DE102011011366A1

DE102011011366A1 - Elektrische Heizung und Baueinheit hierfür

Info

Publication number: DE102011011366A1
Application number: DE102011011366A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Etzkorn; Christian Walter
Original assignee: BorgWarner Beru Systems GmbH
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2011-02-16
Filing date: 2011-02-16
Publication date: 2012-08-16
Anticipated expiration: 2031-02-17
Also published as: US20120205362A1; CN102685937A; CN102685937B; DE102011011366B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizung für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Stromzweig, in dem ein Feldeffekttransistor (M1) als Heizelement mit einem Widerstand (R1) in Reihe geschaltet ist, und einer Steuerschaltung (1) zur Leistungsregelung, wobei die Steuerschaltung (1) ein Spannungssignal zwischen dem Feldeffekttransistor (M1) und dem Widerstand (R1) abgreift und daraus zusammen mit einem Sollwertsignal (Ue) ein Ausgangssignal erzeugt, das an einem Steuereingang des Feldeffekttransistors (M1) anliegt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Widerstand (R1) ein keramischer PTC Widerstand ist, der mit dem Feldeffekttransistor (M1) auf einen gemeinsamen Kühlkörper (2) montiert ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Heizung sowie eine Baueinheit für eine solche Heizung.

Description

Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Heizung für ein Kraftfahrzeug mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Eine derartige Heizung ist aus der DE 197 33 045 C1 bekannt.
Die bekannte Heizung hat mehrere parallel geschaltete Stromzweige, in denen jeweils ein Feldeffekttransistor angeordnet ist, der als Heizelement verwendet wird und mit einem Vorwiderstand in Reihe geschaltet ist. Die Heizleistung der Feldeffekttransistoren wird durch Ändern der am Steuereingang (Gate) anliegenden Spannung stufenlos geregelt. Die bekannte Heizung wird kontinuierlich betrieben, so dass die mit einem getakteten Betrieb verbunden Belastungen des Bordnetzes und EMV-Probleme vermieden werden. Nachteilig ist allerdings, dass insbesondere für eine Heizung mit einer größeren Heizleistung eine relativ große Anzahl teuerer Feldeffekttransistoren benötigt wird und die Schaltung zudem nicht verpolsicher ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Weg aufzuzeigen, wie diese Nachteile überwunden werden können.
Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Heizung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß ist ein Feldeffekttransistor mit einem keramischen PTC Widerstand als Strommesswiderstand in Reihe geschaltet, der mit dem Feldeffekttransistor auf einen gemeinsamen Kühlkörper montiert ist. Dies hat folgende Vorteile:

• Die Heizleistung einer erfindungsgemäßen Heizung wird in den Stromzweigen jeweils zum Teil von dem Feldeffekttransistor und zum Teil von dem keramischen PTC Widerstand aufgebracht. Dadurch sind pro Stromzweig größere Heizleistungen möglich. Vorteilhaft ist dabei der Anteil der von dem PTC Widerstand abgegebenen Heizleistung an der Gesamtleistung umso größer, je höher die mit einer Steuerspannung eingestellte Leistungsanforderung. Insbesondere bei hohen Leistungen wird der Feldeffekttransistor eines Stromzweiges entlastet, weshalb mit einer erfindungsgemäßen Heizung größere Heizleistungen freigesetzt werden können, ohne dass höhere Kosten für Leistungshalbleiter aufgebracht werden müssen.
• Durch die temperaturabhängige Strombegrenzung des PTC Widerstandes ist die Schaltung eigensicher, auch bei Verpolung oder durchlegiertem Leistungshalbleiter.
• Indem der Feldeffekttransistor und der PTC Widerstand eines Stromzweigs auf einen gemeinsamen Kühlkörper montiert sind, ergibt sich eine optimale thermische Kopplung. Der PTC Widerstand kann deshalb den Feldeffekttransistor wirksam vor thermischer Überlastung schützen, so dass eine zusätzliche Temperaturüberwachung entfallen kann.
• Die Heizung kann kontinuierlich betrieben werden, da die Leistung stufenlos geregelt werden kann. Durch die an dem Steuereingang des Feldeffekttransistors anliegende Spannung kann der elektrische Widerstand des Feldeffekttransistors zwischen Source und Drain auf einen gewünschten Wert eingestellt werden und so die Stromstärke stufenlos geregelt wird. Die Belastung des Bordnetzes ist deshalb wesentlich geringer als bei pulsweise betriebenen Kraftfahrzeugheizungen und es treten keine elektromagnetischen Verträglichkeitsprobleme auf.

Für eine erfindungsgemäße Heizung werden bevorzugt P-Kanal Feldeffekttransistoren, insbesondere P-Kanal MOSFETs, verwendet. Eine Kühlfläche am Drain-Anschluss eines P-Kanal Feldeffekttransistors kann nämlich vorteilhaft auf dasselbe Potential wie der mit dem Feldeffekttransistor in Reihe geschaltete keramische PTC Widerstand gelegt werden. Die Kühlfläche des Feldeffekttransistors und der PTC Widerstand können dann jeweils elektrisch leitend mit einem Kühlkörper aus Metall verbunden werden, beispielsweise durch Klammern. Auf diese Weise lässt sich mit einfachen Mitteln eine sehr gute Wärmekopplung und Wärmeabfuhr erreichen.
Bei einer erfindungsgemäßen Heizung wird vorteilhaft der PTC Widerstand als Stormmesswiderstand verwendet. Der damit gemessene Strom kann dann zur Regelung der Heizleistung des Feldeffekttransistors auf einen Sollwert verwendet werden. Der Strom kann nämlich durch eine zwischen dem PTC Widerstand und dem Feldeffekttransistor abgegriffene Spannung gemessen werden, die sich als Rückkopplungssignal für eine Leistungsregelung nutzten lässt. Bevorzug enthält die zur Leistungsregelung verwendete Steuerschaltung einen Operationsverstärker, dessen Ausgang mit dem Steuereingang (Gate) des Feldeffekttransistors verbunden ist. Ein Sollwert der Heizleistung wird dann durch eine Steuerspannung an einem Eingang des Operationsverstärkers vorgegeben. Dem anderen Eingang des Operationsverstärkers wird vorzugsweise die zwischen dem Feldeffekttransistor und dem PTC Element abgegriffene Spannung zugeführt.
Die Erfindung betrifft ferner eine Baueinheit für eine erfindungsgemäße Heizung. Eine erfindungsgemäße Baueinheit enthält einen P-Kanal Feldeffekttransistor, einen Kühlkörper und einen keramischen PTC Widerstand, wobei sowohl der Feldeffekttransistor als auch der PTC Widerstand mit dem Kühlkörper verbunden, beispielsweise verlötet sind.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 eine Heizung mit einem Stromzweig und einer dazugehörenden Steuerschaltung;
2 eine schematische Darstellung einer Baueinheit aus Feldeffekttransistor, Kühlkörper und PTC Widerstand; und
3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Baueinheit.
In 1 ist eine Schaltskizze einer elektrischen Heizung dargestellt. Die Heizung enthält als Heizelemente einen Feldeffekttransistor M1 und einen keramischen PTC Heizwiderstand R1, beispielsweise auf Basis von Bariumtitanat. Der Feldeffekttransistor M1 und der mit ihm in Reihe geschaltete PTC Widerstand R1 bilden einen Stromzweig, dessen Leistung mit einer Steuerschaltung 1 geregelt wird. Zur Erhöhung der maximal möglichen Heizleistung können der Heizung weitere Stromzweige mit gleichem Aufbau einschließlich Steuerschaltungen hinzugefügt werden. Es können beliebig viele derartige Stromzweige parallel zu einander geschaltet werden.
Die Steuerschaltung 1 besteht im Wesentlichen aus einem Operationsverstärker X3. Die Heizleistung des Stromzweigs wird durch eine Steuerspannung Ue vorgegeben, die an einen Eingang eines Operationsverstärkers X3 angelegt wird, bevorzugt an dessen nicht invertierenden Eingang. An den anderen Eingang des Operationsverstärkers wird eine zwischen dem Feldeffekttransistor M1 und dem PTC Widerstand R1 abgegriffene Spannung angelegt. Der Eingang des Operationsverstärkers X3 ist deshalb in 1 an den Stromzweig zwischen dem Feldeffekttransistor M1 und dem PTC Widerstand R1 angeschlossen. Über einen dem betreffenden Eingang des Operationsverstärkers X3 vorgeschalteten Widerstand R8 kann der Kondensator C1 entkoppelt so Schwingung entgegengewirkt werden.
Der Operationsverstärker X3 ist also Teil der Steuerschaltung 1, die das Ausgangssignal des Operationsverstärkers X3 dem Steuereingang (Gate) des Feldeffekttransistors M1 zuführt. Auf diese Weise kann die Stärke des im Stromzweigs durch den Feldeffekttransistor M1 und den PTC Widerstand R1 fließenden Storms so geregelt werden, dass diese proportional zu der am Eingang des Operationsverstärkers X3 anliegenden Steuerspannung Ue ist, die als Sollwertsignal die Heizleistung vorgibt.
Der Feldeffekttransistor M1 ist ein P-Kanal Feldeffekttransistor, vorzugsweise ein P-Kanal MOSFET. Der Feldeffekttransistor M1 und der PTC Widerstand R1 sind auf einen gemeinsamen Kühlkörper aus Metall montiert. 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Baueinheit aus einem Feldeffekttransistor M1, einem keramischen PTC Widerstand R1 und einem Blech als Kühlkörper 2. Der Kühlkörper 2 kann dabei eine nahezu beliebige Form haben und beispielsweise Kühlrippen und/oder Durchbrüche, durch ein zu erwärmendes Medium strömen kann, aufweisen. Der Kühlkörper 2 ist an einem für alle Stromzweige gemeinsamen Heizregister 3 befestigt und gegenüber diesem durch eine Isolationsschicht 4, beispielsweise Isolierfolie, Keramik oder Wärmeleitkleber, elektrisch isoliert. Eine Klammer 5 drückt den Widerstand R1 gegen den Kühlkörper 2 und bewirkt einen Massekontakt.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das sich von dem Ausführungsbeispiel der 2 im wesentlichen dadurch unterscheidet, dass der Feldeffekttransistor M1 und der PTC Widerstand R1 auf verschiedenen Seiten des Kühlkörpers 2 angeordnet sind. Die Klammer 5 ist deshalb elektrisch gegenüber dem Heizregister 3 isoliert, das als Masseanschluss für den Widerstand R1 verwendet wird.
Der PTC Widerstand R1 liegt dabei auf demselben Potential wie der Drain Anschluss des Feldeffekttransistors M1. Auf diese Weise lässt sich eine hervorragende thermische Ankopplung des PTC Widerstands an den Feldeffekttransistor erreichen. Hat die Heizung mehrere Stromzweige, so wird bevorzugt für jeden Stromzweig ein eigener Kühlkörper verwendet. Die Kühlkörper der einzelnen Stromzweige sind dann gegeneinander elektrisch isoliert.
Der PTC Widerstand R1 und der Feldeffekttransistor M1 sollten so aufeinander abgestimmt sein, dass bei maximaler Heizleistung die von dem PTC Widerstand R1 eines Stromzweiges abgegebene Heizleistung wenigstens halb so groß wie die von dem Feldeffekttransistor M1 abgegebene Heizleistung ist. Andererseits sollte bei maximaler Heizleistung die von dem PTC Widerstand R1 eines Stromzweigs abgegebene Heizleistung nicht mehr als doppelt so groß wie die von dem Feldeffekttransistor M1 abgegebene Heizleistung sein. Die maximale Heizleistung wird von Herstellern in der Regel als maximal zulässige Heizleistung oder Nennleistung angegeben.
Auf diese Weise lässt sich erreichen, dass beide Heizelemente eines Stromzweigs, nämlich der Feldeffekttransistor M1 und der PTC Widerstand R1 in vergleichbarer Weise zu der Gesamtheizleistung des Stromkreises beitragen. Die Gesamtleistung eines Stromzweiges, d. h. die maximale Nennleistung eines Stromzweiges, liegt bevorzugt zwischen 100 und 200 Watt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19733045 C1 [0001]

Claims

Elektrische Heizung für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Stromzweig, in dem ein Feldeffekttransistor (M1) als Heizelement mit einem Widerstand (R1) in Reihe geschaltet ist, und einer Steuerschaltung (1) zur Leistungsregelung, wobei die Steuerschaltung (1) ein Spannungssignal zwischen dem Feldeffekttransistor (M1) und dem Widerstand (R1) abgreift und daraus zusammen mit einem Sollwertsignal (Ue) ein Ausgangssignal erzeugt, das an einem Steuereingang des Feldeffekttransistors (M1) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (R1) ein keramischer PTC Widerstand ist, der mit dem Feldeffekttransistor (M1) auf einen gemeinsamen Kühlkörper (2) montiert ist.
Heizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldeffekttransistor (M1) ein P-Kanal Feldeffekttransistor, vorzugsweise ein P-Kanal MOSFET, ist.
Heizung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (1) einen Operationsverstärker (X3) enthält, wobei an einem Eingang des Operationsverstärkers (X3) das Sollwertsignal (Ue) und an dem anderen Eingang des Operationsverstärkers (X3) das zwischen dem Feldeffekttransistor (M1) und dem PTC Widerstand (R1) abgegriffene Spannungssignal anliegt.
Heizung nach einem der vorsehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (2) aus Metall ist und der PTC Widerstand (R1) elektrisch leitend mit dem Kühlkörper (2) verbunden ist.
Heizung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (1) das Spannungssignal an dem Kühlkörper (2) abgreift.
Heizung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere parallel geschaltete Stromzweige, in denen jeweils ein Feldeffekttransistor (M1) mit einem keramischen PTC Widerstand (R1) in Reihe geschaltet ist, wobei jedem dieser Stromzweige eine Steuerschaltung (1) zur Leistungsregelung zugeordnet ist, die ein Spannungssignal zwischen dem Feldeffekttransistor (M1) und dem Widerstand (R1) des Stromzweigs abgreift und daraus zusammen mit einem Sollwertsignal (Ue) ein Ausgangssignal erzeugt, das an einem Steuereingang des Feldeffekttransistors (M1) dieses Stromzweiges anliegt.
Heizung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Stromzweig jeweils ein Kühlkörper (2) vorgesehen ist.
Verfahren zum Betreiben einer Heizung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei maximaler Heizleistung die von dem PTC Widerstand (R1) eines Stromzweiges abgegebene Heizleistung wenigstens halb so groß wie die von dem Feldeffekttransistor (M1) abgegebene Heizleistung ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei maximaler Heizleistung die von dem PTC Widerstand (R1) eines Stromzweiges abgegebene Heizleistung höchstens doppelt so groß wie die von dem Feldeffekttransistor (M1) abgegebene Heizleistung ist.
Baueinheit für eine Heizung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem p-Kanal Feldeffekttransistor (M1) und einem metallischen Kühlkörper (2), der den Feldeffekttransistor (M1) trägt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (2) ein keramischer PTC Widerstand (R1) trägt.