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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine aktive Diodenschaltung zur Implementierung in einem Bordnetz eines Fahrzeugs.
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Dioden kommen innerhalb von Bordnetzen in verschiedenen wichtigen Bereichen zum Einsatz. Beispielsweise werden Dioden für eine Dioden-Batterietrennung eingesetzt, mithilfe welcher gleichzeitig zwei oder mehrere Batterien über einen Wechselstromgenerator geladen werden können, ohne die Batterien untereinander zu verbinden. Ferner können Dioden als Verpolschutzdioden und in Schaltnetzteilen zum Einsatz kommen.
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Der Einsatz passiver Dioden ist hierbei jedoch unerwünscht. Bipolare passive Dioden können bei höheren Stromstärken und für höhere Sperrspannungen in der Regel nicht eingesetzt werden. Ferner können bei ihrem Einsatz unerwünschte Leistungsverluste entstehen. Auch passive monopolare Schottky-Dioden erzeugen bei hohen Stromstärken unerwünschte Leistungsverluste. Des Weiteren ist es bei Bordnetzen erwünscht, Dioden zu verwenden, welche eine Sperrspannung aufweisen, welche größer oder gleich ist als 60 V. Für diesen Bereich an Sperrspannungen sind aber keine Schottky-Dioden verfügbar, welche eine akzeptable Schwellenspannung von weniger als 0,8 Volt aufweisen.
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Wird versucht, eine aktive Diodenschaltung auf Basis integrierter Schaltkreise zu implementieren, führt dies zu einer deutlichen Verteuerung der Schaltung. Im Übrigen hat sich gezeigt, dass verfügbare Schaltungen für aktive Dioden in der Regel hohe Schaltzeiten aufweisen oder für den Einsatz in Bordnetzen ungeeignet sind.
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Bordnetze von Fahrzeugen weisen nämlich typischerweise eine Vielzahl unterschiedlicher ohmscher und induktiver Verbraucher auf, welche unabhängig voneinander angesteuert werden. Daher ist die Spannung in einem solchen Bordnetz unstabil und weist Störimpulse, wie Transienten, auf. Dieses Problem wird verstärkt durch die Verwendung elektrischer Antriebe in den Fahrzeugen. Durch den elektrischen Antrieb werden leistungselektronische Komponenten im Fahrzeug implementiert, welche Quellen vergleichsweiser starker Störimpulse sein können. Die Störimpulse breiten sich im gesamten Fahrzeug aus und können in das 12V-Bordnetz einkoppeln. Selbst bei einer galvanischen Trennung beider Bordnetze kann eine vollständige induktive und kapazitive Entkopplung aufgrund des geringen Platzangebotes und der hohen Kosten für eine vollständige Abschirmung typischerweise nicht realisiert werden.
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Es besteht daher ein Bedarf an einer kostengünstigen Schaltung für eine aktive Diode, welche innerhalb eines Bordnetzes eines Fahrzeuges eingesetzt werden kann und welche kurze Schaltzeiten bereitstellt. Des Weiteren besteht ein Bedarf für ein Bordnetz, welches eine solche Schaltung für eine aktive Diode aufweist.
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen eine Schaltung für eine aktive Diode eines Bordnetzes eines Fahrzeugs bereit. Die Schaltung weist ein erstes Schaltelement auf zur Verbindung und Trennung einer Anode der aktiven Diode von einer Kathode der aktiven Diode. Das erste Schaltelement weist einen Steueranschluss auf. Die Schaltung weist ferner ein zweites Schaltelement auf zur Verbindung und Trennung der Kathode der aktiven Diode von einer Stromsenke. Ein stromsenkenseitiger Anschluss des zweiten Schaltelements ist mit dem Steueranschluss des ersten Schaltelements verbunden. Die Anode der aktiven Diode ist über eine unidirektionale Verbindung und eine resistive Verbindung mit der Stromsenke verbunden. Die unidirektionale Verbindung ist für Ströme mit einer technischen Stromrichtung ausgehend von der Anode durchlässig. Ein Steueranschluss des zweiten Schaltelements ist mit der Stromsenke über die resistive Verbindung mit der Stromsenke verbunden und über die unidirektionale Verbindung mit der Anode der aktiven Diode verbunden.
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Das Fahrzeug kann ein Luft- Wasser- oder Landfahrzeug sein. Beispielsweise kann es sich bei dem Fahrzeug um ein Kraftfahrzeug, wie Auto, Bus oder Lastkraftwagen, oder aber auch um ein Schienenfahrzeug, ein Schiff, ein Luftfahrzeug, wie Helikopter oder Flugzeug, oder beispielsweise um ein Fahrrad handeln.
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Die Schaltung kann für Nennspannungen an der Anode und der Kathode der aktiven Diode von mehr als 10 Volt, insbesondere für Nennspannungen von 12 oder Volt oder 48 Volt ausgebildet sein. Die Nennspannungen können geringer sein als 100 Volt. Durch Störungen können zeitlich beschränkte Abweichungen der Spannung von der Nennspannung auftreten. Die Schaltung kann in einem Gerät integriert sein, welches von einer Batterie des Bordnetzes, wie beispielsweise einer 12 Volt-Batterie oder einer 48 Volt-Batterie versorgt wird. Das Gerät kann beispielsweise ein Schaltnetzteil sein.
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Das erste und/oder das zweite Schaltelement können elektronische Schaltelemente sein. Das erste und/oder das zweite Schaltelement können jeweils einen Transistor aufweisen.
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Der Transistor des ersten Schaltelements kann ein spannungsgesteuerter Transistor sein, wie beispielsweise ein Feldeffekttransistor oder ein IGBT (insulated-gate bipolar transistor). Der Feldeffekttransistor kann als p-Kanal-Feldeffekttransistor konfiguriert sein. Der Feldeffekttransistor kann beispielsweise ein IGFET (isolated gate field-effect transistor) sein. Diese Transistoren werden auch als MISFET (metal insulator semiconductor field-effect transistor) bezeichnet. Zu den MISFET gehören die MOSFETs. Das Gate des Transistors des ersten Schaltungselements kann der Steueranschluss des ersten Schaltelements sein. Die Source oder der Emitter des Transistors des ersten Schaltungselements kann mit der Kathode der aktiven Diode verbunden sein. Der Drain oder der Kollektor des Transistors des ersten Schaltungselements kann mit der Anode der aktiven Diode verbunden sein.
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Das erste Schaltelement, insbesondere der Transistor des ersten Schaltelements, kann selbstsperrend sein. In anderen Worten kann das Schaltelement sich in einem sperrenden Zustand befinden, wenn die Steuerspannung null oder im Wesentlichen null ist. Die Steuerspannung des ersten Schaltelements kann zwischen der Kathode der aktiven Diode und dem Steueranschluss gemessen sein. Bei einem Feldeffekttransistor kann die Steuerspannung als Spannung zwischen dem Gate und der Source des Feldeffekttransistors gemessen sein. Bei einem IGBT kann die Steuerspannung zwischen dem Gate und dem Emitter gemessen sein.
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Der Transistor des zweiten Schaltelements kann spannungsgesteuert oder stromgesteuert sein. Beispielsweise kann das zweite Schaltelement einen bipolaren Transistor, insbesondere einen pnp-Transistor aufweisen. Der Kollektor des Transistors des zweiten Schaltelements kann der stromsenkenseitige Anschluss des zweiten Schaltelements sein oder mit diesem verbunden sein. Der Emitter des Transistors kann der kathodenseitige Anschluss des zweiten Schaltelements sein oder mit diesem verbunden sein. Die Basis des Transistors des zweiten Schaltelements kann der Steueranschluss des zweiten Schaltelements sein oder mit diesem verbunden sein.
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Gemäß einer Ausführungsform ist eine Verbindung zwischen dem stromsenkenseitigen Anschluss des zweiten Schaltelements und der Stromsenke resistiv. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Widerstand dieser resistiven Verbindung geringer als ein Widerstand der resistiven Verbindung über welche der Steuerungsanschluss des zweiten Schaltelements mit der Stromsenke verbunden ist.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die unidirektionale Verbindung eine pn-Diode oder eine unipolare Diode auf. Alternativ oder zusätzlich weist die unidirektionale Verbindung einen Transistor auf. Der Transistor kann als Diode geschaltet sein. Insbesondere kann die Basis-Kollektor-Strecke oder die Basis-Emitter-Strecke des Transistors über eine Beschaltung kurzgeschlossen sein.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die unidirektionale Verbindung ein ohmsches Widerstandselement auf.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der stromsenkenseitige Anschluss des zweiten Schaltelements mit der Kathode der aktiven Diode über eine Spannungsbegrenzungseinrichtung verbunden. Die Spannungsbegrenzungseinrichtung kann beispielsweise eine Z-Diode aufweisen. Eine Kathode der Z-Diode kann mit der Kathode der aktiven Diode verbunden sein. Eine Anode der Z-Diode kann mit dem stromsenkenseitigen Anschluss des zweiten Schaltelements verbunden sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Schaltung ein kapazitives Element auf, welches mit dem unidirektionalen Element der unidirektionalen Verbindung parallel geschaltet ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Bordnetz eines Fahrzeuges bereitgestellt, umfassend eine Schaltung gemäß einem der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen. Die Schaltung kann beispielsweise in einer Dioden-Batterietrennung oder einem Schaltnetzteil des Bordnetzes implementiert sein, oder als Verpolschutzdiode wirken.
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Weitere, die Erfindung verbessernde, Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der drei Figuren näher dargestellt. Es zeigen
- 1: ein Schaltplan zur Illustration einer Schaltung für eine aktive Diode eines Bordnetzes eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 2: den Verlauf der Spannung an der Anode und an der Kathode der aktiven Diode, sowie am Steueranschluss des ersten Schaltelements während eines Schaltvorgangs in der aktiven Diode gemäß dem in der 1 gezeigten Ausgangsbeispiel.
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Die 1 zeigt eine Schaltung 100 für eine aktive Diode gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Schaltung 100 ist zum Betrieb in Bordnetzen eines Fahrzeugs ausgebildet. Das Fahrzeug kann ein Wasser- Luft- oder Landfahrzeug, wie beispielsweise ein Kraftfahrzeug sein. Die aktive Diode weist eine Anode 2 und eine Katode 3 auf. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Anode 2 mit einer Versorgungsleitung verbunden, welche durch eine Stromquelle 101, wie beispielsweise einer Batterie, gespeist wird. Die Katode 3 ist mit einer Last verbunden, welche als Ersatzschaltung durch einen ohmschen Lastwiderstand 102 repräsentiert wird.
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Bordnetze zeichnen sich üblicherweise durch zeitlich instabile Spannungsverläufe aus, bei welchen beispielsweise Transienten auftreten können. Die Instabilität ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass eine Vielzahl unterschiedlicher ohmscher und induktiver Verbraucher im Bordnetz integriert sind, welche unabhängig voneinander angesteuert werden. Die Verwendung elektrischer Antriebe beeinträchtigen die Stabilität des Bordnetzes zusätzlich.
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Die Schaltung 100 weist ein erstes Schaltelement 1 auf zur Verbindung und Trennung der Anode 2 der aktiven Diode von der Katode 3 der aktiven Diode. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das erste Schaltelement 1 ein p-Kanal MOSFET vom Anreicherungstyp, d.h. selbstsperrend. Der MOSFET gehört zu den Feldeffekttransistoren. Es ist denkbar, dass das erste Schaltelement 1 zusätzlich oder alternativ andere Feldeffekttransistoren oder andere Transistoren aufweist, wie beispielsweise einen IGBT.
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Die Schaltung 100 weist des Weiteren ein zweites Schaltelement 5 auf zur Verbindung und Trennung der Katode 3 der aktiven Diode von einer Stromsenke 6, welche in dem gezeigten Ausführungsbeispiel auf Masse gelegt ist. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Stromsenke 6 auf einem Potenzial gelegt ist, welches sich von der Masse unterscheidet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist das zweite Schaltelement 5 einen bipolaren Transistor auf, welcher eine pnp-Schichtfolge aufweist. Für das zweite Schaltelement 5 sind jedoch auch andere Transistorentypen denkbar.
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Ein stromsenkenseitiger Anschluss 7 des zweiten Schaltelements 5, welcher in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Kollektor C des Transistors ist, ist mit einem Steueranschluss 4 des ersten Schaltelements 1, d. h. dem Gate des Transistors des ersten Schaltelements 1, verbunden. Diese Verbindung ist resistiv ausgebildet, kann jedoch auch im Wesentlichen widerstandslos sein. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist diese Verbindung ein ohmsches Widerstandselement R1 auf. Durch die resistive Verbindung wird der Stromfluss begrenzt, wodurch der Transistor des zweiten Schaltelements 5 geschützt wird.
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Für die Verbindung zwischen dem stromsenkenseitigen Anschluss 7 des zweiten Schaltelements 5 und dem Steueranschluss 4 des ersten Schaltelements 1 hat sich ein Widerstandswert als vorteilhaft erwiesen, welcher zwischen 0 und 200 Ohm, insbesondere zwischen 0 und 50 Ohm oder zwischen 0 und 10 Ohm beträgt.
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Die Anode 2 der aktiven Diode ist über eine unidirektionale Verbindung 16 und eine resistive Verbindung 17 mit der Stromsenke 6 verbunden, wobei die unidirektionale Verbindung 16 für Ströme mit einer technischen Stromrichtung ausgehend von der Anode 2 durchlässig ist.
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Ein Steueranschluss 8 des zweiten Schaltelements 5 ist über die resistive Verbindung 17 mit der Stromsenke 6 verbunden und über die unidirektionale Verbindung 16 mit der Anode 2 der aktiven Diode verbunden.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist die unidirektionale Verbindung 16 ein unidirektionales Element 13 auf, welches beispielsweise eine pn-Diode oder eine unipolare Diode, wie eine Schottky-Diode aufweist. Alternativ oder zusätzlich ist jedoch auch denkbar, dass das unidirektionale Element einen Transistor aufweist, bei welchem die Basis-Kollektor-Strecke oder die Basis-Emitter-Strecke über eine Beschaltung kurzgeschlossen ist. Durch eine pn-Diode oder eine unipolare Diode ist es jedoch einfacher, die Schaltung 100 so zu konfigurieren, dass diese für Nennspannungen von Bordnetzen eines Fahrzeuges kompatibel ist, welche typischerweise größer sind als 10 Volt. Ein typischer Wert für die maximale Emitter-Basis-Spannung eines Transistors beträgt 5 Volt. Besonders vorteilhaft bei einer pn-Diode ist, dass die Anpassung der ohmschen Widerstandselemente R4 und R3 auf das unidirektionale Element 13 einfacher ist. Um das unidirektionale Element gegenüber Störpulse zu schützen, kann die Schaltung 100 ein kapazitives Element 12 aufweisen, welches zum unidirektionalen Element 13 parallelgeschaltet ist.
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Eine Verbindung 9 zwischen dem stromsenkenseitigen Anschluss 7 des zweiten Schaltelements 5, d.h. dem Kollektor des Transistors des zweiten Schaltelements 5, und der Stromsenke 6 ist resistiv. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist diese Verbindung ein ohmsches Widerstandselement R2 auf. Ein Widerstandswert dieser Verbindung 9 kann beispielsweise geringer sein als ein Widerstandswert der resistiven Verbindung 17 über welche der Steueranschluss 8 des zweiten Schaltelements 5 mit der Stromsenke 6 verbunden ist. Der Widerstand der resistiven Verbindung 17 wird durch ein ohmsches Widerstandselement R3 bewirkt, welcher in der resistiven Verbindung 17 vorgesehen ist.
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Bei einer Nennspannung von 12 Volt kann die Verbindung 9 über welche der stromsenkenseitigen Anschluss 7 des zweiten Schaltelements 5 mit der Stromsenke 6 verbunden ist, beispielsweise einen Widerstandswert zwischen 1 kOhm und 100 kOhm, insbesondere zwischen 10 kOhm und 50 kOhm aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann bei der Nennspannung von 12 Volt die resistive Verbindung 17, über welche der Steueranschluss 8 des zweiten Schaltelements 5 mit der Stromsenke 6 verbunden ist, einen Widerstandswert zwischen 1 kOhm und 30 kOhm, insbesondere zwischen 3 kOhm und 10 kOhm aufweisen.
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Die Schaltung 100 weist ferner ein ohmsches Widerstandselement R4 in der unidirektionalen Verbindung 16 auf, über welche der Steuerungsanschluss 8 des zweiten Schaltelements 5 mit der Anode 2 der aktiven Diode verbunden ist. Bei einer Nennspannung von 12 Volt weist das Widerstandselement R4 beispielsweise einen Widerstandswert zwischen 10 Ohm und 400 Ohm, insbesondere zwischen 100 Ohm und 200 Ohm auf.
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Ist die Spannung UA an der Anode 2 der aktiven Diode höher als die Spannung UK an der Katode 3 der aktiven Diode, sperrt der Transistor des zweiten Schaltelements 5. Dadurch wird das Potenzial am Steueranschluss 4 gegenüber der Spannung an der Source verringert, und zwar über die Verbindung zwischen dem Steueranschluss 4 des ersten Schaltelements 1 und dem stromsenkenseitigen Anschluss 7 des zweiten Schaltelements 5.
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Ist hierbei die Spannung UK an der Katode der aktiven Diode 3 auf dem Potenzial der Stromsenke 6, so ist der Feldeffekttransistor des ersten Schaltelements 1 zunächst in einem gesperrten Zustand, da dessen Steuerspannung null ist. Durch die parasitäre Diode 15 des Feldeffekttransistors wird jedoch die Spannung UK an der Kathode 3 der aktiven Diode leicht angehoben, so dass der Transistor des zweiten Schaltelements 5 in einen leitenden Zustand übergeht und sich dadurch ein Potenzialunterschied zwischen dem Gate und der Source des Feldeffekttransistors ergibt. Durch diesen Potenzialunterschied wird der Feldeffekttransistor in einen durchgeschalteten Zustand übergeführt.
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Wird hingegen die Spannung an der Anode 2 der aktiven Diode geringer als die Spannung UK an der Katode 3 , so befindet sich der Transistor des zweiten Schaltelements 5 in einem durchlässigen Zustand, so dass sich der stromsenkenseitige Anschluss 7 des zweiten Schaltelements, und damit der Steueranschluss 4 des ersten Schaltelements 1 auf einem im wesentlichen gleichen Potenzial, wie die Spannung UK an der Katode 3 der aktiven Diode befindet. Dadurch wird die Steuerspannung des Transistors des ersten Schaltungselements 1 im Wesentlichen null, so dass der selbstsperrende Transistor sich in einem gesperrten Zustand befindet.
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Folglich wird mithilfe der Schaltung 100 eine aktive Diode bereitgestellt, welche die Anode 2 und die Kathode 3 aufweist.
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Die Schaltung 100 kann zusätzlich eine Spannungsbegrenzungseinrichtung 14 aufweisen, über welche der stromsenkenseitige Anschluss 7 des zweiten Schaltelements 5 mit der Katode 3 der aktiven Diode verbunden ist. Die Spannungsbegrenzungseinrichtung 14 kann beispielsweise eine Z-Diode aufweisen. Eine Anode der Z-Diode kann mit dem stromsenkenseitigen Anschluss 7 des zweiten Schaltelements 5 verbunden sein und eine Kathode der Z-Diode mit der Kathode der aktiven Diode verbunden sein. Durch die Spannungsbegrenzungseinrichtung 14 wird das zweite Schaltelement 5 vor Transienten geschützt.
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Es hat sich gezeigt, dass durch die Schaltung 100 eine aktive Diode realisiert werden kann, welche - im Vergleich zu anderen Schaltungen für aktive Dioden - eine vergleichsweise kurze Schaltzeit bereitstellt. Dies ist in der 2 beispielshaft dargestellt. Die 2 zeigt einen zeitlichen Spannungsverlauf der Spannung UG am Steueranschluss 4 des ersten Schaltelements 1 im Vergleich zum zeitlichen Spannungsverlauf UA an der Anode 2 der aktiven Diode und zum zeitlichen Spannungsverlauf UK an der Kathode 3 der aktiven Diode. Die 2 zeigt einen Übergang von einem Zustand, in welchem das erste Schaltelement 1 durchgeschaltet ist, zu einem Zustand, in welchem das erste Schaltelement 1 sperrt.
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Im durchgeschalteten Zustand ist die Spannung UA an der Anode 2 der aktiven Diode höher, als die Spannung UK an der Kathode 3 der aktiven Diode. Wie oben erläutert ist, ist im durchgeschalteten Zustand die Spannung am Steueranschluss 4 des ersten Schaltelements 1, also am Gate des Transistors, geringer, als die Spannung UK an der Kathode 3 der aktiven Diode.
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Durch eine Angleichung der Spannung UA an der Anode 2 der aktiven Diode an die Spannung UK der Spannung der Kathode 2 kann der Transistor des ersten Schaltelements 1 in einen gesperrten Zustand übergeführt werden. Im gesperrten Zustand ist die Spannung UG am Steueranschluss des ersten Schaltelements 1 im Wesentlichen gleich zur Spannung Uk an der Kathode 3 der aktiven Diode.
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Anhand des Kurvenverlaufs zwischen dem durchgeschalteten Zustand und den gesperrten Zustand ist zu erkennen, dass die Schaltzeit für diesen Übergang ungefähr 500 Nanosekunden beträgt. Diese Schaltzeit ist geringer als diejenige von Schottky-Dioden, wenn diese bei höherer Leistung betrieben werden.
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Die Schaltzeit kann durch eine Veränderung der Widerstandselemente der ohmschen Widerstandselemente R1, R2, R3 und R4 angepasst werden.
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Daher konnte gezeigt werden, dass mit dem Ausführungsbeispiel, welches in der 1 illustriert ist, eine aktive Diode mit kurzen Schaltzeiten bereitgestellt werden kann, welche vorteilhaft in Bornetzen von Fahrzeugen eingesetzt werden kann.
