DE102016220279A1 - Schaltungsanordnung zur Vorladung einer Zwischenkreiskapazität eines Hochvolt-Bordnetzes - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Vorladung einer Zwischenkreiskapazität eines Hochvolt-Bordnetzes Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schalten eines Hochvolt-MOSFETs (7) zur Vorladung einer Zwischenkreis-Kapazität (2) eines Hochvolt-Bordnetzes (3) mit einer ersten Schaltungsbaugruppe.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Vorladung einer Zwischenkreis-Kapazität eines Hochvolt-Bordnetzes. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine mit wenigen Anschlüssen auskommende Schaltungsanordnung, mittels welcher die Schaltzeiten eines zum Laden der Zwischenkreiskapazität verwendeten Hochvolt-MOSFETs verringert werden können.
  • Die Elektrifizierung des Personenindividualverkehrs schreitet derzeit rasch voran. Um die notwendige Leistung zu generieren (bei 12V sind sehr hohe Ströme erforderlich, was Kupferkabel mit einem praktisch nicht sinnvollen Querschnitt erfordern würde), wird üblicherweise eine gegenüber 12-Volt-Bordnetzen deutlich erhöhte Spannungslage (z. B. 400 Volt) verwendet. Die Zwischenkreiskapazität vermittelt Energie zwischen einem Energiespeicher (z.B. einer Brennstoffzelle) und einem oder mehreren Elektromotoren, welche/r als Traktionsmaschine/n verwendet werden. Traktionsmaschinen werden häufig dreiphasig ausgeführt. Wenn das Hochvolt-Bordnetz in Betrieb genommen wird, wird zunächst ein masseseitiges Schütz geschlossen, die Zwischenkreiskapazität mittels eines limitierten Stroms auf ca. 99 % geladen und erst anschließend das positive Schütz geschlossen. Auf diese Weise können Verschleiß und Verluste sowie Funktionsbeeinträchtigungen des positiven Schützes verringert bzw. vermieden werden.
  • Für das Vorladen der Zwischenkreiskapazität wird üblicherweise ein Hochvolt-MOSFET verwendet. Um die Verluste und die Hitzeentwicklung auch innerhalb des Hochvolt-MOSFETs gering zu halten, muss der Hochvolt-MOSFET sehr schnell die elektrische Verbindung mit möglichst geringem elektrischem Widerstand herstellen. Schaltzeiten von unter 600 Nanosekunden sind wünschenswert. Die Hauptaufgabe des üblicherweise verwendeten Hochvolt-MOSFETs besteht darin, den Vorladestrom zu leiten und zu schalten. Um nach dem Abschalten des Vorladestroms möglichst schnell in einen sicheren Zustand zu gelangen, muss der Abschaltvorgang besonders schnell ausgeführt werden.
  • US 2015/0256014 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung zum Schalten eines Vorladestroms für ein Hochvoltbordnetz. In einem Batteriesteuergerät werden zunächst ein Masseschütz, dann ein Transistor mit isoliertem Gate zur Ansteuerung eines Hochvolt-MOSFETs geschlossen, um die Zwischenkreiskapazität auf 99 % zu laden. Über einen externen Vorladewiderstand wird der Vorladestrom hierbei begrenzt. Anschließend wird das positive Batterieschütz geschlossen.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hochvolt-MOSFET zum Vorladen einer Zwischenkreiskapazität rasch schließen und öffnen zu können. Hierbei soll nach Möglichkeit nur ein Ansteuersignal erforderlich sein, welches die Energieübertragung kontrolliert und den Hochvolt-MOSFET aktiviert/deaktiviert. Das Zuschalten des Hochvolt-MOSFETs (Zeit für den Schaltvorgang des HV-Mosfets) sollte innerhalb von Nanosekunden, das Abschalten (also die Zeit zwischen Deaktivierung seitens des Mikrocontrollers und dem tatsächlichen Öffnen des HV-Mosfets) bevorzugt innerhalb von Mikrosekunden erfolgen.
  • Mit einem schnellen Zuschalten ist gemeint, dass die Gate-Source Kapazität möglichst schnell geladen wird - also die Energie für den HV-MOSFET bereit steht. Mit Abschalten ist gemeint, dass nach der Deaktivierung des Steuersignals/PWM-Signals die Energie aus der Treiberstufe möglichst schnell abgebaut wird, der Mosfet sich öffnet und damit der sichere Zustand erreicht wird.
  • Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltungsanordnung mit einer ersten Schaltungsbaugruppe gelöst, welche zum Einschalten des Hochvolt-MOSFETs bzw. zum Vorladen der Zwischenkreiskapazität eingerichtet ist. Die erste Schaltungsbaugruppe umfasst eine erste Eingangsklemme und eine zweite Eingangsklemme. Die erste Eingangsklemme kann z.B. eingerichtet sein, mit einer ersten Ausgangsklemme eines Wandlers der übergeordneten Schaltungsanordnung, auf welche weiter unten eingegangen wird, elektrisch verbunden zu werden, während die zweite Eingangsklemme der ersten Schaltungsbaugruppe eingerichtet ist, mit der zweiten sekundärseitigen Ausgangsklemme des Wandlers elektrisch verbunden zu werden. Ein erster und ein zweiter stromgeschalteter Schalter sowie ein spannungsgeschalteter Schalter sind ebenso wie ein Spannungsschwellwertgeber mit Strombegrenzer (z. B. als Zenerdiode ausgestaltet) und ein ohmscher Widerstand vorgesehen. Eine Ausgangsklemme bildet den Ausgang der ersten Schaltungsbaugruppe. An der ersten Eingangsklemme sind jeweils ein erster Anschluss des ersten stromgeschalteten Schalters, des spannungsgeschalteten Schalters, des Spannungsschwellwertgebers mit Strombegrenzer und des ohmschen Widerstandes angeschlossen. Die jeweiligen ersten Anschlüsse bilden elektrisch gesehen einen Knotenpunkt, welcher mit der ersten Eingangsklemme zusammenfällt. Jeweils ein zweiter Anschluss des ersten stromgeschalteten Schalters und des Spannungsschwellwertgebers mit Strombegrenzer sind an einen Steuereingang des zweiten stromgeschalteten Schalters angeschlossen. An einen Steuereingang des spannungsgeschalteten Schalters sind ein erster Anschluss des zweiten stromgeschalteten Schalters und ein zweiter Anschluss des ohmschen Widerstandes angeschlossen. Der zweite Anschluss des zweiten stromgeschalteten Schalters ist mit dem negativen Anschluss des Wandlers verbunden, während ein zweiter Anschluss des spannungsgeschalteten Schalters einerseits mit der Ausgangsklemme und andererseits mit einem Steuereingang des ersten stromgeschalteten Schalters zusammenfällt. Die Ausgangsklemme kann mit einem Gate des Hochvolt-MOSFETs verbunden werden. Ein elektrischer Energiespeicher (z. B. nach Art einer zusätzlichen Kapazität) kann zwischen der ersten Eingangsklemme und der zweiten Eingangsklemme angeschlossen sein. Diese Kapazität kann der Treiberstufe und/oder dem Wandler der übergeordneten Schaltungsbaugruppe zugeordnet werden. In ihrer Funktion für die erste Schaltungsbaugruppe stellt diese Kapazität die Energiereserve zum Verkürzen des Zuschaltverhaltens bereit.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Zum Abschalten des HV-MOSFETs ist es vorteilhaft, die auf dem Kondensator gespeicherte Energie rasch abzubauen. Hierzu wird eine zweite Schaltungsbaugruppe als optional bevorzugte Ergänzung (z.B. ebenfalls als Bestandteil der Treiberstufe der Schaltungsanordnung) vorgeschlagen. Diese umfasst eine dritte Eingangsklemme, einen ersten Energiespeicher mit passiver Entladung, einen ersten und zweiten Schalter, eine zweite Ausgangsklemme, eine dritte und eine vierte Ausgangsklemme, einen zweiten ohmschen Widerstand und einen dritten ohmschen Widerstand. Der erste Energiespeicher ist mit einem ersten Anschluss an der dritten Eingangsklemme angeschlossen, mit anderen Worten elektrisch verbunden. Er ist eingerichtet, einen Steuereingang des ersten Schalters mit elektrischer Energie zu versorgen. Ein erster Anschluss des ersten Schalters und ein zweiter Anschluss des dritten ohmschen Widerstandes sind mit einem Steueranschluss des zweiten Schalters elektrisch verbunden. Anders ausgedrückt bilden ihre Anschlüsse einen gemeinsamen Knotenpunkt. Erste Anschlüsse des zweiten und des dritten ohmschen Widerstandes sind mit der zweiten Ausgangsklemme verbunden, während ein zweiter Anschluss des zweiten ohmschen Widerstandes und ein erster Anschluss des zweiten Schalters miteinander zusammenfallen. Zweite Anschlüsse des ersten und zweiten Schalters liegen auf der vierten Ausgangsklemme. Die dritte Ausgangsklemme ist mit der ersten Eingangsklemme elektrisch verbunden und die vierte Ausgangsklemme ist mit der zweiten Eingangsklemme elektrisch verbunden. Diese Schaltung sorgt für eine Entladung der Zwischenkreiskapazität über einen parallel zur zusätzlichen Kapazität angeordneten ohmschen Widerstand. Der erste Energiespeicher der zweiten Schaltungsbaugruppe wird durch die passive Entladung entladen, wodurch sich der erste Schalter öffnet. Hierdurch schließt der zweite Schalter, wodurch eine zusätzliche Entladung der zusätzlichen Kapazität über den zweiten ohmschen Widerstand ausgeführt wird. Der zweite stromgeschaltete Schalter der ersten Schaltungsbaugruppe sowie der erste stromgeschaltete Schalter und der spannungsgeschaltete Schalter der ersten Schaltungsbaugruppe öffnen. Im Ergebnis öffnet der Hochvolt-MOSFET und es fließt kein Vorladestrom mehr in die Zwischenkreiskapazität.
  • Weiter bevorzugt kann eine Diode zwischen einem Source-Anschluss des Hochvolt-MOSFETs und einem Minuspol einer HV-Batterie angeordnet werden. Die Flussrichtung der Diode ist in Richtung des Minuspols der HV-Batterie gerichtet. Dies schließt nicht aus, dass weitere Elemente in Reihe zur Diode mit dem Minuspol der HV-Batterie verbunden sind. Beispielsweise kann ein ohmscher Widerstand zur Begrenzung des Ladestroms vorgesehen sein. Die Diode, welche einen Verpolschutz realisiert, und der ohmsche Widerstand zur Stromlimitierung können in Reihe zu der Zwischenkreiskapazität angeordnet sein.
  • Um die ausgangsseitige Spannung, welche der Wandler der Treiberstufe zur Verfügung stellt, zu erhöhen, können zwei Transformatoren im Wandler der Schaltungsanordnung vorgesehen werden, deren Primärwicklungen parallel zueinander vom Linearregler gespeist werden. Die Sekundärwicklungen hingegen können in Reihe geschaltet sein, sodass sich die Sekundärspannungen der Sekundärwicklungen addieren. Je nach Spannungsbedarf können auch drei oder mehr Transformatoren im erfindungsgemäßen Wandler in entsprechender Weise angeordnet werden, wobei sich die Sekundärspannungen sämtlich addieren.
  • Bevorzugt ist die erste Schaltungsbaugruppe, insbesondere auch die zweite Schaltungsbaugruppe in eine Schaltungsanordnung zur Vorladung einer Zwischenkreis-Kapazität eines Hochvolt-Bordnetzes integriert. Die Schaltungsanordnung kann für die Verwendung in einem elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittel vorgesehen und ausgestaltet sein. Sie umfasst einen Linearregler, welcher eingerichtet ist, eine Bordnetzspannung einer üblichen (niedrigen) Höhe auf eine noch niedrigere Spannung herabzusetzen. Beispielsweise kann eine 12-Volt-Gleichspannung auf eine 7-Volt-Gleichspannung herabgesetzt werden. Ein Wandler ist eingerichtet, die elektrische Energie der niedrigeren Spannung auf eine erhöhte Spannung zu wandeln und die erste und die zweite oben vorgestellte Schaltungsbaugruppe zu versorgen, welche galvanisch mit dem Hochvolt-MOSFET verbunden sind. Der Wandler kann einen Transformator oder mehrere Transformatoren, zumindest jedoch mehrere Sekundärwicklungen, umfassen. So kann der Wandler eine effiziente Spannungssteigerung bewirken. Die erste Schaltungsbaugruppe und die zweite Schaltungsbaugruppe können Bestandteil einer Treiberstufe sein, welche sekundärseitig mit dem Wandler elektrisch verbunden ist. Die Treiberstufe ist eingerichtet, den Hochvolt-MOSFET zur Schaltung (Ein- /Ausschalten) der Zwischenkreiskapazität anzusteuern. Der Hochvolt-MOSFET ist seinerseits eingerichtet, die Zwischenkreis-Kapazität nach dem Schließen eines masseseitigen Schützes vorzuladen (z. B. auf ca. 99 %). Der Linearregler stellt eine niedrigere Spannung zur Verfügung, welche auch bei einem gestörten Bordnetz stabil bleibt und speist damit den Wandler, welcher wiederum durch ein Pulsweiten-moduliertes (PWM)-Signal gesteuert wird. Auf diese Weise wird eine effiziente Topologie zum Laden einer Zwischenkreiskapazität vorgeschlagen, welche mit wenig äußeren elektrischen Anschlüssen auskommt. Überdies werden die Verluste und der Verschleiß im Hochvolt-MOSFET gering gehalten.
  • Mit der Schaltungsanordnung der vorliegenden Erfindung kann eine Energieübertragung durch einen Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung bereitgestellt werden. Hierzu wird bevorzugt ein Eintaktflusswandler vorgesehen, dessen Spule im Sekundärkreis durch einen Widerstand im Primärkreis ersetzt wurde. Auf diese Weise können Kosten eingespart werden. Die parallele Verschaltung zweier Transformatoren im Primärkreis und die serielle Verschaltung der Transformatoren im Sekundärkreis führen zu einer verdoppelten Spannung im Sekundärkreis und zu einer Stückzahlerhöhung des Transformators im Gesamtsystem, welcher noch in anderen Modulen verwendet werden kann. Im Sekundärkreis erfolgt die Energiespeicherung durch Kondensatoren. Dies ermöglicht ein sehr schnelles Zuschalten des Hochvolt-MOSFETs, da die Energie zum Schalten desselben in Kondensatoren gespeichert wird und dem bevorzugt aus Transistoren aufgebauten Regelkreis für schnelle Schaltvorgänge qualifiziert. Nach Abschalten des Vorladestroms wird der Hochvolt-MOSFET mit sehr kurzer Verzögerung abgeschaltet, sodass schnell der sichere Zustand erreicht wird.
  • Während im Stand der Technik ein Vorlade-Relais in Verbindung mit einem Vorladewiderstand zur Vorladung der Zwischenkreiskapazität verwendet werden, kann das Vorlade-Relais durch Verwendung der vorliegenden Erfindung entfallen. Dies spart Kosten, Bauraum und Masse.
  • Figurenliste
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
    • 1 ein stark vereinfachtes Strukturdiagramm veranschaulichend den prinzipiellen Signalfluss durch eine Schaltungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 2 eine schaltungstechnische Übersicht über ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 3 einen generischen Aufbau eines erfindungsgemäß verwendbaren Gleichspannungswandlers;
    • 4 einen generischen Aufbau einer ersten Schaltungsbaugruppe zum Schalten des Hochvolt-MOSFETs gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 5 einen generischen Aufbau einer zweiten Schaltungsbaugruppe zum Abschalten des Hochvolt-MOSFETs gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
    • 6 einen Schaltplan einer Schaltungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei Bauelemente entsprechend den vorstehend diskutierten Ausführungsbeispielen gruppiert dargestellt sind.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt eine stark vereinfachte Abstraktion eines erfindungsgemäßen Aufbaus, bei welchem die Schaltungsanordnung 1 als „Blackbox“ zur Ansteuerung eines HV-MOSFETs 7 verwendet wird. Lediglich ein einziges Eingangssignal speist die Schaltungsanordnung 1. Lediglich ein einziges Ausgangssignal wird von der Schaltungsanordnung 1 an den HV-MOSFET 7 ausgegeben. Entsprechend kontrolliert nur ein Ansteuersignal die Energieübertragung an den HV-MOSFET 7. Dasselbe Ansteuersignal aktiviert und deaktiviert den HV-MOSFET 7. Die Schaltungsanordnung 1 sorgt für eine galvanische Isolierung der Ansteuerung gegenüber den Leistungsbauelementen. Das Zuschalten kann innerhalb von hunderten Nanosekunden, das Abschalten innerhalb von Mikrosekunden erfolgen, wodurch Schaltverluste und exzessive Temperaturen stark verringert werden.
  • 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1, welche über eine Versorgungsspannung 24 (12-Volt-Bordnetz) gespeist und von einem Mikrocontroller 16 angesteuert wird. Die mit einer durchgezogenen Linie umrahmten Elemente Linearregler 4, Wandler 5, Treiberstufe 6, Ansteuersignal 13 und -MOSFET 17 stellen die funktionalen Einheiten der Schaltungsanordnung 1 dar. Der -MOSFET 17 ist mit der elektrischen Masse 18 verbunden. Die Treiberstufe 6 ist mit dem Gate eines Hochvolt-MOSFETs 7 verbunden, dessen Drain-Anschluss über eine HV-Batterie 19 gespeist wird. Der Gate-Anschluss des HV-MOSFETs 7 ist mit der anspruchsgemäßen Ausgangsklemme verbunden. Der Source-Anschluss ist mit einer Reihenschaltung aus einer Diode 8, einem ohmschen Widerstand 10 (Strombegrenzungswiderstand) und der Zwischenkreiskapazität 2 mit dem Minuspol der HV-Batterie 19 verbunden. Das Hochvolt-Bordnetz 3 ist durch eine gestrichelte Linie gegenüber der Schaltungsanordnung 1 abgegrenzt.
  • 3 zeigt einen generischen Aufbau eines Gleichspannungswandlers, wie er in der Schaltungsanordnung 1 gemäß 1 oder 2 verwendet werden kann. Die Spannungsversorgung 4 speist den Wandler 5, mittels dessen die herabgesetzte Bordnetzspannung galvanisch getrennt auf die zusätzliche Kapazität C1 übertragen werden kann. Eine Diode 22 verhindert ein Entladen der Kapazität C1 über die sekundäre Seite des Wandlers 5. Die Ansteuerung des Wandlers 5 erfolgt über einen ohmschen Widerstand R1 und einen MOSFET 17, wobei der MOSFET 17 über ein PWM-Signal 13 von 500 kHz und einem Tastverhältnis von 20 % angesteuert wird. Primärseitig ist der Wandler 5 zudem mit der Endmagnetisierung 15 verbunden. Während also der MOSFET 17 durch PWM-Signal 13 angesteuert wird (ca. 20% der Betriebsdauer), fließt der Strom über den Wandler 5 und wird durch R1 begrenzt. In dieser Zeit wird - wie beim Eintaktflusswandler- die Kapazität C1 geladen. In der restlichen Zeit (ca. 80% der Betriebsdauer) wird der Kern entmagnetisiert. Auf der Sekundärseite sperrt die Diode um ein Entladen von C1 zu verhindern.
  • 4 zeigt einen generischen Aufbau einer ersten Schaltungsbaugruppe 11 zur Beschleunigung des Zuschaltverhaltens des HV-MOSFETs. Der HV-MOSFET ist ausgangsseitig mit dem spannungsgeschalteten Schalter T3 verknüpft (vorliegend jedoch nicht dargestellt). Eingangsseitig sind ein Spannungsschwellwertgeber D1 mit einem Strombegrenzer sowie ein erster stromgeschalteter Schalter T1 und ein ohmscher Widerstand R1 mit der ersten Eingangsklemme verknüpft. Hier ist auch ein erster Anschluss des spannungsgeschalteten Schalters T3 angeschlossen. Zweite Anschlüsse des Spannungsschwellwertgebers D1 sowie des ersten stromgeschalteten Schalters T1 an einen Steuereingang des zweiten stromgeschalteten Schalters T2 angeschlossen. Dessen Ausgang ist mit einem zweiten Anschluss des ohmschen Widerstandes R1 sowie mit einem Steueranschluss des spannungsgeschalteten Schalters T3 verbunden. Die Ansteuerung des ersten stromgeschalteten Schalters T1 erfolgt über die Ausgangsklemme der dargestellten ersten Schaltungsbaugruppe. Um die (vorliegend nicht dargestellte) Kapazität, welche den Energiespeicher zur Beschleunigung des Schaltvorgangs darstellt, im Bedarfsfall rasch zu entladen und damit den HV-MOSFET mit kurzer Verzögerung abzuschalten, wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel einer zweiten Schaltungsbaugruppe dargestellt.
  • 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer zweiten Schaltungsbaugruppe 12, welche in einer Treiberstufe 6 eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung für ein Abschalten des HV-MOSFETs mit kurzer Verzögerung sorgen kann. Eingangsseitig sorgt ein kleiner Energiespeicher mit passiver Entladung 21 für eine Ansteuerung eines ersten Schalters T4. Ein erster Anschluss des ersten Schalters T4 ist mit einem zweiten Anschluss eines dritten ohmschen Widerstandes R4 sowie mit einem Steueranschluss des zweiten Schalters T5 elektrisch verbunden. Jeweils ein erster Anschluss des dritten ohmschen Widerstandes R4 und eines zweiten ohmschen Widerstandes R2 sind mit einer zweiten Ausgangsklemme verbunden. Ein zweiter Anschluss des zweiten ohmschen Widerstandes R2 und ein erster Anschluss des zweiten Schalters T5 sind elektrisch miteinander verbunden. Auf diese Weise kann der ohmsche Widerstand R2 bei geschlossenen Schaltern T4, T5 die Kapazität C1 rasch entladen und somit zu einer Beschleunigung des Abschaltverhaltens des (nicht dargestellten) Hochvolt-MOSFETs führen, welcher an eine jenseits der Kapazität C1 angeordnete Schaltungsbaugruppe (siehe 4) zur Beschleunigung des Zuschaltverhaltens angeschlossen ist.
  • 6 zeigt eine schaltungstechnische Möglichkeit zur Realisierung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1, in welcher sämtliche in den vorstehend diskutierten Figuren enthaltene Baugruppen dargestellt und mit beispielhaften Inhalten zur schaltungstechnischen Realisierung dargestellt sind. Die Bauteile selbst sind dem Fachmann bekannt, weshalb auf eine detaillierte Erläuterung verzichtet werden kann. Die Schaltungsanordnung 1 dient der Aktivierung eines Vorladeprozesses einer (nicht dargestellten) Zwischenkreiskapazität, welche ausgangsseitig an den HV-MOSFET 7 und die Diode 8 angeschlossen werden kann. Dieses Verfahren wird nach dem Schließen des negativen Haupt-Relais jedoch vor dem Schließen des positiven Haupt-Relais ausgeführt. Der Ladestrom, der durch den HV-MOSFET 7 geschaltet wird, wird durch einen (ebenfalls nicht dargestellten) ohmschen Reihenwiderstand begrenzt. Die Anstiegszeit der Gate-Source-Spannung des HV-MOSFETs 7 muss auf unter 600Nanosekunden begrenzt werden, um die auftretenden Schaltverluste hinreichend zu begrenzen. Die Gate-Source-Spannung des HV-MOSFETs 7 wird durch den Konverter 14 gesteuert. Zudem sorgt der Konverter 14 mit dem Wandler 5 für eine galvanische Isolation zwischen der Niedervolt- und der Hochvolt-Seite. Der Linearregler 4 ist eingerichtet, eine stabilisierte Ausgabespannung zu erzeugen, welche die Leistungsversorgung für die dargestellte Schaltungsanordnung 1 bereitstellt. Der Konverter 14 wird durch ein PWM-Signal PRCHRG_CTRL angesteuert. Die Eingabesignalquelle 13 stellt die Ansteuerung des Schalters 17 dar. Wenn das Signal ABE_HTO_LEVEL 2 der Eingabesignalquelle 13 eine hohe Spannung (High-Pegel) aufweist, aktiviert bzw. deaktiviert das PWM-Signal den Schalter 17. Wenn der Schalter 17 geschlossen wird, fließt ein Strom durch die parallel zueinander angeordneten Transformatoren (Primärseite). Dieser Strom wird durch die im Beispiel parallel zueinander (wobei auch ein einzelner Leistungswiderstand verwendet werden könnte) angeordneten ohmschen Widerstände R8 begrenzt. Der magnetische Fluss durch den Wandler 5 erhöht sich mit dem Primärstrom, wodurch magnetische Energie im Wandler 5 gespeichert wird. Durch die serielle Verbindung der sekundärseitigen Spulen des Wandlers 5 ist die Spannung hier doppelt so hoch wie auf der Primärseite. Die Energie des Wandlers 5 wird auf die Sekundärseite übertragen, im Ansprechen worauf ein Strom durch die Diodenpaare 22, 23 fließt. Wenn sich der Schalter 17 öffnet, wird der Strom und damit die im Wandler 5 verbliebene Energie durch die Endmagnetisierungsbaugruppe 15 und ihre Freilaufdioden getrieben. Dies resultiert in einer negativen Spannung auf der Sekundärseite. Ein entsprechender Stromfluss auf der Sekundärseite wird jedoch durch die Dioden 22 und 23 blockiert.
  • Beim Einschalten des HV-MOSFETs 7 wird ein Strom vom Konverter 14 zur Verfügung gestellt, dessen Energie über den Wandler 5 die Kapazitäten C1 und C3 lädt, wobei der ohmsche Widerstand R6 den Stromfluss in den Kondensator C3 begrenzt. Dies bewirkt, dass der erste Schalter T4 schließt (wobei der ohmsche Widerstand R4 den Strom begrenzt) und der zweite Schalter T5 öffnet. Die Kapazität C1 (mit Selbstentladung über den ohmschen Widerstand R7), welche den Hauptenergiespeicher der Treiberstufe 6 darstellt, wird mit jedem Schaltvorgang des PWM-Signals auf der Primärseite geladen. Sobald die Durchbruchspannung der Diode D1 erreicht ist, wird die Kapazität C2 des zweiten stromgeschalteten Schalters T2 geladen. Daraufhin schließt der zweite stromgeschaltete Schalter T2, woraufhin ein Strom durch den ohmschen Widerstand R fließt und der spannungsgeschaltete Schalter T3 ebenfalls schließt. Hierauf folgt die Aktivierung des ersten stromgeschalteten Schalters T1, wodurch die Basis-Emitterspannung am zweiten stromgeschalteten Schalter T2 sich stabilisiert. Dabei geht der zweite stromgeschaltete Schalter T2 in die Sättigung und dementsprechend auch der spannungsgeschaltete Schalter T3. Dies führt zu einem großen Strom aus der Kapazität C1, welcher unverzüglich die Gate-Kapazität des HV-MOSFETs 7 lädt. Dies führt zu einem raschen Einschalten des HV-MOSFETs.
  • Beim Abschalten wird die Kapazität C1 langsam durch den ohmschen Widerstand R7 entladen. Die Kapazität C2 wird langsam durch den ohmschen Widerstand R5 entladen. Die Kapazität C3 wird durch den ohmschen Widerstand R3 entladen, woraufhin der erste Schalter T4 öffnet. Dies führt zu einem hohen Potential an der Basis des zweiten Schalters T5. Sobald der zweite Schalter T5 schließt, wird die Kapazität C1 durch die parallelen niederohmigen (könnte auch ein einzelner Leistungswiderstand sein) Widerstände R2 entladen. Die Basis-Emitterspannung am zweiten stromgeschalteten Schalter T2 fällt ab, woraufhin der erste stromgeschaltete Schalter T1, der zweite stromgeschaltete Schalter T2 und der spannungsgeschaltete Schalter T3 öffnen. Daraufhin öffnet der HV-MOSFET 7 und es fließt kein weiterer Vorladestrom in die Zwischenkreiskapazität.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2015/0256014 A1 [0004]

Claims (11)

  1. Schaltungsanordnung zum Schalten eines Hochvolt-MOSFETs (7) zur Vorladung einer Zwischenkreis-Kapazität (2) eines Hochvolt-Bordnetzes (3) mit einer ersten Schaltungsbaugruppe, wobei die erste Schaltungsbaugruppe umfasst: - eine erste Eingangsklemme, - eine zweite Eingangsklemme, - einen ersten stromgeschalteten Schalter (T1), - einen zweiten stromgeschalteten Schalter (T2), - einen spannungsgeschalteten Schalter (T3), - einen Spannungsschwellwertgeber (D1) mit Strombegrenzer, und - einen ohmschen Widerstand (R1), und - eine Ausgangsklemme, wobei - jeweils ein erster Anschluss des - ersten stromgeschalteten Schalters (T1), - spannungsgeschalteten Schalters (T3), - Spannungsschwellwertgebers (D1) mit Strombegrenzer, und - des ohmschen Widerstandes (R1) an die ersten Eingangsklemme angeschlossen ist, - jeweils ein zweiter Anschluss - des ersten stromgeschalteten Schalters (T1), und - des Spannungsschwellwertgebers (D1) mit Strombegrenzer, an einen Steuereingang des zweiten stromgeschalteten Schalters (T2) angeschlossen ist, - ein erster Anschluss des zweiten stromgeschalteten Schalters (T2) und ein zweiter Anschluss des ohmschen Widerstandes (R1) mit einem Steuereingang des spannungsgeschalteten Schalters (T3) verbunden sind, - ein zweiter Anschluss des zweiten stromgeschalteten Schalters (T2) mit einer elektrischen Masse verbunden ist, - ein zweiter Anschluss des spannungsgeschalteten Schalters (T3) einerseits mit der Ausgangsklemme und andererseits mit einem Steuereingang des ersten stromgeschalteten Schalters (T1) verbunden sind.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Ausgangsklemme mit einem Gate des Hochvolt-MOSFETs verbunden ist.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen der ersten Eingangsklemme und der zweiten Eingangsklemme weiter eine Kapazität (C1) und/oder ein zweiter ohmscher Widerstand (R7) angeschlossen sind.
  4. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend eine zweite Schaltungsbaugruppe (12) wobei die zweite Schaltungsbaugruppe umfasst: - eine dritte Eingangsklemme, - einen ersten Energiespeicher (C3) mit passiver Entladung (R3), - einen ersten Schalter (T4), - einen zweiten Schalter (T5), - eine zweite Ausgangsklemme, - eine dritte und eine vierte Ausgangsklemme, - einen zweiten ohmschen Widerstand (R2) und - einen dritten ohmschen Widerstand (R4), wobei - der ersten Energiespeicher (C3) mit einem ersten Anschluss an der dritten Eingangsklemme angeschlossen und eingerichtet ist, einen Steuereingang des ersten Schalters (T4) mit Energie zu versorgen, - ein erster Anschluss des ersten Schalters (T4) und ein zweiter Anschluss des dritten ohmschen Widerstandes (R4) mit einem Steueranschluss des zweiten Schalters (T5) verbunden sind, - jeweils ein erster Anschluss - des zweiten ohmschen Widerstandes (R2) und - des dritten ohmschen Widerstandes (R4) mit der zweiten Ausgangsklemme verbunden sind, - ein zweiter Anschluss des zweiten ohmschen Widerstandes (R2) und ein erster Anschluss des zweiten Schalters (T5) miteinander verbunden sind, - jeweils ein zweiter Anschluss - des ersten Schalters (T4) und - des zweiten Schalters (T5) mit der vierten Ausgangsklemme verbunden sind, - die dritte Ausgangsklemme mit der ersten Eingangsklemme und - die vierte Ausgangsklemme mit der zweiten Eingangsklemme verbunden ist.
  5. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend - einen Linearregler (4), - einen Wandler (5), und - einen Hochvolt-MOSFET (7), wobei - der Linearregler (4) eingerichtet ist, eine 12V-Batteriespannung auf eine niedrigere Spannung herabzusetzen, und - der Wandler (5) eingerichtet ist, elektrische Energie der niedrigeren Spannung zum Ansteuern der Treiberstufe (6) in eine erhöhte Spannung zu wandeln und eine galvanische Trennung vorzunehmen.
  6. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend - eine Diode (8), welche zwischen einem Source-Anschluss des Hochvolt-MOSFETs (7) und einem Minuspol einer HV-Batterie, welche zum Laden der Zwischenkreis-Kapazität (2) vorgesehen ist, in Flussrichtung zum Minuspol gerichtet angeordnet ist.
  7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, wobei die Diode (8) in Reihe mit der Zwischenkreis-Kapazität (2) angeordnet ist.
  8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, weiter umfassend einen ohmschen Widerstand (10) in Reihe zur Diode (8).
  9. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend - ein negatives Schütz und - ein positives Schütz, wobei der Wandler (5) weiter eingerichtet ist, den Hochvolt-MOSFET (7) nach einem Schließen des negativen Schützes und vor einem Schließen des positiven Schützes zum Schließen des Hochvolt-MOSFETs (7) zu schließen.
  10. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wandler (5) zwei primärseitig parallel und sekundärseitig in Reihe geschaltete Transformatoren aufweist.
  11. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schaltungsanordnung (1) eingerichtet ist, den Wandler mittels eines PWM-Signals anzusteuern.
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