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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zur Anlaufstrombegrenzung einer elektrischen Maschine. Die Schaltungsanordnung weist einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss auf, wobei der erste Anschluss über ein Schaltmittel mit einer Plusklemme eines Ladungsspeichers verbunden ist und wobei der zweite Anschluss mit der elektrischen Maschine verbunden ist. Zudem weist die Schaltungsanordnung ein strombegrenzendes Element auf, welches zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss angeordnet ist. Des Weiteren ist in der Schaltungsanordnung ein erstes Schaltelement parallel zum strombegrenzenden Element angeordnet.
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Eine solche Schaltungsanordnung ist aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2010 063 744 A1 bekannt. Die Schrift offenbart, wie der sehr hohe Anlaufstrom beim Start einer elektrischen Maschine durch einen zusätzlichen Widerstand begrenzt werden kann. Parallel zum Widerstand sind MOSFETs angeordnet, die von einer Ansteuerschaltung angesteuert werden. Die MOSFETs werden dabei geschlossen, sobald der Stromspitze des Anlaufstroms abgeklungen ist. Dadurch fließt der Strom sowohl über den Widerstand als auch über die MOSEFTs und der Spannungsabfall über den Widerstand wird reduziert.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine selbstregelnde Anlaufstrombegrenzung einer elektrischen Maschine zu ermöglichen.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zur Anlaufstrombegrenzung einer elektrischen Maschine. Die Schaltungsanordnung weist einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss auf, wobei der erste Anschluss über ein Schaltmittel mit einer Plusklemme eines Ladungsspeichers verbunden ist und wobei der zweite Anschluss mit der elektrischen Maschine verbunden ist. Zudem weist die Schaltungsanordnung ein strombegrenzendes Element auf, welches zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss angeordnet ist. Des Weiteren ist in der Schaltungsanordnung ein erstes Schaltelement parallel zum strombegrenzenden Element angeordnet. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass ein erster Steueranschluss des ersten Schaltelements mit einem Schaltungsknoten verbunden ist, wobei der Schaltungsknoten über einen Widerstand mit dem ersten Anschluss verbunden ist und wobei der Schaltungsknoten über einen Kondensator mit dem zweiten Anschluss verbunden ist. Vorteilhaft ist, dass die Strombegrenzung durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung selbstregelnd abläuft. Der sehr hohe Anlaufstrom beim Start der elektrischen Maschine wird durch das strombegrenzende Element begrenzt und erst nachdem die Stromstärke einen vorteilhaften Wert unterschreitet, wird das wenigstens erste Schaltelement geschlossen, wodurch das strombegrenzende Element von dem ersten Schaltelement überbrückt wird. Die verzögerte und selbstregelnde Ansteuerung des ersten Schaltelements wird dabei durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Schaltungsanordnung möglichst einfach erreicht. Durch die selbstregelnde Ansteuerung des wenigstens ersten Schaltelements kann auf eine aktive Ansteuerung verzichtet werden. Hierdurch kann wiederum auf ein Steuergerät verzichtet werden, wodurch die Kosten gesenkt werden können. Zudem wird der hohe schaltungstechnische Aufwand für eine aktive Steuerung vermieden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens ein zweites Schaltelement parallel zum ersten Schaltelement angeordnet ist, wobei ein zweiter Steueranschluss des zweiten Schaltelements ebenfalls mit dem Schaltungsknoten verbunden ist. Vorteilhaft ist hierbei, dass der Strom, der in der Schaltungsanordnung vom ersten Anschluss zum zweiten Anschluss fließt, gleichmäßig auf alle Schaltelemente aufgeteilt wird, sobald diese geschlossen werden. Hierdurch werden die einzelnen Schaltelemente weniger belastet. Zudem kann die bereits vorhandene Ansteuerung für das erste Schaltelement auch für das zweite Schaltelement genutzt werden, ohne dass daran eine Änderung vorgenommen werden muss.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zwischen dem Schaltungsknoten und dem ersten Anschluss in Serie zum Widerstand eine Entkopplungsdiode angeordnet ist, wobei die Entkopplungsdiode anodenseitig mit dem ersten Anschluss verbunden ist. Vorteilhaft ist hierbei, dass eine Entladung des Kondensators über das strombegrenzende Element verhindert wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass parallel zum Kondensator ein Entladewiderstand angeordnet ist. Vorteilhaft ist hierbei, dass über den hochohmigen Entladewiderstand die Kapazität entladen wird, sobald keine Spannung mehr an dieser anliegt. Dies ist der Fall, wenn die elektrische Maschine abgeschaltet wird. Durch die Entladung des Kondensators sinkt die Spannung an den Steueranschlüssen, die Schaltelemente öffnen sich wieder und die Schaltungsanordnung ist für den nächsten Start der elektrischen Maschine vorbereitet. Der Entladewiderstand ist dabei hochohmig, damit sich überhaupt eine zum Schalten der Schaltelemente ausreichend große Spannung am Kondensator aufbauen kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens das erste Schaltelement ein MOSFET oder ein IGBT ist. Vorteilhaft ist hierbei, dass ein MOSFET oder ein IGBT spannungsgesteuert geschalten werden kann und somit auf die von der Kapazität zur Verfügung gestellte Spannung reagiert. Zudem können mit diesen Bauelementen auch hohe Ströme von einigen hundert Ampere geschaltet werden.
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Zeichnungen
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel des Schaltelements und des strombegrenzenden Elements der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Dargestellt ist eine Schaltungsanordnung 1, welche einen ersten Anschluss 30 und einen zweiten Anschluss 35 aufweist. Des Weiteren sind ein Ladungsspeicher 10, welcher beispielsweise eine Batterie sein kann, und eine elektrische Maschine 5, beispielsweise ein Startermotor, gezeigt. Der erste Anschluss 30 der Schaltungsanordnung 1 ist über ein Schaltmittel 15 mit einer Plusklemme 12 des Ladungsspeichers 10 verbunden. Eine Minusklemme 13 des Ladungsspeichers 10 ist mit einer elektrischen Masse 14 verbunden. Die elektrische Maschine 5 ist einerseits ebenfalls mit der elektrischen Masse 14 und andererseits mit dem zweiten Anschluss 35 der Schaltungsanordnung 1 verbunden. In der Schaltungsanordnung 1 ist zwischen dem ersten Anschluss 30 und dem zweiten Anschluss 35 ein strombegrenzendes Element 20 angeordnet. Das strombegrenzende Element 20 ist hier ein Widerstand 20. Parallel zum Widerstand 20 ist ein erstes Schaltelement 50, hier ein erster MOSFET 50, angeordnet. Ein erster Steueranschluss 51 des ersten MOSFETs 50 ist mit einem Schaltungsknoten 40 verbunden. Zwischen dem ersten Steueranschluss 51 und dem Schaltungsknoten 40 ist zudem ein Vorwiderstand 100 angeordnet, welcher den ersten MOSFET 50. Dieser Vorwiderstand 100 bestimmt die Steilheit der Einschaltflanken des ersten MOSFETs 50. Des Weiteren ist der Schaltungsknoten 40 über eine Serienschaltung aus einem Widerstand 60 und einer Entkopplungsdiode 80 mit dem ersten Anschluss 30 verbunden. Die Reihenfolge der Serienschaltung von dem Widerstand 60 und der Entkopplungsdiode 80 ist dabei beliebig, wobei darauf geachtet werden muss, dass die Entkopplungsdiode 80 anodenseitig zum ersten Anschluss 30 hin angeordnet ist. Der Schaltungsknoten 40 ist zudem über einen Kondensator 70 mit dem zweiten Anschluss 35 verbunden. Parallel zum Kondensator 70 ist dabei ein Entladewiderstand 90 angeordnet.
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In einem alternativen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist das erste Schaltelement 50 ein IGBT. In einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist das strombegrenzende Element 20 mindestens eine antiparallele Diode, eine Umladespule oder ein im Linearbetrieb genutzter Transistor. In einem weiteren, nicht bildlich dargestellten Ausführungsbeispiel ist als Schutzelement für den Halbleiterschalter eine Zenerdiode zwischen dem ersten Steueranschluss 51 und dem zweiten Anschluss 35 angeordnet, wobei die Zenerdiode anodenseitig mit dem zweiten Anschluss 35 verbunden ist.
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Das Funktionsprinzip der Schaltungsanordnung 1 besteht darin, dass der sehr hohe Anlaufstrom beim Start der elektrischen Maschine 5 durch das strombegrenzende Element 20 begrenzt wird. Dies ist der Fall, wenn der Stromkreis zwischen elektrischer Maschine 5 und Ladungsspeicher 30 durch das Schaltmittel 15 geschlossen wird. Dabei fällt der größte Teil der Spannung am strombegrenzenden Element 20 ab, da die elektrische Maschine 5 im ersten Augenblick wie ein Kurzschluss zur elektrischen Masse 14 wirkt. Diese Spannung wird über ein RC-Glied bestehend aus dem Widerstand 60 in Kombination mit dem Kondensator 70, welches einen Tiefpass darstellt, dem ersten Steueranschluss 51 des ersten Schaltelements 50 zugeführt. Dies geschieht aufgrund des RC-Gliedes mit einer Zeitverzögerung, wobei die Dauer der Zeitverzögerung anhand der Dimensionen des Widerstandes 60 und des Kondensators 70 einstellbar ist. Der hochohmige Entladungswiderstand 90 spielt hier eine untergeordnete Rolle. Sobald die Spannung am ersten Steueranschluss 51 auf eine bestimmte Größe angewachsen ist, schließt das erste Schaltelement 50 und schließt das strombegrenzende Element 20 kurz bzw. überbrückt dieses. Hierdurch fließt der Strom nun größtenteils über das erste Schaltelement 50, womit Verluste durch das strombegrenzende Element 20 deutlich verringert werden können. Während des Anlaufs der elektrischen Maschine 5 steigt die Spannung am zweiten Anschluss 35, da die elektrische Maschine 5 eine Gegeninduktivität aufbaut. Am ersten Steueranschluss 51 addiert sich zu der Kondensatorspannung das Potential des zweiten Anschlusses 35. Somit bleibt das erste Schaltelement 51 geschlossen. Nach Anlauf der elektrischen Maschine 5 sinkt die Spannung am strombegrenzenden Element 20 ab. Nach Öffnen des Schaltmittels 15 wird der Kondensator 70 über den Entladungswiderstand 90 entladen. Dadurch ist die Schaltungsanordnung 1 für den nächsten Start der elektrischen Maschine 5 bereit, um den Anlaufstrom erneut zu begrenzen.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Dieses zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel nach 1 dadurch, dass zusätzlich zum ersten Schaltelement 50, hier ein erster MOSFET 50, ein zweites Schaltelement 53, hier ein zweiter MOSFET 53, sowie ein drittes Schaltelement 56, hier ein dritter MOSFET 56, parallel zum strombegrenzenden Element 20 angeordnet sind. Dabei sind ein zweiter Steueranschluss 54 des zweiten MOSFETs 53 und ein dritter Steueranschluss 57 des dritten MOSFETs 56 ebenfalls über den Vorwiderstand 100 mit dem Schaltungsknoten 40 verbunden.
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In einem alternativen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist das wenigstens erste Schaltelement 50 ein IGBT. Weiterhin können auch das zweite Schaltelement 53 oder auch dritte Schaltelement 56 IGBTs sein.
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Bei der Schaltungsanordnung 1 nach 2 schalten der erste MOSFET 50, der zweite MOSFET 53 und der dritte MOSFET 56 nahezu gleichzeitig, zumindest falls alle die gleichen Spezifikationen aufweisen. Dies wird erreicht, indem der erste Steueranschluss 51, der zweite Steueranschluss 54 und der dritte Steueranschluss 57 gemeinsam den Schaltungsknoten 40 als Bezugspotential haben. Dadurch, dass alle MOSFETs auch nahezu gleichzeitig schließen, wird der Strom, welcher vom ersten Anschluss 30 zum zweiten Anschluss 35 der Schaltungsanordnung 1 fließt, gleichmäßig auf alle MOSFETs verteilt.
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In einem alternativen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel können auch nur zwei oder aber noch mehr als drei Schaltelemente parallel zum strombegrenzenden Element 20 angeordnet sein. Die Anzahl der parallel geschalteten Schaltelemente ist dabei von der maximalen Verlustleistung und dem minimalen Durchgangswiderstand abhängig.
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3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel des Schaltelements und des strombegrenzenden Elements der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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Dargestellt sind ein erstes Schaltelement 50 und ein zweites Schaltelement 53, welche als erster MOSFET 50 und zweiter MOSFET 53 ausgestaltet sind. Zudem ist ein Leiterstück 110 mit quadratischem Querschnitt gezeigt. Ein Teilabschnitt des Leiterstückes 110 ist dabei ein strombegrenzendes Element 20, hier ein Widerstand 20. Dieser Widerstand 20 unterteilt das Leiterstück 110 in ein erstes Teilstück 111 und ein zweites Teilstück 112, wobei das erste Teilstück 111 einen ersten Anschluss 30 und das zweite Teilstück 112 einen zweiten Anschluss 35 aufweist. Der erste MOSFET 50 und der zweite MOSFET 53 sind dabei auf dem ersten Teilstück 111 angebracht, wodurch das erste Teilstück 111 als Trägersubstrat und als Kühlkörper dient. Die Drainkontakte 52 der MOSFETs 50 und 53 sind direkt mit dem ersten Anschluss 30 verbunden. Die Sourcekontakte 55 der MOSFETs 50 und 53 sind direkt mit dem zweiten Anschluss 35 verbunden. Hierdurch überbrücken der erste MOSFET 50 und der zweite MOSFET 53 in geschlossenem Zustand das strombegrenzende Element 20. Nicht dargestellt ist dabei die Verbindung zu den in 1 und 2 aufgezeigten Bauelementen, welche zur selbstregelnden Ansteuerung MOSFETs 50 und 53 dienen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010063744 A1 [0002]
