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Technisches Gebiet:
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators bzw. eines Zwischenkreises und ein Bordnetz mit einer genannten Schaltungsanordnung.
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Stand der Technik:
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Die gattungsbildende Patentoffenlegungsschrift
DE 11 2011 101 611 T5 beschreibt einen Leistungswandler. Bei diesem Leistungswandler sind Schaltelemente, die einen Überstrom oder eine Überhitzung verursachen, nur auf ein Schaltelement begrenzt. Dadurch soll es ermöglicht werden, den Überstrom oder die Überhitzung zuverlässig zu verhindern.
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Eine weitere Patentoffenlegungsschrift
DE 11 2012 003 166 T5 beschreibt einen Leistungsumsetzer. Mit diesem Leistungsumsetzer soll es ermöglichst werden, die Zeit einer Kurzzeitentladung eines Glättungskondensators zu optimieren. Dadurch soll auch eine große Wärmeerzeugung im Entladungswiderstand selbst bei mehrmaliger Kurzzeitentladung verhindert werden.
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Zwischenkreise mit Zwischenkreiskondensatoren, insb. in Bordnetzen von Hybridelektro-/Elektrofahrzeugen, müssen vor Überspannungen geschützt werden, die zum Defekt der Zwischenkreise führen können.
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Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Möglichkeit bereitzustellen, einen Zwischenkreiskondensator bzw. einen Zwischenkreis mit einem Zwischenkreiskondensator, insb. im Falle einer drohenden Überspannung, zuverlässig zu entladen.
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Beschreibung der Erfindung:
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Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Schaltungsanordnung zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators bzw. eines Zwischenkreises mit einem Zwischenkreiskondensator bereitgestellt.
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Die Schaltungsanordnung umfasst einen Plusanschluss zum Anschließen der Schaltungsanordnung an einen Pluspol des Zwischenkreises bzw. dessen Zwischenkreiskondensators. Ferner umfasst die Schaltungsanordnung einen Minusanschluss zum Anschließen der Schaltungsanordnung an einen Minuspol des Zwischenkreises bzw. dessen Zwischenkreiskondensators. Außerdem umfasst die Schaltungsanordnung einen Entladestrompfad zwischen dem Pulsanschluss und dem Minusanschluss zum Entladen des Zwischenkreises, insb. im Falle einer drohenden Überspannung.
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Die Schaltungsanordnung umfasst zudem eine Entladeschalteinheit mit einem integrierten steuerbaren Entladeschalter, der in dem Entladestrompfad elektrisch angeschlossen ist und eingerichtet ist, in einem geschlossenen Schaltzustand einen Stromfluss durch den Entladestrompfad zu ermöglichen und in einem geöffneten Schaltzustand diesen Stromfluss zu unterbinden.
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Die Entladeschalteinheit umfasst außerdem eine Übertemperaturschutzeinheit, die in der Entladeschalteinheit integriert ist und eingerichtet ist, den Entladeschalter vor einer Übertemperatur zu schützen.
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Die Übertemperaturschutzeinheit umfasst einen Temperaturmesser zum Messen einer Temperatur an dem Entladeschalter und einen ersten Gatetreiber, der dem Temperaturmesser nachgeschaltet ist und eingerichtet ist, den Entladeschalter zu öffnen, wenn die gemessene Temperatur einen vorgegebenen Temperaturschwellwert übersteigt.
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Der Entladeschalter bzw. die Entladeschalteinheit ist dank der integrierten Übertemperaturschutzeinheit intern gegen Überlastung durch zu hohe (Innen-)Temperatur geschützt. Übersteigt die (Innen-)Temperatur während einer Einschaltphase des Entladeschalters, in der der Entladeschalter geschlossen ist, über den vorgegebenen Temperaturschwellwert, so schaltet der erste Gatetreiber den Entladeschalter vorübergehend aus, bis die (Innen-)Temperatur unter dem Temperaturschwellwert sinkt. Sobald die (Innen-)Temperatur unter dem Temperaturschwellwert gesunken ist, schaltet der erste Gatetreiber den Entladeschalter wieder ein, sofern die Entladung des Zwischenkreises fortgesetzt wird.
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Durch die Temperaturüberwachung durch die Übertemperaturschutzeinheit und die entsprechende Ansteuerung kann der Entladeschalter zuverlässig vor Übertemperatur geschützt werden. Dadurch werden die Lebensdauer und zugleich die Zuverlässigkeit des Entladeschalters bzw. der Entladeschalteinheit und somit auch der Entladestrompfad erhöht.
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Damit ist eine zuverlässige Möglichkeit zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators bzw. eines Zwischenkreises mit einem Zwischenkreiskondensator, insb. im Falle einer drohenden Überspannung, bereitgestellt.
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Da die Überlastung an dem Entladeschalter durch die Übertemperaturschutzeinheit permanent überwacht wird und im Falle einer drohenden Überlastung der Entladeschalter durch schnelles Öffnen rechtzeitig entlastet werden kann, kann der Entladeschalter entsprechend klein und verlustleistungsarm dimensioniert werden.
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Vorzugsweise umfasst die Entladeschalteinheit eine Überstromschutzeinheit, die ebenfalls in der Entladeschalteinheit integriert ist und eingerichtet ist, den Entladeschalter vor einem Überstrom, insb. vor elektrischen Kurzschlüssen, zu schützen. Die Überstromschutzeinheit umfasst einen Strommesser zum Messen eines durch den Entladeschalter fließenden (Entlade-)Stromes und einen zweiten Gatetreiber, der dem Strommesser nachgeschaltet ist und eingerichtet ist, den Entladeschalter zu öffnen, wenn der gemessene Stromwert einen vorgegebenen Stromschwellwert übersteigt.
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Der Entladeschalter bzw. die Entladeschalteinheit ist dank der integrierten Überstromschutzeinheit intern gegen Überlastung durch zu hohe Ströme, insb. vor elektrischen Kurzschlüssen, geschützt. Übersteigt der Entladestrom, der während einer Einschaltphase des Entladeschalters durch den Entladeschalter bzw. durch dessen Laststromstrecke fließt, über den vorgegebenen Stromschwellwert, so schaltet der zweite Gatetreiber den Entladeschalter vorübergehend aus, bis der Entladestrom(-wert) unter den Stromschwellwert sinkt. Sobald der Entladestrom(-wert) unter den Stromschwellwert gesunken ist, schaltet der zweite Gatetreiber den Entladeschalter wieder ein, sofern die Entladung des Zwischenkreises fortgesetzt wird.
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Durch die Stromüberwachung durch die Überstromschutzeinheit und die entsprechende Ansteuerung kann der Entladeschalter zuverlässig vor zu hohen Strömen, insb. vor elektrischen Kurzschlüssen, geschützt werden. Dadurch werden die Lebensdauer und zugleich die Zuverlässigkeit des Entladeschalters bzw. der Entladeschalteinheit und somit auch des Entladestrompfades weiter erhöht.
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Vorzugsweise sind der Entladeschalter, die Übertemperaturschutzeinheit und die Überstromschutzeinheit der Entladeschalteinheit in einem einstückigen elektronischen Bauelement, insb. in einem Chip, monolithisch integriert. Derartige monolithische Ausführung der Entladeschalteinheit spart den Bauraum und erhöht insb. die Zuverlässigkeit bei der Übertemperaturüberwachung.
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Die Schaltungsanordnung umfasst vorzugsweise ferner einen Spannungsbegrenzer, der in dem Entladestrompfad zwischen dem Plusanschluss und dem Entladeschalter elektrisch angeschlossen ist und eingerichtet ist, die Spannung zu begrenzen, die während der Entladephase des Zwischenkreiskondensators an dem Entladeschalter (bzw. an der Laststromstrecke des Entladeschalters) anliegt.
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Dabei umfasst der Spannungsbegrenzer vorzugsweise einen steuerbaren Halbleiterschalter, der zur Begrenzung der an dem Entladeschalter abfallenden Spannung im analogen Linearbetrieb betreibbar ausgeführt ist. Dadurch schützt der Spannungsbegrenzer bzw. dessen Halbleiterschalter den Entladeschalter vor einer zu hohen Spannung (Überspannung) des Zwischenkreises, für die der Entladeschalter nicht ausgelegt ist. Dabei ist der Spannungsbegrenzer bzw. der Halbleiterschalter des Spannungsbegrenzers so ausgelegt, dass er auch unter der maximalen Last des Entladeschalters in einem sicheren Bereich (also ohne Überlastung) betrieben werden kann. Damit ist der Spannungsbegrenzer bzw. der Halbleiterschalter des Spannungsbegrenzers indirekt durch die Leistungsbegrenzung durch den Entladeschalter vor einer Überlastung geschützt.
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Dabei kann der Halbleiterschalter als ein Leistungshalbleiter, wie z. B. ein selbst sperrender Leistungs-IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) oder ein Leistungs-MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), ausgebildet sein, der im analogen Linearbetrieb betreibbar ausgeführt ist.
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Die Schaltungsanordnung umfasst vorzugsweise ferner einen Komparator, der eingerichtet ist, eine momentane Spannung des Zwischenkreises (bzw. eine skalierte momentane Spannung) mit einer vorgegebenen Referenzspannung zu vergleichen. Dabei ist der Komparator über einen Ausgangsstromanschluss mit einem Steueranschluss des Entladeschalters elektrisch leitend verbunden und ist eingerichtet, beim Überschreiten der Referenzspannung durch die momentane Ladespannung den Entladeschalter zu schließen und somit den Zwischenkreis bzw. den Zwischenkreiskondensator über den Entladestrompfad zu entladen.
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Die Schaltungsanordnung umfasst vorzugsweise ferner einen Teststrompfad zwischen einem ersten (insb. negativen, invertierenden) Eingangsanschluss des Komparators und dem Minusanschluss. Außerdem umfasst die Schaltungsanordnung vorzugsweise einen steuerbaren Testschalter, der in dem Teststrompfad elektrisch angeschlossen ist und eingerichtet ist, in einem geschlossenen (und somit aktivierten) Schaltzustand die Referenzspannung zum Testzweck auf 0 (Null) Volt zu senken.
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Zum Testen der Funktionalität des Entladestrompfades Wird die Referenzspannung auf 0 Volt gesenkt, so übertrifft die skalierte Spannung des Zwischenkreises die Referenzspannung. Der Komparator gibt ein entsprechendes Signal aus, mit dem angesteuert der Entladeschalter geschlossen wird und als Folge der Zwischenkreis bzw. der Zwischenkreiskondensator über den Entladestrompfad entladen wird. Der Strom durch den Entladestrompfad kann dann gemessen werden und anhand des Messwertes dieses Stromes die Funktionalität des Entladestrompfades getestet werden.
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Vorzugsweise umfasst die Schaltungsanordnung ferner einen Messwiderstand (bspw. ein Shunt-Widerstand), der in dem Entladestrompfad elektrisch angeschlossen ist. Die Schaltungsanordnung umfasst vorzugsweise ferner eine Messeinheit, die eingerichtet ist, einen durch den Messwiderstand fließenden Strom oder eine an dem Messwiderstand abfallende Spannung zu messen.
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Die Messeinheit umfasst bspw. einen Spannungsmesser, der über Messanschlüsse eine an dem Messwiderstand anliegenden Spannung oder einen durch den Messwiderstand fließenden Strom misst. Die Messeinheit umfasst ferner vorzugsweise einen Mikrokontroller oder einen Teil davon, der ausgeführt ist, anhand des gemessenen Strom- bzw. Spannungswertes zu erkennen, ob der Entladestrompfad intakt ist bzw. fehlerfrei funktioniert.
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Vorzugsweise umfasst die Schaltungsanordnung ferner einen Signalgenerator, der eingerichtet ist, ein Teststeuersignal zu generieren, mit dem die Funktionalität des Komparators bzw. der Schaltungsanordnung getestet wird. Dabei ist der Signalgenerator über einen Ausgangsstromanschluss mit einem Steueranschluss des Testschalters elektrisch leitend verbunden. Zum Starten eines Testvorgangs zum Testen der Funktionalität des Entladestrompfades schließt der Signalgenerator mit dem Teststeuersignal den Testschalter, wodurch der oben beschriebene Testvorgang gestartet wird.
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Der Signalgenerator ist vorzugsweise eingerichtet, in vorbestimmten Zeitintervallen die Testvorgänge zu starten. Dabei kann der Signalgenerator ein Teil des oben genannten Mikrokontrollers sein.
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Vorzugsweise umfasst die Schaltungsanordnung ferner einen Referenzspannungspfad zwischen dem Plusanschluss und dem Minusanschluss sowie einen ersten Spannungsteiler, der in dem Referenzspannungspfad elektrisch angeschlossen ist. Der erste Spannungsteiler weist einen Ausgangsstromanschluss auf, über den eine Teilspannung einer an dem ersten Spannungsteiler anliegenden Spannung (bzw. der Zwischenkreisspannung bzw. eines Teils davon) abgegriffen werden kann. Der Ausgangsstromanschluss ist mit einem Versorgungsstromanschluss des Komparators elektrisch leitend verbunden. Der Komparator wird somit aus der Zwischenkreisspannung versorgt.
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Die Schaltungsanordnung umfasst ferner vorzugsweise eine Referenzspannungsquelle, die in dem Referenzspannungspfad elektrisch angeschlossen ist und mit dem ersten Eingangsanschluss des Komparators elektrisch leitend verbunden ist. Die Referenzspannungsquelle ist vorzugsweise derart eingerichtet, dass diese aus einer zwischen dem Plus- und dem Minusanschluss anliegenden Spannung (bzw. der Zwischenkreisspannung) für den Komparator zu generieren und diese Spannung als die Referenzspannung dem ersten Eingangsanschluss des Komparators zuzuleiten. Dabei umfasst die Referenzspannungsquelle insb. eine Zenerdiode, wobei die Zenerdiode über den Kathodenanschluss mit dem ersten Eingangsanschluss des Komparators elektrisch leitend verbunden ist.
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Vorzugsweise umfasst die Schaltungsanordnung ferner einen Spannungsmesspfad zwischen dem Plusanschluss und dem Minusanschluss. Außerdem umfasst die Schaltungsanordnung vorzugsweise einen zweiten Spannungsteiler, der in dem Spannungsmesspfad elektrisch angeschlossen ist. Der zweite Spannungsteiler umfasst einen Ausgangsstromanschluss, über den eine Teilspannung einer an dem zweiten Spannungsteiler anliegenden Spannung (bzw. der Zwischenkreisspannung bzw. eines Teils davon) abgegriffen werden kann. Über den Ausgangsstromanschluss ist der zweite Spannungsteiler mit einem zweiten (insb. positiven, nicht invertierenden) Eingangsanschluss des Komparators elektrisch leitend verbunden. Die Teilspannung des zweiten Spannungsteilers wird als die Vergleichsspannung dem zweiten Eingangsanschluss des Komparators zugeführt. Der Komparator vergleicht dann die an dem ersten Eingangsanschluss anliegende Referenzspannung mit der an dem zweiten Eingangsanschluss anliegenden Vergleichsspannung und gibt abhängig von dem Vergleichsergebnis ein Signal über den Ausgangsanschluss aus, mit dem dann der Entladeschalter gesteuert ein-/ausgeschaltet wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Bordnetz für ein Fahrzeug, insb. ein Hybridelektro-/Elektrofahrzeug, bereitgestellt. Das Bordnetz umfasst mindestens einen Zwischenkreis mit mindestens einem Zwischenkreiskondensator zum Aufrechterhalten von Spannungsniveaus in dem Bordnetz. Ferner umfasst das Bordnetz mindestens eine zuvor beschriebene Schaltungsanordnung zum Entladen des Zwischenkreises bzw. des mindestens einen Zwischenkreiskondensators des Zwischenkreises, wobei die Schaltungsanordnung über den Plusanschluss mit dem Pluspol des Zwischenkreises und über den Minusanschluss mit dem Minuspol des Zwischenkreises elektrisch leitend verbunden ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der zuvor beschriebenen Schaltungsanordnung sind, soweit im Übrigen auf das oben genannte Bordnetz übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des Bordnetzes anzusehen.
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Beschreibung der Zeichnung:
- Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur in einer schematischen Darstellung einen Schaltungsabschnitt eines Bordnetzes BN eines Hybridelektrofahrzeugs mit einer Schaltungsanordnung SA gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Das Bordnetz BN umfasst einen Zwischenkreis ZK mit einem Zwischenkreiskondensator KD, in dem eine Betriebsspannung von bspw. 48 Volt vorliegt. Der Zwischenkreis ZK bzw. der Zwischenkreiskondensator KD muss vor Überspannungen geschützt werden. Im Falle einer Überspannung an dem Zwischenkreis ZK bzw. dem Zwischenkreiskondensator KD muss der Zwischenkreiskondensator KD entladen werden, so dass die Spannung an dem Zwischenkreis ZK innerhalb einer vertretbaren Zeit wieder auf einen ungefährlichen Spannungswert sinken kann.
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Um den Zwischenkreis ZK vor Überspannungen zu schützen, umfasst das Bordnetz BN eine Schaltungsanordnung SA, über die sich der Zwischenkreis ZK bzw. der Zwischenkreiskondensator KD bei einer (drohenden) Überspannung entladen kann.
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Die Schaltungsanordnung SA umfasst einen Plusanschluss PA und einen Minusanschluss MA, über die die Schaltungsanordnung SA mit dem Zwischenkreis ZK bzw. jeweils mit einem Pluspol und einem Minuspol des Zwischenkreiskondensators KD elektrisch leitend verbunden ist.
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Die Schaltungsanordnung SA umfasst ferner einen Entladestrompfad EP, der den Plusanschluss PA und den Minusanschluss MA elektrisch verbindet und über den der Zwischenkreiskondensator KD im Falle einer Überspannung entladen wird.
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Die Schaltungsanordnung SA umfasst ferner eine Entladeschalteinheit ES, die ihrerseits einen steuerbaren Entladeschalter T1, eine Übertemperaturschutzeinheit TS sowie eine Überstromschutzeinheit US umfasst. Dabei sind der Entladeschalter T1, die Übertemperaturschutzeinheit TS und die Überstromschutzeinheit US der Entladeschalteinheit ES in einem einstückigen Chip monolithisch integriert.
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Die Entladeschalteinheit ES ist in der Schaltungsanordnung SA derart geschaltet, dass der steuerbare Entladeschalter T1 in dem Entladestrompfad EP elektrisch angeschlossen ist. Der Entladeschalter T1 ist in dieser Ausführungsform als ein Leistungs-MOSFET ausgebildet und ist über seine Laststromstrecke (Drain-Source-Strecke) in dem Entladestrompfad EP elektrisch angeschlossen.
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Die Übertemperaturschutzeinheit TS ist eingerichtet, den Entladeschalter T1 vor einer Übertemperatur zu schützen. Herzu umfasst die Übertemperaturschutzeinheit TS einen Temperaturmesser TM zum Messen einer Temperatur an dem Entladeschalter T1 und einen ersten Gatetreiber GT1, der dem Temperaturmesser TM nachgeschaltet ist und eingerichtet ist, den Entladeschalter T1 zu öffnen, sobald die gemessene Temperatur einen vorgegebenen Temperaturschwellwert übersteigt.
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Die Überstromschutzeinheit US ist eingerichtet, den Entladeschalter T1 vor einem Überstrom bzw. einem elektrischen Kurzschluss zu schützen. Hierzu umfasst die Überstromschutzeinheit US einen Strommesser SM (mit bspw. einem Shunt-Widerstand) zum Messen eines durch die Laststromstrecke des Entladeschalters T1 fließenden Stromes und einen zweiten Gatetreiber GT2, der dem Strommesser SM nachgeschaltet ist und eingerichtet ist, den Entladeschalter T1 zu öffnen, wenn der gemessene Stromwert einen vorgegebenen Stromschwellwert übersteigt.
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Damit bildet die Entladeschalteinheit ES einen „intelligenten“ (Leistungshableiter-)Schalter mit integrierten Überlastschutzfunktionen gegen Überhitzung und Überstrom aus.
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Die Schaltungsanordnung SA umfasst ferner einen Spannungsbegrenzer SB, der in dem Enladestrompfad EP und zwischen dem Plusanschluss PA und dem Entladeschalter T1 elektrisch angeschlossen ist. Der Spannungsbegrenzer SB begrenzt die Spannung Ue, die während einer Entladephase des Zwischenkreiskondensators KD an dem Entladeschalter T1 anliegt, bis auf ein für den Entladeschalter T1 ungefährliches Spannungsniveau (bspw. auf 14 Volt) und dient somit zum Schutz des Entladeschalters T1 vor Überspannungen (Überlastschutz).
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Der Spannungsbegrenzer SB umfasst seinerseits einen im analogen Linearbetrieb betreibbaren, steuerbaren Schutzschalter T3, der in dem Entladestrompfad EP und zwischen dem Plusanschluss PA und dem Entladeschalter T1 elektrisch angeschlossen ist. Der Schutzschalter T3 ist in dieser Ausführungsform als ein im analogen Linearbetrieb betreibbarer Feldeffekttransistor ausgebildet und ist über seine Laststromstrecke (Drain-Source-Strecke) in dem Entladestrompfad EP elektrisch angeschlossen. Alternativ kann der Schutzschalter T3 auch als ein im analogen Linearbetrieb betreibbarer Leistungs-MOSFET oder ein vergleichbarer Leistungshalbleiterschalter ausgebildet sein. Zur Begrenzung der Spannung Ue an dem Entladeschalter T1 wird der Schutzschalter T3 im analogen Linearbeitrieb betrieben, so dass an dem Schutzschalter T3 ein Teil der zwischen dem Plusanschluss PA und dem Minusanschluss MA anliegende Ladespannung Um anliegt und die Spannung Ue, die an dem Entladeschalter T1 bzw. an dessen Laststromstrecke anliegt, bis auf ein für den Entladeschalter T1 ungefährliches Spannungsniveau (auf 14 Volt) begrenzt wird. Der Schutzschalter T3 wird von einem in der Figur nicht dargestellten Kühler aktiv gekühlt und somit vor thermischen Überlastungen geschützt.
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Die Schaltungsanordnung SA umfasst ferner einen Messwiderstand Rm, der in dem Entladestrompfad EP und zwischen dem Entladeschalter T1 und dem Minusanschluss MA elektrisch angeschlossen ist.
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Die Schaltungsanordnung SA umfasst ferner einen Spannungsmesspfad MP, der zwischen dem Plusanschluss PA und dem Minusanschluss MA und somit parallel zu dem Entladestrompfad EP elektrisch angeschlossen ist.
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Die Schaltungsanordnung SA umfasst ferner einen Spannungsteiler ST2, der seinerseits zwei in Reihe geschalteten Widerstände R21, R22 umfasst. Die beiden Widerstände R21, R22 sind in dem Spannungsmesspfad MP in Reihe elektrisch angeschlossen. Zwischen den beiden Widerständen R21, R22 weist der Spannungsteiler ST2 einen Ausgangsstromanschluss A2 auf, an dem eine Teilspannung der an dem Spannungsteilers ST2 bzw. zwischen dem Plusanschluss PA und dem Minusanschluss MA anliegenden Spannung anliegt, wobei diese Spannung der momentanen Ladespannung Um des Zwischenkreiskondensators KD entspricht. Diese Teilspannung entspricht somit einer um einen Faktor R22/ (R21+R22) skalierten, momentanen Ladespannung Um des Zwischenkreiskondensators KD.
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Die Schaltungsanordnung SA umfasst ferner einen Referenzspannungspfad RP zwischen dem Plusanschluss PA und dem Minusanschluss MA, der somit parallel zu dem Entladestrompfad EP und dem Spannungsmesspfad MP elektrisch angeschlossen ist.
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Die Schaltungsanordnung SA umfasst ferner einen weiteren Spannungsteiler ST1, der ebenfalls zwei in Reihe geschalteten Wiederstände R11, R12 umfasst. Die beiden Widerstände R11, R12 sind in dem Referenzspannungspfad RP in Reihe elektrisch angeschlossen. Zwischen den beiden Widerständen R11, R12 weist der Spannungsteiler ST1 einen Ausgangsstromanschluss A1 auf, an dem eine Teilspannung der an dem Spannungsteiler ST1 anliegenden Spannung abgegriffen werden kann.
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Die Schaltungsanordnung SA umfasst ferner eine Zenerdiode ZD, die in dem Referenzspannungspfad RP und zwischen dem Spannungsteiler ST1 und dem Minusanschluss MA elektrisch angeschlossen ist. Dabei weist die Zenerdiode ZD mit ihrem Kathodenanschluss KA dem Spannungsteiler ST1. Die Zenerdiode ZD dient als eine Referenzspannungsquelle RQ und stellt eine Referenzspannung Ur bereit, die der Sperrspannung der Zenerdiode ZD entspricht.
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Die Schaltungsanordnung SA umfasst ferner einen Komparator KP. Der Komparator KP umfasst einen ersten, negativen invertierenden Eingangsanschluss E1, einen zweiten, positiven nicht invertierenden Eingangsanschluss E2, einen Ausgangsstromanschluss A3 sowie einen Versorgungsstromanschluss VA. Über den negativen Eingangsanschluss E1 ist der Komparator KP mit dem Kathodenanschluss KA der Zenerdiode ZD und somit mit dem Spannungsteiler ST1 elektrisch leitend verbunden. In dem Strompfad zwischen dem negativen Eingangsanschluss E1 des Komparators KP und dem Kathodenanschluss KA der Zenerdiode ZD weist die Schaltungsanordnung SA einen Schutzwiderstand Rs auf, der hochohmig (bspw. mit 100 Kilo-Ohm) ausgeführt ist und eingerichtet ist, einerseits die Zenerdiode ZD zu entlasten und andererseits den negativen Eingangsanschluss E1 des Komparators KP und somit den Komparator KP vor zu hohen Strömen zu schützen.
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Über den positiven Eingangsanschluss E2 ist der Komparator KP mit dem Ausgangsstromanschluss A2 des in dem Spannungsmesspfad MP befindlichen Spannungsteilers ST2 elektrisch leitend verbunden.
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Über den Ausgangsstromanschluss A3 ist der Komparator KP mit dem Steueranschluss G1 des Entladeschalters T1 elektrisch leitend verbunden.
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Über den Versorgungsstromanschluss VS ist der Komparator KP mit dem Ausgangsstromanschluss A1 des in dem Referenzspannungspfad RP befindlichen Spannungsteilers ST1 und mit dem Steueranschluss G3 des Schutzschalters T3 elektrisch leitend verbunden.
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Die Schaltungsanordnung SA umfasst ferner einen Teststrompfad TP, der den negativen Eingangsanschluss E1 des Komparators KP mit dem Minusanschluss MA elektrisch verbindet.
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Die Schaltungsanordnung SA umfasst ferner einen steuerbaren Testschalter T2, der in dieser Ausführungsform als ein MOSFET ausgebildet ist und über seine Laststromstrecke (Drain-Source-Strecke) in dem Teststrompfad TP elektrisch angeschlossen ist.
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Die Schaltungsanordnung SA umfasst ferner einen Steuersignalgenerator SG, der über einen Ausgangsstromanschluss A4 mit dem Steueranschluss G2 des Testschalters T2 elektrisch leitend verbunden ist.
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Die Schaltungsanordnung SA umfasst ferner eine Messeinheit ME, die über zwei Messanschlüsse mit den beiden Anschlüssen des Messwiderstandes Rm elektrisch leitend verbunden ist. Die Messeinheit ME ist eingerichtet, eine an dem Messwiderstand Rm abfallende Testspannung Ut zu messen.
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Nachdem die Topologie der Schaltungsanordnung SA anhand der Figur detailliert beschrieben wurde, wird nachfolgend die Funktionsweise der Schaltungsanordnung SA wird näher beschrieben.
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Zum Entladen des Zwischenkreises ZK bzw. des Zwischenkreiskondensators KD vergleicht die Schaltungsanordnung SA mithilfe des Komparators KP die um den Faktor R22/(R21+R22) skalierte momentane Ladespannung Um des Zwischenkreiskondensators KD mit der durch die Zenerdiode ZD vorgegebenen Referenzspannung Ur.
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Die momentane Ladespannung Um wird von der Schaltungsanordnung SA zwischen dem Plusanschluss PA und dem Minusanschluss MA gemessen. Über den Spannungsmesspfad MP bzw. von dem Spannungsteiler ST2 wird die Ladespannung Um um den vorgegebenen Faktor R22/ (R21+R22) skaliert. Die skalierte momentane Ladespannung Um' wird über den Ausgangsstromanschluss A2 des Spannungsteilers ST2 dem positiven Eingangsanschluss E2 des Komparators KP zugeführt und von dem Komparator KP mit der an dem negativen Eingangsanschluss E1 anliegenden Referenzspannung Ur verglichen.
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Die Widerstandswerte der beiden Widerstände R21, R22 sind so gewählt, dass bei Überschreitung der maximal zulässigen Ladespannung Um des Zwischenkreiskondensators KD die um den Faktor R22/ (R21+R22) skalierte Ladespannung Um' die Referenzspannung Ur gerade übersteigt.
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Die Betriebsspannung Ub des Komparators KP wird von dem Zwischenkreis ZK bzw. dem Zwischenkreiskondensator KD bereitgestellt. Dabei wird die Betriebsspannung Ub von dem Zwischenkreiskondensator KD über den Spannungsteilers ST1 skaliert dem Versorgungsstromanschluss VA des Komparators KP bereitgestellt. Die Betriebsspannung Ub entspricht im Wesentlichen einer Spannungsdifferenz zwischen der Ladespannung Um des Zwischenkreiskondensators KD und der Sperrspannung der Zenerdiode ZD (also der Referenzspannung Ur), wobei diese Spannungsdifferenz um einen Faktor R12/(R11+R12) skaliert ist.
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Von dieser Betriebsspannung Ub gesteuert wird der Schutzschalter T3 im analogen Linearbetrieb betrieben, wodurch die an der Laststromstrecke des Schutzschalters T3 anliegende Spannung geregelt wird. Dadurch wird die Spannung Ue, die an dem Entladeschalter T1 bzw. an dessen Laststromstrecke abfällt, auf ca. 14 Volt begrenzt.
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Über den Referenzspannungspfad RP bzw. über die Zenerdiode ZD wird die Referenzspannung Ur generiert, die der konstanten Sperrspannung der Zenerdiode ZD entspricht. Diese Referenzspannung Ur wird über den Schutzwiderstand Rs dem negativen Eingangsanschluss E1 des Komparators KP zugeführt.
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Die um den Faktor R22/ (R21+R22) skalierte momentane Ladespannung Um' wird von dem Komparator KP mit der Referenzspannung Ur verglichen. Solange die skalierte momentane Ladespannung Um' die Referenzspannung Ur nicht überschreitet, gibt der Komparator KP über den Ausgangsstromanschluss A3 ein Ausgangssignal mit einem Signalpegel von 0 Volt ab. Von diesem Ausgangssignal angesteuert wird bzw. bleibt der Entladeschalter T1 geöffnet. Dadurch wird der Entladestrompfad EP unterbrochen und der Zwischenkreis ZK bzw. der Zwischenkreiskondensator KD wird nicht entladen.
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Sobald die momentane Ladespannung Um die maximal erlaubte Ladespannung des Zwischenkreiskondensators KD überschreitet und somit auch die skalierte momentane Ladespannung Um' die Referenzspannung Ur überschreitet, gibt der Komparator KP über den Ausgangsstromanschluss A3 ein Ausgangssignal mit einem Signalpegel von bspw. 6 Volt ab. Von diesem Ausgangssignal angesteuert wird der Entladeschalter T1 geschlossen.
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Durch den geschlossenen Entladeschalter T1 fließt nun ein Entladestrom von dem Zwischenkreis ZK bzw. dem Zwischenkreiskondensator KD durch den Entladestrompfad EP, wodurch der Zwischenkreis ZK bzw. der Zwischenkreiskondensator KD entladen wird.
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Die Spannung, die am geschlossenen Entladeschalter T1 bzw. an dessen Laststromstrecke anliegt, wird durch den im Linearbetrieb betriebenen Schutzschalter T3 des Spannungsbegrenzers SB auf die für den Entladeschalter T1 ungefährliche Spannung von ca. 14 Volt begrenzt.
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Sobald die momentane Ladespannung Um des Zwischenkreiskondensators KD unter die maximal erlaubte Ladespannung und somit auch die skalierte momentane Ladespannung Um' unter die Referenzspannung Ur sinken, gibt der Komparator wieder das Ausgangssignal mit einem Signalpegel von 0 Volt ab. Der Entladeschalter T1 wird entsprechend geöffnet und der Stromfluss durch den Entladestrompfad EP unterbunden. Der Zwischenkreis ZK bzw. der Zwischenkreiskondensator KD wird folglich nicht mehr entladen.
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Zum Test der Funktionalität der Schaltungsanordnung SA generiert der Signalgenerator SG in vorgegebenen Zeitabständen regelmäßig ein Teststeuersignal, das über den Ausgangsstromanschluss A4 dem Steueranschluss G2 des Testschalters T2 zugeführt wird. Von diesem Teststeuersignal angesteuert wird der Testschalter T2 geschlossen, wodurch der Testmodus der Schaltungsanordnung SA aktiviert wird. Über den geschlossenen Testschalter T2 wird der negative Eingangsanschluss E1 des Komparators KP mit dem Minusanschluss MA elektrisch kurzgeschossen und somit auf das Massepotential gelegt. Dadurch wird die an dem negativen Eingangsanschluss E1 anliegende Eingangsspannung mit 0 Volt kleiner als die an dem positiven Eingangsanschluss E2 anliegende skalierte momentane Ladespannung Um', die größer als 0 Volt ist. Folglich gibt der Komparator KP über den Ausgangsstromanschluss A3 ein Ausgangssignal mit einem Signalpegel von bspw. 6 Volt ab. Von diesem Ausgangssignal angesteuert wird der Entladeschalter T1 geschlossen. Als Folge fließt ein Entladestrom von dem Zwischenkreiskondensator KD durch den Entladestrompfad EP bzw. durch den geschlossenen Entladeschalter T1. An den Messwiderstand Rm fällt eine Testspannung Ut ab, welche von der Messeinheit ME gemessen wird. Anhand dieser Testspannung Ut wird dann überprüft, ob der Entladestrompfad EP fehlerfrei funktioniert. Liegt die gemessene Testspannung Ut bspw. bei 0 Volt, so kann bspw. davon ausgegangen werden, dass der Entladestrompfad EP unterbrochen ist.
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Während der Entladephase des Zwischenkreiskondensators KD wird der Entladeschalter T1 von der integrierten Übertemperaturschutzeinheit TS und der integrierten Überstromschutzeinheit US überwacht und vor zu hohen Strömen und zu hohen Temperaturen geschützt.
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Hierzu überwacht der Temperaturmesser TM die Temperatur an dem Entladeschalter T1. Bei Überschreiten eines vorgegebenen Temperaturschwellwertes durch die gemessene Temperatur an dem Entladeschalter T1, gibt der Temperaturmesser TM ein Signal an den nachgeschalteten ersten Gatetreiber GT1 und veranlasst diesen, den Entladeschalter T1 vorübergehend zu öffnen und solange geöffnet halten, bis die gemessene Temperatur unter dem Temperaturschwellwert sinkt.
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Analog überwacht der Strommesser SM den durch die Laststromstrecke des Entladeschalters T1 fließenden Entladestrom. Bei Überschreiten eines vorgegebenen Stromschwellwertes durch den gemessenen Strom durch den Entladeschalter T1, gibt der Strommesser SM ein Signal an den nachgeschalteten zweiten Gatetreiber GT2 und veranlasst diesen, den Entladeschalter T1 vorübergehend zu öffnen und solange geöffnet halten, bis der gemessene Strom unter dem Stromschwellwert sinkt.
