DE102014218551B4

DE102014218551B4 - Reverse polarity protection circuit for a motor vehicle electrical system and motor vehicle electrical system

Info

Publication number: DE102014218551B4
Application number: DE102014218551.3A
Authority: DE
Inventors: Jordan Popov
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2014-09-16
Filing date: 2014-09-16
Publication date: 2021-11-25
Anticipated expiration: 2034-09-17
Also published as: DE102014218551A1; WO2016041884A1

Abstract

Verpolschutzschaltung (10) für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz, wobei die Verpolschutzschaltung (10) aufweist:- einen Masseanschluss (20);- einen Pluspolanschluss (22); und- einen Halbleiterschalter (30), der mit einer Inversdiode (32) ausgestaltet ist und der seriell mit dem Pluspolanschluss (20) oder dem Masseanschluss (22) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verpolschutzschaltung (10) ferner aufweist:- eine Spannungsquelle (40), die mit einem Steuereingang (34) des Halbleiterschalters (30) verbunden ist, und die eingerichtet ist, über den Steuereingang (34) den Halbleiterschalter (30) in einen leitenden Zustand zu versetzen, wenn das Spannungspotential des Masseanschlusses (20) über dem des Pluspolanschlusses (22) liegt, wobei eine Last (70) seriell mit dem Halbleiterschalter (30) verbunden ist und die resultierende Serienschaltung aus Last (70) und Halbleiterschalter (30) zwischen den Masseanschluss (20) und den Pluspolanschluss (22) geschaltet ist und wobei die Last (70) eine höhere Hochstromfestigkeit aufweist als die Inversdiode (32) des Halbleiterschalters (30) der Verpolschutzschaltung (10).Reverse polarity protection circuit (10) for a motor vehicle electrical system, the reverse polarity protection circuit (10) having: - a ground connection (20); - a positive pole connection (22); and a semiconductor switch (30) which is designed with an inverse diode (32) and which is serially connected to the positive terminal (20) or the ground terminal (22), characterized in that the polarity reversal protection circuit (10) further comprises: a voltage source (40), which is connected to a control input (34) of the semiconductor switch (30) and which is set up to put the semiconductor switch (30) into a conductive state via the control input (34) when the voltage potential of the ground connection (20) above that of the positive pole connection (22), a load (70) being connected in series to the semiconductor switch (30) and the resulting series connection of load (70) and semiconductor switch (30) between the ground connection (20) and the positive pole connection (22) is switched and the load (70) has a higher high current resistance than the inverse diode (32) of the semiconductor switch (30) of the polarity reversal protection circuit (10).

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Fahrzeugelektronik und insbesondere das Gebiet der Schutzschaltungen für Bordnetze.The invention relates to the field of vehicle electronics and in particular to the field of protective circuits for vehicle electrical systems.

Falls versehentlich ein Kraftfahrzeug-Bordnetz mit einer externen Spannungsquelle mit umgekehrter Polung verbunden wird, fließen sehr hohe Ströme, die die Batterie und insbesondere Halbleiter im Leitungspfad des Kraftfahrzeug-Bordnetzes (im Weiteren: Bordnetz) zerstören können. Dies ist insbesondere der Fall, wenn sich im Bordnetz Synchrongleichrichter befinden, deren Schalter mit MOSFETs aufgebaut sind. Es ist daher bei der Ausgestaltung von Bordnetzen darauf zu achten, dass vor allem teure Leistungs-Halbleiter beim versehentlichen Anschluss mit umgekehrter Polung („Verpolung“) nicht geschädigt werden. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Herangehensweise aufzuzeigen, mittels der Leistungs-Halbleiter in einem Bordnetz geschützt werden können, wenn eine externe Spannungsquelle mit umgekehrter Polung angeschlossen wird.If a motor vehicle electrical system is accidentally connected to an external voltage source with reversed polarity, very high currents flow that can destroy the battery and in particular the semiconductor in the conduction path of the motor vehicle electrical system (hereinafter: vehicle electrical system). This is particularly the case if there are synchronous rectifiers in the vehicle electrical system, the switches of which are made up of MOSFETs. When designing electrical systems, it is therefore important to ensure that expensive power semiconductors in particular are not damaged if they are accidentally connected with reversed polarity ("polarity reversal"). It is an object of the invention to show an approach by means of which power semiconductors in an on-board network can be protected when an external voltage source with reversed polarity is connected.

Die Druckschrift DE 10 2009 004 225 A1 beschreibt einen Spannungsversorgung mit Verpolungsschutz, wobei ein MOSFET im Verpolungsfall aktiv zugeschaltet wird, um die Inversdiode nicht zu überlasten und den Spannungsabfall zu minimieren. Es besteht ein Verpolungsschutz-Spannungswandler zur Ansteuerung des MOSFETs.The pamphlet DE 10 2009 004 225 A1 describes a power supply with reverse polarity protection, whereby a MOSFET is actively switched on in the event of reverse polarity in order not to overload the inverse diode and to minimize the voltage drop. There is a reverse polarity protection voltage converter to control the MOSFET.

Die Druckschrift DE 100 19 588 A1 betrifft eine Fremdstarteinrichtung, wobei als Verpolungsschutz vorgeschlagen wird, den Fremdstartstützpunk für den Pluspol direkt mit einem Generator zu verbinden.The pamphlet DE 100 19 588 A1 relates to an external start device, it being proposed as protection against polarity reversal to connect the external start support point for the positive pole directly to a generator.

Die Druckschrift DE 10 2008 007 996 A1 beschreibt ein Fahrzeugbordnetz, wobei bei einer detektierte Verpolung Halbleiterschalter gezielt zum Kurzschließen angesteuert werden. The pamphlet DE 10 2008 007 996 A1 describes a vehicle electrical system, with semiconductor switches being controlled specifically for short-circuiting if polarity reversal is detected.

Die Druckschrift DE 10 2010 021 402 A1 schlägt zum Schutz vor Verpolströmen vor, eine Verpolschutzschaltung zu verwenden, die in Reihe mit Energiespeichern geschlossen ist, und die einen Stromfluss bei Verpolung verhindert.The pamphlet DE 10 2010 021 402 A1 proposes to use a reverse polarity protection circuit to protect against reverse polarity currents, which is closed in series with energy storage devices and which prevents a current flow in the event of reverse polarity.

Die Druckschrift DE 10 2011 007 339 A1 beschreibt eine Spannungsversorgung mit einer Verpolschutzschaltung ausgestattet ist, deren Betrieb abhängig von einer Spannung, die über einer Inversdiode einer Schaltstrecke als Durchlassspannung abfällt.The pamphlet DE 10 2011 007 339 A1 describes a power supply with a polarity reversal protection circuit, the operation of which is dependent on a voltage that is dropped across an inverse diode of a switching path as forward voltage.

Die Druckschrift US 2014/0 091 384 A1 betrifft einen Halbleiter mit vertikalem Transistor der seriell mit einer Diode verbunden ist, um einen Verpolungsschutz darzustellen.The pamphlet US 2014/0 091 384 A1 relates to a semiconductor with a vertical transistor connected in series with a diode to provide reverse polarity protection.

Die Druckschrift US 5,117,167 A betrifft einen Schutz vor Kommutationsenergie einer elektrischen Maschine mittels bifilarer Verdrahtung.The pamphlet U.S. 5,117,167 A relates to protection against commutation energy in an electrical machine by means of bifilar wiring.

Die Druckschrift US 6,426,857 B1 beschreibt einen Verpolungsschutz mittels einer Ladungspumpe, die bei Verpolung aktiv wird und einen FET ansteuert.The pamphlet US 6,426,857 B1 describes reverse polarity protection by means of a charge pump that becomes active when the polarity is reversed and controls an FET.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Weitere Ausführungen ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche sowie mit den Merkmalen und Ausführungsformen, wie sie im Weiteren dargestellt sind.This problem is solved by the subject matter of the independent claims. Further explanations arise with the features of the subclaims as well as with the features and embodiments, as they are presented below.

Es wurde erkannt, dass bei einem Halbleiterschalter, der eine Inversdiode aufweist, diese auch bei offenem Schaltzustand des Halbleiters leitet, jedoch die Wärmeabfuhr der Inversdiode nicht ausreichend ist, um eine Überhitzung der Inversdiode und somit des Leistungs-Halbleiters zu vermeiden.It has been recognized that in the case of a semiconductor switch which has an inverse diode, this also conducts when the switching state of the semiconductor is open, but the heat dissipation of the inverse diode is not sufficient to avoid overheating of the inverse diode and thus of the power semiconductor.

Als Inversdiode werden Dioden bezeichnet, die sich innerhalb des Aufbaus eines Transistors ergeben. Die Inversdiode wird auch als Substrat-Diode, Body-Diode oder parasitäre Substrat-Diode bezeichnet. Ferner wird als Inversdiode auch eine externe Inversdiode eines Transistors bezeichnet, die außerhalb des Substrats, in dem der Transistor aufgebaut ist, vorgesehen sind.Inverse diodes are diodes that arise within the structure of a transistor. The inverse diode is also referred to as a substrate diode, body diode or parasitic substrate diode. Furthermore, an external inverse diode of a transistor, which is provided outside the substrate in which the transistor is constructed, is also referred to as an inverse diode.

Als Halbleiterschalter werden insbesondere Leistungshalbleiterschalter bezeichnet, beispielsweise Halbleiter-Trennschalter. Es kommen als Halbleiterschalter insbesondere Transistoren wie MOSFETs, n-Kanal-MOSFETs oder IGBTs in Betracht. Der Halbleiterschalter ist insbesondere als Trennschalter ausgeführt, d.h. als ein Schalter, der nicht ein Teil einer elektrischen/elektronischen Last ist, sondern zu dieser in Serie zu schalten ist, und das Bordnetz bzw. die Lasten innerhalb des Bordnetzes von der Batterie zu trennen bzw. um die Batterie abzutrennen.In particular, power semiconductor switches, for example semiconductor disconnectors, are referred to as semiconductor switches. In particular, transistors such as MOSFETs, n-channel MOSFETs or IGBTs come into consideration as semiconductor switches. The semiconductor switch is designed in particular as an isolating switch, that is, as a switch that is not part of an electrical / electronic load, but is to be connected in series with it, and to separate or separate the on-board network or the loads within the on-board network from the battery. to disconnect the battery.

Es wurde erkannt, dass bei offenem Halbleiterschalter der nur durch die Inversdiode fließende Strom diese zu stark erwärmen kann, da häufig der Wärmewiderstand zwischen einer Inversdiode und einer Wärmesenke größer ist als der Wärmewiderstand zwischen den schaltenden und stromführenden Bereichen des Halbleiterschalters (d.h. Source, Drain und/oder Kanalbereich bzw. Emitter, Kollektor oder pn- oder np-Übergänge, die an den Emitter oder an den Kollektor angrenzen) und einer Wärmesenke. Da somit die Kühlung der Inversdiode weniger stark ausgeprägt ist als die genannten schaltenden und stromführenden Bereichen des Halbleiterschalters, kann die Erwärmung der Inversdiode zu einer Schädigung des Halbleiterschalters führen. Daher wird erfindungsgemäß der offene Halbleiterschalter in einen geschlossenen Schaltzustand gebracht, damit die schaltenden und stromführenden Bereiche des Transistors (d.h. das Transistorelement selbst, ohne Inversdiode) die Inversdiode entlasten.It was recognized that when the semiconductor switch is open, the current flowing only through the inverse diode can heat it up too much, since the thermal resistance between an inverse diode and a heat sink is often greater than the thermal resistance between the switching and current-carrying areas of the semiconductor switch (i.e. source, drain and / or channel area or emitter, collector or pn or np junctions that adjoin the emitter or the collector) and a heat sink. Since the cooling of the inverse diode is less pronounced than the aforementioned switching and current-carrying areas of the semiconductor switch, the heating of the inverse diode can increase lead to damage to the semiconductor switch. Therefore, according to the invention, the open semiconductor switch is brought into a closed switching state so that the switching and current-carrying regions of the transistor (ie the transistor element itself, without an inverse diode) relieve the inverse diode.

Es wird daher eine Verpolschutzschaltung für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz beschrieben. Die Verpolschutzschaltung weist einen Masseanschluss, einen Pluspolanschluss und einen Halbleiterschalter auf. Der Halbleiterschalter ist mit einer Inversdiode ausgestaltet. Ferner ist der Halbleiterschalter seriell mit dem Pluspolanschluss oder mit dem Masseanschluss verbunden.A reverse polarity protection circuit for a motor vehicle electrical system is therefore described. The polarity reversal protection circuit has a ground connection, a positive pole connection and a semiconductor switch. The semiconductor switch is designed with an inverse diode. Furthermore, the semiconductor switch is connected in series to the positive pole connection or to the ground connection.

Die Verpolschutzschaltung kann ferner einen positiven Bordnetzanschluss aufweisen, wobei der Halbleiterschalter zwischen dem positiven Bordnetzanschluss (zum Anschluss des Bordnetzes bzw. des positiven Potentials des Bordnetzes) und dem Pluspolanschluss (etwa eine Klemme für den positiven Batteriepol) in Serie geschaltet ist. In diesem Fall ist der Halbleiterschalter dem Pluspolanschluss vorgeschaltet.The polarity reversal protection circuit can also have a positive vehicle electrical system connection, the semiconductor switch being connected in series between the positive vehicle electrical system connection (for connecting the vehicle electrical system or the positive potential of the vehicle electrical system) and the positive pole connection (e.g. a terminal for the positive battery pole). In this case, the semiconductor switch is connected upstream of the positive pole connection.

Der Halbleiterschalter der Verpolschutzschaltung könnte auch dem Masseanschluss vorgeschaltet sein. Der Halbleiterschalter wäre in diesem Fall zwischen dem Bordnetz-Masseanschluss (zum Anschluss des Bordnetzes bzw. des Massepotentials des Bordnetzes) und den Masseanschluss (etwa eine Klemme für den negativen Batteriepol) in Serie geschaltet. In dem letztgenannten Fall wäre der Halbleiterschalter dem Masseanschluss vorgeschaltet.The semiconductor switch of the polarity reversal protection circuit could also be connected upstream of the ground connection. In this case, the semiconductor switch would be connected in series between the vehicle electrical system ground connection (for connecting the vehicle electrical system or the ground potential of the vehicle electrical system) and the ground connection (e.g. a terminal for the negative battery pole). In the latter case, the semiconductor switch would be connected upstream of the ground connection.

Der Bordnetz-Masseanschluss und der Masseanschluss können direkt miteinander verbunden sein und das gleiche Potential aufweisen, insbesondere wenn der Halbleiteraschalter seriell mit dem Pluspolanschluss verbunden ist. Alternativ können der Pluspolanschluss und der positive Bordnetzanschluss direkt miteinander verbunden sein und das gleiche Potential aufweisen, insbesondere wenn der Halbleiteraschalter seriell mit dem Masseanschluss verbunden ist.The vehicle electrical system ground connection and the ground connection can be connected directly to one another and have the same potential, in particular if the semiconductor switch is connected in series to the positive pole connection. Alternatively, the positive pole connection and the positive vehicle electrical system connection can be connected directly to one another and have the same potential, in particular if the semiconductor switch is connected in series to the ground connection.

Die Verpolschutzschaltung weist ferner eine Spannungsquelle auf, um den Halbleiterschalter im Verpolungsfall zu schalten (in einen leitenden Zustand), wodurch die Inversdiode des Halbleiterschalters entlastet wird. Die Spannungsquelle ist mit einem Steuereingang des Halbleiterschalters verbunden. Die Spannungsquelle ist eingerichtet, über den Steuereingang den Halbleiterschalter in einen leitenden Zustand zu versetzen, wenn das Spannungspotential des Masseanschlusses über dem des Pluspolanschlusses liegt bzw. wenn eine derartige Spannung angelegt wird. Hierzu ist die Spannungsquelle ausgestaltet, ein Schaltsignal zu erzeugen, um dieses an den Steuereingang des Halbleiterschalters anzulegen.The polarity reversal protection circuit also has a voltage source in order to switch the semiconductor switch in the event of polarity reversal (into a conductive state), as a result of which the load on the inverse diode of the semiconductor switch is relieved. The voltage source is connected to a control input of the semiconductor switch. The voltage source is set up to put the semiconductor switch into a conductive state via the control input when the voltage potential of the ground connection is above that of the positive pole connection or when such a voltage is applied. For this purpose, the voltage source is designed to generate a switching signal in order to apply this to the control input of the semiconductor switch.

Die Spannungsquelle kann eine autarke Spannungsquelle sein, etwa eine Batterie, ein Kondensator oder ähnliches, die gegebenenfalls eingerichtet ist, an dem Masseanschluss und dem Pluspolanschluss aufgeladen zu werden.The voltage source can be an autonomous voltage source, for example a battery, a capacitor or the like, which is optionally set up to be charged at the ground connection and the positive pole connection.

Vorzugsweise weist die Spannungsquelle einen Spannungswandler auf. Dieser ist mit einem Eingang ausgestattet, welcher mit dem Masseanschluss und dem Pluspolanschluss direkt oder indirekt verbunden ist. Der Eingang ist derart geschaltet, dass er eine Spannung, die zwischen dem Masseanschluss und dem Pluspolanschluss anliegt, vollständig oder teilweise erhält. Der Ausgang des Spannungswandlers ist mit dem Steuereingang des Halbleiterschalters verbunden. Anstatt mit dem Masseanschluss kann der Spannungswandler bzw. dessen Eingang mit dem Bordnetz-Masseanschluss direkt oder indirekt verbunden sein. Ferner kann der Spannungswandler bzw. dessen Eingang anstatt mit Pluspolanschluss mit dem positiven Bordnetzanschluss verbunden sein.The voltage source preferably has a voltage converter. This is equipped with an input which is directly or indirectly connected to the ground connection and the positive pole connection. The input is connected in such a way that it receives a voltage which is applied between the ground connection and the positive pole connection, in whole or in part. The output of the voltage converter is connected to the control input of the semiconductor switch. Instead of the ground connection, the voltage converter or its input can be connected directly or indirectly to the vehicle electrical system ground connection. Furthermore, the voltage converter or its input can be connected to the positive vehicle electrical system connection instead of to the positive pole connection.

Der Spannungswandler, der auch als DCDC-Wandler bezeichnet werden kann, kann ein induktiver oder kapazitiver Wandler sein, etwa als eine Ladungspumpe, ein Aufwärtswandler, ein Inverswandler, ein Sychronwandler oder kann allgemein mit einem oder mit mehreren Energiespeichern (Kondensatoren und/oder Drosseln) ausgestaltet sein, die von einem Zerhacker angesteuert werden. Insbesondere ist die Spannung am Ausgang des Spannungswandlers hinsichtlich des Potentialniveaus gegenüber Masse (Masseanschluss oder Bordnetz-Masseanschluss) bzw. gegenüber dem Pluspolanschluss oder dem positiven Bordnetzanschluss verschiebbar. Vorzugsweise ist der Spannungswandler ein Wandler mit galvanischer Trennung. Der Spannungswandler kann hierzu einen Transformator bzw. einen Übertrager umfassen. Der Spannungswandler kann als Sperrwandler, Eintaktflusswandler, Gegentaktflusswandler, Resonanzwandler oder brückenloser PFC-Wandler ausgebildet sein oder kann eine entsprechende Schaltung umfassen.The voltage converter, which can also be referred to as a DCDC converter, can be an inductive or capacitive converter, for example as a charge pump, a step-up converter, an inverse converter, a synchronous converter or can generally be equipped with one or more energy stores (capacitors and / or chokes) be designed, which are controlled by a chopper. In particular, the voltage at the output of the voltage converter can be shifted with respect to the potential level relative to ground (ground connection or vehicle electrical system ground connection) or relative to the positive pole connection or the positive vehicle electrical system connection. The voltage converter is preferably a converter with galvanic isolation. For this purpose, the voltage converter can comprise a transformer or a transmitter. The voltage converter can be designed as a flyback converter, single-ended flux converter, push-pull flux converter, resonance converter or bridge-free PFC converter, or it can comprise a corresponding circuit.

Der Spannungswandler kann eingerichtet sein, ausschließlich im Falle der Verpolung, d.h. wenn an dem Masse- und dem Pluspolanschluss ein Spannungspotential angelegt wird, bei dem das Potential des Masseanschlusses über dem des Pluspolanschlusses liegt, über den Eingang Strom aufzunehmen und am Ausgang abzugeben, während am Eingang (und am Ausgang) kein Strom fließt, wenn keine Verpolung vorliegt. Der Spannungswandler kann ferner einen Glättungs-Energiespeicher aufweisen, etwa einen Glättungskondensator, oder ein anderes Verzögerungsglied, mittels dem für eine vorbestimmte Zeitdauer der Ausgang des Spannungswandlers ein Schaltsignal (d.h. ein Schließ-Signal) an den Halbleiterschalter anlegt, nachdem die Verpolung nicht mehr vorliegt. Dies dient insbesondere zur Vermeidung von schwingenden Zuständen.The voltage converter can be set up to receive current via the input and output it to the output exclusively in the event of polarity reversal, ie when a voltage potential is applied to the ground and the positive terminal, at which the potential of the ground terminal is above that of the positive terminal Input (and output) no current flows if there is no polarity reversal. The voltage converter can also have a smoothing energy store, for example a smoothing capacitor, or another delay element, by means of which for a a predetermined period of time the output of the voltage converter applies a switching signal (ie a closing signal) to the semiconductor switch after the polarity is no longer present. This serves in particular to avoid oscillating conditions.

Der Spannungswandler kann ferner eine eingangsseitige Ansteuerschaltung aufweisen, die Strom leitet, wenn das Spannungspotential des Masseanschlusses über dem des Pluspolanschlusses liegt oder wenn eine Spannung an diese Anschlüsse angelegt wird, die negativ ist. Die Ansteuerschaltung kann eingerichtet sein, ansonsten einen Stromfluss zum Spannungswandler zu sperren bzw. kein Schaltsignal zum Schließen des Halbleiterschalters abzugeben. Es kann alternativ vorgesehen sein, dass die Ansteuerschaltung Strom leitet, wenn die Spannung an Masse- und Pluspolanschluss negativ ist, und dass dieser Zustand fortbesteht, nachdem diese negative Spannung nicht mehr vorliegt (d.h. der Verpolungsfall nicht mehr vorliegt). Dieser Zustand kann insbesondere aufgehoben werden durch ein Löschsignal oder dadurch, dass der Spannungswandler (zumindest temporär) keinen Strom am Eingang erhält. Die Ansteuerschaltung dient zur Aktivierung des Spannungswandlers. Anstatt einer eingangsseitigen Ansteuerschaltung kann auch eine Steuerschaltung verwendet werden, die (bezogen auf den Spannungswandler) ausgangsseitig im Spannungswandler angeordnet ist.The voltage converter can also have an input-side control circuit which conducts current when the voltage potential of the ground connection is above that of the positive pole connection or when a voltage is applied to these connections that is negative. The control circuit can be set up to otherwise block a current flow to the voltage converter or not to output a switching signal for closing the semiconductor switch. It can alternatively be provided that the control circuit conducts current when the voltage at the ground and positive pole connections is negative, and that this state continues after this negative voltage is no longer present (i.e. the reverse polarity no longer exists). This state can in particular be canceled by a clear signal or by the fact that the voltage converter (at least temporarily) does not receive any current at the input. The control circuit is used to activate the voltage converter. Instead of a control circuit on the input side, it is also possible to use a control circuit which is arranged (in relation to the voltage converter) on the output side in the voltage converter.

Die Ansteuerschaltung kann eine Diode aufweisen. Alternativ oder in Kombination hiermit kann die Ansteuerschaltung einen mitgekoppelten MOSFET aufweisen, insbesondere einen p-Kanal-MOSFET. Der mitgekoppelte MOSFET ist eine Realisierungsform eines rückgekoppelten Schaltglieds, das auch aufgrund seiner Funktion als monostabile Kippstufe bezeichnet werden kann. Liegt an der derart ausgestalteten Ansteuerstufe eine negative Spannung an (oder ein anderes Signal das den Zustand einer Verpolung kennzeichnet), so geht die Ansteuerschaltung in den leitenden Zustand über bzw. in einen Zustand, in dem der Halbleiterschalter (mittels der restlichen Spannungsquelle) angesteuert wird, einen leitenden Zustand einzunehmen oder beizubehalten. Liegt an der Ansteuerstufe keine negative Spannung mehr an (als Folge des leitenden Zustands des Halbleiterschalters), so bleibt die Ansteuerstufe in einem Zustand, in dem diese den Halbleiterschalter (mittels der restlichen Spannungsquelle) ansteuert, einen leitenden Zustand aufrechtzuerhalten. Falls die Schaltung vollständig spannungslos ist (oder durch ein anderes Löschsignal), wird die monostabile Kippstufe wieder zurückgesetzt in einen Zustand, in dem gemäß Ansteuerung der Halbleiterschalter mit dem Zustand „nicht leitend“ vorliegt. Anstatt eines Löschsignals kann auch ein Zeitablauf ab dem Anlegen der negativen Spannung dazu führen, dass bei nicht mehr anliegender negativer Spannung der Halbleiterschalter vom leitenden Zustand in den nichtleitenden Zustand versetzt wird. Als leitender Zustand wird eine Stromleitung zwischen den Halbleiterabschnitten außerhalb der Inversdiode bezeichnet. Zur Realisierung eines entsprechenden Verzögerungsglieds kann ein Energiespeicher, etwa ein Kondensator, im Mitkopplungskreis der Ansteuerschaltung vorgesehen sein, insbesondere in Kombination mit einem Widerstand, um ein RC- oder LC-Glied auszubilden. Somit kann die Ansteuerschaltung eine Tiefpasscharakteristik bzw. eine zeitlich Integrierende Funktion aufweisen. Dadurch werden instabile bzw. schwingende Zustände des Halbleiterschalters effektiv vermieden.The control circuit can have a diode. Alternatively or in combination with this, the control circuit can have a coupled MOSFET, in particular a p-channel MOSFET. The coupled MOSFET is a form of implementation of a feedback switching element that can also be referred to as a monostable multivibrator due to its function. If a negative voltage is applied to the control stage configured in this way (or another signal that characterizes the state of polarity reversal), the control circuit changes to the conductive state or into a state in which the semiconductor switch is controlled (by means of the remaining voltage source) to adopt or maintain a conductive state. If there is no longer a negative voltage at the control stage (as a result of the conductive state of the semiconductor switch), the control stage remains in a state in which it controls the semiconductor switch (by means of the remaining voltage source) to maintain a conductive state. If the circuit is completely de-energized (or due to another reset signal), the monostable multivibrator is reset to a state in which, according to the control, the semiconductor switch with the "non-conductive" state is present. Instead of a cancellation signal, a time lapse from the application of the negative voltage can also lead to the semiconductor switch being switched from the conductive state to the non-conductive state when the negative voltage is no longer applied. A current line between the semiconductor sections outside the inverse diode is referred to as a conductive state. To implement a corresponding delay element, an energy store, for example a capacitor, can be provided in the positive feedback circuit of the control circuit, in particular in combination with a resistor in order to form an RC or LC element. The control circuit can thus have a low-pass characteristic or a time-integrating function. This effectively prevents unstable or oscillating states of the semiconductor switch.

Die Spannungsquelle kann einen Versorgungseingang aufweisen, der mit dem Potential des Masseanschluss und dem Potential des Pluspolanschlusses verbunden ist. Die Spannungsquelle wird über den Versorgungseingang (der vorzugsweise zweipolig ausgestaltet ist) mit elektrischer Energie versorgt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Spannungsquelle als Spannungswandler (wie eingangs beschrieben) ausgestaltet ist und somit auf Versorgung angewiesen ist. Die Spannungsquelle weist ferner einen Ausgang auf, der mit dem Steuereingang und einem weiteren Anschluss des Halbleiterschalters verbunden ist. Über den Ausgang der Spannungsquelle wird ein Schaltsignal an den Halbleiterschalter übertragen. Der Steuereingang kann die Basis oder das Gate eines Transistors sein, der den Halbleiterschalter bildet. Der weitere Anschluss kann der Emitter oder die Source des Transistors sein, der den Halbleiterschalter ausbildet. Der weitere Anschluss dient dazu, für das Potential am Steuereingang ein weiteres Potential zu bilden, um zwischen den beiden Potentialen eine Spannung anlegen zu können, die das Steuersignal der Spannungsquelle wiedergibt.The voltage source can have a supply input which is connected to the potential of the ground connection and the potential of the positive pole connection. The voltage source is supplied with electrical energy via the supply input (which is preferably configured with two poles). This is particularly the case when the voltage source is designed as a voltage converter (as described above) and is therefore dependent on a supply. The voltage source also has an output which is connected to the control input and a further connection of the semiconductor switch. A switching signal is transmitted to the semiconductor switch via the output of the voltage source. The control input can be the base or the gate of a transistor which forms the semiconductor switch. The further connection can be the emitter or the source of the transistor which forms the semiconductor switch. The further connection is used to form a further potential for the potential at the control input in order to be able to apply a voltage between the two potentials which reproduces the control signal of the voltage source.

Die Spannungsquelle kann zwischen dem Versorgungseingang und dem Ausgang eine galvanische Trennung aufweisen und kann wie eingangs bemerkt mit einem Übertrager bzw. Transformator ausgestaltet sein. Ferner kann der Ausgang über ein galvanisches Trennglied (etwa ein Übertrager bzw. ein Transformator) mit dem Halbleiterschalter verbunden sein. Dies dient der Anpassung des Potentialniveaus zwischen Spannungsquelle und Halbeiterschalter, falls dies notwendig ist.The voltage source can have a galvanic isolation between the supply input and the output and, as mentioned at the beginning, can be designed with a transformer or transformer. Furthermore, the output can be connected to the semiconductor switch via a galvanic isolating element (such as a transformer or a transformer). This is used to adapt the potential level between the voltage source and the semiconductor switch, if this is necessary.

Die Spannungsquelle ist vorzugsweise für Versorgungsspannungen an dem Versorgungseingang ausgestaltet und ist insbesondere ausgelegt, bereits bei einer Versorgungsspannung von nicht mehr als 500, 600, 800 mV oder auch 1 V oder 1.2 V zu arbeiten. Diese Spannungswerte sind insbesondere die Betriebs-Minimalspannungen der Spannungsquelle. Dadurch kann als Versorgungsspannung eine Spannung verwendet werden, die an einem pn-Übergang abfällt, insbesondere an einer mit dem Halbleiterschalter verbundenen Last, die etwa als Transistor mit Inversdiode ausgestaltet sein kann oder diese umfassen kann oder eine Diode ist. In diesem Fall fällt an dem angeschlossenen Transistor bzw. an der Diode, der bzw. die als Last zu betrachten ist, lediglich die Durchlassspannung der zugehörigen Inversdiode ab, die etwa in dem genannten Bereich von 500 - 800 mV oder 1000 mV oder 1200 mV (oder ggf. auch außerhalb) liegen kann. Die Last wird in einem Anwendungsfall von einer Gleichrichterschaltung (als aktive Gleichrichterschaltung mit Transistoren, die eine Inversdiode aufweisen oder mit einer passiven Diode bzw. Gleichrichterdiode) gebildet, insbesondere von der Gleichstromseite bzw. Ausgangsseite der Gleichrichterschaltung, die etwa im Verpolungsfall Strom leitet (da dann die Inversdiode bzw. die Diode in Durchlassrichtung angeschlossen ist) und daher als Last betrachtet wird. Die Spannungsquelle ist ausgestaltet, bereits mit einer Versorgungsspannung, die der Durchlassspannung des angeschlossenen Transistors, zu arbeiten. Die Minimale Betriebsspannung kann unter den genannten Spannungswerten liegen. Der angeschlossene Transistor wird im Weiteren auch allgemeiner als elektronischer Lastschalter bezeichnet.The voltage source is preferably designed for supply voltages at the supply input and is in particular designed to work with a supply voltage of no more than 500, 600, 800 mV or even 1 V or 1.2 V. These voltage values are in particular the minimum operating voltages of the voltage source. As a result, a voltage can be used as the supply voltage that drops at a pn junction, in particular at one with the semiconductor switch connected load, which can be configured as a transistor with an inverse diode or can include this or is a diode. In this case, only the forward voltage of the associated inverse diode drops on the connected transistor or diode, which is to be regarded as a load, which is approximately in the mentioned range of 500 - 800 mV or 1000 mV or 1200 mV ( or possibly also outside). In one application, the load is formed by a rectifier circuit (as an active rectifier circuit with transistors that have an inverse diode or with a passive diode or rectifier diode), in particular from the DC side or output side of the rectifier circuit, which conducts current in the event of polarity reversal (since then the inverse diode or the diode is connected in the forward direction) and is therefore regarded as a load. The voltage source is designed to work with a supply voltage that is the forward voltage of the connected transistor. The minimum operating voltage can be below the stated voltage values. The connected transistor is also referred to more generally as an electronic load switch in the following.

Die Inversdiode des Halbleiterschalters weist vorzugsweise eine Durchlassrichtung auf, die zum Pluspolanschluss gerichtet ist. Dadurch kann der Halbleiterschalter (der insbesondere als MOSFET ausgebildet ist) in gewohnter Weise (etwa mit dem Drain-Anschluss an den Pluspolanschluss) mit dem Pluspolanschluss verbunden sein.The inverse diode of the semiconductor switch preferably has a forward direction which is directed towards the positive pole connection. As a result, the semiconductor switch (which is designed in particular as a MOSFET) can be connected to the positive pole connection in the usual way (for example with the drain connection to the positive pole connection).

Ferner wird ein Kraftfahrzeug-Bordnetz beschrieben, das mit einer Verpolschutzschaltung ausgestattet ist, wie sie hierin dargelegt ist. Eine Last ist seriell mit dem Halbleiterschalter verbunden. Die durch diese Verbindung resultierende Serienschaltung aus Last und Halbleiterschalter ist zwischen den Masseanschluss und den Pluspolanschluss geschaltet. Als Last wird beispielsweise ein Synchrongleichrichter (mit zumindest einem aktiven Gleichrichtertransistor, der eine Inversiode aufweist) oder ein (passiver) Gleichrichter angesehen, insbesondere dessen Ausgangsseite bzw. die elektronischen Schalter (Transistor mit Inversdiode oder Gleichrichterdiode) des Gleichrichters und allgemein einer Last. Als Last werden insbesondere elektronische Lastschalter bezeichnet, die im Verpolungsfall leitend sind (etwa über deren Inversdiode oder Gleichrichterdiode), so dass sich ein Stromfluss ergibt. Die Last bzw. der mindestens eine Gleichrichtertransistor der die mindestens eine Gleichrichterdiode kann mit einer weiteren Komponente seriell verbunden sein, die im Verpolungsfall ebenso leitet, etwa eine Induktivität bzw. deren Gleichstromwiderstand. Die Last ist nicht notwendigerweise eine funktionelle Last, zu deren Betrieb Strom fließt. Die Last ist ebenso eine Last bzw. ein Verbraucher, die bzw. der auch im nicht funktionierende Fall einen Stromfluss erzeugt, insbesondere im Falle von Gleichrichterdiode, Gleichrichtertransistoren oder Lastschaltern, die aufgrund ihrer Eigenschaften (etwa eine Inversdiode zwischen stromführenden Anschlüssen) auch im Verpolungsfall Strom leiten. Die Last weist daher insbesondere einen elektronischen Lastschalter mit einer Inversdiode oder auch mindestens eine Gleichrichterdiode auf.Furthermore, a motor vehicle electrical system is described which is equipped with a polarity reversal protection circuit, as set out herein. A load is connected in series to the semiconductor switch. The series circuit of load and semiconductor switch resulting from this connection is connected between the ground connection and the positive pole connection. A synchronous rectifier (with at least one active rectifier transistor that has an inverse diode) or a (passive) rectifier, in particular its output side or the electronic switches (transistor with inverse diode or rectifier diode) of the rectifier and generally a load, is regarded as a load. Electronic load switches are particularly referred to as electronic load switches which are conductive in the event of polarity reversal (for example via their inverse diode or rectifier diode), so that a current flow results. The load or the at least one rectifier transistor or the at least one rectifier diode can be connected in series to a further component which, in the event of polarity reversal, also conducts, for example an inductance or its DC resistance. The load is not necessarily a functional load that current flows to operate. The load is also a load or a consumer that generates a current flow even when it is not working, especially in the case of rectifier diodes, rectifier transistors or load switches, which, due to their properties (such as an inverse diode between current-carrying connections), also generate current in the event of polarity reversal conduct. The load therefore has in particular an electronic load switch with an inverse diode or also at least one rectifier diode.

Die Last und insbesondere die im Verpolungsfall stromführenden Abschnitte oder Komponenten (etwa eine Inversdiode) weist eine höhere Hochstromfestigkeit auf als die Inversdiode des Halbleiterschalters.The load and in particular the sections or components carrying current in the event of polarity reversal (such as an inverse diode) have a higher high current resistance than the inverse diode of the semiconductor switch.

Für die Inversdiode der Last bzw. für die Gleichrichterdiode gilt das hier für die Inversdiode des Halbleiterschalters Beschriebene. Die Last kann insbesondere einen Transistor umfassen, etwa einen MOSFET oder einen IGBT, wobei der Transistor eine Inversdiode aufweisen kann, deren Durchlassrichtung zum Pluspolanschluss weist. Alternativ kann die Last eine Diode, etwa eine Gleichrichterdiode umfassen, wie vorangehend beschrieben ist.For the inverse diode of the load or for the rectifier diode, what is described here for the inverse diode of the semiconductor switch applies. The load can in particular comprise a transistor, for example a MOSFET or an IGBT, wherein the transistor can have an inverse diode, the direction of which is directed towards the positive pole connection. Alternatively, the load can comprise a diode, for example a rectifier diode, as described above.

Die Last kann einen Halbleiterschalter wie die Verpolschutzschaltung oder auch eine Diode aufweisen. Der Halbleiterschalter der Last (der insbesondere dem elektronischen Lastschalter entspricht) ist mit einer Inversdiode ausgestaltet, wie auch der Halbleiterschalter der Verpolschutzschaltung mit einer Inversdiode ausgestaltet sein kann. Der Typ des Halbleiterschalters der Verpolschutzschaltung kann dem Typ des Halbleiterschalters der Last entsprechen.The load can have a semiconductor switch such as the polarity reversal protection circuit or a diode. The semiconductor switch of the load (which corresponds in particular to the electronic load switch) is designed with an inverse diode, just as the semiconductor switch of the polarity reversal protection circuit can be designed with an inverse diode. The type of semiconductor switch of the polarity reversal protection circuit can correspond to the type of semiconductor switch of the load.

Die Last kann als passiver oder als gesteuerter Gleichrichter (oder als Inverter) ausgestaltet sein. Das Substrat des Halbleiterschalters der Last ist über einen Wärmewiderstand mit einer Wärmesenke verbunden, der kleiner ist als ein Wärmewiderstand, der das Substrat des Halbleiterschalters mit einer Wärmesenke verbindet. Mit anderen Worten kann der Halbleiterschalter der Last eine bessere Kühlung bzw. Kühlanbindung als der Halbleiterschalter der Verpolschutzschaltung aufweisen. Im Folgenden ist auf eine Alternative zu der vorangehend beschriebenen Last dargestellt. Die Diode bzw. Gleichrichterdiode bzw. dessen Substrat oder Halbleiterkörper der Last ist über einen Wärmewiderstand mit einer Wärmesenke verbunden, der kleiner ist als ein Wärmewiderstand, der das Substrat des Halbleiterschalters mit einer Wärmesenke verbindet. Mit anderen Worten kann die Diode der Last eine bessere Kühlung bzw. Kühlanbindung als der Halbleiterschalter der Verpolschutzschaltung aufweisen.The load can be configured as a passive or as a controlled rectifier (or as an inverter). The substrate of the semiconductor switch of the load is connected to a heat sink via a thermal resistor which is smaller than a thermal resistor which connects the substrate of the semiconductor switch to a heat sink. In other words, the semiconductor switch of the load can have better cooling or cooling connection than the semiconductor switch of the polarity reversal protection circuit. An alternative to the load described above is shown below. The diode or rectifier diode or its substrate or semiconductor body of the load is connected to a heat sink via a thermal resistor that is smaller than a thermal resistor that connects the substrate of the semiconductor switch to a heat sink. In other words, the diode of the load can have better cooling or cooling connection than the semiconductor switch of the polarity reversal protection circuit.

Die Inversdiode des Halbleiterschalters bzw. die (Gleichrichter-)Diode der Last kann eine Durchlassrichtung aufweisen, die der Durchlassrichtung der Inversdiode der Verpolschutzschaltung entspricht. Die Durchlassrichtung des Halbleiterschalters der Last ist vorzugsweise zum Pluspolanschluss gerichtet. Die Diode der Last kann einer Gleichrichterschaltung angehören oder auch einer anderen Schaltung, etwa einem Inverter.The inverse diode of the semiconductor switch or the (rectifier) diode of the load can have a forward direction, that of the forward direction the inverse diode corresponds to the polarity reversal protection circuit. The forward direction of the semiconductor switch of the load is preferably directed towards the positive pole connection. The diode of the load can belong to a rectifier circuit or also to another circuit, such as an inverter.

FigurenlisteFigure list

the 1 represents an example of a motor vehicle electrical system that is equipped with a polarity reversal protection circuit.

Detaillierte Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing

Die 1 zeigt ein Beispiel eines hier beschriebenen Kraftfahrzeug-Bordnetzes 60 sowie einer hier beschriebene Verpolschutzschaltung 10. Das Kraftfahrzeug-Bordnetz 60 ist lediglich insoweit dargestellt, wie es zur Erläuterung der Erfindung erforderlich ist.the 1 shows an example of a motor vehicle electrical system described here 60 as well as a reverse polarity protection circuit described here 10 . The vehicle electrical system 60 is shown only insofar as it is necessary to explain the invention.

Die dargestellte Verpolschutzschaltung 10 für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz weist einen Masseanschluss 20, einen Pluspolanschluss 22 und einen Halbleiterschalter 30 auf. Der Halbleiterschalter 30 ist insbesondere ein Transistor, etwa ein MOSFET. Der Halbleiterschalter 30 ist mit einer Inversdiode 32 ausgestattet, deren Durchlassrichtung zum Pluspolanschluss 20 weist. Der Halbleiterschalter 30 ist seriell mit dem Pluspolanschluss 22 verbunden, kann jedoch auch seriell mit dem Masseanschluss 20 verbunden sein. Insbesondere einer der stromführenden Anschlüsse (Drain oder Source) ist mit dem Masse- oder Pluspolanschluss verbunden.The polarity reversal protection circuit shown 10 for a motor vehicle electrical system has a ground connection 20th , a positive terminal 22nd and a semiconductor switch 30th on. The semiconductor switch 30th is in particular a transistor, such as a MOSFET. The semiconductor switch 30th is with an inverse diode 32 equipped, the direction of flow to the positive pole connection 20th shows. The semiconductor switch 30th is serial with the positive terminal 22nd connected, but can also be serially connected to the ground connection 20th be connected. In particular, one of the current-carrying connections (drain or source) is connected to the ground or positive terminal.

Die Verpolschutzschaltung 10 weist ferner eine Spannungsquelle 40 auf. Diese kann autark sein, ist jedoch in dem dargestellten Beispiel über einen Versorgungsanschluss 45 mit den Potentialen der Masse- und des Pluspolanschlüssen verbunden, um von diesen elektrische Energie zum Betrieb der Spannungsquelle verbunden. In dem dargestellten Beispiel kann die Spannungsquelle 40 daher auch als Wandler (Gleichspannungswandler) betrachtet werden. Die Spannungsquelle ist mit einem Steuereingang 34 des Halbleiterschalters 30 verbunden. Insbesondere ein Ausgang 47 der Spannungsquelle, der sich auf der entgegengesetzten Seite des Versorgungsanschlusses 45 befindet (bezogen auf die Spannungsquelle bzw. bezogen auf den Gleichspannungswandler) ist mit dem Steuereingang 34 (Gate) des Halbleiterschalters verbunden. Der Halbleiterschalter 30 arbeitet als Trennschalter innerhalb des Bordnetzes 60. Der Halbleiterschalter 30 ist ein Leistungsschalter, der insbesondere für einen Nennbetriebsstrom (Drain-Source) von mehr als 50 A, 200 A oder 500 A ausgelegt ist.The reverse polarity protection circuit 10 also has a voltage source 40 on. This can be self-sufficient, but in the example shown is via a supply connection 45 connected to the potentials of the ground and positive pole connections in order to connect electrical energy from these for the operation of the voltage source. In the example shown, the voltage source 40 can therefore also be viewed as converters (DC voltage converters). The voltage source has a control input 34 of the semiconductor switch 30th tied together. In particular, an exit 47 the voltage source, which is on the opposite side of the supply connection 45 located (related to the voltage source or related to the DC voltage converter) is with the control input 34 (Gate) of the semiconductor switch connected. The semiconductor switch 30th works as a disconnector within the on-board network 60 . The semiconductor switch 30th is a circuit breaker that is designed in particular for a nominal operating current (drain-source) of more than 50 A, 200 A or 500 A.

Die Spannungsquelle 40 ist eingerichtet, über den Steuereingang 34 den Halbleiterschalter 30 in einen leitenden Zustand (Drain-Source-Strecke leitend) zu versetzen, wenn der Verpolungsfall auftritt (oder aufgetreten ist) bzw. wenn das Spannungspotential des Masseanschlusses 20 über dem des Pluspolanschlusses 22 liegt.The voltage source 40 is set up via the control input 34 the semiconductor switch 30th put into a conductive state (drain-source path conductive) if the polarity reversal occurs (or has occurred) or if the voltage potential of the ground connection 20th above that of the positive pole connection 22nd lies.

Die Spannungsquelle ist wie erwähnt mit einem Spannungswandler 42 ausgestattet. Dieser weist einen Eingang 44 auf, der dem Versorgungsanschluss nachgeschaltet ist. Der Eingang 44 bzw. der Versorgungsanschluss 45 ist mit dem Masseanschluss 20 und dem Pluspolanschluss 22 verbunden (direkt oder indirekt). Der Ausgang 46 des Spannungswandlers 42 ist mit dem Steuereingang 34 des Halbleiterschalters 30 verbunden.The voltage source is, as mentioned, with a voltage converter 42 fitted. This has an entrance 44 which is connected downstream of the supply connection. The entrance 44 or the supply connection 45 is with the ground connection 20th and the positive terminal 22nd connected (directly or indirectly). The exit 46 of the voltage converter 42 is with the control input 34 of the semiconductor switch 30th tied together.

Der Spannungswandler weist eine eingangsseitige Ansteuerschaltung 48 auf, die Strom leitet, wenn das Spannungspotential des Masseanschlusses 20 über dem des Pluspolanschlusses 22 liegt, d.h. wenn der Verpolungsfall auftritt oder aufgetreten ist. Ansonsten sperrt die Ansteuerschaltung 48 einen Stromfluss zum Spannungswandler 42. Auf diese Weise steuert die Ansteuerschaltung den Betrieb der Verpolschutzschaltung, so dass im Verpolungsfall die Spannungsquelle 40 versorgt wird und den Halbleiterschalter 30 in leitenden Zustand überführt oder hält. Es sind auch andere Steuermechanismen möglich, etwa eine dauerhafte Versorgung der Spannungsquelle, wobei nur im Verpolungsfall die Spannungsquelle 40 den Steuereingang 34 mit einem AN-Signal versorgt. Hierzu kann die Spannungsquelle einen Steuereingang aufweisen, über den der Verpolungsfall erkannt wird, um die Spannungsquelle 40 anzusteuern.The voltage converter has a control circuit on the input side 48 on who conducts current when the voltage potential of the ground connection 20th above that of the positive pole connection 22nd lies, ie when the polarity reversal occurs or has occurred. Otherwise the control circuit blocks 48 a current flow to the voltage converter 42 . In this way, the control circuit controls the operation of the polarity reversal protection circuit, so that in the event of polarity reversal, the voltage source 40 is supplied and the semiconductor switch 30th transferred to a conductive state or held. Other control mechanisms are also possible, for example a permanent supply of the voltage source, with the voltage source only in the event of reverse polarity 40 the control input 34 supplied with an ON signal. For this purpose, the voltage source can have a control input, via which the case of reverse polarity is recognized, around the voltage source 40 head for.

Die Ansteuerschaltung kann eine Diode aufweisen, deren Durchlassrichtung zur Spannungsquelle 40 weist. Alternativ oder zusätzlich kann die Ansteuerschaltung 40 einen mitgekoppelten MOSFET aufweisen, insbesondere einen p-Kanal-MOSFET. Allgemein kann die Ansteuerschaltung 40 eine Kippschaltung aufweisen, die bei Eintritt des Verpolungsfalls den Schaltzustand (dauerhaft, jedoch rücksetzbar) ändert. Die Ansteuerschaltung 48 ist in der linken oberen Ecke detaillierter dargestellt und umfasst einen Mitkopplungspfad, der ein Verzögerungsglied (RC-Glied oder ähnlich) umfasst.The control circuit can have a diode, the forward direction of which is toward the voltage source 40 shows. Alternatively or additionally, the control circuit 40 have a coupled MOSFET, in particular a p-channel MOSFET. In general, the control circuit 40 have a flip-flop that changes the switching state (permanently, but can be reset) when the polarity is reversed. The control circuit 48 is shown in more detail in the top left corner and includes a positive feedback path that includes a delay element (RC element or similar).

Der Versorgungseingang 45 der Spannungsquelle 40 ist mit dem Potential des Masseanschluss 20 und dem Potential des Pluspolanschluss 22 verbunden. Der Ausgang 47 der Spannungsquelle 40 ist mit dem Steuereingang 34 und einem weiteren Anschluss 36 des Halbleiterschalters 30 verbunden. Die Spannungsquelle 40 weist zwischen dem Versorgungseingang 45 und dem Ausgang 47 eine galvanische Trennung auf. Alternativ kann der Ausgang über ein galvanisches Trennglied 50 (als Alternative gestrichelt dargestellt) mit dem Halbleiterschalter 30 verbunden sein. Das Trennglied umfasst zwei magnetisch gekoppelte Wicklungen, die mit den unterschiedlichen Seiten der Spannungsquelle 40 (d.h. mit dem Eingang 45 bzw. dem Ausgang 47 verbunden sind.The supply input 45 the voltage source 40 is with the potential of the ground connection 20th and the potential of the positive pole connection 22nd tied together. The exit 47 the voltage source 40 is with the control input 34 and another connection 36 of the semiconductor switch 30th tied together. The voltage source 40 points between the supply input 45 and the exit 47 galvanic isolation. Alternatively, the exit via a galvanic isolator 50 (shown in dashed lines as an alternative) with the semiconductor switch 30th be connected. The isolator includes two magnetically coupled windings that connect to the different sides of the voltage source 40 (ie with the entrance 45 or the exit 47 are connected.

Die Inversdiode 32 des Halbleiterschalters 30 weist (herstellungsbedingt) eine Durchlassrichtung auf, die zum Pluspolanschluss 22 gerichtet ist.The inverse diode 32 of the semiconductor switch 30th has (due to the manufacturing process) a forward direction towards the positive pole connection 22nd is directed.

Das Kraftfahrzeug-Bordnetz 60 der 1 ist mit der vorangehend beschriebenen Verpolschutzschaltung 10 verbunden. Eine Last 70 ist seriell mit dem Halbleiterschalter 30 verbunden ist. Die dadurch resultierende Serienschaltung aus Last 70 und Halbleiterschalter 30 ist zwischen dem Masseanschluss 20 und dem Pluspolanschluss 22 geschaltet. Die Last 70 ist eine im Verpolungsfall leitende Komponente, insbesondere ein (weitere) Leistungsschalter eines Synchrongleichrichters (nicht vollständig dargestellt). Der Leistungsschalter, der die Last 70 darstellt, weist eine Inversdiode 74 auf, die parallel zu dem schaltenden Abschnitt 72 (d.h. Source, Drain, und der dazwischenliegende Kanalbereich) des Leistungsschalters 70 liegt. Die Inversdiode ergibt sich herstellungsbedingt im Substrat des Leistungsschalters (d.h. der Last 70) und stellt in einigen Betriebsarten keine Last dar, die für den Betrieb des Leistungsschalters eine Rolle spielt. Da im Verpolungsfall dennoch Strom durch den Leistungsschalter (d.h. der Last 70) fließt, wird die Inversdiode 74 als (stromführende) Last bezeichnet. Die Last 70 ist ein Transistor, insbesondere ein MOSFET. Als elektronischer Lastschalter 72 wird der Bereich des Transistors bezeichnet, der über einen Steuereingang gesteuert Strom führt, etwa der vorangehend genannte Abschnitt 72, d.h. Source, Drain, und der dazwischenliegende Kanalbereich. Die Inversdiode 74 hat eine höhere Hochstromfestigkeit als die Inversdiode 32, insbesondere aufgrund einer besseren Wärmeabführung. Anstatt der dargestellten Last 70 kann eine Diode vorgesehen sein, etwa die eines Gleichrichters, wobei die Diode wie die dargestellte Diode 74 ausgerichtet und beschaltet ist, wobei kein elektronischer Lastschalter 72 parallel geschaltet ist.The vehicle electrical system 60 the 1 is with the reverse polarity protection circuit described above 10 tied together. A burden 70 is in series with the semiconductor switch 30th connected is. The resulting series connection from load 70 and semiconductor switches 30th is between the ground connection 20th and the positive terminal 22nd switched. Weight 70 is a conductive component in the event of polarity reversal, in particular a (further) circuit breaker of a synchronous rectifier (not shown in full). The breaker that holds the load 70 represents, has an inverse diode 74 on that parallel to the switching section 72 (ie source, drain, and the intermediate channel area) of the circuit breaker 70 lies. The inverse diode results from the manufacturing process in the substrate of the circuit breaker (ie the load 70 ) and in some operating modes does not represent a load that plays a role in the operation of the circuit breaker. Since, in the event of reverse polarity, current flows through the circuit breaker (ie the load 70 ) flows, the inverse diode becomes 74 referred to as the (live) load. Weight 70 is a transistor, especially a MOSFET. As an electronic load switch 72 is the term used for the area of the transistor which conducts current in a controlled manner via a control input, for example the section mentioned above 72 , ie source, drain, and the channel region in between. The inverse diode 74 has a higher high current resistance than the inverse diode 32 , especially due to better heat dissipation. Instead of the load shown 70 A diode can be provided, for example that of a rectifier, the diode like the diode shown 74 is aligned and wired, with no electronic load switch 72 is connected in parallel.

Die Last 70 ist als (passiver oder wie dargestellt) gesteuerter Gleichrichter oder als Inverter ausgestaltet, oder als Teil eines Gleichrichters oder Inverters. Die dargestellte Last 70 weist einen Halbleiterschalter 72 (Drain, Source und der dazwischenliegende Kanalbereich) mit einer Inversdiode 74, die sich insbesondere im gleichen Substrat wie der Halbleiterschalter befindet. Das Substrat des Halbleiterschalters 72 der Last ist über einen Wärmewiderstand mit einer Wärmesenke (nicht dargestellt) verbunden, der kleiner ist als ein Wärmewiderstand, der das Substrat des Halbleiterschalters 30 der Verpolschutzschaltung 10 mit einer Wärmesenke verbindet. Dadurch ist eine Erhitzung der Inversdiode 74 weniger kritisch (im Hinblick auf eine Schädigung des betreffenden Halbleiters) als eine Erhitzung der Inversdiode 32, wobei die Erhitzung sich durch Stromfluss durch diese Dioden ergibt. Wie erwähnt kann bei einem passiven Gleichrichter als Last die Gleichrichterdiode mit einer höheren Hitzebelastbarkeit ausgestattet sein als die Inversdiode 32. Die höhere Hitzebelastbarkeit ergibt sich durch einen geringeren Wärmewiderstand zu einer Wärmesenke und/oder aus einer höheren Betriebstemperatur.Weight 70 is designed as a (passive or as shown) controlled rectifier or inverter, or as part of a rectifier or inverter. The load shown 70 has a semiconductor switch 72 (Drain, source and the channel area in between) with an inverse diode 74 , which is located in particular in the same substrate as the semiconductor switch. The substrate of the semiconductor switch 72 the load is connected to a heat sink (not shown) via a thermal resistor that is smaller than a thermal resistor that forms the substrate of the semiconductor switch 30th the reverse polarity protection circuit 10 connects to a heat sink. This causes the inverse diode to heat up 74 less critical (with regard to damage to the semiconductor concerned) than heating of the inverse diode 32 The heating results from the flow of current through these diodes. As mentioned, in the case of a passive rectifier as the load, the rectifier diode can be equipped with a higher heat load capacity than the inverse diode 32 . The higher heat resistance results from a lower thermal resistance to a heat sink and / or from a higher operating temperature.

Die Inversdiode 74 des Halbleiterschalters der Last 70 weist eine Durchlassrichtung auf, die zum Pluspolanschluss gerichtet ist. Die hier genannten Durchlassrichtungen sind in umgekehrter Richtung, falls die Schaltung 10 komplementär aufgebaut ist.The inverse diode 74 of the semiconductor switch of the load 70 has a forward direction which is directed towards the positive pole connection. The transmission directions mentioned here are in the opposite direction, if the circuit 10 is constructed in a complementary manner.

Die Spannungsquelle 10 kann als Sperrwandler aufgebaut sein, der neben einer Zerhackerschaltung (welche über den Eingang 45 bzw. 44 versorgt wird) einen (magnetischen) Übertrager aufweist, der den Eingang 45 von dem Ausgang 47 galvanisch trennt.The voltage source 10 can be constructed as a flyback converter, which in addition to a chopper circuit (which is via the input 45 respectively. 44 is supplied) has a (magnetic) transformer, which is the input 45 from the exit 47 galvanically separates.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010: VerpolschutzschaltungReverse polarity protection circuit
2020th: MasseanschlussGround connection
2222nd: PluspolanschlussPositive terminal
3030th: Halbleiterschalter (der Spannungsquelle)Semiconductor switch (of the voltage source)
3232: InversdiodeInverse diode
4040: SpannungsquelleVoltage source
3434: Steuereingang (des Halbleiterschalters 30)Control input (of the semiconductor switch 30th )
4242: SpannungswandlerVoltage converter
4444: Eingang des Wandlers 42Input of converter 42
4545: Versorgungseingang der Spannungsquelle 40Supply input of the voltage source 40
4646: Ausgang 46 des Spannungswandlers 42exit 46 of voltage converter 42
4747: Ausgang 47 der Spannungsquelle 40exit 47 the voltage source 40
4848: eingangsseitige Ansteuerschaltung der Spannungsquelle 40input-side control circuit of voltage source 40
3636: weiterer Anschluss 36 des Halbleiterschalters 30further connection 36 of the semiconductor switch 30
5050: alternatives galvanisches Trenngliedalternative galvanic isolator
6060: Kraftfahrzeug-BordnetzMotor vehicle electrical system
7070: Last bzw. Leistungstransistor innerhalb des angeschlossenen BordnetzesLoad or power transistor within the connected vehicle electrical system
7272: elektronischer Lastschalterelectronic load switch
7474: Inversdiode der Last 70 (kann auch als Gleichrichterdiode eines passiven Gleichrichters vorgesehen sein)Inverse diode of the load 70 (can also be provided as a rectifier diode of a passive rectifier)

Claims

Reverse polarity protection circuit (10) for a motor vehicle electrical system, the reverse polarity protection circuit (10) having: - a ground connection (20); - A positive terminal (22); and - a semiconductor switch (30) which is designed with an inverse diode (32) and which is serially connected to the positive pole connection (20) or the ground connection (22), characterized in that the polarity reversal protection circuit (10) further comprises: - a voltage source (40), which is connected to a control input (34) of the semiconductor switch (30) and which is set up to put the semiconductor switch (30) into a conductive state via the control input (34) when the voltage potential of the ground connection (20) above that of the positive pole connection (22), a load (70) being connected in series to the semiconductor switch (30) and the resulting series connection of load (70) and semiconductor switch (30) between the ground connection (20) and the positive pole connection (22) is switched and wherein the load (70) has a higher high current resistance than the inverse diode (32) of the semiconductor switch (30) of the polarity reversal protection circuit (10).

Reverse polarity protection circuit after Claim 1 , wherein the voltage source (40) has a voltage converter (42) which is equipped with an input (44) which is connected to the ground connection (20) and the positive terminal (22), the output of the voltage converter (42) being connected to the Control input (34) of the semiconductor switch (30) is connected.

Reverse polarity protection circuit after Claim 1 or 2 wherein the voltage converter (42) has an input-side control circuit (48) which conducts current when the voltage potential of the ground connection (20) is above that of the positive pole connection (22), and otherwise blocks a current flow to the voltage converter (42).

Reverse polarity protection circuit after Claim 3 , wherein the control circuit (48) has a diode or has a coupled MOSFET, in particular a p-channel MOSFET.

Reverse polarity protection circuit according to one of the preceding claims, wherein the voltage source (40) has a supply input (45) which is connected to the potential of the ground connection (20) and the potential of the positive terminal (22), and the voltage source (40) has an output (47) ) which is connected to the control input (34) and a further connection (36) of the semiconductor switch (30), the voltage source (40) having a galvanic separation between the supply input (45) and the output (47) or the output is connected to the semiconductor switch (30) via a galvanic isolating element (50).

Reverse polarity protection circuit according to one of the preceding claims, wherein the inverse diode (32) of the semiconductor switch (30) has a forward direction which is directed towards the positive pole connection (22).

Motor vehicle electrical system according to one of the preceding claims, wherein the load (70) is designed as a passive or controlled rectifier or inverter or is present as part of a rectifier or inverter and has a rectifier diode or a semiconductor switch (72) with an inverse diode (74), wherein the substrate of the semiconductor switch (72) of the load is connected to a heat sink via a thermal resistor that is smaller than a thermal resistor that connects the substrate of the semiconductor switch (30) of the polarity reversal protection circuit (10) to a heat sink or wherein the rectifier diode of the load is connected a thermal resistor is connected to a heat sink which is smaller than a thermal resistor which connects the substrate of the semiconductor switch (30) of the polarity reversal protection circuit (10) to a heat sink.

Motor vehicle electrical system according to Claim 7 , wherein the inverse diode (74) of the semiconductor switch of the load (70) has a forward direction which is directed towards the positive pole connection.

Motor vehicle electrical system according to one of the preceding claims, wherein the load has an electronic load switch (72) with an inverse diode (74).