Title:
Schaltungsanordnung und Verfahren zum Ansteuern einer induktiven Last
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (100) zum Ansteuern einer induktiven Last (140) mit einem Potentialschaltungspunkt (121) zum Verbinden der Schaltungsanordnung (100) mit einer Versorgungsspannung, mit einem Masseschaltungspunkt (122) zum Verbinden der Schaltungsanordnung (100) mit Masse, mit einer Halbbrücke (110) aus einem ersten Schalter (111) und einem zweiten Schalter (112), mit einem Lastschaltungspunkt (123) zwischen dem ersten Schalter (111) und dem zweiten Schalter (112) zum Verbinden der Schaltungsanordnung (100) mit der induktiven Last (140), und mit einem Kondensator (131), wobei der erste Schalter (111), der zweite Schalter (112) und der Kondensator (131) zwischen den Potentialschaltungspunkt (121) und den Masseschaltungspunkt (122) geschaltet sind und wobei der Kondensator (131) in Reihe mit dem zweiten Schalter (112) zwischen den Lastschaltungspunkt (123) und den Masseschaltungspunkt (122) geschaltet ist.





Inventors:
Wanner, Martin (71116, Gärtringen, DE)
Application Number:
DE102016206051A
Publication Date:
10/12/2017
Filing Date:
04/12/2016
Assignee:
Robert Bosch GmbH, 70469 (DE)
International Classes:
H01F7/18; F16K31/02
Claims:
1. Schaltungsanordnung (100) zum Ansteuern einer induktiven Last (140)
mit einem Potentialschaltungspunkt (121) zum Verbinden der Schaltungsanordnung (100) mit einer Versorgungsspannung,
mit einem Masseschaltungspunkt (122) zum Verbinden der Schaltungsanordnung (100) mit Masse,
mit einer Halbbrücke (110) aufweisend einen ersten Schalter (111) und einen zweiten Schalter (112),
mit einem Lastschaltungspunkt (123) zwischen dem ersten Schalter (111) und dem zweiten Schalter (112) zum Verbinden der Schaltungsanordnung (100) mit der induktiven Last (140), und
mit einem Kondensator (131),
wobei der erste Schalter (111), der zweite Schalter (112) und der Kondensator (131) zwischen den Potentialschaltungspunkt (121) und den Masseschaltungspunkt (122) geschaltet sind und wobei der Kondensator (131) in Reihe mit dem zweiten Schalter (112) zwischen den Lastschaltungspunkt (123) und den Masseschaltungspunkt (122) geschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei an den Lastschaltungspunkt (123) die induktive Last (140) angeschlossen ist und wobei die induktive Last (140) mit Masse verbunden ist.

3. Schaltungsanordnung (100) nach Anspruch 1 oder 2 mit einem zweiten Kondensator (132), der zwischen den Potentialschaltungspunkt (121) und den Masseschaltungspunkt (122) geschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kondensator (131) mit wenigstens einer weiteren Halbbrücke (110', 110'') verbunden ist, die zur Ansteuerung wenigstens einer weiteren induktiven Last eingerichtet ist.

5. Verfahren zum Ansteuern einer induktiven Last (140) mittels einer Schaltungsanordnung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei in einer ersten Ansteuerphase der erste Schalter (111) derart angesteuert wird, dass ein Storm (171) durch die induktive Last (140) in einer ersten Stromrichtung fließt,
wobei in einer an die erste Ansteuerphase anschließenden Freilaufphase der erste Schalter (111) und der zweite Schalter (112) derart angesteuert werden, dass der Stromfluss durch die induktive Last (140) in der ersten Stromrichtung durch einen Freilaufstrom (172) aufrechterhalten wird und dass der Kondensator (131) durch den Freilaufstrom (172) geladen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei in einer zweiten Ansteuerphase der zweite Schalter (112) derart angesteuert wird, dass ein Stromfluss (173) durch die induktive Last (140) in einer zweiten Stromrichtung entgegengesetzt zu der ersten Stromrichtung von den Kondensator (131) gespeist wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die zweite Ansteuerphase durchgeführt wird, wenn die induktive Last (140) auf eine vorgegebene Weise angesteuert werden soll und/oder wenn ein Ladezustand des Kondensators (131) einen vorgegebenen Schwellwert erreicht.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei eine Dauer der zweiten Ansteuerphase in Abhängigkeit von einem Ladezustand des Kondensators (131) gewählt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Dauer der zweiten Ansteuerphase derart gewählt wird, dass durch die zweite Ansteuerphase der Ladezustand des Kondensators (131) auf einen bestimmten Wert reduziert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei eine Dauer der ersten Ansteuerphase in Abhängigkeit von der Dauer der zweiten Ansteuerphase verändert wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei die induktive Last (140) gepulst angesteuert wird, indem wiederholt die erste Ansteuerphase und die Freilaufphase durchgeführt werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei durch das Ansteuern der induktiven Last (140) ein Element in einem Kraftfahrzeug und/oder ein elektromagnetisch betätigbarer Aktor und/oder ein Injektor und/oder ein Ventil und/oder eine Klappe angesteuert werden.

13. Recheneinheit (160), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12 durchzuführen.

14. Computerprogramm, das eine Recheneinheit (160) dazu veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (160) ausgeführt wird.

15. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 14.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Ansteuern einer induktiven Last sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.

Stand der Technik

H-Brücken können in Kraftfahrzeugen als Schaltungsanordnungen zum Ansteuern von induktiven Lasten vorgesehen sein. Beispielsweise können durch Ansteuern der induktiven Last eine Klappe oder ein Ventil angesteuert und geöffnet werden. In einem Einspritzinjektor kann z.B. durch Ansteuern der induktiven Last ein Magnetanker aus seiner Ruhestellung bewegt werden und den Weg für Kraftstofffluss freigeben.

Eine derartige H-Brücke setzt sich zumeist aus zwei Halbbrücken zusammen, wobei jede Halbbrücke üblicherweise zwei Schalter aufweist. Die induktive Last ist zwischen die zwei Halbbrücken angeschlossen. Durch die H-Brücke können Stromflüsse durch die induktive Last in entgegengesetzten Stromrichtungen erzeugt werden.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß werden eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer induktiven Last und ein Verfahren zum Ansteuern einer induktiven Last sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Die Schaltungsanordnung weist einen Potentialschaltungspunkt und einen Masseschaltungspunkt zum Verbinden der Schaltungsanordnung mit einer Versorgungsspannung bzw. mit Masse auf. Eine Halbbrücke aus einem ersten Schalter und einem zweiten Schalter ist zwischen den Potentialschaltungspunkt und den Masseschaltungspunkt geschaltet. Ein Lastschaltungspunkt ist zwischen dem ersten Schalter und dem zweiten Schalter zum Verbinden der Schaltungsanordnung mit der induktiven Last vorgesehen. Ein Kondensator ist in Reihe mit dem zweiten Schalter zwischen dem Lastschaltungspunkt und dem Masseschaltungspunkt geschaltet. Der erste Schalter, der zweite Schalter und der Kondensator sind zwischen den Potentialschaltungspunkt und den Masseschaltungspunkt geschaltet.

Auf herkömmliche Weise wird zumeist eine H-Brücke aus zwei Halbbrücken mit vier Schaltern zum Ansteuern von induktiven Lasten verwendet. Durch gleichzeitiges Schließen jeweils eines Highside- und eines Lowside-Schalters aus unterschiedlichen Halbbrücken kann die induktive Last auf zwei verschiedene Arten angesteuert werden, mit Stromflüssen in entgegengesetzten Stromrichtungen. Auf herkömmliche Weise ist eine derartige Ansteuerung mittels lediglich einer Halbbrücke nicht möglich.

Durch die Erfindung wird eine Möglichkeit bereitgestellt, um die induktive Last auf dieselbe Weise wie mit einer H-Brücke anzusteuern, jedoch mit lediglich zwei Schaltern. Somit wird die Anzahl an benötigten Schaltern im Vergleich zu einer H-Brücke halbiert. Weiterhin kann eine benötigte Verkabelung vereinfacht werden, da nur eine Leitung benötigt wird, um die Last mit einer Halbbrücke zu verbinden, und nicht zwei Leitungen, wie es bei einer H-Brücke der Fall wäre. Zumeist ist insbesondere eine Gerätemasse vorhanden, beispielsweise die Motormasse im Falle eines Kraftfahrzeugs, an welche die Schaltungsanordnung bzw. der entsprechende Steller angeschlossen ist. Diese Geräte- bzw. Motormasse kann dazu verwendet werden, um einen geschlossenen Stromkreis aufzubauen, weswegen die zweite Leitung entfallen kann.

Durch die Versorgungsspannung kann ein Stromfluss durch die induktive Last in eine erste Stromflussrichtung gespeist werden und die Last kann somit auf eine erste Art angesteuert werden. Nach Beendigung dieser Ansteuerung kann der Kondensator durch einen entstehenden Freilaufstrom geladen werden und es kann eine insbesondere negative Versorgungsspannung erzeugt werden, insbesondere automatisch durch den Freilaufstrom, durch welche zu einem späteren Zeitpunkt ein Stromfluss durch die induktive Last in eine zweite Stromflussrichtung gespeist werden kann.

Die Schaltungsanordnung wird zu diesem Zweck gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens angesteuert. Vorteilhafterweise ist die induktive Last zu diesem Zweck an den Lastschaltungspunkt angeschlossen. Vorzugsweise ist die induktive Last weiterhin an ihrem der Schaltungsanordnung abgewandten Schaltungspunkt mit Masse verbunden.

Im Zuge des Verfahrens wird in einer ersten Ansteuerphase der erste Schalter derart angesteuert, dass ein Storm durch die induktive Last in einer ersten Stromrichtung fließt, welcher durch die Versorgungsspannung gespeist wird. Der erste Schalter ist dabei insbesondere geschlossen und der zweite Schalter ist geöffnet. In einer an die erste Ansteuerphase anschließenden Freilaufphase werden der erste und der zweite Schalter derart angesteuert, dass der Stromfluss durch die induktive Last durch einen Freilaufstrom aufrechterhalten wird. Der Kondensator wird durch diesen Freilaufstrom insbesondere automatisch auf ein negatives Potential geladen, welches in einer späteren zweiten Ansteuerphase als negative Versorgungsspannung zur Verfügung steht.

Zweckmäßigerweise sind der erste und der zweite Schalter dabei jeweils geöffnet. Der Freilaufstrom fließt zweckmäßigerweise durch eine Freilaufdiode des zweiten Schalters. Es ist auch denkbar, dass der zweite Schalter in der Freilaufphase geschlossen ist, um einen "aktiven" Freilauf darzustellen. Somit kann die Verlustleistung reduziert werden, da nicht mehr die Spannung über die Freilaufdiode abfällt, sondern über einen insbesondere niederohmigen Schalter.

Um die induktive Last in einer entgegengesetzten Weise anzusteuern, wird vorteilhafterweise eine zweite Ansteuerphase durchgeführt. In dieser zweiten Ansteuerphase wird der zweite Schalter vorzugsweise derart angesteuert, dass durch den Kondensator ein Stromfluss durch die induktive Last in einer zweiten Stromrichtung entgegengesetzt zu der ersten Stromrichtung gespeist wird. Zweckmäßigerweise ist der zweite Schalter zu diesem Zweck geschlossen und der erste Schalter bleibt insbesondere geöffnet. Die erste Ansteuerphase kann insbesondere mehrmals wiederholt werden, insbesondere jeweils mit anschließender Freilaufphase, wie oben erläutert, bevor die zweite Ansteuerphase durchgeführt wird.

Die Schaltungsanordnung und das Verfahren zu dessen Ansteuerung eignen sich besonders vorteilhaft für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Vorzugsweise wird durch das Ansteuern der induktiven Last ein Element in einem Kraftfahrzeug angesteuert, insbesondere ein Aktor des Kraftfahrzeugs. Die induktive Last kann insbesondere als Spule (z.B. zur Erzeugung eines Magnetfelds) in dem jeweiligen Element angeordnet bzw. ein Teil dieses Elements sein. Die (positive) Versorgungsspannung kann insbesondere durch eine Kraftfahrzeugbatterie erzeugt werden. Herkömmlicherweise ist in einem Kraftfahrzeug keine negative Versorgungsspannung verfügbar, sondern müsste mittels eines Spannungswandlers, z.B. eines DC/DC-Wandlers, aufwendig erzeugt werden. Durch die Schaltungsanordnung kann eine negative Versorgungsspannung durch Aufladen des Kondensators automatisch durch Beenden der ersten Ansteuerung erzeugt und für die zweite Ansteuerung verwendet werden.

Derartige Elemente bzw. Aktoren im Kraftfahrzeug weisen zumeist eine Ruhestellung bzw. Vorzugsstellung auf, aus welcher sie durch die erste Ansteuerung bewegt werden. Wird die erste Ansteuerung beendet, gehen die Aktoren insbesondere automatisch in ihre Ruhestellung zurück. Um diesen Vorgang zu beschleunigen, kann der Aktor gemäß der zweiten Ansteuerung angesteuert werden. Zumeist werden Aktoren zweckmäßigerweise häufiger gemäß der ersten Ansteuerung als gemäß der zweiten Ansteuerung angesteuert, so dass der Kondensator ausreichend oft in negativer Versorgungsspannung aufgeladen wird, um für die zweite Ansteuerung eine negative Spannung zur Verfügung stellen zu können.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Schaltungsanordnung einen zweiten Kondensator auf, der parallel zu dem ersten Schalter zwischen den Potentialschaltungspunkt und den Masseschaltungspunkt geschaltet ist. Dieser zweite Kondensator dient insbesondere dazu, um einen zweiten Freilaufstrom, der nach Beenden der zweiten Ansteuerphase erzeugt wird, zu führen.

Vorteilhafterweise ist der (erste) Kondensator an einem dem zweiten Schalter zugewandten Schaltungspunkt mit wenigstens einer weiteren Halbbrücke wenigstens einer weiteren Schaltungsanordnung verbunden, die zur Ansteuerung wenigstens einer weiteren induktiven Last eingerichtet ist. Der Kondensator ist somit vorteilhafterweise zur Versorgung mehrerer Halbbrücken mit der negativen Versorgungsspannung vorgesehen. Der Kondensator ist dabei zweckmäßigerweise mit jedem zweiten Schalter dieser einzelnen Halbbrücken in Reihe geschaltet. Eine bevorzugte Schaltungsanordnung weist dementsprechend mehr als eine Halbbrücke und weniger Kondensatoren als Halbbrücken, vorzugsweise nur einen Kondensator, auf. Wenn eine entsprechende Anzahl von H-Brücken durch die entsprechende Schaltungsanordnung ersetzt wird, können pro Halbbrücke der Schaltungsanordnung insbesondere zwei Schalter und eine Leitung eingespart werden und es muss für alle Halbbrücken in einem günstigen Fall nur ein Kondensator bereitgestellt werden. Insbesondere muss je nach Anzahl der Steller, Lasten und Funktionen im besten Fall sogar gar kein Kondensator bereitgestellt werden.

Wie bereits erläutert, wird die zweite Ansteuerphase vorzugsweise durchgeführt, wenn die induktive Last auf eine vorgegebene Weise angesteuert werden soll. Alternativ oder zusätzlich kann die zweite Ansteuerphase vorzugsweise auch durchgeführt werden, wenn ein Ladezustand des Kondensators einen vorgegebenen Schwellwert erreicht. Somit kann insbesondere ein Überladen des Kondensators verhindert werden. Wenn die erste Ansteuerphase beispielsweise vergleichsweise viel häufiger durchgeführt wird als die zweite Ansteuerphase und der zweite Kondensator somit vergleichsweise selten entladen wird, besteht die Gefahr einer Überladung und Beschädigung des Kondensators. Daher kann der Kondensator mittels der zweiten Ansteuerphase absichtlich entladen werden, wenn dessen Ladezustand einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet.

Vorteilhafterweise wird in diesem Fall eine Dauer der zweiten Ansteuerphase in Abhängigkeit von einem Ladezustand des Kondensators gewählt. Der Ladezustand kann somit durch die zweiten Ansteuerphase vorteilhafterweise auf einen bestimmten Wert reduziert werden.

Da ein derartiges Durchführen der zweiten Ansteuerphase jedoch Auswirkungen auf den Effektivstrom der induktiven Last hat, wird gegebenenfalls der ersten Ansteuerung bzw. einem durch gewünschten Effekt, der durch die erste Ansteuerung bewirkt werden soll, entgegengewirkt. Vorteilhafterweise wird daher eine Dauer der ersten Ansteuerphase in Abhängigkeit von der Dauer der zweiten Ansteuerphase verändert. Insbesondere wir die Dauer der ersten Ansteuerung verlängert, nachdem die zweite Ansteuerung zum Reduzieren des Kondensator-Ladezustands durchgeführt wurde.

Vorteilhafterweise kann die induktive Last gepulst angesteuert werden. Zu diesem Zweck werden vorzugsweise wiederholt die erste Ansteuerphase und anschließend die Freilaufphase durchgeführt, woraufhin insbesondere wieder mit der ersten Ansteuerphase begonnen wird. Durch das gepulste Ansteuern kann insbesondere ein Strom durch die induktive Last gezielt eingestellt werden. Zweckmäßigerweise wird durch das gepulste Ansteuern der induktiven Last eine Pulsweitenmodulation durchgeführt.

Vorzugsweise wird mittels der induktiven Last ein elektromagnetisch betätigbarer Aktor angesteuert, wodurch insbesondere eine physikalische Größe, welche durch den Aktor beeinflusst wird, auf einen gewünschten Soll-Wert geregelt wird. Durch gepulstes Ansteuern kann der Aktor zweckmäßigerweise stufenlos angesteuert werden und die entsprechende physikalische Größe kann kontinuierlich verändert werden.

Vorteilhafterweise wird durch Ansteuern der induktiven Last ein Injektor bzw. Magnetinjektor angesteuert, insbesondere ein Kraftstoffeinspritzinjektor. Durch Ansteuern der induktiven Last wird insbesondere ein Magnetanker aus seiner Ruhestellung bewegt, wodurch ein Kraftstofffluss freigegeben wird. Durch gepulstes Ansteuern kann der Magnetanker insbesondere in einer gewünschten Position gehalten werden, wodurch ein Kraftstoffdurchfluss bzw. eine eingespritzte Kraftstoffmenge geregelt werden kann.

Vorzugsweise kann mittels der induktiven Last ein Ventil angesteuert werden, beispielsweise ein Ventil einer Brennkraftmaschine, z.B. ein Abgasrückführventil. Durch Ansteuern der induktiven Last kann das Ventil insbesondere von seiner geschlossen Stellung aus geöffnet werden. Durch gepulstes Ansteuern kann das Ventil insbesondere in einer gewünschten Öffnungsstellung gehalten werden.

Bevorzugt wird mittels der induktiven Last eine Klappe angesteuert, z.B. eine Drosselklappe zur Regelung einer angesaugten Luftmenge einer Brennkraftmaschine. Auch die Öffnungsstellung einer derartigen Klappe kann durch gepulstes Ansteuern insbesondere auf einem gewünschten Wert gehalten werden.

Als jeweiliger Schalter kann jeweils ein einzelnes Schaltelement verwendet werden oder auch jeweils mehrere Schaltelemente, gegebenenfalls unterschiedlicher Bauart. Beispielsweise können Transistoren, insbesondere MOSFET-Transistoren oder IGBTs, als Schalter verwendet werden. Für die Freilaufströme sind insbesondere Dioden vorgesehen. Insbesondere können aufgrund des technischen Aufbaus Dioden in den Schaltern integriert sein, wie es z.B. häufig bei IGBTs, FETs, usw. der Fall ist. Vorzugsweise werden diese integrierten Dioden für die Freilaufströme verwendet. Als Kondensator wird zweckmäßigerweise ein Elektrolytkondensator verwendet, beispielsweise mit einer Festigkeit von 35 V.

Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.

Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 zeigt schematisch eine herkömmliche Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer induktiven Last gemäß dem Stand der Technik mittels einer H-Brücke.

2 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, die dazu eingerichtet ist, im Zuge einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens angesteuert zu werden.

3 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung während unterschiedlicher Phasen einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

4 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einem Kondensator zur Bereitstellung der negativen Spannung und mehreren Halbbrücken.

Ausführungsform(en) der Erfindung

In 1 ist eine herkömmliche Schaltungsanordnung 50 zur Ansteuern einer induktiven Last 30 nach dem Stand der Technik schematisch dargestellt.

Die Schaltungsanordnung 50 ist als eine H-Brücke aus zwei Halbbrücken 10 und 20 ausgebildet. Jede der Halbbrücken 10 und 20 weist jeweils zwei Schalter 11 und 12 bzw. 21 und 22 auf, welche jeweils beispielsweis als Bipolartransistoren ausgebildet sein können.

Die induktive Last 30 ist zwischen den zwei Halbbrücken 10 und 20 angeschlossen. Weiterhin sind beide Halbbrücken 10 und 20 zwischen einen Potentialschaltungspunkt 40 und Masse geschaltet.

Durch Schließen der Schalter 11 und 22 kann ein erster Stromfluss 42 (angedeutet durch die durchgezogene Linie) in eine erste Stromrichtung durch die Last 30 erzeugt werden. Ein zweiter Stromfluss 41 (angedeutet durch die gestrichelte Linie) durch die Last 30 in eine zweite Stromrichtung kann durch Schließen der Schalter 12 und 21 erzeugt werden.

Durch die Erfindung wird es ermöglicht, eine induktive Last nur mit einer Halbbrücke derart ansteuern zu können, dass durch die Last sowohl ein erster Stromfluss in eine erste Richtung als auch ein zweiter Stromfluss entgegengesetzt zu der ersten Richtung erzeugt werden kann.

In 2 ist eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 100 schematisch dargestellt.

Die Schaltungsanordnung 100 wird beispielsweise in einem Kraftfahrzeug verwendet, z.B. im Zuge einer Motorsteuerung. Mittels der Schaltungsanordnung 100 wird ein Element des Kraftfahrzeugs angesteuert, beispielsweise ein Injektor zur Kraftstoffeinspritzung oder eine Klappe oder ein Ventil. Zu diesem Zweck wird mittels der Schaltungsanordnung 100 eine induktive Last 140 angesteuert, z.B. eine Spule, die Teil des Injektors ist.

Die Schaltungsanordnung 100 weist einen Potentialschaltungspunkt 121 auf, über welchen die Schaltungsanordnung 100 mit einer Versorgungsspannung verbunden ist, beispielsweise mit einer Kraftfahrzeugbatterie. Über einen Masseschaltungspunkt 122 ist die Schaltungsanordnung 100 mit Masse verbunden.

Zwischen den Potentialschaltungspunkt 121 und den Masseschaltungspunkt 122 ist eine Brückenschaltung 110 aus einem ersten Schalter 111 und einem zweiten Schalter 112 geschaltet. Der erste und der zweite Schalter 111, 112 sind in diesem Beispiele jeweils als ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) ausgebildet, können z.B. aber auch als bipolare Transistoren, FETs (Feldeffekttransistor), MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), etc. ausgebildet sein.

Ein Mittelabgriff 124 zwischen dem ersten Schalter 111 und dem zweiten Schalter 112 ist mit einem Lastschaltungspunkt 123 verbunden, welcher beispielsweise als mindestens ein Steckverbinder ausgebildet sein kann. Über den Lastschaltungspunkt 123 ist die induktive Last 140 an die Schaltungsanordnung 100 angeschlossen. Wie in 2 dargestellt ist, ist die induktive Last 140 an ein Bezugspotential angeschlossen, welches über eine elektrische Verbindung dem gleichen Potential wie 122 entspricht. Beispielsweise kann dies im Fahrzeug die Motormasse sein, welche über eine Leitung auch mit der Fahrzeugmasse verbunden ist. Weiterhin kann über den Mittelabgriff beispielsweise ein mit Masse verbundener Ausgangskondensator 150 angeschlossen sein. Dieser Kondensator 150 kann insbesondere dazu verwendet werden, um das EMV-Verhalten bzw. die Elektro-Magnetische-Verträglichkeit zu verbessern.

Die Schaltungsanordnung 100 weist einen Kondensator 131 auf, der in Reihe mit dem zweiten Schalter 112 zwischen den Lastschaltungspunkt 123 und den Masseschaltungspunkt 122 geschaltet ist.

Des Weiteren kann die Schaltungsanordnung 100 einen zweiten Kondensator 132 aufweisen, der zwischen den Potentialschaltungspunkt 121 und den Masseschaltungspunkt 122 geschaltet ist. Dieser Kondensator 132 kann unterstützend zur Versorgungsspannung 121 verwendet werden.

Ein Steuergerät 160 des Kraftfahrzeugs, beispielsweise ein Motorsteuergerät, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, die Schaltungsanordnung 100 im Zuge einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusteuern.

Die Schaltungsanordnung 100 aus 2 ist in den 3a bis 3c während unterschiedlicher Phasen dieser Ansteuerung schematisch dargestellt. Ein Stromfluss ist in den 3a bis 3c jeweils durch fett gezeichnete Linien dargestellt.

In 3a ist die Schaltungsanordnung 100 in einer ersten Ansteuerphase schematisch dargestellt. Der erste Schalter 111 ist dabei geschlossen und der zweite Schalter 112 geöffnet. Somit fließt ein erster Strom 171 durch die induktive Last 140 in einer ersten Stromrichtung.

Durch dieses Ansteuern der induktiven Last 140 wird ein Magnetanker des Injektors aus seiner Ruhestellung bewegt, wodurch beispielsweise ein Kraftstofffluss freigegeben wird.

In 3b ist die Schaltungsanordnung 100 in einer Freilaufphase dargestellt, welche direkt an die erste Ansteuerphase anschließt, sobald der erste Schalter 111 geöffnet wird. Der zweite Schalter 112 ist dabei ebenfalls geöffnet. Die induktive Last 140 hält dabei den Stromfluss in der ersten Richtung über die Freilaufdiode des zweiten Schalters 112 aufrecht. Somit wird ein Freilaufstrom 172 erzeugt, durch welchen der Kondensator 131 automatisch mit negativer Spannung aufgeladen wird. Die Freilaufströme fließen in dem dargestellten Beispiel über die Freilaufdioden der IGBTs. Wenn als Schalter z.B. bipolare Transistoren verwendet werden, welche keine integrierte Diode besitzen, werden insbesondere diskrete, d.h. schalterexterne Dioden verwendet.

Mittels des negativ aufgeladenen Kondensators 131 ist es möglich, die induktive Last 140 mit einem Strom in einer zweiten Stromrichtung anzusteuern. Eine derartige zweite Ansteuerphase ist in 3c schematisch dargestellt. Dabei ist der erste Schalter 111 geöffnet und der zweite Schalter 112 geschlossen. Somit wird ein Stromfluss 173 durch die induktive Last 140 in der zweiten Stromrichtung entgegengesetzt zu der ersten Stromrichtung durch den Kondensator 131 gespeist.

Durch diese zweite Ansteuerung kann beispielsweise der Magnetanker des Injektors, wenn dieser aus seiner Ruhestellung bewegt ist, schneller wieder in die Ruhestellung bewegt und der Injektor somit wieder geschlossen werden.

Alternativ oder zusätzlich kann diese zweite Ansteuerung durchgeführt werden, wenn der Ladezustand des Kondensators 131 einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet, um somit ein Überladen und eine Beschädigung des Kondensators 131 zu verhindern.

Es wäre beispielsweise auch denkbar, eine Entladung von Kondensator 131 zu realisieren, wenn z.B. der erste Schalter 111 und der zweite Schalter 112 geschlossen sind. Durch eine zweckmäßige Dimensionierung der Schalter (z.B. ein elektrischer Widerstand von 200 mΩ des ersten Schalters von 600 mΩ des zweiten Schalter 112) würde an dem Mittelabgriff 124 ungefähr Massepotential aufredeten. Darüber würde Lastschaltungspunkt 123 nicht bestromt werden, es könnte aber der Kondensator 131 in seiner Spannung reduziert werden – per kurzzeitigem, gezieltem Kurzschluss. Alternativ oder zusätzlich könnte über eine zusätzliche, externe Schaltung (kleine Spule, kleiner Schalter, Z-Diode, etc.) die Spannung an dem Kondensator 131 entsprechend reduziert oder begrenzt werden.

In 3d ist die Schaltungsanordnung 100 dargestellt, nachdem der zweite Schalter 112 wieder geöffnet ist. Die induktive Last 140 hält den Stromfluss aufrecht, so dass ein Freilaufstrom 174 über die Freilaufdiode des ersten Schalters 111 zurück in die Versorgungsspannung 121 läuft, welche durch den Kondensator 132 gestützt sein kann.

Es sei darauf hingewiesen, dass die Versorgungsspannung auch mit einer umgekehrten Polung realisiert werden kann. In diesem Fall wären die Dioden, Schalter und Kondensatoren entsprechend angepasst, um die oben beschriebenen Stromrichtung bzw. Spannungsrichtung zu realisieren.

In 4 ist eine bevorzugte Schaltungsanordnung 100' gezeigt, die zusätzlich zu den Elementen der Schaltungsanordnung 100 aus 2 weitere Halbbrücken 110' und 110'' aufweist, die ebenfalls mit dem Kondensator 131 verbunden sind und diesen in der Freilaufphase laden und von diesem in der zweiten Ansteuerphase mit einer negativen Spannung gespeist werden können.