DE102007041674B4

DE102007041674B4 - Elektrischer Schaltkreis mit integriertem Schutz vor Ausgleichsvorgängen

Info

Publication number: DE102007041674B4
Application number: DE102007041674.3A
Authority: DE
Inventors: Rune Thomsen
Original assignee: Secop GmbH
Current assignee: Secop GmbH
Priority date: 2006-09-21
Filing date: 2007-09-01
Publication date: 2017-12-28
Anticipated expiration: 2027-09-02
Also published as: ITTO20070651A1; DE102007041674A1; CN101150250A; US20080074064A1; US8063597B2

Abstract

Elektrischer Schaltkreis zur Bereitstellung von Energie für einen Gleichstromverbraucher, wobei der elektrische Schaltkreis folgendes aufweist: – eine Gleichstromquelle (1) mit einem Klemmensatz, wobei die Gleichstromquelle zusätzlich mit einem Wechselstromerzeugerladeschaltkreis (2), welcher zum Laden der Gleichstromquelle (1) vorgesehen ist, verbindbar ist, – einen Feldeffekttransistor (FET) (T7) mit einem Quellenanschluss, einem Senkenanschluss und einem Gatteranschluss, wobei der FET so mit den Klemmen der Gleichstromquelle (1) verbunden ist, dass der Senkenanschluss des FET (T7) mit einer negativen Klemme der Gleichstromquelle (1) verbunden ist, und – einen Kondensator (8), verbunden über den Gatteranschluss und den Quellenanschluss des FET (T7), wobei der Kondensator (8), zusammen mit einer Kapazität des Gatteranschlusses des FET (T7), einen Kapazitätswert (C) definiert, und – eine Diode (10), die zwischen der Positivklemme der Gleichstromquelle (1) und dem Gatteranschluss des FET (T7) angeschlossen ist.

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Schaltkreis zur Bereitstellung von Energie für einen Gleichstromverbraucher. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen elektrischen Schaltkreis wie oben definiert, der imstande ist, einen Schutz für die Komponenten des elektrischen Schaltkreises zu leisten, wenn ein Wechselstromerzeugerladeschaltkreis irrtümlich verpolt mit einer Batterie des elektrischen Schaltkreises verbunden wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Batteriebetriebene elektronische Geräte, z.B. mobile elektronische Geräte, beispielsweise Geräte, die in Fahrzeugen angebracht sind, können Hochenergie-Spannungsausgleichsvorgängen ausgesetzt werden, z.B. wenn die Batterie irrtümlich von einem Wechselstromerzeugerladeschaltkreis entkoppelt wird. Solche Spannungsausgleichsvorgänge werden auch "Belastungsunterbrechungstransiente" genannt, und können den Geräten schwere Schäden zuführen. Es ist deshalb wünschenswert, die Geräte vor solchen Ausgleichsvorgängen zu schützen.
Im Stand der Technik gibt es drei verschiedene Lösungen zum Schutz von elektronischen Geräten vor Belastungsunterbrechungstransienten.

1. Eine bidirektionelle Diode, angeordnet am Eingang der elektronischen Einheit.
2. Ein MOSFET, angeordnet in der Positivschiene der Batterie.
3. Ein Relais, angeordnet in der Positivschiene der Batterie.

Obwohl diese Maßnahmen den gewünschten Schutz leisten, werden für diese Lösungen relativ große Komponenten verwendet, die zusätzlich noch wesentliche Energieverluste im elektrischen Schaltkreis verursachen. Entsprechend ist das Ergebnis ein großer und energieaufwendiger Schaltkreis. Dies ist ein großer Nachteil.
Außerdem ist es wünschenswert, die Möglichkeit beizubehalten, das elektronische Gerät vor Schäden zu schützen, die dadurch entstehen, dass ein Wechselstromerzeugerladeschaltkreis irrtümlich verpolt mit einer Gleichstromquelle verbunden wird. In diesem Fall muss der Schaltkreis unterbrochen werden, um zu vermeiden, dass ein Strom im Schaltkreis läuft. Dies kann mit Hilfe eines Feldeffekttransistors (FET) erreicht werden.
In US 5 109 162 A wird beispielsweise ein Schaltkreis offenbart der unter anderem einen FET umfassen kann. Der Schaltkreis dient dazu, eine Vielzahl an Spulen vor einer irrtümlichen Verpolung bei der Verbindung mit einer externen Stromquelle zu schützen.
Die US 7 310 006 B2 zeigt eine integrierte Halbleiterschaltung mit einem eigenen Schutzkreis, welcher dem Überspannungsschutz eines Ausgangstransistors dient.
Die US 7 400 111 B2 offenbart schließlich eine Fahrzeugbatterie sowie eine elektrische Montageeinheit zur kabellosen Verbindung einer Fahrzeugbatterie mit einer elektrischen Einheit eines Fahrzeuges, wobei die Montageeinheit das Risiko einer Unterbrechung der Verbindung zwischen der elektrischen Einheit und der Batterie auf Grund von Fahrzeugvibrationen minimieren soll.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, einen elektronischen Schaltkreis bereitzustellen, der einen Schutz gegen Belastungsunterbrechungstransiente bietet, und der kompakter ist als ähnliche elektrische Schaltkreise aus dem Stand der Technik.
Es ist außerdem eine Aufgabe der Erfindung, einen elektronischen Schaltkreis bereitzustellen, der einen Schutz gegen Belastungsunterbrechungstransiente bietet, und der weniger energieaufwendig ist als ähnliche elektrische Schaltkreise aus dem Stand der Technik.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen elek-tronischen Schaltkreis bereitzustellen, der einen Schutz gegen Belastungsunterbrechungstransiente bietet, wobei noch die Möglichkeit eines Schutzes gegen irrtümliche Verpolung eines mit einer Gleichstromquelle des Schaltkreises verbundenen Wechselstromerzeugerladeschaltkreises beibehalten ist.
Gemäß der Erfindung werden die obigen und andere Aufgaben durch die Bereitstellung eines elektrischen Schaltkreises für die Energieversorgung eines Gleichstromgerätes gelöst, wobei der elektrische Schaltkreis folgendes umfasst:

– Eine Gleichstromquelle mit einem Klemmensatz, wobei die Gleichstromquelle zusätzlich mit einem Wechselstromerzeugerladeschaltkreis, welcher zum Laden der Gleichstromquelle vorgesehen ist, verbindbar ist,
– einen Feldeffekttransistor (FET) mit einem Quellenanschluss, einem Senkenanschluss und einem Gatteranschluss, wobei der FET so mit den Klemmen der Gleichstromquelle verbunden ist, dass der Senkenanschluss des FET mit einer negativen Klemme der Gleichstromquelle verbunden ist, und
– einen Kondensator, der mit dem Gatteranschluss und dem Quellenanschluss des FET verbunden ist, wobei der Kondensator, zusammen mit einer Kapazität des Gatteranschlusses des FET, einen Kapazitätswert C definiert, und
– eine Diode, die zwischen der Positivklemme der Gleichstromquelle und dem Gatteranschluss des FET angeschlossen ist.

Der Wechselstromerzeugerladeschaltkreis ist zum Laden einer Gleichstromquelle vorgesehen. Wenn der elektrische Schaltkreis zur Energieversorgung eines mobilen Gerätes angewandt wird, das in einem Fahrzeug angebracht ist, z.B. einem Auto, einem LKW, einem Schiff, einem Flugzeug usw., kann der Wechselstromerzeugerschaltkreis einen Motor zum Betreiben des Fahrzeuges sein oder umfassen.
Der FET ist so mit den Klemmen der Gleichstromquelle verbunden, dass der Senkenanschluss des FET mit einer negativen Klemme der Gleichstromquelle verbunden ist. Dabei ist der FET dafür vorgesehen, den elektrischen Schaltkreis sowie das damit versorgte Gleichstromgerät gegen Schäden und andere nachteilige Wirkungen zu schützen, wenn ein Wechselstromerzeugerladeschaltkreis irrtümlich verpolt mit der Gleichstromquelle verbunden wird. Dies wird folgendermaßen erreicht.
Wenn ein Wechselstromerzeugerladeschaltkreis irrtümlich verpolt mit der Gleichstromquelle verbunden wird, wird der Spannungsabfall zwischen dem Gatteranschluss und dem Quellenanschluss des FET unter einen Grenzwert absinken, und dies bewirkt die Öffnung eines Schalters im FET. Dadurch wird der Schaltkreis unterbrochen und es ist für den Strom nicht möglich, durch den Schaltkreis zu fließen. Entsprechend werden die Komponenten des Schaltkreises und das damit versorgte Gerät geschützt.
Sollte der Wechselstromerzeugerladeschaltkreis irrtümlich von der Gleichstromquelle entkoppelt werden, wobei ein Belastungsunterbrechungstransient entsteht, ist die Wirkung die gleiche, wie oben beschrieben, d.h. der Schalter des FET wird öffnen, um den Strom daran zu hindern, durch den Schaltkreis zu fließen. Ein Belastungsunterbrechungstransient wird aber normalerweise eine ausreichend hohe Spannung enthalten, um eine im FET angebrachte Gleichrichterdiode zu passieren, wobei der FET einer Lawinenspannung ausgesetzt wird. Der FET sowie andere Komponenten des Schaltkreises und/oder das vom Schaltkreis gespeiste Gleichstromgerät können dadurch schwer beschädigt werden.
Gemäß der Erfindung wird das oben erwähnte Problem durch Anschließen eines Kondensators am Gatteranschluss und Quellenanschluss des FET gelöst. Wenn eine Verpolung oder ein Belastungsunterbrechungstransient erfolgt, wird der Kondensator geladen und nachfolgend allmählich entladen. Entsprechend wird der Spannungsabfall zwischen dem Gatteranschluss und dem Quellenanschluss des FET nicht umgehend, sondern allmählich absinken. Es wird deshalb eine Weile dauern, bevor der Spannungsabfall den Schwellenwert erreicht, und dadurch wird auch die Öffnung des FET-Schalters verzögert. Da Ausgleichsvorgänge (Transiente) normalerweise von kurzer Dauer sind, wird diese Verzögerung lange genug dauern, um es einem Belastungsunterbrechungstransienten zu erlauben, den FET durch den geschlossenen Schalter zu passieren, und es wird dadurch verhindert, dass ein Lawinendurchbruch im FET hervorgerufen wird. Weil andererseits, der Schalter nach der Zeitverzögerung geöffnet wird, ist immer noch sichergestellt, dass die Komponenten des Schaltkreises und/oder das Gleichstromgerät geschützt sind, wenn ein Wechselstromerzeugerladeschaltkreis irrtümlich verpolt mit der Gleichstromquelle verbunden wird, wie oben beschrieben.
Der elektronische Schaltkreis weist zusätzlich eine Diode auf, die zwischen der Positivklemme der Gleichstromquelle und dem Gatteranschluss des FET angeschlossen ist. Die Diode kann zur Regelung der Dauer der Zeitverzögerung verwendet werden, die durch das Vorhandensein des Kondensators verursacht wird, weil die Diode, wenn sie korrekt angebracht ist, den Kondensator daran hindern wird, umgehend zu entladen.
Gemäß der Erfindung wird somit ein elektrischer Schaltkreis bereitgestellt, der imstande ist, die Komponenten des Schaltkreises sowie ein damit gespeistes Gerät gegen Schäden und andere nachteilige Wirkungen zu schützen, die aufgrund einer Verpolung und/oder Belastungs-unterbrechungstransiente entstehen. Außerdem wird dies mit Hilfe eines Kondensators erreicht, der eine sehr viel kleinere Komponente ist als die, die bisher für diesen Zweck verwendet wurden, und der Energieverlust ist auch erheblich reduziert, weil im Kondensator eine sehr viel kleinere Menge an Energie abgeleitet wird, als in den bisher verwendeten Komponenten. Entsprechend wird ein weniger umfangreicher Schaltkreis, der auch noch energiesparend ist, erhalten.
Vorteilhafterweise ist der FET ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET). qaqwaAlternativ kann ein IGBT angewandt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann der elektrische Schaltkreis einen Widerstand aufweisen, der einen Widerstandswert R hat und zwischen der Positivklemme der Gleichstromquelle und dem Gatteranschluss des FET geschaltet ist. In diesem Fall definieren der Kapazitätswert C und der Widerstandswert R eine als das Produkt aus Widerstandswert (R) und Kapazitätswert (C) definierte Zeitkonstante τ = R·C, die die Zeitverzögerung definiert, die vergeht, bis der Schalter des FET geöffnet wird. Der Kapazitätswert C und der Widerstandswert R sollten so gewählt werden, dass eine gewünschte Zeitverzögerung erzielt wird. Die Zeitverzögerung sollte vorzugsweise lang genug sein, um Transiente mit einer erwarteten Dauer durchzulassen, und kurz genug, um Beschädigungen von Komponenten wegen einer irrtümlichen Verpolung zu verhindern.
Es sollte bemerkt werden, dass der Kapazitätswert C die Kombination einer Kapazität des Kondensators und einer inneren Kapazität des Gatteranschlusses des FET ist. Damit ist C der effektive Kapazitätswert des Kondensators, d.h. der Kapazitätswert, der von dem elektrischen Schaltkreis "gesehen" wird.
Der Kapazitätswert C und der Widerstandswert R können so gewählt werden, dass τ = R·C innerhalb des Zeitintervalls 1 ms bis 20 ms, z.B. zwischen 2 ms und 17 ms, beispielsweise zwischen 5 ms und 15 ms, wie ungefähr 10 ms, ist. Alternativ können der Kapazitätswert C und der Widerstandswert R so gewählt werden, dass eine Zeitverzögerung einer anderen Dauer erzielt wird, die für die spezifische Situation angemessen ist.
Vorzugsweise kann die Gleichstromquelle eine Batterie sein. Dies wird normalerweise der Fall sein, wenn das von dem elektrischen Schaltkreis zu versorgende Gerät wie oben beschrieben in einem Fahrzeug angewandt wird.
Der elektrische Schaltkreis kann für die Versorgung eines Gleichstrommotors vorgesehen sein, z.B. eines bürstenlosen Gleichstrommotors.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Die Zeichnungen zeigen:
1 ein Diagramm über einen elektrischen Schaltkreis nach dem Stand der Technik, das den Stromfluss während einer Belastungsunterbrechungstransiente zeigt,
2 ein Diagramm des elektrischen Schaltkreises nach einer Ausführung der Erfindung,
3 eine graphische Darstellung der Zeitverzögerung, die aufgrund des Vorhandenseins eines Kondensators in einem elektrischen Schaltkreis nach einer Ausführung der Erfindung entsteht.
NÄHERE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm eines elektrischen Schaltkreises nach dem Stand der Technik, mit einer Gleichstromquelle 1 verbunden mit einem Wechselstromerzeugerladeschaltkreis 2. Der elektrische Schaltkreis ist mit einem Wechselrichter 3 verbunden, der wiederum mit drei Motorspulen eines Gleichstrommotors 4 verbunden ist. Der Wechselrichter weist sechs Schaltgeräte T1–T6 zur Regelung der Kommutierung der Motorspulen auf. Ein Senkenanschluss eines Schutz-MOSFET T7 ist verbunden mit einer Negativklemme der Gleichstromquelle 1. Sowohl der Gatteranschluss als auch der Quellenanschluss des Schutz-MOSFET T7 sind mit einer Positivklemme der Gleichstromquelle 1 verbunden. Eine Zenerdiode 5 regelt die Öffnung eines internen Schalters 6 des MOSFET T7 im Falle einer Verpolung wie oben beschrieben.
Sollte der Wechselstromerzeugerladeschaltkreis 2 irrtümlich von der Gleichstromquelle 1 getrennt werden, wird ein Belastungsunterbrechungstransient wie oben beschrieben entstehen. Dieser wird den internen Schalter 6 des Schutz-MOSFET T7 öffnen. Die Spannung des Belastungsunterbrechungstransienten wird aber normalerweise ausreichen, um die interne Diode 7 des Schutz-MOSFET T7 zu passieren, wobei sie einen Lawinendurchbruch beim Schutz-MOSFET auslöst. Als Ergebnis wird Strom über den mit Pfeilen angegebenen Pfad durch den elektrischen Schaltkreis fließen, und es gibt eine erhebliche Gefahr für eine Beschädigung der Komponente des elektrischen Schaltkreises, insbesondere des Schutz-MOSFET T7.
2 ist ein Diagramm über einen elektrischen Schaltkreis nach einer Ausführung der Erfindung. Dieses Diagramm ist dem Diagramm in 1 ähnlich, und entsprechende Teile sind deshalb mit entsprechenden Hinweisnummern versehen.
In dem Diagramm der 2 ist ein Kondensator 8 über dem Gatteranschluss und dem Quellenanschluss des Schutz-MOSFET T7 geschaltet, d.h. parallel zur Zenerdiode 5. Sollte ein Belastungsunterbrechungstransient erscheinen, wird der Kondensator 8 geladen und nachfolgend entladen, was die Öffnung des internen Schalters 6 vom Schutz-MOSFET T7 wie oben beschrieben verzögert.
Der elektrische Schaltkreis weist auch einen Widerstand 9 und eine Diode 10 auf, die zwischen einer Positivklemme der Gleichstromquelle 1 und dem Gatteranschluss des Schutz-MOSFET T7 geschaltet sind. Wenn der Widerstandswert des Widerstandes 9 und der Kapazitätswert des Kondensators 8 passend gewählt werden, kann eine gewünschte Zeitverzögerung wie oben beschrieben erzielt werden. Die Zeitverzögerung sollte lang genug sein, um vor Öffnen des internen Schalters 6 einem Belastungsunterbrechungstransienten die Passage durch den Schutz-MOSFET T7 zu erlauben, und kurz genug, um eine Beschädigung durch eine Verpolung des Wechselstromerzeugerladeschaltkreises 2 zu verhindern.
3 ist eine graphische Darstellung der Zeitverzögerung aufgrund des Vorhandenseins eines Kondensators in einem elektrischen Schaltkreis nach einer Ausführung der Erfindung. Vorteilhafterweise könnte der elektrische Schaltkreis dem elektrischen Schaltkreis in 2 entsprechen, und die Hinweisnummern im Folgenden verweisen deshalb auf die 2. Die graphische Darstellung zeigt den Spannungsabfall V_gs zwischen dem Gatteranschluss und dem Quellenanschluss des Schutz-MOSFET T7 als eine Funktion der Zeit. Eingangs ist der Spannungsabfall ungefähr 15 V, und der interne Schalter 6 des Schutz-MOSFET T7 ist geschlossen. Ein Belastungsunterbrechungstransient oder eine Verpolung erscheint, und der Kondensator lädt und entlädt wie oben beschrieben. Während der Entladung des Kondensators wird der Spannungsabfall V_gs reduziert, bis es den Schwellenwert V_gs(th) erreicht. In der graphischen Darstellung in 3 geschieht dies nach etwa 10 ms. Zu diesem Zeitpunkt öffnet der interne Schalter 6 des Schutz-MOSFET T7 wie oben beschrieben.

Claims

Elektrischer Schaltkreis zur Bereitstellung von Energie für einen Gleichstromverbraucher, wobei der elektrische Schaltkreis folgendes aufweist: – eine Gleichstromquelle (1) mit einem Klemmensatz, wobei die Gleichstromquelle zusätzlich mit einem Wechselstromerzeugerladeschaltkreis (2), welcher zum Laden der Gleichstromquelle (1) vorgesehen ist, verbindbar ist, – einen Feldeffekttransistor (FET) (T7) mit einem Quellenanschluss, einem Senkenanschluss und einem Gatteranschluss, wobei der FET so mit den Klemmen der Gleichstromquelle (1) verbunden ist, dass der Senkenanschluss des FET (T7) mit einer negativen Klemme der Gleichstromquelle (1) verbunden ist, und – einen Kondensator (8), verbunden über den Gatteranschluss und den Quellenanschluss des FET (T7), wobei der Kondensator (8), zusammen mit einer Kapazität des Gatteranschlusses des FET (T7), einen Kapazitätswert (C) definiert, und – eine Diode (10), die zwischen der Positivklemme der Gleichstromquelle (1) und dem Gatteranschluss des FET (T7) angeschlossen ist.
Elektrischer Schaltkreis nach Anspruch 1, wobei der FET (T7) ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) ist.
Elektrischer Schaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der zusätzlich einen Widerstand (9) mit einem Widerstandswert (R) aufweist, der zwischen der Positivklemme der Gleichstromquelle (1) und dem Gatteranschluss des FET (T7) angeschlossen ist.
Elektrischer Schaltkreis nach Anspruch 3, in dem der Kapazitätswert (C) und der Widerstandswert (R) so gewählt werden, dass eine Zeitkonstante τ = R·C, welche als das Produkt aus Widerstandwert (R) und Kapazitätswert (C) definiert ist, innerhalb eines Zeitintervalls von 1 ms bis 20 ms liegt.
Elektrischer Schaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem die Gleichstromquelle (1) eine Batterie ist.
Elektrischer Schaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrische Schaltkreis zur Versorgung eines Gleichstrommotors (4) vorgesehen ist.
Elektrischer Schaltkreis nach Anspruch 6, wobei der elektrische Schaltkreis zur Versorgung eines bürstenlosen Gleichstrommotors (4) vorgesehen ist.