DE102007027482A1 - Spannungsbegrenzungsschaltung - Google Patents

Spannungsbegrenzungsschaltung Download PDF

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DE102007027482A1
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/06Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric generators; for synchronous capacitors
    • H02H7/067Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric generators; for synchronous capacitors on occurrence of a load dump

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Bereitgestellt wird eine Spannungsbegrenzungsschaltung (10, 20) zum Begrenzen einer von einem Generator in einem Kraftfahrzeug bereitgestellten Spannung (U_batt), welche über einen ersten Anschluss (11) und einen zweiten Anschluss (12) an die Spannungsbegrenzungsschaltung (10, 20) anlegbar ist, wobei die Spannungsbegrenzungsschaltung (10, 20) eine begrenzte Spannung über einen dritten Anschluss (13) und einen vierten Anschluss (14) als Ausgangsspannung (U_out) bereitstellt, mit - einem Spannungsbegrenzungselement, welches zwischen dem ersten Anschluss (11) und dem zweiten Anschluss (12) angeschlossen ist und einen leitenden Zustand annimmt, wenn die Spannung zwischen dem ersten Anschluss (11) und dem zweiten Anschluss (12) eine Durchbruchspannung übersteigt, - einem Kondensator (C1), welcher zwischen dem dritten Anschluss (13) und dem vierten Anschluss (14) angeordnet ist, - einem Transistor (T1), welcher zwischen dem ersten Anschluss (11) und einem Knoten (18) angeordnet ist, - einer Induktivität (L2), welche zwischen dem Knoten (18) und dem dritten Anschluss angeordnet ist, und - eine Transistorsteuerschaltung (17) mit zwei Eingängen, welche mit dem dritten Anschluss (13) bzw. mit dem vierten Anschluss (14) verbunden sind, sowie einem Ausgang, welcher mit einem Steueranschluss des Transistors (T1) verbunden ist, wobei die Transistorsteuerschaltung (17) den Transistor (T1) ausschaltet, wenn die Ausgangsspannung (U_out) über die zwei Eingänge eine vorbestimmte ...

Description

  • STAND DER TECHNIK
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spannungsbegrenzungsschaltung zum Begrenzen einer von einem Generator in einem Kraftfahrzeug bereitgestellten Spannung.
  • Kraftfahrzeuge sind in der Regel mit einer Lichtmaschine (also einem Generator) ausgestattet, welcher die mechanische Energie, die von einem Verbrennungsmotor bereitgestellt wird, in elektrische Energie umwandelt. Diese elektrische Energie wird typischerweise über ein 12 V- oder 24 V-Bordnetz an elektrische Verbraucher im Kraftfahrzeug bereitgestellt.
  • Die Lichtmaschine dient dabei nicht nur dazu, Verbraucher im Kraftfahrzeug mit Energie zu versorgen, sondern lädt auch die Fahrzeugbatterie auf. In einem solchen Ladebetrieb bei eingeschaltetem Motor liegen also zwei Arten von Lasten am Generator, zum einen die elektrischen Verbraucher, wie z. B. elektronische Steuergeräte, und zum anderen die zu ladende Fahrzeugbatterie. Wird in diesem Zustand die Batterie vom Generator getrennt, dann tritt aufgrund der Wirkung des Generators als Konstant-Stromquelle ein so genannter Load-Dump-Puls ein: Durch das Wegfallen der Batterielast wird die Gesamtlast mit welcher der Generator belastet wird wesentlich geringer. Daraufhin steigt die vom Generator bereitgestellte Generatorspannung stark an, und zwar innerhalb von wenigen Millisekunden auf bis zu 200 V.
  • Es sind Spannungsbegrenzungsschaltungen bekannt, in denen parallel zu einem Spannungsgenerator (z. B. der Lichtmaschine), eine Reihenschaltung vorgesehen ist, umfassend eine elektrische Sicherung und eine Zenerdiode, welche mit ihrer Anode nach Masse geschaltet ist.
  • Weiterhin schlägt die Offenlegungsschrift DE 103 49 629 A1 eine Spannungsbegrenzungs schaltung vor, welche die vom Generator bereitgestellte und am Eingang eines Steuergerätes auftretende Spannung bei einem Load-Dump-Puls auf 60 V begrenzt. Diese Begrenzung auf 60 V wird durch die eingangsseitig angeordnete Reihenschaltung eines Widerstands, einer Diode sowie einer Zener-Diode bewirkt, wobei die Begrenzungsspannung im Wesentlichen der Durchbruchspannung der Zener-Diode entspricht. Eine andere Auslegung der Zener-Diode auf eine im Load-Dump-Fall sich einstellende Durchbruchspannung von beispielsweise 40 V ist dabei nicht möglich, da dann die Gefahr besteht, dass die Zener-Diode schon im erlaubten Batteriespannungsbereich (bis 36 V) leitend wird.
  • Die Spannungsbegrenzung auf maximal 60 V bedeutet, dass gängige Schaltungsmodule mit einer Spannungsfestigkeit, die geringer als 40 V ist, nicht eingesetzt werden können. Vielmehr müssen nachgeschaltete Schaltungsmodule so ausgelegt werden, dass sie auch einer relativ hohen Versorgungsspannung von 60 V standhalten, obwohl eine solch hohe Versorgungsspannung im normalen Betrieb nicht auftritt. Dies verursacht höhere Kosten im Hinblick auf den zusätzlichen Bedarf an Bauelementen, Entwicklungskosten und Layoutfläche des Steuergeräts.
  • Weiterhin sind Steuergeräte verbreitet, in denen sich einzelne Module bei Eingangsspannungen größer 40 V automatisch abschalten. Dies können beispielsweise Module geringerer Wichtigkeit sein, also nicht sicherheitsrelevante Module, wie z. B. ein Modul zur Steuerung der Abgasnachbehandlung. Dies bedeutet jedoch, dass die Funktionalität des Steuergerätes im Falle eines Load-Dumps eingeschränkt ist.
  • Ferner tritt bei einem Spannungsregler im Linearbetrieb der Nachteil auf, dass bei einem hohen Eingangsstrom des Steuergeräts die Verlustleistung des Längstransistors zu hoch wird, nämlich 400 W bei 20 A Aufnahmestrom und 20 V Spannungsabfall über den Längstransistor, was über die Dauer des Load-Dumps zu einer thermischen Zerstörung des Längstransistors führen kann.
  • VORTEILE DER ERFINDUNG
  • Demgemäß vorgesehen ist eine Spannungsbegrenzungsschaltung zum Begrenzen einer von einem Generator in einem Kraftfahrzeug bereitgestellten Spannung, welche über einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss an die Spannungsbegrenzungsschaltung anlegbar ist, wobei die Spannungsbegrenzungsschaltung eine begrenzte Spannung über einen dritten Anschluss und einen vierten Anschluss als Ausgangsspannung bereitstellt, mit
    • – einem Spannungsbegrenzungselement, welches zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss angeschlossen ist und einen leitenden Zustand annimmt wenn die Spannung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss eine Durchbruchspannung übersteigt,
    • – einem Kondensator, welcher zwischen dem dritten Anschluss und dem vierten Anschluss vorgesehen ist,
    • – einem Transistor, welcher zwischen dem ersten Anschluss und einem Knoten angeordnet ist,
    • – einer Induktivität, welche zwischen dem Knoten und dem dritten Anschluss angeordnet ist, und
    • – eine Transistorsteuerschaltung mit zwei Eingängen, welche mit dem dritten Anschluss bzw. mit dem vierten Anschluss verbunden sind, sowie einem Ausgang, welcher mit einem Steueranschluss des Transistors verbunden ist, wobei die Transistorsteuerschaltung den Transistor ausschaltet, wenn die Ausgangsspannung über die zwei Eingänge eine vorbestimmte Begrenzungsspannung überschreitet.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Idee ist es, die Ausgangsspannung mit einer vorbestimmten Begrenzungsspannung (obere Grenzspannung) zu vergleichen und einen Längstransistor auszuschalten, wenn die Ausgangsspannung eine vorbestimmte obere Grenzspannung überschreitet.
  • Ein wesentlicher Vorteil der vorgeschlagenen Anordnung ist es, dass somit möglich wird, die bereitgestellte Versorgungsspannung mit einem einfach gestalteten getakteten Spannungswandler auf beispielsweise 40 V zu begrenzen. Somit können sämtliche Schaltungsmodule eines nachgeschalteten Steuergeräts mit einer geringeren Spannungsfestigkeit ausgelegt werden. Ferner wird es möglich, bereits vorhandene Schaltungsteile, die für einen solchen Spannungsbereich ausgelegt sind, zu verwenden.
  • Der zweite und der vierte Anschluss können an dasselbe Bezugspotential, z. B. Massepotential angeschlossen sein.
  • Es ist vorteilhaft, wenn die Spannungsbegrenzungsschaltung eine Diode aufweist, deren Anode mit dem vierten Anschluss verbunden ist und deren Kathode mit dem Knoten verbunden ist. Eine solche Diode wirkt als Freilaufdiode, so dass sie beim Abschalten des Transistors den Strom durch die Induktivität übernimmt. Dies gewährleistet die Funktionsfähigkeit der Schaltung auch ohne besondere Dimensionierung der Induktivität und des Transistors.
  • Es ist ferner vorteilhaft, wenn die Spannungsbegrenzungsschaltung eine Diode aufweist, deren Anode mit dem dritten Anschluss verbunden ist und deren Kathode mit dem Knoten verbunden ist. Neben ihrer Funktion als Freilaufdiode ermöglicht es eine solche Diode, einen Transistor mit niedrigerer Durchbruchspannung zu verwenden.
  • Das Spannungsbegrenzungselement kann beispielsweise als Zeer-Diode ausgebildet sein. Der Transistor kann als MOSFET-Transistor ausgebildet sein, welcher als Längstransistor zwischen dem zweiten Anschluss und dem Knoten angeordnet ist, wobei der Ausgang der Transistorsteuerschaltung mit dem Gate des Transistors verbunden ist.
  • Die Induktivität kann beispielsweise als Stabkerndrossel ausgebildet sein. Eine solche Stabkerndrossel kann, zusätzlich zu ihrer Funktion im Rahmen der Spannungsbegrenzungsschaltung, zur Reduzierung der leitungsgebundenen EMV-Abstrahlung ausgelegt werden, so dass die Stabkerndrossel mit einer doppelten Funktionalität versehen werden kann.
  • Die Transistorsteuerschaltung kann eine Komparatorschaltung aufweisen, die die Ausgangsspannung mit einer oberen Grenzspannung vergleicht und den Transistor ausschaltet, wenn die Ausgangsspannung die obere Grenzspannung überschreitet. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass die Ausgangsspannung die obere Grenzspannung nicht überschreitet.
  • Die Transistorsteuerschaltung kann ferner eine Komparatorschaltung aufweisen, die die Ausgangsspannung mit einer unteren Grenzspannung vergleicht und den Transistor ausschaltet, wenn die Ausgangsspannung die untere Grenzspannung unterschreitet. Wenn sich die obere Grenzspannung von der unteren Grenzspannung unterscheidet, dann ist die Komparatorschaltung hysteresebehaftet.
  • ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt dabei:
  • 1 ein Schaltungsdiagramm, welches eine Spannungsbegrenzungsschaltung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
  • 2 ein Schaltungsdiagramm, welches eine Spannungsbegrenzungsschaltung nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
  • 3A einen Graphen, der den Verlauf der Generatorspannung U_Batt für den Fall eines Load-Dumps darstellt;
  • 3B einen Graphen, der den Verlauf der Ausgangsspannung U_out und der Spannung U_D1 darstellt;
  • 4A einen vergrößerten Ausschnitt aus 3A; und
  • 4B einen vergrößerten Ausschnitt aus 3B.
  • In allen Figuren der Zeichnungen sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente – sofern nichts Anderes angegeben ist – mit gleichen Bezugszeichen versehen worden.
  • 1 ist ein Schaltungsdiagramm, welches eine Spannungsbegrenzungsschaltung 10 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Eingangsseitig weist die Spannungsbegrenzungsschaltung 10 einen ersten Anschluss 11 und einen zweiten Anschluss 12 auf und ausgangsseitig weist die Spannungsbegrenzungsschaltung 10 einen dritten Anschluss 13 und einen vierten Anschluss 14 auf. Der zweite Anschluss 12 ist mit dem vierten Anschluss 14 verbunden und beide sind an Masse angeschlossen bzw. liegen auf Massepotential.
  • Der Generator (Lichtmaschine) eines Fahrzeugs erzeugt eine Gleichspannung U_batt, welche über einen Kabelbaum mit einer Induktivität L1 und einem Widerstand R1 an beliebigen Orten im Fahrzeug zur Verfügung gestellt werden kann. Ein Ende des Kabelbaums ist an den ersten Anschluss 11 angeschlossen.
  • Der negative Pol des Generators ist mit dem zweiten Anschluss 12 verbunden. Über den ersten Anschluss 11 und den zweiten Anschluss 12 kann somit die vom Generator bereitgestellte Gleichspannung U_batt abgegriffen werden. Hierbei ist zu beachten, dass der Widerstand des Kabelbaums einen leichten Spannungsabfall verursachen kann, so dass die an den Anschlüssen 11 und 12 zugeführte Spannung nicht unbedingt identisch mit der Generatorspannung U_batt ist.
  • Am ausgangsseitigen dritten Anschluss 13 vorgesehen wird eine Ausgangsspannung U_out bereitgestellt. Diese Ausgangsspannung U_out wird von der Spannungsbegrenzungsschaltung 10 so geregelt, dass sie auch im Falle eines Load-Dumps eine Maximalspannung von 40 V nicht überschreitet. Folglich ist es möglich, Steuergeräte (oder andere Schaltungsmodule) zwischen dem dritten Anschluss 13 und dem Masseanschluss 14 anzuschließen, die auf eine Maximalspannung von lediglich 40 V ausgelegt sind.
  • Im Folgenden wird zunächst die Schaltungsanordnung der Spannungsbegrenzungsschaltung 10 nach der ersten Ausführungsform beschrieben. Eine Zener-Diode D1 ist als Load-Dump-Diode zwischen den ersten Anschluss 11 und den zweiten Anschluss 12 (Masse) geschaltet, wobei die Kathode der Zener-Diode D1 mit dem ersten Anschluss 11 und die Anode der Zener-Diode D1 mit dem zweiten Anschluss 12 verbunden ist. Über die Zener-Diode D1 fällt die Spannung U_D1 ab.
  • Ein Transistor T1 ist zwischen dem ersten Anschluss 11 und einem Knoten 18 angeordnet. Der Transistor T1 ist ein MOSFET-Transistor, dessen Drain mit dem ersten Anschluss 11 und dessen Source mit dem Knoten 18 verbunden ist.
  • Zwischen dem Knoten 18 und dem dritten Anschluss 13 ist eine Spule L2 angeordnet. Diese Spule L2 kann beispielsweise als Stabkerndrossel ausgebildet sein, und zusätzlich dazu geeignet sein, die leitungsgebundene EMV-Abstrahlung zu reduzieren.
  • Weiterhin ist eine Transistorsteuerschaltung 17 vorgesehen, die eine Komparatorschaltung 15 und eine Treiberschaltung 16 aufweist. Die Komparatorschaltung 15 weist zwei Eingänge und einen Ausgang auf. Ein erster Eingang der Komparatorschaltung 15 ist mit dem dritten Anschluss 13 verbunden und ein zweiter Eingang der Komparatorschaltung 15 ist mit dem vierten Anschluss 14 (Masse) verbunden. Der Ausgang der Komparatorschaltung 15 ist mit einem Eingang der Treiberschaltung 16 verbunden, welche ausgangsseitig an das Gate des Transistors T1 angeschlossen ist. Weiterhin wird der Treiberschaltung 16 wie dargestellt auch die Source-Gate-Spannung des Transistors T1 zugeführt.
  • Zwischen den Masseanschluss 14 und den Knoten 18 ist eine Freilaufdiode D2 angeschlossen, wobei die Anode der Freilaufdiode D2 mit dem Massenanschluss 14 und die Kathode der Freilaufdiode D2 mit dem Knoten 18 verbunden ist.
  • Schließlich ist zwischen dem dritten Anschluss 13 und dem vierten Anschluss 14 ein Kondensator C1 vorgesehen. Dieser dient auch als Pufferkondensator und weist eine große Kapazität auf. Zwischen die ausgangsseitigen Anschlüsse 13 und 14 können Lasten, wie z. B. ein Steuergerät angeschlossen werden.
  • Die Transistorsteuerschaltung 17 erfüllt folgende Funktion: An den beiden Eingängen der Komparatorschaltung 15 liegen die Potentiale der Anschlüsse 13 und 14 an. Die Komparatorschaltung 15 vergleicht die Differenz zwischen diesen beiden Potentialen, also die Spannung U_out mit einer Referenzspannung beispielsweise von 36 V. Wenn die Spannung U_out die Referenzspannung von 36 V übersteigt, dann gibt die Komparatorschaltung 15 ein entsprechendes Steuersignal an die Treiberschaltung 16 aus. Die Treiberschaltung 16 schaltet daraufhin den Transistor T1 aus, indem sie das Gate des Transistors T1 entsprechend ansteuert.
  • Die Komparatorschaltung 15 ist hysteresebehaftet. Dies bedeutet, dass die Treiberschaltung 16 den Transistor T1 ausgeschaltet lässt, bis die Ausgangsspannung U_out unter eine zweite Referenzspannung fällt, die beispielsweise 33 V betragen kann. Die erste und die zweite Referenzspannung von 33 bzw. 36 V stellen somit eine obere und eine untere Grenzspannung (U_min) dar.
  • Im Folgenden wird die Operationsweise der Spannungsbegrenzungsschaltung 10 anhand der 3A und 3B sowie 4A und 4B erläutert. 3A zeigt einen Graphen, der den Verlauf der Generatorspannung U_Batt für den Fall eines Load-Dumps darstellt. 3B zeigt einen Graphen, der den entsprechenden Verlauf der Ausgangsspannung U_out und der Spannung U_D1 über der Zener-Diode D1 darstellt. 4A zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 3A und 4B zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 3B.
  • Vom Generator wird im Normalbetrieb eine Generatorspannung von beispielsweise etwa 24 V bereitgestellt. In diesem Zustand ist der Transistor T1 eingeschaltet. Der interne Widerstand des Kabelbaums bewirkt einen leichten Spannungsabfall, so dass die an den Anschlüssen 11 und 12 anliegende Generatorspannung sowie die Ausgangsspannung U_out beispielsweise etwa 20 V betragen.
  • Die Fahrzeugbatterie wird bei laufendem Motor durch die vom Generator bereitgestellte Generatorspannung U_Batt aufgeladen. Dabei kann sie beispielsweise an die Anschlüsse 11 und 12 angeschlossen sein. Wird die Batterie in diesem Zustand vom Generator getrennt, zum Beispiel weil sich ein Anschluss der Batterie beispielsweise durch Wackelkontakt gelöst hat, dann tritt wie oben beschrieben ein Load-Dump-Puls auf: Durch das Wegfallen der Batterielast sinkt die Gesamtlast mit welcher der Generator belastet wird. Daraufhin steigt die vom Generator bereitgestellte Generatorspannung stark an, und zwar innerhalb von wenigen Millisekunden auf bis zu 200 V. Dies ist in 3A dargestellt.
  • Gleichzeitig mit dem Load-Dump-Puls steigt auch die Spannung U_D1, die über der Zener-Diode D1 abfällt, also die Spannung über die Anschlüsse 11 und 12, und, da der Transistor T1 eingeschaltet ist, auch die Ausgangsspannung U_out. Übersteigt die Ausgangsspannung U_out nun die obere Grenzspannung (U_max) von 36 V, dann wird dieses Übersteigen der oberen Grenzspannung von der Komparatorschaltung 15 erfasst und die Komparatorschaltung 15 gibt ein Signal an die Treiberschaltung 16 aus, welches die Treiberschaltung 16 veranlasst, den Transistor T1 abzuschalten. In diesem Zustand versucht die Induktivität L2 der Stabdrossel den fließenden Strom aufrechtzuerhalten und lädt den Kondensator C1 auf. Durch die Freilaufdiode D2 wird der Stromkreis komplettiert. Mit anderen Worten, ein (mit der Zeit abnehmender) Strom fließt durch die Drossel L2, über den (relativ groß dimensionierten) Kondensator C1 und über die Freilaufdiode D2 zurück zur Drossel L2.
  • In dieser Situation dient der Kondensator C1 als Energiespeicher und eventuell an den Klemmen 13 und 12 angeschlossene Lasten, wie z. B. ein Steuergerät, werden aus der im Kondensator C1 gespeicherten elektrischen Energie gespeist. Somit sinkt die Spannung U_out. Fällt nun die Spannung U_out unter die untere Grenzspannung von 33 V, dann wird dieses Unterschreiten der unteren Grenzspannung von der Komparatorschaltung 15 erfasst und die Komparatorschaltung 15 gibt ein Signal an die Treiberschaltung 16 aus, welches die Treiberschaltung 16 veranlasst, den Transistor T1 wieder einzuschalten.
  • Aufgrund des eingeschalteten Transistors T1 beginnt die Ausgangsspannung U_out nun wieder zu steigen und der oben beschriebene Vorgang wiederholt sich. Das Ergebnis ist eine, wie in 3B dargestellt, zunächst im Wesentlichen zwischen den Werten 34 V und 37 V zick-zack-förmig verlaufende Ausgangsspannung U_out. Aufgrund der weiterhin ansteigenden Spannung U_batt werden dabei die Abstände zwischen den Spannungsspitzen von U_out kürzer. Ferner wird die Flanke, mit der die Ausgangsspannung U_out bei eingeschaltetem Transistor T1 ansteigt mit zunehmender Eingangsspannung U_batt steiler, so dass aufgrund der Signallaufzeiten in der Transistorsteuerschaltung 17 der Transistor T1 erst abgeschaltet wird, wenn die Eingangsspannung U_batt auf eine Spannung oberhalb der oberen Grenzspannung von 37 V angestiegen ist. Allerdings steigt die Ausgangsspannung U_out auch bei einer Spannung U_batt von maximal 200 V nicht oder nur unwesentlich über 40 V.
  • 3B zeigt ferner die Spannung U_D1, die über die Zeer-Diode D1 abfällt. U_D1 steigt zunächst mit der Ausgangsspannung U_out an. In dem Moment, in dem die Treiberschal tung 16 den Transistor T1 abschaltet, versucht die Kabelbauminduktivität den Stromfluss vom Generator zum Anschluss 11 aufrechtzuerhalten, so dass die Spannung U_D1 rapide ansteigt. Die Zener-Diode D1 hat, je nach Temperatur und Strom der Diode, eine Durchbruchsspannung von beispielsweise etwa 44 V. Bei Erreichen dieser Durchbruchsspannung wird die Zener-Diode D1 niederohmig, so dass die Spannung U_D1 im Wesentlichen auf diese Durchbruchspannung begrenzt wird. Wenn T1 von der Treiberschaltung 16 wieder leitend geschaltet wird, dann steht dem Strom durch L1 auch wieder der Zweig durch den Transistor T1 und die Drossel L2 zur Verfügung, so dass in diesem Moment die Spannung U_D1 rapide abfällt.
  • Zwar beträgt der Nennwert der Durchbruchspannung der Zener-Diode D1 etwa 44 V, allerdings ist diese Durchbruchspannung sehr stark von ihrer Temperatur und ihrem Strom abhängig. Mit der Zeit heizt sich die Zener-Diode D1 auf, so dass auch die Durchbruchspannung, wie in 3B dargestellt, auf über 50 V ansteigt.
  • Wie aus 3B ersichtlich ist, liegt die Ausgangsspannung U_out auch bei lang anhaltenden Load-Dump-Pulsen bei maximal etwa 40 V. Dies bedeutet, dass am Ausgang Lasten angeschlossen werden können, die lediglich für eine Maximalspannung von 40 V ausgelegt sind.
  • 2 ist ein Schaltungsdiagramm, welches eine Spannungsbegrenzungsschaltung 20 nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • Wenn bei der Spannungsbegrenzungsschaltung 10 im Falle eines Load-Dumps der Transistor T1 sperrt und die Diode D2 leitend wird, dann wird das Potential des Knotens 18 auf Masse oder sogar etwa –1 V heruntergezogen. Folglich ist die Source-Drain-Spannung von T1 im Wesentlichen identisch mit U_D1 und kann hohe Werte von über 50 V annehmen. Der Transistor T1 müsste für dementsprechend hohe Spannungen ausgelegt sein, um ein Durchbrechen des Transistors T1 zu verhindern. Die Spannungsbegrenzungsschaltung 20 der zweiten Ausführungsform ist dagegen so ausgelegt, dass auch ein Transistor T1 mit einer geringeren Durchbruchspannung eingesetzt werden kann.
  • Die Spannungsbegrenzungsschaltung 20 unterscheidet sich insofern von der Spannungsbegrenzungsschaltung 10 in 1, dass anstelle der Freilaufdiode D2 eine Freilaufdiode D3 vorgesehen ist. Die Anode der Freilaufdiode D3 ist mit dem dritten Anschluss 13 verbunden und die Kathode der Freilaufdiode D3 ist mit dem Knoten 18 verbunden. Die Freilaufdiode D3 ist also antiparallel zu der Drossel L1 geschaltet. Andere Aspekte der Spannungsbegrenzungsschaltung 20 gleichen der Spannungsbegrenzungsschaltung 10 und werden daher im Folgenden nicht näher erläutert.
  • Auch die Diode D3 dient also als Freilaufdiode für den Strom, der durch die Drossel L1 fließt, wenn der Transistor T1 abschaltet. Weiterhin bewirkt die Diode D3, dass der maximale Spannungsabfall über den Transistor T1 (also die maximale Source-Drain-Spannung von T1) nie größer werden kann als die Differenz zwischen der Zener-Diodenspannung U_D1 und der Ausgangsspannung U_out, also U_D1 – U_out. Bei dieser Schaltungsanordnung wird der Knoten 18 nämlich nicht wie in der ersten Ausführungsform auf Masse gezogen. Folglich kann ein Transistor T1 mit einer geringeren Durchbruchspannung eingesetzt werden, zum Beispiel ein 40 V-FET.
  • Obwohl die obige Ausführungsform vorstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere sind verschiedene Merkmale der oben beschriebenen Ausgestaltungen miteinander kombinierbar.
  • So wurde in den beiden oben beschriebenen Ausführungsbeispielen jeweils eine Freilaufdiode verwendet. Es ist jedoch auch möglich, bei entsprechender Dimensionierung der Drossel L2 und geeigneter zulässiger Avalancheenergie des Transistors T1, auf die Freilaufdiode zu verzichten. Die Freilaufdiode D2 bzw. D3 ist also optional.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10349629 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Spannungsbegrenzungsschaltung (10, 20) zum Begrenzen einer von einem Generator in einem Kraftfahrzeug bereitgestellten Spannung (U_batt), welche über einen ersten Anschluss (11) und einen zweiten Anschluss (12) an die Spannungsbegrenzungsschaltung (10, 20) anlegbar ist, wobei die Spannungsbegrenzungsschaltung (10, 20) eine begrenzte Spannung über einen dritten Anschluss (13) und einen vierten Anschluss (14) als Ausgangsspannung (U_out) bereitstellt, mit – einem Spannungsbegrenzungselement, welches zwischen dem ersten Anschluss (11) und dem zweiten Anschluss (12) angeschlossen ist und einen leitenden Zustand annimmt wenn die Spannung zwischen dem ersten Anschluss (11) und dem zweiten Anschluss (12) eine Durchbruchspannung übersteigt, – einem Kondensator (C1), welcher zwischen dem dritten Anschluss (13) und dem vierten Anschluss (14) angeordnet ist, – einem Transistor (T1), welcher zwischen dem ersten Anschluss (11) und einem Knoten (18) angeordnet ist, – einer Induktivität (L2), welche zwischen dem Knoten (18) und dem dritten Anschluss angeordnet ist, und – eine Transistorsteuerschaltung (17) mit zwei Eingängen, welche mit dem dritten Anschluss (13) bzw. mit dem vierten Anschluss (14) verbunden sind, sowie einem Ausgang, welcher mit einem Steueranschluss des Transistors (T1) verbunden ist, wobei die Transistorsteuerschaltung (17) den Transistor (T1) ausschaltet, wenn die Ausgangsspannung (U_out) über die zwei Eingänge eine vorbestimmte Begrenzungsspannung überschreitet.
  2. Spannungsbegrenzungsschaltung (10, 20) nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend eine Diode (D2), deren Mode mit dem vierten Anschluss (14) verbunden ist und deren Kathode mit dem Knoten (18) verbunden ist.
  3. Spannungsbegrenzungsschaltung (10, 20) nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin aufweisend eine Diode (D2), deren Anode mit dem dritten Anschluss (13) verbunden ist und deren Kathode mit dem Knoten (18) verbunden ist.
  4. Spannungsbegrenzungsschaltung (10, 20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spannungsbegrenzungselement als Zener-Diode (D1) ausgebildet ist.
  5. Spannungsbegrenzungsschaltung (10, 20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Transistor (T1) als MOSFET-Transistor ausgebildet ist, welcher als Längstransistor zwischen dem zweiten Anschluss (12) und dem Knoten (18) angeordnet ist.
  6. Spannungsbegrenzungsschaltung (10, 20) nach Anspruch 5, wobei der Ausgang der Transistorsteuerschaltung (17) mit dem Gate des Transistors (T1) verbunden ist.
  7. Spannungsbegrenzungsschaltung (10, 20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Induktivität (L2) als Stabkerndrossel ausgebildet ist.
  8. Spannungsbegrenzungsschaltung (10, 20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Transistorsteuerschaltung (17) eine Komparatorschaltung (15) aufweist, die die Ausgangsspannung (U_out) mit einer oberen Grenzspannung (U_max) vergleicht und die Transistorsteuerschaltung (17) den Transistor (T1) ausschaltet, wenn die Ausgangsspannung (U_out) die obere Grenzspannung (U_max) überschreitet.
  9. Spannungsbegrenzungsschaltung (10, 20) nach Anspruch 8, wobei die Komparatorschaltung (15) die Ausgangsspannung (U_out) mit einer unteren Grenzspannung (U_min) vergleicht und die Transistorsteuerschaltung (17) den Transistor (T1) ausschaltet, wenn die Ausgangsspannung (U_out) die untere Grenzspannung (U_min) unterschreitet.
  10. Spannungsbegrenzungsschaltung (10, 20) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die obere Grenzspannung (U_max) größer ist als die untere Grenzspannung (U_min).
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