G des Leistungstransistors TL wird eventuell schon etwas eingeschnürt. Dies führt dazu, dass aufgrund der sich dadurch ergebenden erhöhten Verlustleistung PV die Temperatur im Leistungstransistor TL steigt. Erreicht die Junction-Temperatur den kritischen Wert, der im Bereich von 150°C bis 170°C liegt, wird der zweite Leistungstransistor TL mit Hilfe des Brückentreibers BT abgeschaltet, indem der Ausgang GL des Brückentreibers BT auf 0 Volt gelegt wird. Dem Brückentreiber BT wird der Befehl zum Abschalten des Leistungstransistors TL dadurch mitgeteilt, dass das Steuersignal am Steuerausgang A des Leistungstransistors TL seinen Pegel wechselt.If a soft short circuit occurs, so whenever a longer one persistent, intolerable stress occurs, persists the drain-source voltage UDSL at approx. 1 volt. The gate voltage at the control input G of the power transistor TL may already be somewhat constricted. this leads to due to the resulting increased power loss PV the temperature in the power transistor TL rises. Reaches that Junction temperature the critical value, which is in the range from 150 ° C to 170 ° C, becomes the second power transistor TL with the help of the bridge driver BT switched off by the output GL of the bridge driver BT to 0 volts is placed. The bridge driver BT becomes the command to turn off the power transistor TL communicated that the control signal at control output A of the power transistor TL changes its level.

Bei der Bestimmung des maximalen Kurzschlusswiderstands an den Klemmen, bei dem gerade noch ein Kurzschluss erkannt wird, gehen der Verlauf des Einschaltwiderstands RDSon über der Temperatur, die Wärmeübergangswiderstände und die Übergangswiderstände mit ein.When determining the maximum short-circuit resistance at the terminals, at which a short-circuit is just being detected, the Ver run-in resistance RDSon over temperature, heat transfer resistances and contact resistances.

Die Beschreibung der Funktionsweise im Betriebsmodus harter Kurzschluss und im Betriebsmodus weicher Kurzschluss gilt analog auch für die erste Erfas sungs- und Steuereinheit und den ersten Leistungstransistor TH.The description of how it works hard short circuit in operating mode and softer in operating mode The short circuit also applies to the first acquisition and control unit and the first power transistor TH.

Die in 2 gezeigte Schaltungsanordnung ist ohne weiteres auch auf eine H-Brücke, wie sie in 1 gezeigt ist, erweiterbar. Dabei ist es von Vorteil, für jeden Leistungstransistor eine eigene Erfassungs- und Steuereinheit vorzusehen. Um das Steuersignal am Steuerausgang A der Leistungstransistoren zu stabilisieren, können Pull-up-Widerstände RPL und RPH vorgesehen sein, die mit einer definierten Spannung VCC verbunden sind.In the 2 Circuit arrangement shown is also easily on an H-bridge, as in 1 is shown, expandable. It is advantageous to provide a separate detection and control unit for each power transistor. In order to stabilize the control signal at the control output A of the power transistors, pull-up resistors RPL and RPH can be provided which are connected to a defined voltage VCC.

Die Steuerausgänge A der Leistungstransistoren können auch zuerst zusammengefasst und dann als gemeinsames Steuersignal auf den Brückentreiber geführt werden.The control outputs A of the power transistors can also summarized first and then as a common control signal on the bridge driver guided become.

Als Brückentreiber BT können konventionelle handelsübliche Bauelemente verwendet werden. So sind für die erfindungsgemäße Leistungsendstufe als Brückentreiber beispielsweise die Bausteine L 9903 oder L 9904, welche von ST-Microelectronics hergestellt werden, verwendbar.Conventional can be used as BT bridge drivers commercial Components are used. So are for the power amplifier according to the invention as bridge drivers for example the L 9903 or L 9904 modules, which are manufactured by ST-Microelectronics become usable.

Als Leistungstransistoren werden vorteilhafter Weise Speed-TempFETs verwendet.As power transistors advantageously used Speed-TempFETs.

Mit der erfindungsgemäßen Leistungsendstufe kann somit auf einfache Art und Weise ein Kurzschluss zuverlässig erkannt und die Leistungsendstufe insgesamt oder aber Teile davon rasch abgeschaltet werden. Ein kurzzeitiger Überlastungszustand, welcher beispielsweise beim Anlaufen eines Motors ent steht, führt nicht dazu, dass dies als Kurzschluss gewertet wird. Gleichwohl werden jedoch länger anhaltende Belastungszustände im Bereich des maximalen Motorstroms als sogenannter weicher Kurzschluss erkannt und die Leistungstransistoren abgeschaltet, bevor die einzelnen Transistoren bzw. der Motor thermisch überlastet werden.With the power amplifier according to the invention can thus reliably detect a short circuit in a simple manner and the power stage as a whole or parts of it quickly be switched off. A brief overload condition, which For example, when a motor starts, does not result that this is considered a short circuit. Nevertheless however longer persistent stress conditions in the area of the maximum motor current as a so-called soft short circuit recognized and the power transistors turned off before the individual Transistors or the motor are thermally overloaded.

Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.The previous description of the embodiments according to the present Invention serves only for illustrative purposes and not for the purpose the restriction the invention. Various changes are within the scope of the invention and modifications possible, without departing from the scope of the invention and its equivalents.

Claims

Power output stage with short-circuit protection, with a power transistor (TL), which has a control signal output (A) for tapping an operating temperature-dependent signal, characterized in that a detection and control unit (RSL, DSL, TKL, DKL, CKL) is provided which is designed in this way and it can be operated that a short circuit can be detected and in the event of a short circuit the operating temperature in the power transistor (TL) is increased, and that an output stage control (BT) is provided for controlling the power transistor (TH), which has the control signal output (A) on the input side and the output side is connected to the control input (G) of the power transistor (TL) and is designed and operable in such a way that the power transistor (TL) is switched off when a certain operating temperature is exceeded.

Power output stage according to claim 1, characterized characterized that the registration and control unit (RSL, DSL, TKL, DKL, CKL) is designed and operable in such a way that in the event of a short circuit a defined voltage at the control input (G) of the power transistor (TL) that is lower than the voltage generated by the Power stage control (BT) is generated.

Power output stage according to claim 1 or 2, characterized characterized that the registration and control unit (RSL, DSL, TKL, DKL, CKL) one connected in series with a first diode (DSL) Resistor (RSL), which is between the control input (G) and a control output (D) of the power transistor (TL) are connected, and that the registration and control unit (RSL, DSL, TKL, DKL, CKL) a transistor connected in series with a second diode (DKL) (TKL), the second diode (DKL) with the control input (G) of the power transistor (TL) and the control input of the transistor (TKL) connected to a capacitor (CKL) and the first diode (DSL) is.

Power output stage according to claim 3, characterized characterized in that the second diode (DKL) is a Zener diode.

Power output stage according to claim 3 or 4, characterized characterized in that the transistor (TKL) is designed as a MOSFET is.

Power output stage according to one of claims 1 to 5, characterized in that a second power transistor (TH) and a second detection and control unit (RSH, DSH, TKH, DKH, CKH) are provided, and that the second power transistor (TH) also about the power stage control (BT) is controlled.

Power output stage according to claim 6, characterized characterized that a third and a fourth power transistor are provided, which with a third and a fourth detection and control unit are connected, and that the third and fourth power transistor also about the power stage control (BT) can be controlled.

Power output stage according to claim 7, characterized characterized in that the four power transistors form an H-bridge.

Power output stage according to one of claims 1 to 8, characterized in that the or the power transistors (TL, TH) as speed TEMPFET are trained.

Power output stage according to one of claims 1 to 9, characterized in that a microcontroller (μC) is provided is on the input side with the control outputs (A) of the power transistors (TL, TH) is connected.

Use of the power amplifier according to one of the claims 1 to 10 to control a motor (M).