DE102016108005A1

DE102016108005A1 - Anordnung zum Schalten eines Widerstandes

Info

Publication number: DE102016108005A1
Application number: DE102016108005.5A
Authority: DE
Inventors: Alexander Henne; Norbert Botzenmayer; Hans Rechberger; Heinz Seiler
Original assignee: Webasto SE
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 2016-04-29
Filing date: 2016-04-29
Publication date: 2017-11-02
Also published as: US11665782B2; EP3449688B1; KR102145678B1; EP3449688A1; JP2019516224A; US20210227631A1; JP6820495B2; WO2017186958A1; KR20180124124A; CN109076645B; CN109076645A

Abstract

Anordnung, umfassend einen wärmeabgebenden ersten Widerstand (R1 bis R4), eine Steuerungsvorrichtung zum Schalten des ersten Widerstandes (R1 bis R4) sowie ein geerdetes Bauteil, insbesondere Gehäuse (10), wobei der erste Widerstand (R1 bis R4) in räumlicher Nähe zu dem geerdeten Bauteil, insbesondere Gehäuse (10), angeordnet ist und einen ersten und einen zweiten Anschluss aufweist, wobei die Steuerungsvorrichtung eine erste Schaltvorrichtung (M1) und eine zweite Schaltvorrichtung (M2) umfasst, wobei erste Schaltvorrichtung (M1), erster Widerstand (R1 bis R4) und zweite Schaltvorrichtung (M2) in der genannten Reihenfolge in Reihe geschaltet sind und somit eine Reihenschaltung ausbilden, wobei eine Kompensationseinrichtung (20) vorgesehen und konfiguriert ist, so dass im Ein-Zustand des ersten Widerstandes (R1 bis R4) zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss eine Spannung anliegt, so dass der erste Anschluss auf einem ersten Potential liegt und der zweite Anschluss auf einem zweiten Potential liegt, wobei der Widerstand (R1 bis R4) im Aus-Zustand auf einem Zwischenpotential, das zwischen dem ersten und dem zweiten Potential liegt, gehalten wird, insbesondere auf, zumindest ungefähr, halber Versorgungsspannung gehalten wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, umfassend einen wärmeabgebenden ersten Widerstand, eine Steuerungsvorrichtung zum Schalten des ersten Widerstandes sowie ein (insbesondere geerdetes) Bauteil, das auf einem Potential ohne direkten Bezug zu einer Ansteuerspannung liegt, insbesondere ein Gehäuse und/oder Chassisbauteil, wobei der erste Widerstand in räumlicher Nähe zu dem Bauteil, insbesondere Gehäuse oder Chassisbauteil, angeordnet ist, nach Anspruch 1 sowie ein entsprechendes Steuerungsverfahren nach Anspruch 9.
1 illustriert den Stand der Technik und zeigt einen Widerstand, der sich in der Nähe eines Gehäuses befindet und durch die Widerstände R1 bis R4 symbolisch dargestellt wird. Der Widerstand wird zur Wärmeabfuhr am Gehäuse gekühlt.
Die Kondensatoren C1 bis C5 entsprechen einer symbolischen Darstellung einer Kapazität, die dem Widerstand zugeordnet ist und durch die räumlich nahe Anbindung des Widerstandes an dem Gehäuse entsteht.
Der Transistor M schaltet den Widerstand (R1 bis R4) ein bzw. aus. Wenn der Transistor M ausgeschaltet wird, liegt der komplette Widerstand (R1 bis R4) auf Versorgungsspannung. Wird der Transistor M nun eingeschaltet, verändert sich die Spannung über dem Widerstand (R1 bis R4). Ein (in 1) unteres Ende von R4 geht gegen 0 V, während ein (in 1) oberes Ende von R1 weiterhin auf Versorgungsspannung liegt. Die mittlere Spannung, also eine zwischen einem (in 1) unteren Ende von R2 und einem (in 1) oberen Ende von R3 des vollständigen Widerstandes (R1 bis R4) entspricht der halben Versorgungsspannung.
Dies hat zur Folge, dass die Kapazität (C1 bis C5) in diesem schematischen Beispiel ganz oder zumindest teilweise entladen wird. C1 wird beispielsweise „vollständig“ entladen, während C3 auf die halbe Versorgungsspannung entladen wird. Im Mittel hat dies zur Folge, dass die gesamte Kapazität um die halbe Versorgungsspannung entladen wird.
Wenn der Transistor M ausgeschaltet wird, wiederholt sich dieses Phänomen im Prinzip. Die Kapazitäten werden dabei nicht entladen, sondern (bis zur Versorgungsspannung) geladen.
Das beschriebene Laden und Entladen der Kondensatoren kann je nach Geschwindigkeit zu deutlichen elektromagnetischen Störungen führen (sowohl zu leitungsgebundenen als auch zu abgestrahlten Störungen).
Insbesondere wenn der Widerstand (R1 bis R4) schnell geschaltet wird (und eine verteilte Kapazität zur Erde hat), können Störungen auf einem Gehäuse und/oder einem Kabelschirm und/oder Erdungsleitungen auftreten. Übliche Gegenmaßnahmen sind:

– Eine Schirmung, damit der Widerstand nicht mehr gegen Erdpotential koppelt,
– Filterkomponenten (Common Mode Drossel, Y-Kondensatoren),
– Verlangsamung der Taktung (Schaltfrequenz, Schaltzeit).

Eine Schirmung ist jedoch nicht in allen Fällen möglich oder oft nur mit deutlichen zusätzlichen Kosten integrierbar. Eine Schirmung sorgt zudem dafür, dass sich eine eventuelle Wärmeanbindung verschlechtert, da sowohl eine Schirmlage als auch mindestens eine weitere Isolationslage benötigt wird.
Je nach Applikation (im Hinblick auf Spannung und Strom) können Filterkomponenten vergleichsweise teuer, schwer und voluminös werden.
Eine Verlangsamung der Taktung (Schaltzeit) ist oftmals unerwünscht, da die Taktung entsprechend an andere Anforderungen angepasst ist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung, umfassend einen wärmeabgebenden ersten Widerstand, eine Steuerungsvorrichtung zum Schalten des ersten Widerstandes sowie ein (insbesondere geerdetes) Bauteil, das auf einem Potential ohne direkten Bezug zu einer Ansteuerspannung liegt, insbesondere ein Gehäuse und/oder Chassisbauteil, vorzuschlagen, wobei der erste Widerstand in räumlicher Nähe zu dem Bauteil, insbesondere Gehäuse oder Chassisbauteil, angeordnet ist, wobei Störungen aufgrund des Ein- und Ausschaltens des Widerstandes auf einfache Art und Weise reduziert werden sollen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Steuerungsverfahren vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch eine Anordnung, umfassend einen wärmeabgebenden ersten Widerstand, eine Steuerungsvorrichtung zum Schalten des ersten Widerstandes sowie ein (insbesondere geerdetes) Bauteil, das vorzugsweise auf einem Potential ohne (direkten) Bezug zu einer Ansteuerspannung liegt, insbesondere ein Gehäuse und/oder Chassisbauteil, wobei der erste Widerstand in räumlicher Nähe zu dem Bauteil, insbesondere Gehäuse oder Chassisbauteil, angeordnet ist und einen ersten und einen zweiten Anschluss aufweist, wobei die Steuerungsvorrichtung eine erste Schaltvorrichtung und eine zweite Schaltvorrichtung umfasst, wobei erste Schaltvorrichtung, erster Widerstand und zweite Schaltvorrichtung in der genannten Reihenfolge in Reihe geschaltet sind und somit eine Reihenschaltung ausbilden, wobei eine Kompensationseinrichtung vorgesehen und konfiguriert ist, so dass im Ein-Zustand des ersten Widerstandes zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss eine Spannung anliegt, so dass der erste Anschluss auf einem ersten Potential liegt und der zweite Anschluss auf einem zweiten Potential liegt, wobei der erste Widerstand im Aus-Zustand auf einem Zwischenpotential, das zwischen dem ersten und dem zweiten Potential liegt, gehalten wird, insbesondere auf, zumindest ungefähr, halber Versorgungsspannung gehalten wird. Der erste Widerstand ist im allgemeinen eine Widerstand, der gegen ein fremdes Potential koppelt.
Ein Kerngedanke der Erfindung liegt darin, dass der (erste) Widerstand im Aus-Zustand auf einem Zwischenpotential gehalten wird, das zwischen dem ersten und dem zweiten Potential liegt. Eine dem Zwischenpotential entsprechende Spannung kann beispielsweise 30 bis 70, vorzugsweise 45 bis 55, noch weiter vorzugsweise 48 bis 52, noch weiter vorzugsweise (zumindest ungefähr) 50 % der Spannung entsprechen, die im Ein-Zustand an dem ersten Anschluss des (ersten) Widerstandes anliegt (was im Regelfall die „Versorgungsspannung“ ist). Durch die erfindungsgemäße Kompensationseinrichtung kompensieren sich Ströme, die durch Kapazitäten zwischen dem (ersten) Widerstand und dem Gehäuse erzeugt werden, zumindest teilweise (im Idealfall vollständig). Bei einem (synchronen) Einschalten der beiden Schaltvorrichtungen wird ein Strom, der in einer Kapazität fließt, die einem Widerstandsabschnitt entspricht, der vergleichsweise nahe an der ersten Schaltvorrichtung liegt, von einer Kapazität aufgenommen, die einem Widerstandsabschnitt entspricht, der vergleichsweise nahe zu der zweiten Schaltvorrichtung liegt. Ähnliches gilt für weitere Kapazitäten bzw. Kapazitätsanteile, die entsprechenden (spiegelbildlichen) Widerstandsabschnitten entsprechen. Im Idealfall fließt kein Strom mehr über eine Erdanbindung. Das Gleiche (in umgekehrte Richtung) wird ermöglicht, wenn die beiden Schaltvorrichtungen synchron ausgeschaltet werden.
Unter einer „räumlichen Nähe“ zwischen dem (ersten) Widerstand und dem Bauteil (z.B. Gehäuse) soll insbesondere ein (Minimal-)Abstand von weniger als 1 cm, insbesondere weniger als 0,5 cm zwischen Widerstand und Bauteil verstanden werden. Der „Minimalabstand“ ist der kleinste Abstand, wenn ein Abstand zwischen Widerstand und Bauteil (räumlich, d.h. entlang einer Erstreckung eines Zwischenraumes) nicht konstant ist. Widerstand und Bauteil sollen jedoch insofern voneinander beabstandet sein, dass zwischen Widerstand und Gehäuse kein Kurzschluss ausgebildet ist. Bei dem (ersten) Widerstand handelt es sich vorzugsweise um den Widerstand einer elektrischen Heizeinrichtung, insbesondere elektrischen Schichtheizeinrichtung. Elektrische Schichtheizeinrichtungen umfassen einen Heizwiderstand, der sich flächig erstreckt und beim Durchleiten eines elektrischen Stroms erwärmt. Generell handelt es sich bei dem Widerstand um einen Widerstand, der zur Wärmeabfuhr in räumlicher Nähe zu einem (insbesondere geerdeten) Bauteil, das vorzugsweise auf einem Potential ohne direkten Bezug zu einer Ansteuerspannung liegt, insbesondere zu einem Gehäuse und/oder einem Chassisbauteil, angeordnet ist.
Bei dem Widerstand kann es sich generell um einen Heiz-Widerstand handeln, also dasjenige Bauteil, über das in einer Heizeinrichtung Wärme zur Heizung erzeugt wird oder um einen anderen Widerstand, der ggf. gekühlt werden muss.
Vorzugsweise umfasst die Steuerungsvorrichtung einen (hochohmigen) zweiten Widerstand, einen (hochohmigen) dritten Widerstand und eine Verbindungsleitung, wobei der zweite und dritte Widerstand zueinander in Reihe geschaltet sind und gegenüber der Reihenschaltung aus erster Schalteinrichtung, erstem Widerstand und zweiter Schalteinrichtung parallel geschaltet sind, wobei die Verbindungsleitung einen Punkt zwischen dem zweiten und dem dritten Widerstand mit einem Punkt zwischen den beiden Schaltvorrichtungen verbindet. Bei einer derartigen Struktur kann auf einfache Art und Weise das gewünschte Zwischenpotential (insbesondere Mittenspannung) eingestellt werden. Unter einem hochohmigen Widerstand ist ein Widerstand zu verstehen, dessen Widerstandswert deutlich (z.B. mindestens um das Doppelte oder mindestens das Fünffache) über dem Widerstandswert des ersten Widerstandes liegt. Beispielsweise kann der Widerstandswert eines (hochohmigen) Widerstandes mindestens 1 kΩ, vorzugsweise mindestens 1 MΩ betragen.
Alternativ oder zusätzlich zu dem zweiten und dritten Widerstand kann die Kompensationseinrichtung eine aktive Beschaltung aufweisen, die bewirkt, dass eine entsprechende Spannung (insbesondere Mittenspannung) auf dem ersten Widerstand eingestellt werden kann.
Ein Widerstandswert des zweiten Widerstands und ein Widerstandswert des dritten Widerstandes unterscheiden sich um höchstens 10 %. Weiter vorzugsweise sind die Widerstandswerte von zweitem und drittem Widerstand (zumindest im Wesentlichen) gleich groß. Der Unterschied (von höchstens 10 %) soll derart berechnet werden, dass zunächst eine Differenz der Widerstandswerte gebildet wird und diese Differenz durch den kleineren Widerstandswert geteilt wird (und dann mit 100 multipliziert wird, um zu einer Prozentangabe zu kommen). Insbesondere wenn die Widerstände im Wesentlichen (bzw. zumindest im Wesentlichen) gleich groß sind, können Störungen, wie oben beschrieben, deutlich reduziert oder im Idealfall sogar völlig vermieden werden.
Die oben genannte Verbindungsleitung kann beispielsweise (etwa) in einer Mitte des ersten Widerstandes angeschlossen sein. Es ist jedoch (davon abweichend) auch denkbar, die Verbindungsleitung an einem anderen Punkt (zwischen erster und zweiter Schaltvorrichtung) anzuschließen, beispielsweise an (oder in der Nähe) der ersten Schaltvorrichtung oder der zweiten Schaltvorrichtung oder auch an mehreren Punkten.
Erste und/oder zweite Schaltvorrichtung sind vorzugsweise als Transistor, insbesondere MOSFET oder IGBT, ausgebildet oder umfassen einen solchen Transistor (MOSFET oder IGBT), vorzugsweise auf der Basis von Silicium oder Siliciumcarbid oder Galliumarsenid. Dadurch wird eine Struktur bereitgestellt, die schnell und zuverlässig geschaltet werden kann.
Die Anordnung umfasst vorzugsweise eine Steuerungseinrichtung, die konfiguriert ist, erste und zweite Schaltungsvorrichtung synchron (gleichzeitig) zu schalten. Grundsätzlich kann die (bevorzugt synchrone) Schaltung jedoch auch durch ein anderes Bauteil zur Verfügung gestellt werden, das nicht zwingend Bestandteil der Anordnung ist. Insofern zeichnet sich die Anordnung grundsätzlich vor allem dadurch aus, dass (in elektrischer Hinsicht) eine Struktur bereitgestellt wird, die (bei vorzugsweise synchroner Schaltung) eine entsprechende Kompensation auf einfache Art und Weise ermöglicht.
Vorzugsweise ist eine Stützeinrichtung, insbesondere umfassend eine oder mehrere Kapazitäten, beispielsweise parallel zum zweiten und/oder dritten Widerstand, zur Stützung einer dem Zwischenpotential entsprechenden Spannung (insbesondere Mittenspannung) vorgesehen. Wenn erste und zweite Schaltvorrichtung nicht „100 %“ synchron eingeschaltet werden können, führt dies je nach Schaltzeit und Zeitverschiebung zu einem unterschiedlich hohen Strom, der über eine Erdanbindung abfließt. Die Stützeinrichtung (insbesondere Kondensatoren) können nun die gewünschte Spannung (Mittenspannung) stützen, um den Effekt der Zeitverschiebung zu mildern. Im einfachsten Fall sind Kondensatoren parallel zu dem zweiten und dritten (hochohmigen) Widerstand geschaltet.
Weiterhin kann ein Microcontroller und/oder FPGA vorgesehen sein. Ein FPGA (Field Programmable Gate Array) ist ein integrierter Schaltkreis (in den eine logische Schaltung programmiert werden kann). Microcontroller bzw. FPGA sind zur Steuerung der Schaltung der ersten und/oder zweiten Schaltvorrichtung vorgesehen, insbesondere zum Nachschärfen eines Schaltzeitpunktes der ersten und zweiten Schaltvorrichtung. Auch dadurch können Schwierigkeiten im Hinblick auf ein „Timing“ (Schalt-Zeitpunkt) der beiden Schaltvorrichtungen (insbesondere Transistoren bzw. MOSFETs oder IGBTs, vorzugsweise auf der Basis von Silicium oder Siliciumcarbid oder Galliumarsenid) deutlich gemildert werden, indem dieses „Timing“ nachgeschärft wird, um einen höchstmöglichen Grad an Synchronität zu erreichen. Dadurch kann eine effektive Kompensation erfolgen.
Die Anordnung kann weiterhin eine Stromquelle, insbesondere Gleichstromquelle umfassen. Eine solche Stromquelle kann jedoch auch extern bereitgestellt werden, so dass die Anordnung lediglich entsprechende Anschlüsse zum Anschließen einer Stromquelle aufweist.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Steuerungsverfahren, insbesondere unter Verwendung der obigen Anordnung, zum Schalten eines in räumlicher Nähe zu einem (insbesondere geerdeten) Bauteil, das vorzugsweise auf einem Potential ohne (direkten) Bezug zu einer Ansteuerspannung liegt, insbesondere zu einem Gehäuse und/oder Chassisbauteil, angeordneten wärmeabgebenden, ersten Widerstandes mit einem ersten und einem zweiten Anschluss, wobei der erste Anschluss in einem Ein-Zustand des ersten Widerstandes auf einem ersten Potential liegt und der zweite Anschluss in einem Ein-Zustand auf einem zweiten Potential liegt, wobei der Widerstand in einem Aus-Zustand auf einem Zwischenpotential, das zwischen dem ersten und dem zweiten Potential liegt, gehalten wird, insbesondere auf, zumindest ungefähr, halber Versorgungsspannung gehalten wird.
Vorzugsweise werden eine erste, dem ersten Anschluss zugeordnete Schaltvorrichtung und eine zweite, dem zweiten Anschluss zugeordnete Schaltvorrichtung synchron (also gleichzeitig) geschaltet.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch eine elektrische Heizeinrichtung, insbesondere Schichtheizeinrichtung, umfassend eine Anordnung der oben beschriebenen Art und/oder ausgebildet zur Durchführung des oben beschriebenen Steuerungsverfahrens gelöst. Hinsichtlich der Vorteile der elektrischen Heizeinrichtung sowie des Steuerungsverfahrens wird auf die Ausführungen zur oben beschriebenen Anordnung verwiesen. Die elektrische Heizeinrichtung kann auch einen (getakteten) Drahtheizer oder ein PCT-Element als Heizelement umfassen.
Die elektrische Schichtheizung kann eine Heizschicht umfassen, die einen elektrischen Widerstand ausbildet und durch Fließen eines Stroms durch die Heizschicht erwärmt wird, so dass Wärme zum Heizen abgegeben werden kann.
Die Heizschicht (Heizbeschichtung) kann beispielsweise in einem Plasmabeschichtungsverfahren, insbesondere Plasmaspritzen, oder in einem Siebdruckverfahren oder als Widerstandspaste, insbesondere auf die Isolierschicht, aufgetragen werden. In dem Plasmabeschichtungsverfahren kann beispielsweise zunächst eine elektrisch leitende Schicht, insbesondere auf die Isolierschicht, aufgetragen werden. Aus der elektrisch leitfähigen Schicht können anschließend Bereiche ausgeschnitten werden, so dass eine Leiterbahn oder mehrere Leiterbahnen übrigbleiben. Bevorzugt kommt jedoch eine Maskiertechnik zum Einsatz. Die Leiterbahnen können dann den Heizwiderstand oder mehrere Heizwiderstände bilden. Die genannten Bereiche können alternativ zu einer Maskiertechnik, beispielsweise mittels eines Lasers aus der leitfähigen Schicht herausgeschnitten werden. Die Heizbeschichtung kann beispielsweise eine Metallschicht sein und ggf. Nickel und/oder Chrom enthalten oder aus diesen Materialien bestehen. Beispielsweise können 70–90% Nickel und 10–30% Chrom verwendet werden, wobei ein Verhältnis von 80% Nickel und 20% Chrom als gut geeignet betrachtet wird.
Die Heizbeschichtung kann beispielsweise eine Fläche von mindestens 5 cm², vorzugsweise mindestens 10 cm² und/oder höchstens 200 cm², vorzugsweise höchstens 100 cm², einnehmen.
Die Heizbeschichtung hat vorzugsweise eine Höhe (Dicke) von mindestens 5 µm, vorzugsweise mindestens 10 µm und/oder höchstens einem 1 mm, vorzugsweise höchstens 500 µm, noch weiter vorzugsweise höchstens 30 µm, noch weiter vorzugsweise höchstens 20 µm. Eine durch die Heizbeschichtung definierte Leiterbahn kann mindestens 1 mm, vorzugsweise mindestens 3 mm, noch weiter vorzugsweise mindestens 5 mm, noch weiter vorzugsweise mindestens 10 mm, noch weiter vorzugsweise mindestens 30 mm breit sein. Unter „Breite“ soll die Ausdehnung der Leiterbahn senkrecht zu ihrer Längserstreckung (die üblicherweise auch die Richtung des Stromflusses definiert) verstanden werden.
Die erfindungsgemäße Anordnung (und insbesondere eine ggf. vorgesehene Heizbeschichtung) kann zum Betrieb im Niedervoltbereich, vorzugsweise für 12 Volt, 24 Volt oder 48 Volt ausgelegt sein. Unter „Niedervoltbereich“ soll vorzugsweise eine Betriebsspannung von unter 100 Volt, insbesondere unter 60 Volt (Gleichstrom) verstanden werden. Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Anordnung (und insbesondere eine ggf. vorgesehene Heizbeschichtung) zum Betrieb im Hochvoltbereich, vorzugsweise für über 100 V Volt oder über 250 V oder über 500 V, z.B. in einem Bereich von 250–800 V, ausgelegt. In einem höheren Voltbereich sind die oben erläuternden, zu vermeidenden, Effekte beim Stand der Technik besonders ausgeprägt. Im Allgemeinen ist die Anordnung und insbesondere eine ggf. vorgesehene Heizbeschichtung für einen Betrieb mit Gleichstrom ausgelegt.
Die Schichtheizung bzw. Heizbeschichtung kann grundsätzlich wie in WO 2013/186106 A1 und/oder WO 2013/030048 A1 beschrieben, ausgebildet sein. Dort werden Heizungen beschrieben, die eine elektrische Heizschicht aufweisen, die sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung (bzw. dem Fließen eines Stroms) erwärmt.
Die bereits erwähnten Widerstände können grundsätzlich aus einem beliebigen elektrisch leitfähigen Material gefertigt sein, sind jedoch vorzugsweise aus Metall.
Die erfindungsgemäße Anordnung und/oder das erfindungsgemäße Verfahren und insbesondere die elektrische Heizeinrichtung sind vorzugsweise für die Verwendung in einem Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug vorgesehen und/oder entsprechend konfiguriert.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Beispiels gemäß dem Stand der Technik sowie einem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, die anhand der Abbildungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
1 Eine Anordnung zur Stromversorgung und Schaltung eines in der Nähe eines Gehäuses angeordneten Widerstandes gemäß dem Stand der Technik;
2 eine Anordnung zur Stromversorgung und Schaltung eines in der Nähe eines Gehäuses angeordneten Widerstandes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung während eines ersten Schaltvorgangs; und
3 eine Anordnung gemäß 2 während eines zweiten Schaltvorgangs.
In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleichwirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Anordnung mit einem zu schaltenden elektrischen Widerstand gemäß dem Stand der Technik. Der zu schaltende elektrische Widerstand ist hier symbolisch durch die Widerstände R1 bis R4 dargestellt. Grundsätzlich handelt es sich hier jedoch um nur einen (durchgehenden) Widerstand. Insofern können die schematisch dargestellten Widerstände R1 bis R4 auch als Widerstands-Abschnitte des Widerstands aufgefasst werden (also in Serie geschaltete Einzelabschnitte des Widerstandes). Alternativ kann es sich hier jedoch auch tatsächlich um voneinander strukturell abgegrenzte Widerstände (beispielsweise vier) handeln. Der Widerstand R1 bis R4 ist zur Wärmeabfuhr (Kühlung) nahe an einem Gehäuse 10 angeordnet.
Die in 1 gezeigten Kondensatoren C1 bis C5 entsprechen einer symbolischen Darstellung einer Kapazität des Widerstandes, die aus der nahen Anordnung an dem Gehäuse resultiert. In der abschnittsweisen Betrachtung des Widerstandes R1 bis R4 mit vier Abschnitten R1, R2, R3 und R4 können diese Kapazitäten dann einzelnen Abschnitten zugeordnet sein.
Weiterhin ist ein Schalter M (konkret ein Transistor, insbesondere MOSFET oder IGBT) vorgesehen, der ein- und ausgeschaltet werden kann. Wird der Schalter M ausgeschaltet, liegt der Widerstand R1 bis R4 auf Versorgungsspannung, die durch eine Spannungsversorgung 11 bereitgestellt wird. Wird der Schalter M nun eingeschaltet, verändert sich die Spannung über dem Widerstand R1 bis R4. Das (in 1) untere Ende von R1 geht gegen 0 Volt, während das (in 1) obere Ende von R1 weiterhin auf Versorgungsspannung liegt. Dies hat zur Folge, dass die Kapazität, gemäß der schematischen Darstellung C1 bis C5, ganz oder teilweise entladen wird. Die Kapazität C1 wird beispielsweise vollständig entladen, während C3 auf die halbe Versorgungsspannung entladen wird. Die halbe Versorgungsspannung entspricht der mittleren Spannung des vollständigen Widerstandes.
Im Mittel wird die vollständige Kapazität um die halbe Versorgungsspannung entladen.
Wird nun der Schalter M ausgeschaltet, wiederholt sich grundsätzlich das eben Beschriebene. Die Kapazitäten werden jedoch nicht entladen, sondern bis zur Versorgungsspannung aufgeladen. Dieses Laden und Entladen der Kondensatoren C1 bis C5 kann je nach Geschwindigkeit der Schaltung zu deutlichen EMV-Störungen führen (sowohl leitungsgebunden als auch abgestrahlt).
Das Bezugszeichen 12 kennzeichnet einen Zwischenkreis-Kondensator. Weitere Kondensatoren 13 sowie Induktivitäten 14 sind Bestandteile einer Netznachbildung (englisch: Line Impedance Stabilization Network, LISN) und für die vorliegende Erfindung nicht weiter von Bedeutung. Durch das Bezugszeichen 15 ist eine Erdanbindung des Gehäuses 10 symbolisiert.
In 2 ist eine Anordnung analog 1 gezeigt, jedoch mit den erfindungsgemäßen Unterschieden. Die Elemente/Einheiten mit dem Bezugszeichen 10 bis 15 entsprechen der Anordnung gemäß dem Stand der Technik gemäß 1, so dass diesbezüglich auf die Ausführungen zum Stand der Technik verwiesen wird.
Im Unterschied zum Stand der Technik umfasst die Anordnung gemäß 2 jedoch nicht nur einen Schalter M (vgl. 1), sondern zwei Schalter M1, M2 (die als Transistoren, vorzugsweise MOSFETs oder IGBTs ausgebildet sind). Außerdem sind zwei (hochohmige) Widerstände 16, 17 vorgesehen, die über eine Verbindungsleitung 18 mit dem ersten Widerstand R1 bis R4 verbunden sind. Konkret sind erste Schaltvorrichtungen M1, erster Widerstand R1 bis R4 und zweite Schaltvorrichtung M2 in Serie geschaltet. Parallel dazu sind zweiter (hochohmiger) Widerstand 16 und dritter (hochohmiger) Widerstand 17 geschaltet. Die Verbindungsleitung 18 ist einerseits zwischen den (hochohmigen) Widerständen 16, 17 angeschlossen und andererseits am Widerstand R1 bis R4 angeschlossen. Konkret kann die Verbindungsleitung zwischen einem zweiten Widerstandsabschnitt R2 und einem dritten Widerstandsabschnitt R3 (in der abschnittsweisen Betrachtung) angeschlossen sein. Dies ist jedoch nicht zwingend. Die Verbindungsleitung könnte auch beispielsweise (in 2) oberhalb von R1 oder unterhalb von R3 etc. angeordnet sein.
I1 und I2 symbolisieren Ströme, die bei einem Einschalten der Schalter M1 und M2 fließen.
Die beiden (hochohmigen) Widerstände 16, 17 haben im vorliegenden Ausführungsbeispiel den gleichen Wert (können jedoch auch ggf., zumindest geringfügig, variieren). Die Schalter M1, M2 werden synchron (gleichzeitig) geschaltet.
Beim synchronen Einschalten von M1 und M2 wird der Strom, der in C5 fließt (direkt) von C1 aufgenommen. Analoges gilt für C4 und C2. Im Idealfall fließt dann kein Strom mehr über die Erdanbindung. Im Prinzip das Gleiche (in umgekehrter Richtung) geschieht, wenn M1 und M2 synchron ausgeschaltet werden. Dies ist in 3 illustriert. 3 entspricht 2, nur dass die Ströme I1 und I2 gezeigt sind, die beim Ausschalten fließen.
Wenn die Schaltvorrichtungen M1 und M2 nicht (exakt) synchron eingeschaltet werden, fließt je nach Schaltzeit und Zeitverschiebung ein bestimmter Strom über die Erdanbindung 15. Selbst bei nicht (exakt) synchron schaltenden Schaltvorrichtungen M1 und M2 kann der unerwünschte Strom jedoch um mindestens den Faktor 10 reduziert werden (im Vergleich zur Ansteuerung gemäß 1). Gegebenenfalls können auch Kondensatoren die Mittenspannung, die im ausgeschalteten Zustand der Schaltvorrichtungen M1 und M2 an dem Widerstand R1 bis R4 anliegt, stützen, um den Effekt der Zeitverschiebung zu entschärfen. Diese Kondensatoren können beispielsweise parallel zu den beiden (hochohmigen) Widerständen 16, 17 angeordnet sein.
Die Schaltvorrichtungen M1, M2 werden durch eine Steuerungseinrichtung 19 (nicht im Detail dargestellt) gesteuert. Die (hochohmigen) Widerstände 16, 17 und die Verbindungsleitung 18 sind Elemente einer Kompensationseinrichtung 20, die (wie oben beschrieben) dafür sorgt, dass im ausgeschalteten Zustand der Schaltvorrichtungen M1, M2 eine Mittenspannung an dem Widerstand R1 bis R4 anliegt.
Auch kann ggf. eine (schnelle) Steuereinheit, wie beispielsweise ein Microcontroller oder FPGA den Schaltzeitpunkt (Timing) der beiden Schaltvorrichtungen (MOSFETs) M1 und M2 nachschärfen, um einen vergleichsweise hohen Grad an Synchronität zu erreichen.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.
Bezugszeichenliste

C1–C5: Kondensatoren (als symbolische Darstellung einer Gesamt-Kapazität)
M: Schaltvorrichtung
M1: Erste Schaltvorrichtung
M2: Zweite Schaltvorrichtung
R1–R4: Widerstände (als symbolische Darstellung eines Gesamt-Widerstandes)
10: Gehäuse
11: Spannungsversorgung
12: Zwischenkondensator
13: Kapazität
14: Induktivität
15: Erdanbindung
16: Zweiter (hochohmiger) Widerstand
17: Dritter (hochohmiger) Widerstand
18: Verbindungsleitung
19: Steuerungseinrichtung
20: Kompensationseinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013/186106 A1 [0035]
WO 2013/030048 A1 [0035]

Claims

Anordnung, umfassend einen wärmeabgebenden ersten Widerstand (R1 bis R4), eine Steuerungsvorrichtung zum Schalten des ersten Widerstandes (R1 bis R4) sowie ein, insbesondere geerdetes, Bauteil, das auf einem Potential ohne direkten Bezug zu einer Ansteuerspannung, insbesondere ein Gehäuse oder Chassisbauteil (10), wobei der erste Widerstand (R1 bis R4) in räumlicher Nähe zu dem Bauteil, insbesondere Gehäuse (10), angeordnet ist und einen ersten und einen zweiten Anschluss aufweist, wobei die Steuerungsvorrichtung eine erste Schaltvorrichtung (M1) und eine zweite Schaltvorrichtung (M2) umfasst, wobei erste Schaltvorrichtung (M1), erster Widerstand (R1 bis R4) und zweite Schaltvorrichtung (M2) in der genannten Reihenfolge in Reihe geschaltet sind und somit eine Reihenschaltung ausbilden, wobei eine Kompensationseinrichtung (20) vorgesehen und konfiguriert ist, so dass im Ein-Zustand des ersten Widerstandes (R1 bis R4) zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss eine Spannung anliegt, so dass der erste Anschluss auf einem ersten Potential liegt und der zweite Anschluss auf einem zweiten Potential liegt, wobei der Widerstand (R1 bis R4) im Aus-Zustand auf einem Zwischenpotential, das zwischen dem ersten und dem zweiten Potential liegt, gehalten wird, insbesondere auf, zumindest ungefähr, halber Versorgungsspannung gehalten wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationseinrichtung (20) einen, insbesondere hochohmigen zweiten Widerstand (16), einen, insbesondere hochohmigen dritten Widerstand (17) und eine Verbindungsleitung (18) umfasst, wobei der zweite (16) und dritte (17) Widerstand zueinander in Reihe geschaltet sind und gegenüber der Reihenschaltung aus erster Schaltvorrichtung (M1), erstem Widerstand (R1 bis R4) und zweiter Schaltvorrichtung (M2) parallel geschaltet sind, wobei die Verbindungsleitung (18) einen Punkt zwischen dem zweiten (16) und dem dritten (17) Widerstand mit einem Punkt zwischen den beiden Schaltvorrichtungen (M1, M2) verbindet.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Widerstandswert des zweiten Widerstandes (16) und ein Widerstandswert des dritten Widerstandes (17) um höchstens 10 % voneinander unterscheiden, insbesondere, zumindest im Wesentlichen, gleich groß sind.
Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (M1) und/oder zweite (M2) Schaltvorrichtung einen Transistor, insbesondere MOSFET oder IGBT, vorzugsweise auf Basis von Silicium und/oder Siliciumcarbid und/oder Galliumarsenid, umfasst.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungseinrichtung (19) vorgesehen ist, die konfiguriert ist, erste und zweite Schaltvorrichtung (M1, M2) synchron (gleichzeitig) zu schalten.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Stützungseinrichtung, insbesondere umfassend eine oder mehrere Kapazitäten, beispielsweise parallel zum zweiten und/oder dritten Widerstand zur Stützung einer dem Zwischenpotential entsprechenden Spannung, insbesondere Mittenspannung.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Microcontroller und/oder FPGA zur Steuerung der Schaltung der ersten und/oder zweiten Schaltvorrichtung, insbesondere zum Nachschärfen eines Schaltzeitpunktes der ersten und zweiten Schaltvorrichtung.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Spannungsversorgung (11), insbesondere eine Gleichstromquelle.
Steuerungsverfahren, insbesondere unter Verwendung der Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, zum Schalten eines in räumlicher Nähe zu einem, insbesondere geerdeten, Bauteil, das auf einem Potential ohne direkten Bezug zu einer Ansteuerspannung liegt, insbesondere einem Gehäuse (10) oder Chassis-Bauteil, angeordneten wärmeabgebenden, ersten Widerstandes (R1 bis R4) mit einem ersten und einem zweiten Anschluss, wobei der erste Anschluss in einem Ein-Zustand des ersten Widerstandes auf einem ersten Potential liegt und der zweite Anschluss in einem Ein-Zustand auf einem zweiten Potential liegt, wobei der Widerstand (R1 bis R4) in einem Aus-Zustand auf einem Zwischenpotential, das zwischen dem ersten und dem zweiten Potential liegt, gehalten wird, insbesondere auf, zumindest ungefähr, halber Versorgungsspannung gehalten wird.
Steuerungsverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste, dem ersten Anschluss zugeordnete Schaltvorrichtung (M1) und eine zweite, dem zweiten Anschluss zugeordnete Schaltvorrichtung (M2) synchron (gleichzeitig) geschaltet werden.
Elektrische Heizeinrichtung, insbesondere Schichtheizeinrichtung, umfassend eine Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und/oder ausgebildet zur Durchführung des Steuerungsverfahrens zur Steuerung des elektrischen Widerstandes der Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10.