DE19946025B4

DE19946025B4 - Vorrichtung zur Stromversorgung einer Ansteuerschaltung für ein getaktetes Schaltnetzteil

Info

Publication number: DE19946025B4
Application number: DE19946025A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Rieger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-09-25
Filing date: 1999-09-25
Publication date: 2012-02-23
Anticipated expiration: 2019-09-26
Also published as: DE19946025A1

Abstract

Vorrichtung zur Stromversorgung einer Ansteuerschaltung für ein getaktetes Schaltnetzteil, welche Vorrichtung eine einen Bootstrapkondensator (2) aufweisende Bootstrapschaltung (C1, D1, R1, C2) enthält und eine Aufladeschaltung (C3, R5, D4, R4) für den Bootstrapkondensator (C2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladeschaltung (C3, R5, D4, R4) bei gesperrtem Schaltnetzteil einen Anschluss des Bootstrapkondensators (C2) über einen Widerstand (R5) mit Masse verbindet und bei freigegebenem Schaltnetzteil den Bootstrapkondensator (C2) auflädt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stromversorgung einer Ansteuerschaltung für ein getaktetes Schaltnetzteil, welche Vorrichtung eine einen Bootstrapkondensator aufweisende Bootstrapschaltung enthält.
Zur Stromversorgung von Ansteuerschaltungen für getaktete Schaltnetzteile ist es bereits bekannt, eine Bootstrapschaltung, eine Ladungspumpe oder ein zusätzliches Klein-Schaltnetzteil zu verwenden.
Die Verwendung einer Bootstrapschaltung ist dabei die kostengünstigste und die am häufigsten vorgesehene Lösung. Ein Nachteil einer derartigen Bootstrapschaltung besteht darin, daß beim Vorliegen eines entladenen Bootstrapkondensators der High-Side-Schalter des Schaltnetzteils nicht eingeschaltet werden kann.
Ein auf dem Markt erhältlicher Baustein, der HIP4081A der Firma Harns, löst dieses Problem mittels eines sogenannten Refresh-Zyklus, der nach einer Freigabe des Bausteins aktiviert wird. Bei diesem Refresh-Zyklus schaltet der Low-Side-Schalter des Schaltnetzteils für eine Dauer von etwa 1 Mikrosekunde ein und lädt den Bootstrapkondensator. Bei einem derartigen Vorgehen fließt allerdings Strom im Leistungskreis, wodurch die Schaltung unnötig belastet wird. Ferner beginnt durch das Aktivieren des Low-Side-Schalters ein Stromfluss in der verkehrten Richtung.
Eine Versorgung des High-Side-Kreises durch eine Ladungspumpe kommt in vielen Anwendungsfällen nicht in Frage, da der Energiebedarf groß ist. Dies gilt insbesondere bei Verwendung großer Kondensatoren. Der bereits vorstehend genannte Baustein HIP4081A weist als einer der wenigen Gate-Treiber-Bausteine eine integrierte Ladungspumpe auf. Diese reicht aber mit ihrem Maximalstrom von etwa 100 Mikroampere nur dazu aus, bei ständig eingeschalteten Transistoren die Ladung auf der Gate-Elektrode des High-Side-Schalttransistors zu erhalten. Dies gilt aber nur in dem Fall, wenn keine zusätzliche Beschaltung des Transistors vorliegt. Weiterhin ist die bekannte integrierte Ladungspumpe sehr fehleranfällig und deshalb im Betrieb unzuverlässig.
Eine Versorgung des High-Side-Kreises mittels eines zusätzlichen, potentialgetrennten Schaltnetzteils stellt einen erheblichen Kostenaufwand dar und ist aus diesem Grund für Automobilanwendungen nicht geeignet.
Aus der DE 197 50 168 A1 ist eine Halbleitervorrichtung bekannt. Hierbei weist eine Vorrichtung zur Stromversorgung einer Ansteuerschaltung eine einen Bootstrapkondensator aufweisende Bootstrapschaltung auf, wobei eine Aufladeschaltung für den Bootstrapkondensator bei gesperrtem Low-Side-Schalter einen Anschluss des Bootstrapkondensators über einen Schalter mit Masse verbindet und bei freigegebenem Low-Side-Schalter den Bootstrapkondensator auflädt.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat gegenüber den bekannten Vorrichtungen den Vorteil, dass sie kostengünstig die Funktionsfähigkeit des High-Side-Schalters ohne Einschränkung sicherstellt. Dies wird durch ein gezieltes Aufladen des Bootstrapkondensators erreicht. Die beanspruchten Maßnahmen bewirken insbesondere die Bereitschaft der Ansteuerschaltung für das erstmalige Einschalten des High-Side-Schalters bei gleichzeitiger Verwendbarkeit einer Bootstrapversorgung, welche preisgünstig realisierbar ist.
Zeichnung
Nachstehend wird die Erfindung anhand der Figuren beispielhaft erläutert. Im einzelnen zeigt die 1 ein Blockschaltbild einer bekannten Vorrichtung zur Stromversorgung einer Ansteuerschaltung für ein getaktetes Schaltnetzteil und die 2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Stromversorgung einer Ansteuerschaltung für ein getaktetes Schaltnetzteil.
Beschreibung
Die 1 zeigt ein Blockschaltbild einer bekannten Vorrichtung zur Stromversorgung einer Ansteuerschaltung für ein getaktetes Schaltnetzteil. Bei der dargestellten Vorrichtung handelt es sich um eine Halbbrückenschaltung mit einem High-Side-Schalter T1 und einem Low-Side-Schalter T2. Diese beiden Schalter weisen jeweils einen Feldeffekttransistor und eine zwischen deren Source- und Drain-Anschluß geschaltete Freilaufdiode auf.
Der Drain-Anschluß des High-Side-Schalters T1 ist mit einem Versorgungsanschluß verbunden, an welchem eine Versorgungsspannung von 42 Volt anliegt. Der Source-Anschluß des High-Side-Schalters T1 ist mit einer Drossel L verbunden, in der eine Energiespeicherung erfolgt, um im getakteten Schaltnetzteil den Stromfluß aufrechterhalten zu können, wenn der High-Side-Schalter gerade sperrt.
An den Gate-Anschluß des High-Side-Schalters T1 wird mittels einer High-Side-Treiberschaltung T_H ein Steuersignal angelegt, welches den Schalter abwechselnd vom leitenden in den Sperrzustand bringt. Die High-Side-Treiberschaltung T_H ist an eine Bootstrapschaltung angeschlossen, die einen Bootstrapkondensator G_B aufweist. Dieser Bootstrapkondensator C_B dient zur Stromversorgung der High-Side-Treiberschaltung T_H. Weiterhin weist die Bootstrapschaltung einen Widerstand R1, eine Diode D1 und einen Stützkondensator C1 auf. Der eine Anschluß des Stützkondensators ist mit einer Anschlußklemme für eine Versorgungsspannung und der andere Anschluß mit Masse verbunden.
Zwischen dem Source-Anschluß des High-Side-Schalters T1 und Masse ist die Drain-Source-Strecke des Low-Side-Schalters T2 geschaltet, dessen Gate-Anschluß von einer Low-Side-Treiberschaltung T_L angesteuert wird. Die Low-Side-Treiberschaltung ihrerseits ist mit einem Pufferkondensator C_P verbunden, der zur Stromversorgung der Low-Side-Treiberschaltung dient.
Bei einer derartigen Vorrichtung, wie sie in der 1 gezeigt ist, kann nicht ausgeschlossen werden, daß bei entladenem Bootstrapkondensator C_B ein von Masse verschiedenes Potential an der Klemme U_s anliegt. Dies kann dazu führen, daß der High-Side-Treiberschaltung T_H die zur Einschaltung des High-Side-Schalters T1 notwendige Energie nicht zur Verfügung steht.
In der 2 ist ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Stromversorgung einer Ansteuerschaltung für ein getaktetes Schaltnetzteil gezeigt, bei der sichergestellt ist, daß der High-Side-Treiberschaltung die zur Einschaltung des High-Side-Schalters T1 notwendige Energie zur Verfügung steht.
Bei der in der 2 gezeigten Vorrichtung weist der Bootstrapschaltkreis neben dem Bootstrapkondensator C2 einen an eine geregelte 12-Volt-Versorgung angeschlossenen Stützkondensator C1 auf. Dieser ist über eine Diode D1 und einen Strombegrenzungswiderstand R1 mit der Anschlußklemme U_b des Bootstrapkondensators C2 verbunden. Der andere Anschluß des Stützkondensators C1 liegt auf Masse.
Bei der gezeigten Vorrichtung ist weiterhin eine Aufladeschaltung für den Bootstrapkondensator C2 vorgesehen, die einen Ladekondensator C3 aufweist. Dessen einer Anschluß ist über einen Widerstand R5 mit der Anschlußklemme U_s des Bootstrapkondensators C2 und über die Drain-Source-Strecke eines Feldeffekttransistors T0 mit Masse verbunden. Der Gate-Anschluß des Feldeffekttransistors T0 steht über einen Widerstand R6 mit einem Steuersignalanschluß in Verbindung, an welchem ein Freigabesignal (Disable = 0) oder ein Sperrsignal (Disable = 1) für den Betrieb des Schaltnetzteiles anliegt.
Der andere Anschluß des Ladekondensators C3 ist über einen Widerstand R3 und eine Diode D3 mit einem Versorgungsspannungsanschluß verbunden, an welchem eine geregelte Versorgungsspannung von 12 Volt anliegt. Weiterhin ist der andere Anschluß des Ladekondensators C3 über eine Diode D4 und einen Widerstand R4 mit der Anschlußklemme U_b des Bootstrapkondensators C2 verbunden.
Die bisher beschriebene Vorrichtung funktioniert wie folgt:
Bei aktivem Steuergerät, d. h. einem Vorliegen der 12 Volt-Versorgungsspannung, und gesperrtem Schaltnetzteil (Disable = 1) wird die massenahe Klemme des Kondensators C3 über den Feldeffekttransistor T0 mit Masse verbunden.
Dadurch lädt sich der Kondensator C3 über D3 und R3 auf die Versorgungsspannung von 12 Volt auf.
Nach Freigabe der Schaltnetzteilfunktion durch Anlegen eines Signals Disable = 0 wird der massenahe Anschluß des Kondensators C3 auf das Potential U_s angehoben und lädt dabei über R5, D4 und R4 den Bootstrapkondensator C2 auf.
Dabei läßt sich über das Verhältnis des Ladekondensators C3 zu der Parallelschaltung von C3 zu C2 die Höhe der für den Bootstrapkondensator zur Verfügung gestellten Versorgungsspannung einstellen.
Um die Funktionssicherheit der gezeigten Vorrichtung weiter zu erhöhen, ist die Anschlußklemme U_b des Bootstrapkondensators C2 weiterhin über einen Widerstand R2 und eine Diode D2 mit einem weiteren Versorgungsspannunganschluß verbunden, an welchem eine Versorgungsspannung von 42 Volt zur Verfügung steht. Dadurch wird zwar im Betrieb ein permanenter Querstrom verursacht, der aber durch eine geeignete Dimensionierung von R2 gering gehalten werden kann. Dieser Schaltungsteil mit dem Widerstand R2 und der Diode D2 wird von der Hochspannungsseite der Schaltung her versorgt. Zur Vermeidung einer Überladung des Bootstrapkondensators C2 ist parallel zu diesem eine Zenerdiode D5 geschaltet.
Die weiteren Bestandteile der in der 2 gezeigten Vorrichtung stimmen mit den entsprechenden Bestandteilen der in der 1 gezeigten Vorrichtung überein. Zu deren Funktionsweise kann folglich die auf obige Beschreibung zur 1 Bezug genommen werden.
Die vorstehend beschriebenen Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind vorzugsweise verwendbar bei einem Drossel-Tiefsetzsteller, können aber auch bei alten anderen Halbbrückenschaltungen eingesetzt werden, um stets sicherzustellen, daß die für das Einschalten des High-Side-Schalters notwendige Energie zu Verfügung steht.

Claims

Vorrichtung zur Stromversorgung einer Ansteuerschaltung für ein getaktetes Schaltnetzteil, welche Vorrichtung eine einen Bootstrapkondensator (2) aufweisende Bootstrapschaltung (C1, D1, R1, C2) enthält und eine Aufladeschaltung (C3, R5, D4, R4) für den Bootstrapkondensator (C2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladeschaltung (C3, R5, D4, R4) bei gesperrtem Schaltnetzteil einen Anschluss des Bootstrapkondensators (C2) über einen Widerstand (R5) mit Masse verbindet und bei freigegebenem Schaltnetzteil den Bootstrapkondensator (C2) auflädt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladeschaltung (C3, R5, D4, R4) einen Ladekondensator (C3) aufweist, dessen erster Anschluss mit einem Versorgungsspannungsanschluss und dessen zweiter Anschluss über einen Schalter (T0) mit Masse verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (T0) bei gesperrtem Schaltnetzteil leitet und freigegebener Schaltnetzfunktion gesperrt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (T0) ein Feldeffekttransistor ist, dessen Gate mit einem Steuersignaleingang verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2–4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Anschluß des Ladekondensators (C3) über eine erste Diode (D3) und einen ersten Widerstand (R3) mit dem Versorgungsspannungsanschluß verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2–5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Anschluß des Ladekondensators (C3) über eine zweite Diode (D4) und einen zweiten Widerstand (R4) mit einem ersten Anschluß (U_b) des Bootstrapkondensators (C2) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2–6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Anschluß des Ladekondensators (C3) über einen Widerstand (R5) mit einem zweiten Anschluß (U_s) des Bootstrapkondensators (C2) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bootstrapkondensator (C2) mit einer High-Side-Treiberschaltung (T_H) verbunden ist, die zur Steuerung des Gate-Anschlusses des High-Side-Schalters (T1) des Schaltnetzteils vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltnetzteil ein Halbbrücken-Schaltnetzteil ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Anschluß des Bootstrapkondensators (C2) weiterhin über einen weiteren Widerstand (R2) und eine weitere Diode (D2) mit einem weiteren Versorgungsspannungsanschluß (42 Volt) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine parallel zum Bootstrapkondensator (C2) geschaltete Zenerdiode (D5) aufweist.