DE10323172A1

DE10323172A1 - Treiberstufe für ein Solenoidventil

Info

Publication number: DE10323172A1
Application number: DE10323172A
Authority: DE
Inventors: Gianni Dipl.-Ing. Padroni
Original assignee: INA Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2003-05-22
Filing date: 2003-05-22
Publication date: 2004-12-09
Also published as: EP1627143A1; WO2004104396A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Treiberstufe für ein Solenoidventil eines Innenverbrennungsmotors und eine Treibervorrichtung mit einer derartigen Treiberstufe. DOLLAR A Um einen sicheren Betrieb bei relativ geringem Energieaufwand zu gewährleisten, weist die Treiberstufe auf: DOLLAR A einen ersten und einen zweiten Treiberstufenanschluss (A1, A2) zum Anlegen einer Versorgungsspannung, DOLLAR A eine Induktivität (L) des Solenoidventils, DOLLAR A eine zwischen einem ersten Induktivitätsanschluss (L1) und dem ersten Treiberstufenanschluss (A1) angeordnete erste Funktionseinrichtung (T1), DOLLAR A eine zwischen einem zweiten Induktivitätsanschluss (L2) und dem zweiten Treiberstufenanschluss (A2) angeordnete zweite Funktionseinrichtung (T2), DOLLAR A eine zwischen dem ersten Induktivitätsanschluss (L1) und dem zweiten Treiberstufenanschluss (A2) angeordnete dritte Funktionseinrichtung (T3), DOLLAR A wobei die dritte Funktionseinrichtung (T3) eine dritte Diodeneinrichtung (DM3) und eine die dritte Diodeneinrichtung (DM3) überbrückende dritte Schalteinrichtung (M3) mit einem dritten Steuereingang (G3) und zwei dritten Schaltanschlüssen (S3, D3) aufweist und der dritte Steuereingang (G3) in Abhängigkeit von einem Kurbelwellenwinkel schaltbar ist.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Treiberstufe für ein Solenoidventil eines Innenverbrennungsmotors. Ein derartiges Solenoidventil wird zur Steuerung eines Ventilhubs eines Ein- oder Auslassventils durch ein hydraulisches System verwendet. Die Steuerung erfolgt hierbei in Abhängigkeit von einem Kurbelwellenwinkel, wobei im allgemeinen ein Zyklus durch zwei Kurbelwellenumdrehungen (720° Kurbelwellenwinkel) erreicht wird.
Hintergrund der Erfindung
Derartige Solenoidventile benötigen in der Regel bei ihrer Betätigung eine vergleichbar große Energie, die entsprechend zu einem Mehrverbrauch des Motors zur Erzeugung der Hilfsenergie führt und eine aufwändige Kühlung des Ventils und der Treiberstufe zur Abführung der erzeugten Wärme erfordert.

Die JP 2000145568 A zeigt eine Treiberstufe für ein Solenoid-Einspritzventil, bei der zwei Induktivitäten jeweils mit einem Anschluss über einen Transistor mit parallel geschalteter Überspannungs-Schutzdiode an Masse gelegt sind und mit dem anderen Anschluss an einen anderen Versorgungsspannungsanschluss gelegt sind.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Treiberstufe für ein Solenoidventil zu schaffen, die einen sicheren Betrieb ermöglicht und dennoch einen relativ geringen Energieaufwand benötigt.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch eine Treiberstufe mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen. Hierbei ist insbesondere eine Treibervorrichtung mit der erfindungsgemäßen Treiberstufe und einer Steuereinrichtung vorgesehen, die in dem Motorsteuergerät des Fahrzeuges realisiert oder auch als separate Einrichtung vorgesehen sein kann.

Demnach betrifft die Erfindung eine Treiberstufe für ein Solenoidventil eines Innenverbrennungsmotors, die über folgende Bestandteile verfügt: einen ersten und einen zweiten Treiberstufenanschluss A1, A2 zum Anlegen einer Versorgungsspannung, eine Induktivität L des Solenoidventils, eine zwischen einem ersten Induktivitätsanschluss L1 und dem ersten Treiberstufenanschluss A1 angeordnete erste Funktionseinrichtung T1 mit einem ersten Steuereingang G1, eine zwischen einem zweiten Induktivitätsanschluss L2 und dem zweiten Treiberstufenanschluss A2 angeordnete zweite Funktionseinrichtung T2, eine zwischen dem ersten Induktivitätsanschluss L1 und dem zweiten Treiberstufenanschluss A2 angeordnete dritte Funktionseinrichtung T3, wobei die dritte Funktionseinrichtung T3 eine dritte Diodeneinrichtung DM3 und eine die dritte Diodeneinrichtung DM3 überbrückende dritte Schalteinrichtung M3 mit einem dritten Steuereingang G3 und zwei dritten Schaltanschlüssen S3, D3 aufweist und der dritte Steuereingang G3 in Abhängigkeit von einem Kurbelwellenwinkel schaltbar ist.

Darüber hinaus ist eine Treibervorrichtung und einer Steuervorrichtung für diese Treiberstufe vorgesehen, die Steuersignale an die Steuereingänge G1, G2, G3 zur Einstellung leitender oder sperrender Zustände der Schalteinrichtungen M1, M2, M3 ausgibt.

Erfindungsgemäß wird somit eine aktive Funktionseinrichtung, nämlich die dritte Funktionseinrichtung, als einstellbarer Widerstand verwendet. Hierbei weist die dritte Funktionseinrichtung einen Diodenübergang und eine den Diodenübergang kurzschließende Schalteinrichtung auf. Der Diodenübergang kann als interne Diode der Schalteinrichtung – d.h. eine geeigneter pn-Übergang eines Halbleiterbauelementes – oder als externe, parallel geschaltete Diode ausgebildet sein. Durch entsprechende Ansteuerung eines Steuereingangs der dritten Schalteinrichtung wird der Diodenübergang kurzgeschlossen, wodurch der Spannungsabfall der Durchgangsspannung der Diode entfällt und der elektrische Widerstand deutlich abgesenkt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Treiberstufe,
2 ein Zeitdiagramm eines Einschaltvorganges der aktiven dritten Funktionseinrichtung mit den Verläufen der relevanten Spannungen und Strömen der Treiberstufe,
3 ein Zeitdiagramm eines Ausschaltvorganges der aktiven dritten Funktionseinrichtung mit den Verläufen der relevanten Spannungen und Strömen der Treiberstufe,
4a Kennlinienfelder des Strom-/Spannungsverhaltens des Mosfet und der Diode bei geschlossenem oberen Pfad der Treiberstufe aus 1, und
4b Kennlinienfelder des Strom-/Spannungsverhaltens des Mosfet und der Diode bei geschlossenem unteren linken Pfad der Treiberstufe aus 1.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die in 1 gezeigte Treiberstufe 1 weist einen ersten Anschluss A1 zum Anschluss an eine positive Versorgungsspannung und einen zweiten Anschluss A2 zum Anschluss an eine negative Versorgungsspannungsklemme – im allgemeinen Masse GND – eines Fahrzeuges auf.
Ein Solenoidventil mit der Induktivität L und einem ersten und zweiten Induktivitätsanschluss L1, L2 ist zur Steuerung eines nicht weiter gezeigten Hydraulikkreislaufs vorgesehen. Zwischen dem ersten Induktivitätsanschluss L1 und der ersten Anschlussklemme A1 ist eine erste Funktionseinrichtung T1, zwischen dem ersten Induktivitätsanschluss L1 und dem Masseanschluss A2 ist eine dritte Funktionseinrichtung T3, und zwischen dem zweiten Induktivitätsanschluss L2 und dem Masseanschluss A2 ist eine zweite Funktionseinrichtung T2 geschaltet. Jede Funktionseinrichtung T1, T2, T3 weist jeweils einen als Schalteinrichtung dienenden n-Kanal Depletion-Mosfet M1, M2, M3 und einen in Durchlassrichtung von der Source S1, S2, S3 zu der Drain D1, D2, D3 verlaufenden Diodenübergang DM1, DM2, DM3 auf. Die Diodenübergänge DM1, DM2, DM3 können hierbei jeweils als externe Bauelemente zu den MOSFETs parallel geschaltet sein oder als interne Diodenübergänge der MOSFETs, d.h. als geeignete pn-Übergange zwischen entsprechend dotierten Bereichen, ausgebildet sein.
Die Schalteinrichtungen M1, M2, M3 sind als Festkörper-Leistungsschalteinrich-tungen, vorzugsweise als Transistoren wie MOSFETs, insbesondere jedoch wie schon erwähnt als n-Kanal-Enhancement-MOSFETs und/oder JFETs, HEXFETs bzw. Bipolar-Transistoren ausgebildet.
2 zeigt den Einschaltvorgang der als aktive Funktionseinrichtung dienenden dritten Funktionseinrichtung T3. In 2 sind dargestellt:

a) die Gatespannung Vgate M1 (d.h. Spannung zwischen G1 und Masse GND),
b) die Gate-Source-Spannung Vgate-source M1 zwischen Gate G1 und Source S1,
c) der Drain-Source-Strom Idrain-source1 durch M1,
d) die an DM3 abfallende Spannung V DM3,
e) der durch DM3 fließende Strom I DM3,
f) eine am Gate G3 von M3 anliegende Spannung Vgate M3 (die gleich der Gate-Source-Spannung von M3 ist, da die Source S3 auf Masse GND liegt).
g) der Drain-Source-Strom Idrain-source durch M3.

Von dem Anfangszustand der 2 mit eingeschaltetem Mosfet M1 ausgehend, bei dem der Solenoidstrom I solenoid vollständig durch M1 fließt (bei kurzgeschlossener Diode DM1), wird ab einem Zeitpunkt t1 die Gatespannung Vgate M1 ausgeschaltet und fällt nachfolgend gemäß 2a ab. Entsprechend reduziert sich auch die Gate-Source-Spannung Vgate-source M1. Da M1 weiterhin leitet, bleibt der Strom Idrain-source M1 zunächst bis t2 unverändert.
Da der Katodenanschluss von DM3 mit der Source S1 von M1 verbunden ist, steigt gleichzeitig gemäß 2d die an der Diode DM3 anliegende Spannung V DM3 und erreicht bei t2 die Grenzspannung Vthreshold DM3 zur Aussteuerung von DM3, so dass daraufhin gemäß 2e der Diodenstrom I DM3 ansteigt und entsprechend der Strom Idrain-source M1 abfällt. Zu einem Zeitpunkt t3 ist die Grenzspannung Vthreshold von M1 erreicht, so dass M1 vollständig sperrt und I DM3 den vollständigen Solenoidstrom I solenoid aufnimmt. Der Solenoidstrom I solenoid fließt somit durch DM3 statt durch M1. Hierbei fällt nunmehr jedoch an DM3 die für einen Diodenübergang erforderliche Aussteuerspannung ab, die im Anfangszustand bei leitendem Mosfet M1 nicht abfiel, so dass zunächst der Leistungsverbrauch erhöht ist.
Bei t3 wird weiterhin die an das Gate G3 von M3 angelegte Gatespannung Vgate M3 – die gleich der Gate-Source-Spannung von M3 ist – erhöht und erreicht bei t4 die Grenzspannung V threshold M3, so dass der Mosfet M3 leitet. Es fließt nunmehr ein steigender Teil des Solenoidstroms I solenoid durch M3 statt durch DM3. Bei t5 fließt der ganze Solenoidstrom I solenoid durch M3. Die Dode DM3 sperrt. Es ist nunmehr wiederum ein Schaltzustand mit geringem Leistungsverbrauch erreicht.
Der in 3 gezeigte Anschaltvorgang von M3 entspricht im wesentlichen einem Einschaltvorgang von M1. Es ergibt sich ein entsprechender zeitlicher Verlauf wie in 2 mit vertauschter Funktion zwischen M1 und M3, wobei wiederum DM3 zeitweise den Solenoidstrom aufnimmt. In 3 sind entsprechend dargestellt:

a) die Gatespannung Vgate M3,
b) die Gate-Source-Spannung Vgate-source M3,
c) der Source-Drain-Strom durch M3,
d) die an DM3 abfallende Spannung V DM3,
e) der durch DM3 fließende Strom I DM3,
f) die am Gate G1 von M1 anliegende Spannung Vgate M1.
g) der Drain-Source-Strom durch M1.

Somit wird ab t6 die Spannung Vgate M3 abgesenkt, so dass die Gate-Source-Spannung abfällt und entsprechend die an DM3 anliegende Spannng V DM3 ansteigt, bis bei t7 die Grenzspannung V threshold DM3 erreicht wird und ein zunehmender Strom I DM3 durch DM 3 fließt. Bei t8 sperrt M3, so dass der vollständige Solenoidstrom I solenoid durch DM 3 fließt. Weiterhin wird die Spannung V gate M1 an G1 erhöht und erreicht bei t9 den Grenzwert V threshold M1 zur Aussteuerung von M1, so dass ein zunehmender Strom gemäß 3g durch M1 fließt, der beim Sperren von DM3 zum Zeitpunkt t10 den vollständigen Wert I solenoid einnimmt.
Wie aus 1 und den Zeitverläufen von 2 beziehungsweise 3 ersichtlich ist, können die Funktionseinrichtungen T1 und T3 abwechselnd als erfindungsgemäße aktive Funktionseinrichtungen betrieben werden, da ein Diodenübergang DM 1 parallel zu M1 vorgesehen ist.
M2 dient in der Schaltung der 1 lediglich als Enable-Eingang und ist hierbei immer offen.
4a zeigt den Zustand bei geschlossenem Mosfet M1. Hierbei sind in den Kennlinienfeldern des Mosfet M1 und der Diode DM3 der zeitliche Ablauf und die jeweiligen Beziehungen durch Pfeile eingezeichnet.
4b zeigt den Zustand bei geschlossenem Mosfet M3. Hierbei sind in den Kennlinienfeldern des Mosfet M3 und der Diode DM3 der zeitliche Ablauf und die jeweiligen Beziehungen ebenfalls durch Pfeile eingezeichnet.
Die 4a, 4b zeigen hierbei den zeitlichen Verlauf der in den 2 und 3 gezeigten Phasen anhand der Kennlinien der Leistungseinrichtungen. Vcc ist hierbei die Versorgungsspannung, Vd ist die an der Diode abfallende Spannung, Vdson ist dagegen diejenige Grenzspannung, ab der die Diode anfängt Strom zu leiten, Vds ist die Drain-Source-Spannung an dem Mosfet, Id ist der Strom durch die Diode, Vgs ist die Gate-Source-Spannung an dem Mosfet und Ids ist der durch den Mosfet fließende Strom.

Claims

Treiberstufe für ein Solenoidventil eines Innenverbrennungsmotors, wobei die Stufe aufweist: einen ersten und einen zweiten Treiberstufenanschluss (A1, A2) zum Anlegen einer Versorgungsspannung, eine Induktivität (L) des Solenoidventils, eine zwischen einem ersten Induktivitätsanschluss (L1) und dem ersten Treiberstufenanschluss (A1) angeordnete erste Funktionseinrichtung (T1) mit einem ersten Steuereingang (G1), eine zwischen einem zweiten Induktivitätsanschluss (L2) und dem zweiten Treiberstufenanschluss (A2) angeordnete zweite Funktionseinrichtung (T2), eine zwischen dem ersten Induktivitätsanschluss (L1) und dem zweiten Treiberstufenanschluss (A2) angeordnete dritte Funktionseinrichtung (T3), wobei die dritte Funktionseinrichtung (T3) eine dritte Diodeneinrichtung (DM3) und eine die dritte Diodeneinrichtung (DM3) überbrückende dritte Schalteinrichtung (M3) mit einem dritten Steuereingang (G3) und zwei dritten Schaltanschlüssen (S3, D3) aufweist und der dritte Steuereingang (G3) in Abhängigkeit von einem Kurbelwellenwinkel schaltbar ist.
Treiberstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Funktionseinrichtung (T1) eine erste Diodeneinrichtung (DM1) und eine die erste Diodeneinrichtung (DM1) überbrückende erste Schalteinrichtung (M1) mit dem ersten Steuereingang (G1) und zwei ersten Schaltanschlüssen (S1, D1) aufweist und der erste Steuereingang (G1) in Abhängigkeit von einem Kurbelwellenwinkel schaltbar ist.
Treiberstufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Funktionseinrichtung (T2) eine zweite Diodeneinrichtung (DM2) und eine die zweite Diodeneinrichtung (DM2) überbrückende zweite Schalteinrichtung (M2) mit einem zweiten Steuereingang (G2) und zwei zweiten Schaltanschlüssen (S2, D2) aufweist und der zweite Steuereingang (G2) in Abhängigkeit von einem Kurbelwellenwinkel schaltbar ist.
Treiberstufe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anlegen einer Versorgungsspannung an die Treiberstufenanschlüsse (A1, A2) die Diodeneinrichtungen (DM1, DM2, DM3) in Sperrrichtung geschaltet sind.
Treiberstufe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtungen (M1, M2, M3) Festkörper-Leistungsschaltein-richtungen, vorzugsweise Transistoren, z. B. MOSFETs, insbesondere n-Kanal-Enhancement-MOSFETs, und/oder JFETs, HEX-FETs, Bipolar-Transistoren sind.
Treiberstufe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Diodeneinrichtungen aus einem internen Diodenübergang (DM1, DM2, DM3) der jeweiligen Schalteinrichtung (M1, M2, M3) gebildet ist.
Treiberstufe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Diodeneinrichtungen als zu der jeweiligen Schaltein-richtung (M1, M2, M3) parallel geschaltete externe Diode (DM1, DM2, DM3) gebildet ist.
Treibervorrichtung mit einer Treiberstufe nach einem der vorherigen Ansprüche und einer Steuervorrichtung, die Steuersignale an die Steuereingänge (G1, G2, G3) zur Einstellung leitender oder sperrender Zustände der Schalteinrichtungen (M1, M2, M3) ausgibt.
Treibervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung in einem Einschaltvorgang der dritten Funktionseinrichtung (T3) in einem ersten Schritt die erste Schalteinrichtung (M1) der ersten Funktionseinrichtung (T1) ausschaltet derartig, dass ein Solenoidstrom (I solenoid) durch die dritte Diodeneinrichtung (DM3) fließt und in einem zweiten Schritt die dritte Schalteinrichtung (M3) einschaltet und die dritte Diodeneinrichtung (DM3) kurzschließt.
Treibervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung in einem Ausschaltvorgang der dritten Funktionseinrichtung (T3) in einem ersten Schritt die dritte Schalteinrichtung (M3) ausschaltet derartig, dass ein Solenoidstrom (I solenoid) durch die dritte Diodeneinrichtung (DM3) fließt, und in einem zweiten Schritt die erste Schalteinrichtung (M1) einschaltet derartig, dass der Solenoidstrom (I solenoid) durch die erste Schalteinrichtung (M1) fließt.