DE102008062633A1 - Control circuit for electronic circuit breaker i.e. insulated gate bipolar transistor-switching unit, has control unit adjusting value of resistor based on determined value, such that actual switching voltage falls below preset threshold - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für einen elektronischen Leistungsschalter nach dem Oberbegriff des Patenanspruchs 1 und eine korrespondierende steuerbare Schalteinrichtung mit einer solchen Steuerschaltung.The The invention relates to a control circuit for an electronic circuit breaker according to the preamble of patent claim 1 and a corresponding controllable switching device with such a control circuit.
Bei Leistungselektroniken für Elektroantriebe von Elektro- bzw. Hybridfahrzeugen werden große Ströme geschaltet, die eine Größenordnung von mehreren Hundert Ampere aufweisen können. Beim Abschalten dieser Ströme treten infolge des großen differentiellen Stromanteils, der eine Größenordnung von mehreren kA/μs aufweisen kann, hohe Induktionsspannungen auf, die eine Größenordnung von mehreren Hundert Volt aufweisen können. Dieses Problem wird mit jeder neuen Generation von elektronischen Leistungsschaltern, insbesondere bei Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (Insulated-Gate-Bipolar-Transistor), die nachfolgend als IGBT-Schaltelemente bezeichnet werden, schwerwiegender, da die Bauteile schneller und damit die Abschaltzeiten noch kürzer werden. Die kürzeren Schaltzeiten sind an sich von Vorteil, da die Umschaltverluste verringert werden. Durch die kürzeren Schaltzeiten erhöhen sich jedoch auch die Induktionsspannungen, was zu einer Schädigung des elektronischen Leistungsschalters führen kann. Durch eine Vergrößerung des Vorwiderstands des elektronischen Leistungsschalters kann die Abschaltzeit verlängert werden, um die entstehende Induktionsspannung zu reduzieren. Dadurch werden jedoch auch die Umschaltverluste des elektronischen Leistungsschalters vergrößert.at Power electronics for Electric drives of electric or hybrid vehicles are switched large currents, the one order of magnitude of several hundred amperes. When switching off this streams occur as a result of the large differential Current share of an order of magnitude several kA / μs can exhibit high induction voltages on, of an order of magnitude of several hundred volts. This problem comes with every new generation of electronic circuit breakers, in particular in isolated-gate bipolar transistors (insulated gate bipolar transistor), the following as IGBT switching elements be called, more serious, as the components faster and thus the switch-off times are even shorter become. The shorter switching times are in themselves advantageous because the switching losses are reduced. Due to the shorter switching times increase However, the induction voltages, resulting in damage to the can lead to electronic circuit breaker. By enlarging the Resistor resistance of the electronic circuit breaker can the shutdown time extended to reduce the resulting induction voltage. Thereby However, also the switching losses of the electronic circuit breaker increased.
Bei den heute verfügbaren Batteriesystemen ist man jedoch gezwungen, die Ladespannung so hoch wie möglich einzustellen, um in den Batteriesystemen eine möglichst große Energiemenge zu speichern. Bei einem Abschaltvorgang addiert sich die entstehende Induktionsspannung zu einer zu schaltenden Batteriespannung von beispielsweise ca. 400 V. Durch die sich ergebende Summenspannung kann der elektronischen Leistungsschalter zerstört werden, wobei eine maximale Batteriespannung unter Last nur für eine kurze Zeitspanne anliegt, die eine Größenordnung von maximal mehreren Sekunden aufweist.at the ones available today Battery systems, however, one is forced, the charging voltage so high as possible to set in the battery systems to save the largest possible amount of energy. During a shutdown process, the resulting induction voltage is added to a battery voltage to be switched, for example, approx. 400 V. Due to the resulting sum voltage of the electronic Circuit breaker destroyed be, with a maximum battery voltage under load only for a short Time lapse, which is an order of magnitude of a maximum of several seconds.
Da die elektronischen Leistungsschalter auch durch kurzfristige Spannungsspitzen zerstört werden können, kann daher zur Lösung des Problems entweder die zu schaltende Batteriespannung reduziert werden oder ein elektronischer Leistungsschalter aus einer höheren Spannungsfestigkeitsklasse verwendet werden. Durch die reduzierte Batteriespannung reduziert sich jedoch auch die gespeicherte Energie und damit die Reichweite des Fahrzeugs, und durch die Verwendung des elektronischen Leistungsschalters aus der höheren Spannungsklasse vergrößert sich jedoch die erforderliche Chipfläche, wodurch die Kosten steigen und der Wirkungsgrad schlechter wird.There the electronic circuit breakers also by short-term surges be destroyed can, can therefore solve the problem either reduces the battery voltage to be switched or an electronic circuit breaker of a higher dielectric strength class be used. Reduced by the reduced battery voltage but also the stored energy and thus the range of the vehicle, and by the use of the electronic circuit breaker from the higher Voltage class increases however, the required chip area, which increases costs and reduces efficiency.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Steuerschaltung für einen elektronischen Leistungsschalter und eine korrespondierende steuerbare Schalteinrichtung anzugeben, welche die oben genannten Unzulänglichkeiten des Standes der Technik vermeiden oder zumindest abschwächen.task The invention is a control circuit for an electronic circuit breaker and to provide a corresponding controllable switching device, which the above shortcomings avoid the prior art or at least mitigate.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch Bereitstellung einer Steuerschaltung für einen elektronischen Leistungsschalter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einer steuerbaren Schalteinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5.The Invention solves this object by providing a control circuit for a electronic circuit breaker having the features of the claim 1 and a controllable switching device with the features of Patent claim 5.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.advantageous embodiments and further developments of the invention are specified in the dependent claims.
Erfindungsgemäß ist ein Vorwiderstand, über den ein elektronischer Leistungsschalter ansteuerbar ist, veränderbar ausgeführt, wobei eine Auswerte- und Steuereinheit vor einem Schaltvorgang, insbesondere einem Abschaltvorgang, des elektronischen Leistungsschalters einen Wert einer aktuell zu schaltenden Spannung ermittelt und einen Widerstandswert des veränderbaren Vorwiderstands in Abhängigkeit vom ermittelten Wert der aktuell zu schaltenden Spannung temporär so einstellt, dass eine wirkliche Schaltspannung, welche sich aus der Summe der aktuell zu schaltenden Spannung und einer zu erwarteten durch den Schaltvorgang erzeugten Induktionsspannung zusammensetzt, einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet. Die Einstellbarkeit des Vorwiderstands ermöglicht in vorteilhafter Weise eine optimale Anpassung der Schaltzeiten an die aktuellen Schaltbedingungen, d. h. an die aktuell zu schaltende Spannung.According to the invention is a Series resistor, over an electronic circuit breaker can be controlled, changeable executed wherein an evaluation and control unit before a switching operation, in particular a shutdown, the electronic circuit breaker determines a value of a current voltage to be switched and a resistance value of changeable Vorwiderstands depending of the determined value of the current voltage to be temporarily set, that a real switching voltage, which is the sum of the currently to be switched voltage and one to be expected by the Switching generated induction voltage composed, a predetermined threshold falls below. The adjustability of the Pre-resistance allows advantageously an optimal adaptation of the switching times to the current switching conditions, d. H. to the currently switching to Tension.
Durch ein temporäres Anheben des Widerstandswertes des veränderbaren Vorwiderstands kann die Induktionsspannung in vorteilhafter Weise reduziert werden, so dass die wirkliche Schaltspannung unterhalb eines für den elektronischen Leistungsschalter kritischen Spannungswertes liegt. Um einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen stellt die Auswerte- und Steuereinheit den Widerstandswert des veränderbaren Vorwiderstands in Abhängigkeit von der ermittelte zu schaltende Spannung so klein wie möglich ein. Die erfindungsgemäße Steuerschaltung ermöglich in vorteilhafter Weise bei gleich bleibender Chipfläche einen Schaltvorgang mit einer höheren aktuell zu schaltenden Spannung, ohne einen elektronischen Leistungsschalter aus einer höheren Spannungsfestigkeitsklasse zu verwenden.By a temporary one Raising the resistance of the variable series resistor can the induction voltage can be reduced in an advantageous manner, so the real switching voltage is below one for the electronic Circuit breaker critical voltage value is. To an optimal Efficiency is achieved by the evaluation and control unit the resistance of the variable Vorwiderstands depending on the determined voltage to be switched as small as possible. The control circuit according to the invention allows advantageously with a constant chip area Switching operation with a higher currently switching voltage, without an electronic circuit breaker from a higher dielectric strength class to use.
In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Steuerschaltung stellt die Auswerte- und Steuereinheit den veränderbaren Vorwiderstand temporär auf einen maximalen Widerstandswert ein, wenn der ermittelte Wert der aktuell zu schaltenden Spannung in einem ersten Spannungsbereich liegt, der nur einen Schaltvorgang mit einer minimalen Schaltgeschwindigkeit erlaubt. Der erste Spannungsbereich repräsentiert Spannungswerte der zu schaltenden Spannung, welche in Verbindung mit der durch die minimale Abschaltzeitspanne zu erwartenden Induktionsspannung den vorgegebenen Schwellwert für die wirkliche Schaltspannung nicht übersteigen. Alternativ stellt die Auswerte- und Steuereinheit den veränderbaren Vorwiderstand auf einen minimalen Widerstandswert ein, wenn der ermittelte Wert der aktuell zu schaltenden Spannung in einem zweiten Spannungsbereich liegt, der einen Schaltvorgang mit einer maximalen Schaltgeschwindigkeit erlaubt. Der zweite Spannungsbereich repräsentiert Spannungswerte der zu schaltenden Spannung, welche in Verbindung mit der durch die minimale Abschaltzeitspanne zu erwartenden Induktionsspannung den vorgegebenen Schwellwert für die wirkliche Schaltspannung nicht übersteigen. Nach dem Schaltvorgang stellt die Auswerte- und Steuereinheit den veränderbaren Vorwiderstand auf einen möglichst kleinen Widerstandswert ein, um den Wirkungsgrad der Anordnung zu erhöhen.In an embodiment of the invention Control circuit temporarily sets the evaluation and control unit, the variable resistor to a maximum resistance value when the determined value of the current voltage to be switched is in a first voltage range, which allows only a switching operation with a minimum switching speed. The first voltage range represents voltage values of the voltage to be switched which, in conjunction with the induction voltage to be expected by the minimum switch-off time period, do not exceed the predetermined threshold value for the actual switch voltage. Alternatively, the evaluation and control unit sets the variable resistor to a minimum resistance value when the determined value of the current voltage to be switched is in a second voltage range, which allows a switching operation with a maximum switching speed. The second voltage range represents voltage values of the voltage to be switched which, in conjunction with the induction voltage to be expected by the minimum switch-off time period, do not exceed the predetermined threshold value for the actual switch voltage. After the switching operation, the evaluation and control unit adjusts the variable series resistor to the smallest possible resistance value in order to increase the efficiency of the arrangement.
Eine erfindungsgemäße steuerbare Schalteinrichtung weist mindestens einen elektronischen Leistungsschalter und mindestens eine Steuerschaltung auf, die den elektronischen Leistungsschalter über einen Vorwiderstand ansteuert. Erfindungsgemäß ist der Vorwiderstand, über den der elektronische Leistungsschalter ansteuerbar ist, veränderbar ausgeführt, wobei eine Auswerte- und Steuereinheit der Steuerschaltung vor einem Schaltvorgang, insbesondere einem Abschaltvorgang, des elektronischen Leistungsschalters einen Wert einer aktuell zu schaltenden Spannung ermittelt und einen Widerstandswert des veränderbaren Vorwiderstands in Abhängigkeit vom ermittelten Wert der aktuell zu schaltenden Spannung temporär so einstellt, dass eine wirkliche Schaltspannung, welche sich aus der Summe der aktuell zu schaltenden Spannung und einer zu erwarteten durch den Schaltvorgang erzeugten Induktionsspannung zusammensetzt, einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet.A controllable according to the invention Switching device has at least one electronic circuit breaker and at least one control circuit on which the electronic Circuit breaker over drives a series resistor. According to the invention, the series resistor, via the the electronic circuit breaker is controlled, changeable executed, wherein an evaluation and control unit of the control circuit before a switching operation, in particular a shutdown, the electronic circuit breaker determines a value of a current voltage to be switched and a Resistance value of the variable Vorwiderstands depending of the determined value of the current voltage to be temporarily set, that a real switching voltage, which is the sum of the currently to be switched voltage and one to be expected by the Switching generated induction voltage composed, a predetermined threshold falls below.
In Ausgestaltung der steuerbaren Schalteinrichtung ist der elektronische Leistungsschalter als IGBT-Schaltelement ausgeführt, wodurch hohe Vorwärtssperrspannungen und hohe Ströme geschaltet werden können. Zudem kann der elektronische Leistungsschalter einen Elektroantrieb eines Elektro- und/oder Hybridfahrzeugs an- oder abschalten. Die erfindungsgemäße steuerbare Schalteinrichtung ermöglicht somit eine optimale Ausnutzung sowohl der Fahrzeugbatterien als auch des elektronischen Leistungsschalters. So können im Vergleich zum Stand Technik kostengünstigere elektronische Leistungsschalter aus einer niedrigeren Spannungsfestigkeitsklasse eingesetzt werden. Zudem kann die korrespondierende Fahrzeugbatterie auf einen höheren Energiegehalt aufgeladen werden, so dass in vorteilhafter Weise eine größere Fahrzeugreichweite realisiert werden kann.In Design of the controllable switching device is the electronic Circuit breaker designed as an IGBT switching element, resulting in high forward reverse voltages and high currents can be switched. In addition, the electronic circuit breaker can be an electric drive of an electric and / or hybrid vehicle on or off. The inventive controllable Switching device allows thus optimal utilization of both the vehicle batteries as also the electronic circuit breaker. So compared to the state of the art cost-effective electronic circuit breakers from a lower dielectric strength class be used. In addition, the corresponding vehicle battery to a higher one Energy content can be charged, so that in an advantageous manner a larger vehicle range can be realized.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.A advantageous embodiment The invention is illustrated in the drawing and will be described below described.
Die einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen steuerbaren Schalteinrichtung.The single figure shows a block diagram of an embodiment a controllable according to the invention Switching device.
Wie
aus der einzigen Figur ersichtlich ist, umfasst ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen steuerbaren
Schalteinrichtung
Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der veränderbare
Vorwiderstand
Durch
ein temporäres
Anheben des Widerstandswertes des veränderbaren Vorwiderstands
Wenn
der Wert der aktuell zu schaltenden Batteriespannung UZ dagegen
in einem anderen Spannungsbereich liegt, der eine Reduzierung der Induktionsspannung
verlangt, dann vergrößert die Auswerte-
und Steuereinheit
Mehrere
der erfindungsgemäßen steuerbaren
Schalteinrichtung
- 11
- steuerbare Schalteinrichtungcontrollable switching device
- 1010
- Steuerschaltungcontrol circuit
- 1212
- Auswerte- und Steuereinheitevaluation and control unit
- 1414
- Gatewiderstandgate resistor
- 2020
- elektronischer Leistungsschalterelectronic breakers
- 3030
- Lastelementload element
- UZ U Z
- Batteriespannungbattery voltage
- UInd U Ind
- Induktionsspannunginduction voltage
- US U S
- Schaltspannungswitching voltage
- UG U G
- Gatespannunggate voltage
Claims (7)
Priority Applications (1)
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DE102008062633A DE102008062633A1 (en) | 2008-12-17 | 2008-12-17 | Control circuit for electronic circuit breaker i.e. insulated gate bipolar transistor-switching unit, has control unit adjusting value of resistor based on determined value, such that actual switching voltage falls below preset threshold |
Applications Claiming Priority (1)
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DE102008062633A DE102008062633A1 (en) | 2008-12-17 | 2008-12-17 | Control circuit for electronic circuit breaker i.e. insulated gate bipolar transistor-switching unit, has control unit adjusting value of resistor based on determined value, such that actual switching voltage falls below preset threshold |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE102008062633A1 true DE102008062633A1 (en) | 2009-09-17 |
Family
ID=40953207
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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EP2495876A1 (en) * | 2011-03-01 | 2012-09-05 | ABB Oy | Control of semiconductor component |
CN104953501A (en) * | 2015-06-15 | 2015-09-30 | 巫立斌 | Adjustable air switch |
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2008
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Cited By (3)
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EP2495876A1 (en) * | 2011-03-01 | 2012-09-05 | ABB Oy | Control of semiconductor component |
US8575974B2 (en) | 2011-03-01 | 2013-11-05 | Abb Oy | Method and control circuit for controlling a power semiconductor component |
CN104953501A (en) * | 2015-06-15 | 2015-09-30 | 巫立斌 | Adjustable air switch |
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