DE102018112431B4

DE102018112431B4 - Geräteschutz beim Auftreten eines Masseverbindungsverlustereignisses

Info

Publication number: DE102018112431B4
Application number: DE102018112431.7A
Authority: DE
Inventors: Chao Li
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2018-04-27
Filing date: 2018-05-24
Publication date: 2024-02-15
Anticipated expiration: 2038-05-25
Also published as: DE102018112431A1

Abstract

System (90), das Folgendes umfasst:
ein Gerät (100), das Folgendes umfasst:,
eine elektrische Schaltung (110, 111, 112), die konfiguriert ist, um unter Verwenden einer Versorgungsspannung einer Gleichstromversorgung (171) zu arbeiten,
eine erste Masseklemme (101), die mit der elektrischen Schaltung (110, 111, 112) gekoppelt und mit der Gleichstromversorgung (171) assoziiert ist,
eine zweite Masseklemme (102), und
einen Kondensator (120), der zwischen der ersten Masseklemme (101) und der zweiten Masseklemme (102) gekoppelt ist,
wobei das System (90) weiterhin umfasst:
einen ersten Masseanschluss (161) der Gleichstromversorgung (171), der mit der ersten Masseklemme (101) gekoppelt ist,
einen zweiten Masseanschluss (162) einer weiteren Gleichstromversorgung (172), die von der Gleichstromversorgung (171) verschieden ist, wobei der zweite Masseanschluss (162) mit der zweiten Masseklemme (102) gekoppelt ist, und
einen Gleichstrom-/Gleichstromwandler (165), der zwischen dem ersten Masseanschluss (161) und dem zweiten Masseanschluss (162) verbunden ist,
eine weitere elektrische Schaltung (155), die konfiguriert ist, um unter Verwendung einer weiteren Versorgungsspannung der weiteren Gleichstromversorgung (172) zu arbeiten,
wobei die elektrische Schaltung (110, 111, 112) und die weitere elektrische Schaltung (155) über eine Nicht-Isolation-Schnittstelle (156) gekoppelt sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diverse Beispiele der Erfindung betreffen eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schützen elektrischer Elemente beim Auftreten eines Masseverbindungsverlustereignisses.
HINTERGRUND
Die DE 197 20 681 A1 betrifft eine Schaltung zum Verhindern elektromagnetischer Störungen oder elektromagnetischer Interferenzen, welche eine elektronische Steuereinheit, die in einem Fahrzeug montiert ist, gegen elektromagnetische Störungen schützt. Es wird eine elektronische Steuereinheit offenbart, welche eine interne Leistungsversorgungsleitung, eine erste Massestruktur und eine zweite Massestruktur umfasst. Die Leistungsversorgungsleitung ist mit einer Fahrzeugbatterie verbunden. Die zweite Massestruktur ist mit der ersten Massestruktur über einen EMI-Kondensator verbunden. Dabei ist eine Massestruktur an einer Fahrzeugkarosserie über eine Verbindung mit einem Metallgehäuse einer elektronischen Steuereinheit geerdet.
Die DE 10 2013 012 615 A1 offenbart ein Schaltungsmodul zum Trennen von Teilnetzen eines Mehrspannungsbordnetzes. Dabei umfasst das Schaltungsmodul einen ersten und einen zweiten Masseanschluss sowie einen Ausgleichskondensator, dessen erster Elektrodenanschluss auf den ersten Masseanschluss und dessen zweiter Elektrodenanschluss auf den zweiten Masseanschluss geschaltet ist, wodurch leitungsgebundene EMV verbessert und Störungen auf Leitungen eines Mehrspannungsbordnetzes reduziert werden.
Die DE 10 2013 214 835 A1 betrifft eine Überspannungsschutzschaltung für ein Teilnetz eines Mehrspannungsbordnetzes. Dabei wird eine Möglichkeit beschrieben, ein Übersprechen zu verhindern, indem kapazitiv galvanisch getrennte Masseleitungen zweier Bordnetze bereitgestellt werden.
Die US 2009 / 0 015 973 A1 offenbart ein elektrisches System mit zwei Spannungen für ein Fahrzeug. Dabei ist die Kopplung zwischen einem ersten und einem zweiten Teilsystem mit einem Gleichspannungswandler realisiert. Beide Teilsysteme weisen jeweils eine Batterie auf. Dabei ist sowohl das eine Teilsystem als auch die Batterie dieses Teilsystems mit Masse verbunden.
Die US 2014 / 0 334 044 A1 beschreibt eine rotierende elektrische Maschine, die eine Stromsystemschaltung, die ein Leistungselement hat und über einen ersten Masseanschluss geerdet ist, und eine Steuersystemschaltung, die die Stromsystemschaltung steuert und über einen zweiten Masseanschluss geerdet ist, aufweist. Da eine Kathode einer Diode mit einem ISG-Rahmen verbunden ist, wird verhindert, dass Strom von der Stromsystemschaltung über einen Fahrzeugrahmen zu der Steuersystemschaltung fließt.
Die JP 2014-187 730 A offenbart ein Stromversorgungssystem. Eine erste Stromversorgungseinrichtung liefert eine Spannung an eine Last in einem ersten Spannungssystem. Eine zweite Stromversorgungseinrichtung liefert eine Spannung an eine Last in einem zweiten Spannungssystem mit einer höheren Spannung als die des ersten Spannungssystems. Ein Schalter trennt die zweite Stromversorgungseinrichtung elektrisch von der Last in dem zweiten Spannungssystem. Eine Verwaltungseinrichtung verwaltet die zweite Stromversorgungseinrichtung. Die erste Stromversorgungseinrichtung, die zweite Stromversorgungseinrichtung und die Verwaltungseinrichtung haben eine gemeinsame Masseleitung. Die Verwaltungseinrichtung schaltet den Schalter aus, wenn sie feststellt, dass durch die Masseleitung in der eigenen Einrichtung ein Strom fließt, der einen bestimmten Wert überschreitet.
Der 48-V-Stromversorgungssystemanwendung wird in Mildhybrid-Elektrofahrzeugen immer mehr Aufmerksamkeit zuteil. Ein typisches Beispiel für die 48-V-Stromversorgung ist ein 48-V-Startergenerator mit Riemenantrieb (Belt Driven Starter Generator - BSG). Es wird erwartet, dass mehr und mehr 48-V-Geräte in Personenkraftwagen verwendet werden, zum Beispiel ein 48-V-e-Turbo, ein 48-V-Verdichter, elektrische 48-V-Servolenkvorrichtung usw.
48-V-Geräte müssen typischerweise mit 12-V-Geräten, wie einem Fahrzeugbussystem, zum Beispiel als Controller Area Network (CAN), LIN, FlexRay usw. kommunizieren. 48-V-Geräte werden folglich aus der 48-V-Stromversorgung versorgt und weisen einen Transceiver zu einem Niederspannungsgerät, zum Beispiel einem 12-/24-V-Gerät auf.
Es wurde beobachtet, dass bei einem Masseverbindungsverlustereignis an einer Masseklemme, die mit der 48-V-Stromversorgung assoziiert ist, Beschädigung aufgrund von Überspannung und/oder Überstrom verursacht werden kann.
KURZDARSTELLUNG
Es besteht folglich ein Bedarf an Bereitstellung von Schutz vor Schaden bei dem Auftreten eines Masseverbindungsverlustereignisses.
Dieser Bedarf wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gedeckt. Die Merkmale der unabhängigen Ansprüche definieren Ausführungsformen.
Ein Gerät weist eine elektrische Schaltung auf. Die elektrische Schaltung ist konfiguriert, um unter Verwenden einer Versorgungsspannung einer Gleichstromversorgung zu arbeiten. Das Gerät weist auch eine erste Masseklemme auf, die mit der elektrischen Schaltung gekoppelt und mit der Gleichstromversorgung assoziiert ist. Das Gerät weist ferner eine zweite Masseklemme auf. Das Gerät weist auch einen Kondensator auf, der zwischen der ersten Masseklemme und der zweiten Masseklemme gekoppelt ist.
Ein System weist ein Gerät auf. Das Gerät weist eine elektrische Schaltung auf. Die elektrische Schaltung ist konfiguriert, um unter Verwenden einer Versorgungsspannung einer Gleichstromversorgung zu arbeiten. Das Gerät weist auch eine erste Masseklemme auf, die mit der elektrischen Schaltung gekoppelt und mit der Gleichstromversorgung assoziiert ist. Das Gerät weist ferner eine zweite Masseklemme auf. Das Gerät weist auch einen Kondensator auf, der zwischen der ersten Masseklemme und der zweiten Masseklemme gekoppelt ist. Das System weist auch einen ersten Masseanschluss der Gleichstromversorgung auf, der mit der ersten Masseklemme gekoppelt ist. Das System weist ferner einen zweiten Masseanschluss einer weiteren Gleichstromversorgung, die von der Gleichstromversorgung unterschiedlich ist, auf. Der zweite Masseanschluss ist mit der zweiten Masseklemme gekoppelt. Das System weist auch einen Gleichstrom-/Gleichstromwandler auf, der zwischen dem ersten Masseanschluss und dem zweiten Masseanschluss verbunden ist.
Ein Verfahren weist das Bereitstellen durch eine Gleichstromversorgung einer Versorgungsspannung zu einer elektrischen Schaltung unter Verwenden einer ersten Masseklemme der elektrischen Schaltung auf. Das Verfahren weist auch als Reaktion auf ein Masseverbindungsverlustereignis an der ersten Masseklemme das Laden eines Kondensators aus der elektrische Schaltung auf, der zwischen der ersten Masseklemme und einer zweiten Masseklemme gekoppelt ist.
Ein Gerät weist eine elektrische Schaltung auf. Das Gerät weist auch eine Hochspannungs-Gleichstromversorgungs-Masseklemme auf, die mit der elektrischen Schaltung gekoppelt ist. Das Gerät weist auch eine weitere Gleichstromversorgungs-Masseklemme auf. Das Gerät weist auch einen Kondensator auf, der zwischen der Hochspannungs-Gleichstromversorgungs-Masseklemme und der weiteren Gleichstromversorgungs-Masseklemme gekoppelt ist.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 veranschaulicht schematisch ein System, das ein Hochspannungsgerät und ein Niederspannungsgerät aufweist, gemäß diversen Beispielen.
2 veranschaulicht schematisch ein System, das ein Hochspannungsgerät und ein Niederspannungsgerät aufweist, gemäß diversen Beispielen.
3 veranschaulicht eine beispielhafte Umsetzung des Hochspannungsgeräts gemäß diversen Beispielen.
4 veranschaulicht schematisch eine Referenzumsetzung des Systems gemäß diversen Beispielen.
5 veranschaulicht schematisch eine Referenzumsetzung des Hochspannungsgeräts gemäß diversen Beispielen.
6 veranschaulicht schematisch eine Referenzumsetzung des Hochspannungsgeräts gemäß diversen Beispielen.
7 veranschaulicht schematisch das System, das ein Hochspannungsgerät und ein Niederspannungsgerät aufweist, gemäß diversen Beispielen.
Die 8A und 8B veranschaulichen schematisch eine zeitliche Entwicklung von Strom-Spannungsmerkmalen eines Kondensators, der zwischen zwei Masseklemmen des Hochspannungsgeräts gekoppelt ist, gemäß diversen Beispielen.
9 veranschaulicht schematisch eine Überwachungsschaltung und eine Begrenzungsschaltung, die mit einem Kondensator assoziiert sind, gemäß diversen Beispielen.
10 veranschaulicht schematisch eine zeitliche Entwicklung der Spannungsmerkmale des Kondensators gemäß diversen Beispielen, wobei die Spannungsmerkmale von der Begrenzungsschaltung gesteuert werden.
11 veranschaulicht schematisch eine zeitliche Entwicklung der Spannungsmerkmale des Kondensators gemäß diversen Beispielen, wobei die Spannungsmerkmale von der Begrenzungsschaltung gesteuert werden.
12 veranschaulicht schematisch eine Überwachungsschaltung und eine Begrenzungsschaltung, die mit einem Kondensator assoziiert sind, gemäß diversen Beispielen.
13 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß diversen Beispielen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unten werden Ausführungsformen der Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es ist klar, dass die folgende Beschreibung von Ausführungsformen nicht einschränkend verstanden werden darf. Es wird nicht bezweckt, den Schutzbereich der Erfindung durch die Ausführungsformen, die unten beschrieben sind, oder die Zeichnungen, die als rein veranschaulichend zu verstehen sind, einzuschränken.
Die Zeichnungen sind als schematische Darstellungen zu betrachten, und Elemente, die in den Zeichnungen veranschaulicht sind, sind nicht unbedingt maßstabgerecht gezeigt. Stattdessen sind die diversen Elemente derart dargestellt, dass ihre Funktion und ihr allgemeiner Zweck für einen Fachmann erkennbar werden. Jede Verbindung oder Kopplung zwischen Funktionsblöcken, Geräten, Bauteilen oder anderen physischen oder Funktionseinheiten, die in den Zeichnungen gezeigt oder hierin beschrieben sind, können auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung umgesetzt werden. Eine Kopplung zwischen Bauteilen kann auch über eine drahtlose Verbindung hergestellt werden. Funktionsblöcke können in Hardware, Firmware, Software oder einer Kombination dieser umgesetzt werden.
Unten sind Techniken beschrieben, die den Schutz von Geräten und elektrische Schaltungen bei Auftreten eines Masseverbindungsverlustereignisses erleichtern.
Bei einem Masseverbindungsverlustereignis verliert eine Masseklemme, die mit einer Gleichstromversorgung assoziiert ist, ihre Verbindung mit einem Masseanschluss der Gleichstromversorgung. Energie kann von der Masseklemme bei einem Masseverbindungsverlustereignis nicht absorbiert werden. Die Masseklemme ist eventuell nicht fähig, ein elektrisches Referenzpotenzial bei einem Masseverbindungsverlustereignis bereitzustellen. Es kann diverse Gründe für ein solches Masseverbindungsverlustereignis geben, und Beispiele weisen lockere Stecker, niedrige Leitfähigkeit aufgrund von Feuchtigkeit usw. auf.
Die hierin beschriebenen Techniken können bei diversen Szenarien Anwendung finden. Ein beispielhaftes Szenario, das aus den hierin beschriebenen Techniken Nutzen ziehen kann, betrifft eine 48-V-Stromversorgung, die in Verbindung mit einer 12-V- oder 18 V- oder 24-V-Stromversorgung (gemeinsamer 12-V - 48-V-Einsatz) verwendet wird. Ein solches Szenario beobachtet man typischerweise bei Elektrofahrzeugen, zum Beispiel Mildhybrid-Elektrofahrzeugen. Unten wird folglich in der Hauptsache auf ein solches 12-V - 48-V- Einsatzszenario eines Systems Bezug genommen, das sowohl eine 12-V-Stromversorgung als auch eine 48-V-Stromversorgung aufweist. Das dient jedoch nur der Veranschaulichung der beschriebenen Techniken, und diese Techniken können ohne Weiteres an andere Szenarien angewandt werden, zum Beispiel, im Allgemeinen, Szenarien gemeinsamen Einsatzes, bei welchen eine Niederspannungsstromversorgung und eine Hochspannungsstromversorgung verwendet werden. Zum Beispiel wäre es als eine Grundregel bei Szenarien, bei welchen eine erste Stromversorgung und eine zweite Stromversorgung gemeinsam eingesetzt werden, möglich, dass eine Versorgungsspannung einer ersten Batterie der ersten Gleichstromversorgung in dem Bereich von 20 V bis 60 V liegt, während eine Versorgungsspannung einer zweiten Batterie der zweiten Stromversorgung in einem Bereich von 6 V bis 18 V liegt. Als eine Grundregel können somit die unterschiedlichen Gleichstromversorgungen konfiguriert werden, um signifikant unterschiedliche Versorgungsspannungen bereitzustellen.
Bei einem 12-V - 48-V-Szenario mit gemeinsamem Einsatz kann es eine gemeinsame Masse für die 12-V-Stromversorgung und die 48-V-Stromversorgung geben. Ein Gleichstrom-/Gleichstromwandler kann bereitgestellt werden, um die jeweiligen Masseanschlüsse der 12-V-Stromversorgung und der 48-V-Stromversorgung zu koppeln. Typischerweise ist es nicht zulässig, dass eine direkte Verbindung zwischen KL31 (niedrige Seite / 0V der 12-V-Batterie) und KL41 (niedrige Seite / 0 V der 48-V-Batterie) in 48-V-Geräten ohne den Gleichstrom-/Gleichstromwandler besteht.
Ein 48-V-Gerät kann an die 48-V-Stromversorgung oder sowohl an die 48-V-Stromversorgung als auch an die 12-V-Stromversorgung angeschlossen werden, aber die jeweiligen 0 V werden nicht an das 48-V-Gerät angeschlossen, auch falls die Masseanschlüsse der 12-V-Stromversorgung und der 48-V-Stromversorgung gemeinsam an den Gleichstrom-/Gleichstromwandler angeschlossen sind. Falls ein 48-V-Gerät seine Masse verliert (KL31 und/oder KL41), sollte das die 12-V-Geräte nicht beeinträchtigen oder zerstören.
Bei Referenzumsetzungen (die in den Figuren nicht veranschaulicht sind), wird eine Isolationsschnittstelle verwendet, um eine beliebige 12-V-elektrische Schaltung anzuschließen, die konfiguriert ist, um unter Verwenden der 12-V-Stromversorgung zu funktionieren, und eine 48-V-elektrische Schaltung, die konfiguriert ist, um unter Verwenden der 48-V-Stromversorgung zu funktionieren. Zum Beispiel kann eine optische Kopplung verwendet werden. Hier stören oder zerstören zum Beispiel Trennen der elektrischen Potenziale, ein 12-V-Masseverbindungsverlustereignis oder ein 48-V-Masseverbindungsverlustereignis die elektrischen Geräte nicht. Es wird auch weniger Rauschen auf jeweiligen Masseanschlüssen beobachtet. Das Umsetzen der Isolationsschnittstelle für Hochgeschwindigkeitssignale und andere Signale kann jedoch kostspielig sein.
Ein alternatives Szenario beruht auf einer Nicht-Isolation-Schnittstelle. Diese Nicht-Isolation-Schnittstelle ist typischerweise weniger komplex und kostspielig. Bei einer Nicht-Isolation-Schnittstelle besteht keine elektrische Isolation zwischen 12-V-Schaltungen und einer 48-V-Schaltung. Andererseits kann Erdrauschen beobachtet werden. 12-V-Schaltungen können auch unterbrochen oder zerstört werden, wenn ein 48-V-Masseverbindungsverlustereignis beobachtet wird.
Als eine Grundregel ist es bei den diversen hierin beschriebenen Beispielen möglich, dass elektrische Schaltungen eingesetzt werden, die über eine solche Nicht-Isolation-Schnittstelle gekoppelt sind. Die diversen elektrischen Schaltungen können mit unterschiedlichen elektrischen Geräten oder mit einem gemeinsamen elektrischen Gerät assoziiert sein. Die diversen elektrische Schaltungen, die über Nicht-Isolation-Schnittstellen gekoppelt sind, können konfiguriert sein, um unter Verwenden unterschiedlicher Versorgungsspannungen zu funktionieren, zum Beispiel kann eine erste elektrische Schaltung konfiguriert sein, um unter Verwenden eine 48-V-Versorgungsspannung zu funktionieren, während eine zweite elektrische Schaltung konfiguriert sein kann, um unter Verwenden einer 12-V-Versorgungsspannung zu funktionieren. Dazu können eine Hochspannungsstromversorgung, die eine jeweilige Batterie aufweist, die eine hohe Versorgungsspannung, zum Beispiel 48-V, bereitstellt, und eine Niederspannungsstromversorgung, die eine jeweilige Batterie aufweist, die eine niedrige Versorgungsspannung, zum Beispiel 12-V, bereitstellt, bereitgestellt werden.
Unten werden Techniken beschrieben, die das Vermeiden von Beschädigung, die durch ein Masseverbindungsverlustereignis verursacht wird, erleichtern, auch falls Nicht-Isolation-Schnittstellen verwendet werden.
Gemäß einem Beispiel weist ein Gerät eine elektrische Schaltung auf, die konfiguriert ist, um unter Verwenden einer Versorgungsspannung einer Gleichstromversorgung zu funktionieren, zum Beispiel einer Hochspannungs-Gleichstromversorgung, wie einer 48-V-Gleichstromversorgung. Das Gerät weist auch eine erste Masseklemme auf, die mit der elektrischen Schaltung gekoppelt und mit der Gleichstromversorgung assoziiert ist. Das Gerät weist auch eine zweite Masseklemme auf. Ein Kondensator ist zwischen der ersten Masseklemme und der zweiten Masseklemme gekoppelt.
Die zweite Masseklemme kann zum Beispiel mit einer weiteren Gleichstromversorgung, die von der Gleichstromversorgung unterschiedlich ist, assoziiert sein, zum Beispiel wäre es möglich, dass die zweite Masseklemme mit einer Niederspannungs-Gleichstromversorgung, wie einer 12-V-Gleichstromversorgung, assoziiert ist, während die erste Masseklemme mit einer Hochspannungs-Gleichstromversorgung, wie einer 48-V-Gleichstromversorgung, assoziiert ist. Als ein alternatives Beispiel wäre es auch möglich, dass die zweite Masseklemme mit derselben Gleichstromversorgung assoziiert ist, wie die, mit der die erste Masseklemme assoziiert ist.
Durch Bereitstellen des Kondensators, der zwischen der erste Masseklemme und der zweiten Masseklemme gekoppelt ist, können diverse Effekte erzielt werden. Erstens kann Schutz der elektrischen Schaltungen bereitgestellt werden, weil der Kondensator Energie aus der elektrischen Schaltung bei einem Masseverbindungsverlustereignis an der ersten Masseklemme absorbieren kann. Das Gerät kann zum Beispiel konfiguriert sein, um den Kondensator aus der elektrischen Schaltung bei dem Masseverbindungsverlustereignis aufzuladen. Die Energie, die von dem Kondensator absorbiert wird, veranlasst keine Beschädigung an anderen Schaltungen. Zweitens kann es mittels des Kondensators möglich sein, das Masseverbindungsverlustereignis zu erfassen und möglicherweise zweckdienliche Maßnahmen zum Mindern der Effekte des Masseverbindungsverlustereignisses zu treffen. Es wäre zum Beispiel möglich, dass Überwachungsschaltungen konfiguriert sind, um eine Spannung an dem Kondensator zu überwachen. Hier kann die Spannung an dem Kondensator auf das Masseverbindungsverlustereignis an der ersten Masseklemme hinweisen. Eine geringe (hohe) Spannung an dem Kondensator kann Abwesenheit (Anwesenheit) des Masseverbindungsverlustereignisses entsprechen. Dann kann eine Funktionalität der elektrischen Schaltung in Abhängigkeit von der Spannung an dem Kondensator eingestellt werden. Falls die elektrische Schaltung zum Beispiel eine Wechselrichterschnittstelle für einen Motor/Generator umfasst, wie es der Fall für ein gemeinsames BSG-12-V - 48-V-Einsatzszenario sein könnte, kann das Gerät derart konfiguriert sein, dass es eine Wechselrichterleistungsschaltung des Motors/Generators in Abhängigkeit von der Überwachung der Spannung an dem Kondensator abschaltet.
1 veranschaulicht schematisch ein System 90. Das System weist ein Gerät 100 und ein Gerät 150 auf.
Das Gerät 100 weist eine elektrische Schaltung 110 auf. Die elektrische Schaltung 110 ist konfiguriert, um unter Verwenden einer Versorgungsspannung einer Gleichstromversorgung 171, zum Beispiel einer 48-V-Gleichstromversorgung 171, zu funktionieren. Das Gerät 100 kann somit ein Hochspannungsgerät 100 oder 48-V-Gerät genannt werden. Dazu weist das Gerät 100 eine High-Side-Klemme 103 auf, die mit der High-Side-/48-V-Klemme einer 48-V-Batterie 166 der Gleichstromversorgung 171 verbunden ist. Das Gerät 100 weist auch eine erste Masseklemme 101 auf, die mit der elektrischen Schaltung 110 gekoppelt und mit der Gleichstromversorgung 171 assoziiert ist. Die Masseklemme 101 ist normalerweise mit einer Low-Side-/0 V-Klemme der Batterie 166 verbunden.
Wie in 1 veranschaulicht, weist das Gerät 100 auch eine weitere Masseklemme 102 auf. Bei dem Beispiel der 1 ist die Masseklemme 102 mit einer Gleichstromversorgung 172 assoziiert, indem sie mit dem Masseanschluss 162 der Gleichstromversorgung 172 assoziiert ist, der konfiguriert ist, um eine Versorgungsspannung zu dem Gerät 150 bereitzustellen. Es handelt sich jedoch um eine beispielhafte Umsetzung, und bei anderen Szenarien wäre es möglich, dass die Masseklemme 102 mit der Gleichstromversorgung 171 assoziiert ist (siehe 2).
Unter weiterer Bezugnahme auf 1 weist das Gerät 150 die elektrische Schaltung 155 auf, die konfiguriert ist, um unter Verwenden der Versorgungsspannung der Gleichstromversorgung 172 zu funktionieren, zum Beispiel eine Niederspannungs-Gleichstromversorgung, wie eine 12-V-Gleichstromversorgung. Das Gerät 150 kann somit ein Niederspannungsgerät oder 12-V-Gerät genannt werden. Das Gerät 150 weist eine High-Side-Klemme 152 auf, die mit einer 12-V-Klemme der Batterie 167 der Gleichstromversorgung 172 verbunden und mit der Schaltung 155 gekoppelt ist. Das Gerät 150 weist auch eine Masseklemme 151 auf, die mit der elektrischen Schaltung 155 gekoppelt und mit der Gleichstromversorgung 172 assoziiert ist. Die Masseklemme 151 ist daher mit einer 0 V-Klemme der Batterie 167 verbunden.
Wie in 1 veranschaulicht, sind die elektrische Schaltung 110 und die elektrische Schaltung 155 über eine Nicht-Isolation-Schnittstelle 156 des Systems 90 gekoppelt. Spezifisch weist die Schaltung 110 ein Niederspannungsteil 111 und ein Hochspannungsteil 112 auf. Das Niederspannungsteil 111 ist über die Nicht-Isolation-Schnittstelle 156 mit der elektrischen Schaltung 155 gekoppelt.
In 1 sind ein Masseanschluss 162 der Gleichstromversorgung 172 des Systems 90 sowie ein Masseanschluss 161 der Gleichstromversorgung 171 des Systems 90 veranschaulicht. Die Masseanschlüsse 161, 162 sind miteinander über einen Gleichstrom-/Gleichstromwandler 165 gekoppelt.
In 1 ist ein Masseanschluss 168 veranschaulicht, der die Masseklemme 101 des Geräts 100, das mit der Gleichstromversorgung 171 assoziiert ist, mit der Batterie 166 verbindet. Bei einem Masseverbindungsverlustereignis an der Masseklemme 101 geht die Verbindung 168 verloren. Die Verbindung 168 kann physisch brechen oder nicht leitend werden usw.
Um Beschädigung zum Beispiel an der elektrische Schaltung 155 und/oder dem Niederspannungsteil 111 der elektrische Schaltung 110 zu vermeiden, ist ein Kondensator 120 zwischen der Masseklemme 101 und der Masseklemme 102 des Geräts 100 gekoppelt.
3 veranschaulicht Einzelheiten bezüglich des Geräts 100. Das Gerät 100 weist das Niederspannungsteil 111 und das Hochspannungsteil 112 auf, die über einen Gleichstrom-/Gleichstromwandler 210 gekoppelt sind. Low-Dropout-Regler (Low Dropout Regulators - LDOs) 211, 212 sind in dem Niederspannungsteil 111 bereitgestellt. Der LDO ist mit einem Transceiver 213 assoziiert, der über die Nicht-Isolation-Schnittstelle 156 mit der elektrische Schaltung 155 des Geräts 150 (in 3 nicht veranschaulicht) verbunden ist. Die Nicht-Isolation-Schnittstelle könnte zum Beispiel über ein Fahrzeug-Bussystem, wie einen CAN-Bus oder dergleichen, umgesetzt werden. Der Transceiver 213 kann konfiguriert sein, um Steuersignale über die Nicht-Isolation-Schnittstelle 156 zu empfangen und/oder zu übertragen.
Der LDO 212 ist mit einer Steuereinheit 214 assoziiert. Die Steuereinheit 214 setzt Gate-Treiber für Stromschalter 216 des Hochspannungsteils 112 um, was manchmal auch Leistungsstufe genannt wird. Der Stromschalter 216 und ein Kondensator 215 setzen einen Wandler für den Motor/Generator 220 um.
Nächstfolgend wird die Funktion des Kondensators 120 unter Referenzumsetzungen des Geräts 100', das in den 4 bis 6 veranschaulicht ist, als ein Maßstab erklärt.
Die 4 bis 6 veranschaulichen Aspekte bezüglich einer Referenzumsetzung des Geräts 100'. Wie man erkennt, weist die Referenzumsetzung des Geräts 100' die Masseklemme 102 und den Kondensator 120 im Vergleich zu dem Gerät 100 der 1 bis 3 nicht auf.
Bei normalem Betrieb (kein Masseverbindungsverlustereignis) fließt ein Strom von der 48-V-Batterie 166 in das Gerät 100' über die Klemme 103, fließt dann durch die Schaltungen in dem Gerät 100', einschließlich der Leistungsstufe 112, des Leistungsversorgungsteils und Steuerteils 111, und fließt dann aus dem Gerät 100' über die 48-V-Masseklemme 101 zu dem Wechselrichter. Der Strom fließt schließlich zu dem negativen Pol der Batterie 166 über die Masseanschlüsse 168, 161 zurück. Der Transceiver 213 wird von 5-V-Versorgungsspannung versorgt, die von dem Gleichstrom-/Gleichstromwandler 210 und dem LDO 211 erzeugt wird. Beim normalen Betrieb ist das elektrische Potenzial, das die Nicht-Isolation-Schnittstelle 156 belastet, 5 V Gleichstrom, wobei der Pfad des elektrischen Potenzials von einem Ausgangssignal des Geräts 100 beginnt und durch die elektrische Schaltung 155, 12-V-Masseklemme 151, die zum Beispiel mit der Karosserie eines Fahrzeugs verbunden ist, Masseanschluss 162, Gleichstrom-/Gleichstromwandler 165 und schließlich zurück zu den negativen Pol der Batterie 166, weil die Gleichspannung von der 48-V-Batterie abgeleitet wird. All dies gilt auch für die Umsetzung des Geräts 100 gemäß den 1 bis 3.
Als Grundregel, wenn der Masseanschluss 168 bei einem Masseverbindungsverlustereignis getrennt wird, finden alle Arbeitsströme einen anderen Pfad, um zu dem negativen Pol der Batterie 166 zurückzukehren. Bei der Referenzumsetzung des Geräts 100' ohne die Masseklemme 102, gibt es nur einen Ausgang, durch den der Arbeitsstrom zu dem negativen Pol der Batterie 166 zurückgehen kann. Der Ausgang ist der Ausgangsport des Transceivers 213 über die Nicht-Isolation-Schnittstelle 156. Unter Bezugnahme auf 4 fließt elektrisches 48-V-Potenzial zu dem Punkt A über die Klemme KL40 des Wechselrichters, dann fließt das 48-V-Potenzial auf allen möglichen Pfaden zu dem Punkt B, der der Ausgangsport des Transceivers 213 ist. Nach dem Erreichen des Punkts B, belastet das Potenzial des Punkts B elektrische Bauteile des Transceivers 213.
Zwei Hauptpfade von dem Punkt A zu dem Punkt B sind in den 5 und 6 für die Referenzumsetzung des Geräts 100' veranschaulicht.
Nachdem der Masseanschluss 168 bei einem Masseverbindungsverlustereignis verloren wurde, arbeiten die Leistungsversorgungen für den Motor/Generator 220 normal während eines gegebenen Zeitraums weiter, weil Energie, die in dem Kondensator 215 gespeichert ist, einen Strom bereitstellt. Die Länge des gegebenen Zeitraums hängt von dem Arbeitsstrom des Wechselrichters ab, der etwa 100 mA beträgt, falls die Leistungsstufe 112 nicht funktioniert. Im Allgemeinen reicht die Kapazität des Kondensators 215 bis zu mehreren 1000 Mikrofarad. Dann beträgt für eine angenommene Kapazität des Kondensators 215 von 5 mF die Länge des gegebenen Zeitraums 2 bis 4 Sekunden.
Es kann zum Beispiel 2 Sekunden in Anspruch nehmen, damit die Spannung an dem Kondensator 215 von 60 V (Höchstwert von 48 V) zu 20 V (Mindestwert von 48 V) reduziert wird. Das bedeutet, dass alle Leistungsversorgungen während des Zeitraums von 2 Sekunden normal funktionieren. Mit anderen Worten erzeugt die Gleichspannungsleistungsversorgung auch normal 5 V. Der Pfad von dem Punkt A zu dem Punkt B, der in 5 veranschaulicht ist, ist der 5-V-Erzeugungspfad. Was die Spannung V_vcc_kl41 von VCC zu dem negativen Pol der 48-V-Batterie 166 betrifft: $\begin{array}{l} V_{_VCC_KL 41} = VCC + V_{_GND_48 V_KL 41}; \\ V_{_GND_48 V_KL 41} : = V_{_s 1} = {VL}_{_48 V_battery} - V_{_c_dclink} . \end{array}$
V_{_GND}__48V__KL41 / V_S1 ist Spannung von der Masseklemme 101 zu dem Masseanschluss 161. V_{_c_dclink} ist die Spannung an dem Kondensator 215. VCC ist die Versorgungsspannung.
Man beobachtet, dass die Spannung V_s1 steigt, wenn die Spannung V_{_c_dclink} verringert wird. V_s1 beträgt 40 V, wenn V_{_c_dclink} 20 V beträgt. Daher beträgt die Spannung V_vcc_kl41 45 V, was mehr ist als die maximale Stoßspannung von 40 V, der der Ausgangsport des Transceivers 213 standhält, und die Spannung V_vcc_kl41 steigt nach dem Zeitpunkt von 2 s über 45 V. Schließlich kann die Spannung V_vcc_kl41 60 V erreichen. Der Ausgangsport des Transceivers 213 wird während der Stufe von V_vcc_kl41 zwischen 40 V und 60 V zerstört.
Ein Szenario, bei dem der Arbeitsstrom der maximale Strom der Leistungsstufe 112 in dem Augenblick des Masseverbindungsverlustereignisses ist, wird betrachtet. Im Allgemeinen sind es etwa 250 A für ein gemeinsames BSG-12-V-48-V-Einsatzszenario. Die Länge des Zeitraums des Ansteigens von V_s1 von 60 V zu 20 V beträgt etwa 1 ms. Das bedeutet, dass der Ausgangsport des Transceivers 213 innerhalb mehrerer ms nach dem Masseverbindungsverlustereignis zerstört wird, falls das Gerät 100 mit einem maximalen Starkstrom von 250 A arbeitet.
Wenn man nun bedenkt, dass die Leistungsstufe 112 mit Starkstrom in dem Augenblick des Masseverbindungsverlustereignisses an der Masseklemme 101 arbeitet, versucht der Arbeitsstrom unter anderem, durch den Pfad zwischen A und B, wie in 6 veranschaulicht, zu fließen. Es kann nämlich viele Pfade zwischen den Punkten A und B, die hier nicht analysiert werden, geben.
Anhand der oben stehenden Analyse für die Pfade zwischen den Punkten A und B wird bewiesen, dass das Potenzial, das den Transceiver 213 zerstören kann, von der Spannung V_s1 abhängt.
Nachfolgend werden Techniken beschrieben, die es erlauben, die Spannung V_s1 nach Maß anzupassen und/oder zu überwachen. Gemäß diversen Beispielen wird das durch Bereitstellen des Kondensators 120 und der weiteren Masseklemme 102 (siehe 1 bis 3) in dem Gerät 100 erzielt.
Die Masseklemme 102 stellt eine alternative Backup-Route für einen Stromfluss zurück zu der Batterie 166 bereit, sogar in dem Fall eines Masseverbindungsverlustereignisses an der Masseklemme 101. Der Strom braucht daher nicht durch den Transceiver 213 zu fließen. Das hilft dabei, Beschädigung an dem Transceiver 213 zu vermeiden.
Als eine Grundregel gibt es diverse Optionen, die zum Umsetzen der Masseklemme 102 denkbar sind. Der Kondensator 120 kann zum Beispiel zwischen der 48-V-Masseklemme 101 und dem Gehäuse des Geräts 100 in Reihe geschaltet sein. Das Gehäuse kann durch ein Metallgehäuse umgesetzt werden. Das Gehäuse kann daher die Masseklemme 102 umsetzen. Typischerweise wird der Masseanschluss 162 zwischen elektrische Schaltungen in einem Personenkraftwagen durch Drähte und die Fahrzeugmetallkarosserie umgesetzt.
Einzelheiten bezüglich des Kondensators 120 und der Masseklemme 102 sind auch in 7 veranschaulicht.
7 veranschaulicht Aspekte in Zusammenhang mit dem Gerät 100. Das Beispiel der 7 entspricht im Allgemeinen dem Beispiel der 1.
Zusätzlich sind in 7 mehrere Streuinduktoren 251 bis 255 gezeigt. Der Streuinduktor 255 L_stray_BSG_48VBat+ ist der Induktor des Drahts zwischen dem Gerät 100 und der 48-V-Batterie 166. Der Streuinduktor 254 L_stray_BSGcase_CarBody ist der Induktor des Masseanschlusses 169 zwischen der Masseklemme 102 und dem Masseanschluss 162 des negativen Pols der 12-V-Batterie 167 der Stromversorgung 172. Der Streuinduktor 251 L_stray_CarBody_DCDC ist der Induktor der Verbindung zwischen dem negativen Pol der 12-V-Batterie 167 und dem Gleichstrom-/Gleichstromwandler 165. Der Streuinduktor L_stray_DCDC_48VBat 252 ist der Induktor des Drahts, der den Masseanschluss 161 zwischen dem Gleichstrom-/Gleichstromwandler 165 und dem negativen Pol der 48-V-Batterie 166 umsetzt.
Nächstfolgend werden typische Werte für die Induktivitäten der Induktoren 251 bis 255 gegeben: Eine typische Induktivität des Induktors 255 L_stray_BSG_48VBat+ wäre zum Beispiel 2 µH. Zwischen der Masseklemme 102 und dem negativen Pol der 12-V-Batterie 167 kann sehr kleiner Widerstand vorhanden sein, wie der Streuinduktor 254 L_stray_ BSGcase_CarBody: bei einer beispielhaften Umsetzung beträgt die Induktivität zwischen an die Masse gelegtem Kontakt der vorderen Metallkarosserie und dem an die Masse gelegten Kontakt der Heckmetallkarosserie etwas mehr als der Streuinduktor 252 L_stray_CarBody_DCDC. Die Induktivität des Streuinduktors 252 L_stray_DCDC_48VBat- kann etwa 0,3 µH betragen. Der Induktor L_stray_BSGcase_48VBat- ist als die Summe der 3 Streuinduktoren 3 254, 251, 252 in Reihe definiert, einschließlich L_stray_BSGcase_CarBody, L_stray_CarBody_DCDC und L_stray_DCDC_48VBat-. Der kombinierte Induktor L_stray_BSGcase_48VBat- wird als gleich 0,5 µH für die folgende Schaltungssimulation angenommen.
Eine jeweilige Simulationsschaltung, die solche Werte für die Induktivitäten verwendet, ist in 8A und 8B veranschaulicht.
VS1 stellt die 48-V-Batterie 166 dar. L1 stellt den Induktor L_stray_BSG_48VBat+ mit 250 A anfänglichem Strom dar. C3 stellt den Kondensator 215 mit 60 V anfänglicher Spannung dar. R1 stellt eine vereinfachte äquivalente Schaltung des Motor/Generators dar. C1 stellt den Kondensator 120 dar. L2 stellt den kombinierten Induktor L_stray_BSGcase_48VBat- dar. AM1 testet den Strom, der durch C1 fließt. VM2 testet die Spannung aus der Masseklemme 101 zu dem negativen Pol der 48-V-Batterie 166. Die Spannung, die von VM2 in 8 getestet wird, stellt die Spannung zwischen der Masseklemme 101 und dem negativen Pol der 48-V-Batterie 166 dar.
VM2 entspricht somit V_S1. Wie man erkennt, besteht ferner eine starke Korrelation zwischen VM2 und V_C, die die Spannung an dem Kondensator 120 ist.
Zum Vereinfachen der Simulationsschaltung wurde die Wechselrichterbrücke, die von den Schaltern 216 und dem Motor 220 umgesetzt wird, in etwa einem Widerstand R1 zu 0,19 Ohm für Transientensimulation gleichgesetzt. Der 0,19-Ohm-Widerstand simuliert einen Lastabsorptionsstrom zu 250A mit Klemmenspannung 48-V (0,19 = 48/250).
Die Simulationsresultate werden auch für eine Kapazität des Kondensators von C = 1 µF in 8A gezeigt, und in 8B für eine Kapazität des Kondensators von C = 1000 µF.
Basierend auf den Simulationsresultaten können die folgenden Beobachtungen gemacht werden. Zuerst besteht durch Erhöhen der Kapazität des Kondensators 120 ein Trend dazu, dass die Spannung VM2 langsam und gleichmäßig auf 60 V steigt, und die Startspannung (bei Zeit 0) zu kleineren Werten wechselt. Zweitens, falls die Spannungswellenform in drei Abschnitte geteilt wird, die den Startspannungsteil, den Resonanzteil und den gleichmäßig ansteigenden Teil enthalten, wechselt die Frequenz des Resonanzteils zu niedrigeren Werten, indem die Kapazität des Kondensators 120 erhöht wird.
Somit folgt aus den 8A und 8B, dass im Allgemeinen ein Trend bestehen kann, größere Kapazitäten für den Kondensator 120 vorzuziehen. Das dient zum Vermeiden plötzlichen Ansteigens der Spannung an dem Kondensator 120 und zum Reduzieren der Frequenz der Resonanz, die von dem Kondensator 120 gebildet wird. Als eine Grundregel kann die Kapazität des Kondensators 120 nicht kleiner sein als 10 µF, optional nicht kleiner als 100 µF, ferner optional nicht kleiner als 1000 µF.
Als eine Anmerkung wurde beobachtet, dass das Brechen des Masseanschlusses 168 bei einem Masseverbindungsverlustereignis eine bestimmte Zeitspanne erfordert. Die Zeitspanne kann zum Beispiel durch eine Löschzeit eines Relais modelliert werden. Typische Zeitspannen liegen in dem Bereich von 100 bis 500 Mikrosekunden. Die geringen Zeitspannen, die in den 8A und 8B, nämlich eine Simulation, die die Bruchzeit des Masseanschlusses 168 nicht berücksichtigt, veranschaulicht sind, können ignoriert werden.
Zusammenfassend ist es möglich, eine relativ gleichmäßig ansteigende Spannung von VM2 zu erhalten, falls zweckdienliche Kapazität des Kondensators 120 gemäß dem spezifischen Schaltungsparameter des Geräts 100 ausgewählt wird.
Man muss verstehen, dass die 8A und 8B ein Beispiel darstellen, das die Schadenschutzfunktionalität des Kondensators 120 motiviert. Nichtsdestotrotz approximieren die 8A und 8B die Funktionalität. Zum Beispiel wird in den 8A und 8B die Spannung VM2 berücksichtigt, die die Spannung zwischen der Masseklemme 101 und dem negativen Pol der Batterie 166 modelliert. Eine noch bessere Annäherung wäre die Spannung zwischen der Masseklemme 101 und dem Masseanschluss 162, weil sie die genaue Spannung ist, die den Transceiver 213 belastet, ohne Spannung auf dem Induktor 152 L_stray_CarBody_DCDC und dem Induktor 252 L_stray_DCDC_48VBat-. Wie oben erwähnt, ist die Induktivität des Streuinduktors L_stray_BSGcase_CarBody 254 sehr gering, insbesondere im Vergleich zu der Induktivität der kombinierten Induktoren 251, 252. Daher ist die oben präsentierte Simulation ein Szenario des ungünstigsten Falls mit zusätzlicher Marge aufgrund der geringen Induktanz des Induktors 254.
Die oben beschriebenen Techniken helfen, Schäden an elektrischen Bauteilen zum Beispiel des Transceivers 213 mittels des Kondensators 120 vorzubeugen. Zusätzlich zu solcher Schadenschutzfunktionalität, kann der Kondensator 120 auch weitere Funktionalität bereitstellen, wie Überwachungsfunktionalität, die hilft, die Masseverbindungsverlustereignisse zu erfassen. Das wird mit weiteren Einzelheiten unter Bezugnahme auf 9 besprochen.
9 veranschaulicht Aspekte in Zusammenhang mit einer Überwachungsschaltung 401 und einer Begrenzungsschaltung 450. Die Begrenzungsschaltung 450 kann durch eine beliebige Art elektrischen Geräts oder eine Kombination mehrerer Arten elektrischer Geräte, wie ein Metalloxid-Feldeffekttransistor, Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode, Transistor und sofort umgesetzt werden. Die Überwachungsschaltung 401 kann durch ein getrenntes Gerät oder einen integrierten Chip und sofort umgesetzt werden.
Wie in 9 veranschaulicht, ist die Überwachungsschaltung mit dem Kondensator 120 parallel geschaltet. Auf dieselbe Art ist die Begrenzungsschaltung 450 mit dem Kondensator 120 parallel geschaltet. Bei einigen Beispielen ist es möglich, entweder die Überwachungsschaltung 401 oder die Begrenzungsschaltung 450 bereitzustellen. Es ist nicht bei allen Szenarien erforderlich, dass sowohl die Überwachungsschaltung 401 als auch die Begrenzungsschaltung 450 bereitgestellt wird.
Die Überwachungsschaltung 401 ist konfiguriert, um eine Spannung 489 an dem Kondensator 120 zu überwachen. Die Überwachungsschaltung 401 kann konfiguriert sein, um ein Steuersignal 431 auszugeben. Das Steuersignal 431 kann auf ein Masseverbindungsverlustereignis an der Masseklemme 101 hinweisen. Das ist darauf zurückzuführen, dass eine Korrelation zwischen der Spannung 489 an dem Kondensator 120 und dem Masseverbindungsverlustereignis an der Masseklemme 101, wie oben zum Beispiel unter Bezugnahme auf die 8A und 8B erklärt, besteht.
Das Steuersignal 431 kann zum Beispiel von der Steuereinheit 214 empfangen werden. Dann kann der Motor/Generator 220 ausgeschaltet werden, indem der Wechselrichter in Abhängigkeit von der Überwachung der Spannung 489 an dem Kondensator 120 gesteuert wird, zum Beispiel unter Berücksichtigung des Steuersignals 431. Es wäre zum Beispiel möglich, die Wechselrichter-Stromschalter auszuschalten, falls die Spannung 489 an dem Kondensator einen Schwellenwert überschreitet. Dann kann ein Leistungsstrom ausgeschaltet werden, wenn der Motor/Generator 220 im Überwachungsmodus arbeitet. Das hilft, die Entladezeit des Kondensators 215 zu erweitern. Indes besteht mehr Zeit zum Ausführen einer Schutzaktion nach dem Masseverbindungsverlust.
Die Begrenzungsschaltung 450 ist konfiguriert, um die Spannung 489 an dem Kondensator 120 zu überwachen. Zum Beispiel kann die Begrenzungsschaltung 450 konfiguriert sein, um die Spannung 489 zu begrenzen, wodurch effektiv ein elektrischer Kurzschluss zwischen den Masseklemmen 101, 102 geschaffen wird. Die Begrenzungsschaltung 450 kann die Spannung 489 steuern, um unterhalb eines Schwellenwerts zu bleiben, und/oder um in einem gurtförmigen Bereich zu bleiben. Der Betrieb der Begrenzungsschaltung 450 kann auf Anfrage eingestellt werden.
Mittels der Begrenzungsschaltung 450 können diverse Effekte erzielt werden: Es ist möglich, Energie zu absorbieren, die in den Streuinduktoren 251 bis 255 bei einem Masseverbindungsverlustereignis gespeichert wird. Es ist möglich, einen frei laufenden Strompfad für die Streuinduktoren 251 bis 255 bei einem Masseverbindungsverlustereignis bereitzustellen. Die Masseoffsetspannung kann geglättet werden. Die Anstiegsrate der Masseoffsetspannung kann verlangsamt werden.
Nächstfolgend wird die Funktion der Schaltungen 401, 450 in Zusammenhang mit den 10 und 11 veranschaulicht.
Die 10 und 11 veranschaulichen die Spannung V_C an dem Kondensator 120 in Abhängigkeit von der Zeit.
Beim normalen Betrieb (kein Masseverbindungsverlustereignis), fließt Leistungsstrom durch die Leistungsstufe 112 und fließt aus dem Gerät 100 über die Masseklemme 101 heraus, und fließt zu dem negativen Pol der 48-V-Batterie 166 an dem Streuinduktor 253 L_stray_48VECU_48VBat- zurück. Es besteht kein Masseverbindungsverlustereignis.
Nächstfolgend, bei t0, tritt ein Masseverbindungsverlustereignis an der Masseklemme 101 auf. Der Masseanschluss 168 bricht.
Dann fließen der Leistungsstrom und der Steuerstrom zu dem Metallgehäuse, das die Masseklemme 102 umsetzt, an dem Kondensator 120 und fließen zu dem negativen Pol der 48-V-Batterie 166 über die Streuinduktoren 254, 251, 252 und den Gleichstrom-/Gleichstromwandler 165 zurück.
Wenn die Spannung 489 die Schwellenspannung 481 an t1 erreicht, gibt die Überwachungsschaltung 401 das jeweilige Statussignal 431 zu der Steuereinheit 214 aus; dann schaltet die Steuereinheit 214 die Leistungsstufe 112 und daher den Motor/Generator 220 aus.
Optional zeichnet die Steuereinheit 214 das 48-V-Masseverbindungsverlustereignis in dem ROM auf, indem sie das ground_loss_flag und Feedback der Masseverbindungsverluststörung über den Kommunikationsbus 156 einstellt.
Die Schalter 216 der Leistungsstufe 112 sind bei t2 vollständig ausgeschaltet. Der Leistungsstrom wird abgeschaltet. Dann steigt die Spannung 489 langsam aufgrund des persistenten Steuerstroms des Geräts 100 und freilaufenden Stroms der Streuinduktoren 251 bis 255 weiter. Der Kondensator 120 wird über den Kondensator 215 geladen.
Wenn die Spannung 489 den Spannungsschwellenwert 482 bei t3 erreicht, steuert die Begrenzungsschaltung 450 die Spannung 489 durch Ausführen einer von zwei optionalen Aktionen. Aktion 1, die in 10 gezeigt ist, soll die Spannung in einem gurtförmigen Bereich halten, dessen obere Grenzspannung 482 kleiner ist als die maximale Stoßspannung des Transceivers 213. Aktion 2, die in 11 gezeigt ist, soll einen Bypasspfad zum Kurzschließen des Kondensators 120 und zum Kurzgeschlossenhalten bereitstellen.
Aus den 9 und 10 ist daher ersichtlich, dass es im Allgemeinen möglich ist, dass die Begrenzungsschaltung 450 konfiguriert ist, um die Spannung 489 zu steuern, so dass sie unterhalb des Schwellenwerts 482 bleibt, und optional konfiguriert ist, um die Spannung 489 zu steuern, um oberhalb des Schwellenwerts 483 zu bleiben. Die Begrenzungsschaltung 450 ist daher konfiguriert, um einen niederohmigen Bypasspfad des Kondensators 120 zu bilden.
Die Steuereinheit 214 erhält den Motor/Generator 220 so lange deaktiviert, wie das ground_loss_flag gesetzt ist. Andere Teile des Geräts 100, wie der Transceiver 213, können normal funktionieren. Das bedeutet, dass interne Schaltungen des Geräts 100 mit Ausnahme der Leistungsstufe 112 nach dem Masseverbindungsverlustereignis normal funktionieren können.
Wie man erkennt, ist nach dem Masseverbindungsverlustereignis die Spannungsbelastung auf dem Transceiver 213 geringer als die maximale Stoßspannung, falls die Spannungsschwellenwerte 481 bis 483 zweckdienlich eingestellt wurden.
Das kann das Messen involvieren, dass genug Zeit von t0 bis t1 besteht, um das Stören durch Rauschen nahe der Zeit t0, die der Augenblick des Masseverbindungsverlustereignisses ist, zu vermeiden.
Es sollte auch sichergestellt werden, dass von t1 bis t3 genug Zeit besteht um sicherzustellen, dass die Schalter 216 der Leistungsstufe 112 vor dem Begrenzen vollständig ausgeschaltet sind.
Auch sollte die Summe der Spannung 482 und der Versorgungsspannung für den Transceiver 213 geringer sein als die maximale Stoßspannung des Transceivers 213, wobei ausreichende Marge erforderlich ist. In 10 ist zum Beispiel gezeigt, dass der Schwellenwert für 181 10 V beträgt, und der Schwellenwert 482 25 V. Die maximale Stoßspannung des Transceivers beträgt 40 V, und die Spannung der Versorgungsleistung VCC des Chips beträgt 5 V. Die Summe 30 V (25 + 5 = 30) ist also geringer als 40 V mit einer Marge von 10 V.
Als eine Grundregel können die Überwachungsschaltung 401 und die Begrenzungsschaltung 450 auf diverse Arten umgesetzt werden. Eine beispielhafte Umsetzung ist in 12 veranschaulicht.
12 veranschaulicht Aspekte in Zusammenhang mit der Begrenzungsschaltung 450 und der Überwachungsschaltung 401.
In 12 wird der Kondensator 120 als Reaktion auf ein Masseverbindungsverlustereignis geladen. Wenn die Spannung 489 10 V erreicht, schaltet der Transistor 415 die Stromflüsse von der Versorgung V3V3 zu der Masseklemme 102 über die Zenerdiode 412, den Widerstand 413 und den Transistor 415 ein, weil die Versorgungsspannung V3V3 bezüglich der Spannung an der Masseklemme 102 13,3 V (3,3 plus 10 V) beträgt. Vor dem Masseverbindungsverlustereignis ist der Spannungspegel des Ausgangssignals 431 der hohe Pegel (3,3 V) bezüglich der Spannung an der Masseklemme 101. Die Spannung des Ausgangssignals 431 wechselt zu dem niedrigen Pegel (etwa 0 V zu der Spannung an der Masseklemme 101), nachdem der Transistor 415 eingeschaltet wurde. Die Steuereinheit 214 schaltet somit die Leistungsstufe 112 aus, nachdem die Eingangsänderung des Steuersignals 431 erfasst wurde. Dann wird der Kondensator 120 weiterhin langsam von dem Steuerstrom geladen. Wenn die Spannung 489 des Kondensators 120 20 V erreicht, beginnt der Gate-Kondensator des Schalters 463, geladen zu werden. Der Schalter 463 schaltet sich vollständig ein, wenn die Spannung 489 25 V erreicht, vorausgesetzt, dass die Schwellenspannung des Gates des Schalters 463 5 V beträgt. Nach dem Einschalten des Schalters 463, beginnt der Kondensator 120, sich rasch zu entladen. Wenn die Spannung 489 auf etwa 20 V fällt, schaltet der Schalter 463 wieder aus. Und dann werden das Ein- und das Ausschalten wiederholt, schließlich wird die Dämpfspannung in einem gurtförmigen Bereich von etwa 20 V bis etwa 25 V (siehe 10) begrenzt.
13 ist ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens gemäß diversen Beispielen.
Bei Block 1001 kann ein Masseverbindungsverlustereignis auftreten oder nicht. Ein Masseverbindungsverlustereignis kann dem Verlust eines elektrischen Masseanschlusses an einer jeweiligen Masseklemme entsprechen, die Massefunktionalität für eine elektrische Schaltung eines Geräts bereitstellt. Die Masseklemme kann mit der Gleichstromversorgung assoziiert sein.
Dann, falls ein Masseverbindungsverlustereignis an Block 1001 auftritt, wird ein Kondensator bei Block 1002 geladen. Der Kondensator ist zwischen der ersten Masseklemme, an der das Masseverbindungsverlustereignis bei Block 1001 auftritt, und der zweiten Masseklemme gekoppelt. Die zweite Masseklemme kann mit derselben Gleichstromversorgung assoziiert sein, mit der auch die erste Masseklemme assoziiert ist, oder kann mit einer unterschiedlichen Gleichstromversorgung assoziiert sein (siehe 1 und 2).
Bei dem optionalen Block 1003 wird eine Spannung an dem Kondensator überwacht. Dazu kann eine Überwachungsschaltung eingesetzt werden (siehe 9). Durch Überwachen der Spannung an dem Kondensator, kann das Masseverbindungsverlustereignis erfasst werden. Dann können angemessene Gegenmaßnahmen getroffen werden, zum Beispiel durch Ausgeben eines Steuersignals, das den Betrieb der Schaltung, für das die erste Masseklemme, an der das Masseverbindungsverlustereignis auftritt, die Massefunktionalität bereitstellt, steuert.
Nächstfolgend kann bei einem optionalen Block 1004 die Spannung an dem Kondensator begrenzt werden. Die Spannung kann zum Beispiel begrenzt werden, um unterhalb eines oberen Schwellenwerts (siehe 10 und 11) zu bleiben, und optional oberhalb eines unteren Schwellenwerts (siehe 11) zu bleiben.
Zusammenfassend wurden oben Techniken beschrieben, bei welchen ein Kondensator zwischen einer ersten Masseklemme und einer zweiten Masseklemme bereitgestellt ist. Zum Beispiel kann die erste Masseklemme eine 48-V-Masseklemme einer 48-V-Gleichstromversorgung sein. Die zweite Masseklemme kann von dem Metallgehäuse des jeweiligen Geräts umgesetzt werden. Typischerweise ist das Metallgehäuse mit einem 12-V-Masseanschluss über eine 12-V-Gleichstromversorgung verbunden.
Es wurden Techniken beschrieben, die das Glätten der Spannung zwischen der ersten Masseklemme und der zweiten Masseklemmen bei einem Masseverbindungsverlustereignis erleichtern. Es sind Techniken zum Erfassen des Masseverbindungsverlustereignisses beschrieben, zum Beispiel durch Überwachen einer Spannung an dem Kondensator. Es wurden auch Techniken beschrieben, die das Begrenzen der Spannung an dem Kondensator zum Schützen vor Überspannung/Überstrom empfindlicher Schaltungen erleichtern.
Insbesondere wurden die folgenden Beispiele beschrieben.

1. Beispiel: Gerät, das Folgendes umfasst:
- eine elektrische Schaltung, die konfiguriert ist, um unter Verwenden einer Versorgungsspannung einer Gleichstromversorgung zu arbeiten,
- eine erste Masseklemme, die mit der elektrischen Schaltung gekoppelt und mit der Gleichstromversorgung assoziiert ist,
- eine zweite Masseklemme, und
- einen Kondensator, der zwischen der ersten Masseklemme und der zweiten Masseklemme gekoppelt ist.
2. Beispiel: Gerät nach Beispiel 1, wobei die zweite Masseklemme mit einer weiteren Gleichstromversorgung, die von der Gleichstromversorgung unterschiedlich ist, assoziiert ist.
3. Beispiel: Gerät nach Beispiel 1 oder 2, wobei das Gerät konfiguriert ist, um den Kondensator aus der elektrischen Schaltung bei einem Masseverbindungsverlustereignis an der ersten Masseklemme zu laden.
4. Beispiel: Gerät nach Beispiel 3, wobei das Gerät konfiguriert ist, um den Kondensator über einen weiteren Kondensator der elektrischen Schaltung zu laden.
5. Beispiel: Gerät nach einem der vorstehenden Beispiele, das ferner Folgendes umfasst:
- eine Überwachungsschaltung, die konfiguriert ist, um eine Spannung an dem Kondensator zu überwachen.
6. Beispiel: Gerät nach Beispiel 5, wobei die elektrische Schaltung einen Wechselrichter für einen Motor/Generator umfasst, wobei das Gerät konfiguriert ist, um den Motor/Generator durch Steuern des Wechselrichters in Abhängigkeit von der Überwachung der Spannung an dem Kondensator auszuschalten.
7. Beispiel: Gerät nach Beispiel 6, wobei das Gerät konfiguriert ist, um Schalter des Wechselrichters auszuschalten, falls die Spannung an dem Kondensator einen ersten Schwellenwert überschreitet.
8. Beispiel: Gerät nach einem der vorstehenden Beispiele, das ferner Folgendes umfasst:
- eine Begrenzungsschaltung, die konfiguriert ist, um eine Spannung an dem Kondensator zu steuern.
9. Beispiel: Gerät nach den Beispielen 7 und 8, wobei die Begrenzungsschaltung konfiguriert ist, um die Spannung an dem Kondensator zu steuern, so dass sie unterhalb eines zweiten Schwellenwerts, der größer ist als der erste Schwellenwert, bleibt.
10. Beispiel: Gerät nach Beispiel 8 oder 9, wobei die Begrenzungsspannung konfiguriert ist, um die Spannung an dem Kondensator zu steuern, um oberhalb eines dritten Schwellenwerts zu bleiben.
11. Beispiel: Vorrichtung nach einem der Beispiele 8 bis 10, wobei die Begrenzungsschaltung konfiguriert ist, um einen niederohmigen Bypasspfad des Kondensators zu bilden.
12. Beispiel: Gerät nach einem der vorstehenden Beispiele, wobei die elektrische Schaltung einen Wechselrichter für einen Motor/Generator umfasst und weiter einen Transceiver für ein Fahrzeugkommunikationsbussystem umfasst.
13. Beispiel: Gerät nach einem der vorstehenden Beispiele, wobei eine Kapazität des Kondensators nicht kleiner ist als 10 µF, optional nicht kleiner als 100 µF, ferner optional nicht kleiner als 1000 µF.
14. Beispiel: Gerät nach einem der vorstehenden Beispiele, das ferner Folgendes umfasst:
- ein Metallgehäuse, das die zweite Masseklemme umsetzt.
15. Beispiel: System, das Folgendes umfasst:
- das Gerät nach einem der vorstehenden Beispiele,
- einen ersten Masseanschluss der Gleichstromversorgung, der mit der ersten Masseklemme gekoppelt ist.
- einen zweiten Masseanschluss einer weiteren Gleichstromversorgung, die von der Gleichstromversorgung unterschiedlich ist, wobei der zweite Masseanschluss mit der zweiten Masseklemme gekoppelt ist, und
- einen Gleichstrom-/Gleichstromwandler, der zwischen dem ersten Masseanschluss und dem zweiten Masseanschluss verbunden ist.
16. Beispiel: System nach Beispiel 15, das ferner Folgendes umfasst:
- eine weitere elektrische Schaltung, die konfiguriert ist, um unter Verwenden der zweiten Versorgungsspannung zu arbeiten,
- wobei die elektrische Schaltung und die weitere elektrische Schaltung über eine Nicht-Isolation-Schnittstelle gekoppelt sind.
17. Beispiel: System nach Beispiel 15 oder 16, das ferner Folgendes umfasst:
- eine erste Batterie der Gleichstromversorgung,
- eine zweite Batterie der weiteren Gleichstromversorgung,
- wobei eine Low-Side-Klemme der ersten Batterie mit dem ersten Masseanschluss gekoppelt ist, und
- wobei eine Low-Side-Klemme der zweiten Batterie mit dem zweiten Masseanschluss gekoppelt ist.
18. Beispiel: System nach Beispiel 17, wobei eine Versorgungsspannung der zweiten Batterie kleiner ist als die Versorgungsspannung der ersten Batterie.
19. Beispiel: System nach Beispiel 18, wobei die Versorgungsspannung der ersten Batterie in dem Bereich von 20 V bis 60 V liegt, wobei die Versorgungsspannung der zweiten Batterie in dem Bereich von 6 V bis 18 V liegt,
20. Beispiel: Verfahren, das Folgendes umfasst:
- Bereitstellen durch eine Gleichstromversorgung einer Versorgungsspannung zu einer elektrische Schaltung unter Verwenden einer ersten Masseklemme der elektrische Schaltung, und
- als Reaktion auf ein Masseverbindungsverlustereignis an der ersten Masseklemme, Laden aus der elektrische Schaltung eines Kondensators, der zwischen der ersten Masseklemme und einer zweiten Masseklemme gekoppelt ist.
21. Beispiel: Gerät, das Folgendes umfasst:
- eine elektrische Schaltung,
- eine Hochspannungs-Gleichstromversorgungs-Masseklemme, die mit der elektrischen Schaltung gekoppelt ist,
- eine weitere Gleichstromversorgungs-Masseklemme, und
- einen Kondensator, der zwischen der Hochspannungs-Gleichstromversorgungs-Masseklemme und der weiteren Gleichstromversorgungs-Masseklemme gekoppelt ist.

Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, können andere Fachleute Äquivalente und Änderungen bei der Lektüre und beim Verstehen der Spezifikation erdenken. Die vorliegende Erfindung weist alle solchen Äquivalente und Änderungen auf, und ist nur durch den Schutzbereich der anliegenden Ansprüche eingeschränkt.
Zur Veranschaulichung wurden oben diverse Szenarien beschrieben, bei welchen ein einziger Kondensator zwischen zwei Masseklemmen gekoppelt ist. Ähnliche Techniken können ohne Weiteres an Szenarien angewandt werden, bei welchen mehrere Kondensatoren, die zum Beispiel parallel oder in Reihe geschaltet sind, zwischen zwei Masseklemmen gekoppelt sind.

Claims

System (90), das Folgendes umfasst: ein Gerät (100), das Folgendes umfasst:, eine elektrische Schaltung (110, 111, 112), die konfiguriert ist, um unter Verwenden einer Versorgungsspannung einer Gleichstromversorgung (171) zu arbeiten, eine erste Masseklemme (101), die mit der elektrischen Schaltung (110, 111, 112) gekoppelt und mit der Gleichstromversorgung (171) assoziiert ist, eine zweite Masseklemme (102), und einen Kondensator (120), der zwischen der ersten Masseklemme (101) und der zweiten Masseklemme (102) gekoppelt ist, wobei das System (90) weiterhin umfasst: einen ersten Masseanschluss (161) der Gleichstromversorgung (171), der mit der ersten Masseklemme (101) gekoppelt ist, einen zweiten Masseanschluss (162) einer weiteren Gleichstromversorgung (172), die von der Gleichstromversorgung (171) verschieden ist, wobei der zweite Masseanschluss (162) mit der zweiten Masseklemme (102) gekoppelt ist, und einen Gleichstrom-/Gleichstromwandler (165), der zwischen dem ersten Masseanschluss (161) und dem zweiten Masseanschluss (162) verbunden ist, eine weitere elektrische Schaltung (155), die konfiguriert ist, um unter Verwendung einer weiteren Versorgungsspannung der weiteren Gleichstromversorgung (172) zu arbeiten, wobei die elektrische Schaltung (110, 111, 112) und die weitere elektrische Schaltung (155) über eine Nicht-Isolation-Schnittstelle (156) gekoppelt sind.
System (90) nach Anspruch 1, wobei die zweite Masseklemme (102) mit der weiteren Gleichstromversorgung (172), die von der Gleichstromversorgung (171) unterschiedlich ist, assoziiert ist.
System (90) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gerät (100) konfiguriert ist, um den Kondensator (120) bei einem Masseverbindungsverlustereignis an der ersten Masseklemme (101) aus der elektrischen Schaltung (110, 111, 112) zu laden.
System (90) nach Anspruch 3, wobei das Gerät (100) konfiguriert ist, um den Kondensator (120) über einen weiteren Kondensator (215) der elektrischen Schaltung (110, 111, 112) zu laden.
System (90) nach einem der vorstehenden Ansprüche, das ferner Folgendes umfasst: eine Überwachungsschaltung (401), die konfiguriert ist, um eine Spannung (489) am Kondensator (120) zu überwachen.
System (90) nach Anspruch 5, wobei die elektrische Schaltung (110, 111, 112) einen Wechselrichter (215, 216) für einen Motor/Generator (220) umfasst, wobei das Gerät (100) konfiguriert ist, um den Motor/Generator (220) durch Steuern des Wechselrichters (215, 216) in Abhängigkeit von der Überwachung der Spannung (489) an dem Kondensator (120) auszuschalten.
System (90) nach Anspruch 6, wobei das Gerät (100) konfiguriert ist, um Schalter (216) des Wechselrichters (215, 216) auszuschalten, falls die Spannung (489) am Kondensator (120) einen ersten Schwellenwert (481) überschreitet.
System (90) nach einem der vorstehenden Ansprüche, das ferner Folgendes umfasst: eine Begrenzungsschaltung (450), die konfiguriert ist, um eine Spannung (489) am Kondensator (120) zu steuern.
System (90) nach den Ansprüchen 7 und 8, wobei die Begrenzungsschaltung (450) konfiguriert ist, um die Spannung (489) am Kondensator (120) zu steuern, so dass sie unterhalb eines zweiten Schwellenwerts (482), der größer ist als der erste Schwellenwert (481), bleibt.
System (90) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Begrenzungsschaltung (450) konfiguriert ist, um die Spannung (489) am Kondensator (120) zu steuern, um oberhalb eines dritten Schwellenwerts (483) zu bleiben.
System (90) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Begrenzungsschaltung (450) konfiguriert ist, um einen niederohmigen Bypasspfad des Kondensators (120) zu bilden.
System (90) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrische Schaltung einen Wechselrichter (214, 215, 216) für einen Motor/Generator (220) umfasst und weiter einen Transceiver (213) für ein Fahrzeugkommunikationsbussystem (155, 156) umfasst.
System (90) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Kapazität des Kondensators (120) nicht kleiner ist als 10 µF, optional nicht kleiner als 100 µF, ferner optional nicht kleiner als 1000 µF.
System (90) nach einem der vorstehenden Ansprüche, das ferner Folgendes umfasst: ein Metallgehäuse, das die zweite Masseklemme (102) implementiert.
System nach Anspruch 1, das ferner Folgendes umfasst: eine erste Batterie (166) der Gleichstromversorgung (171), eine zweite Batterie (167) der weiteren Gleichstromversorgung (172), wobei eine Low-Side-Klemme der ersten Batterie (166) mit dem ersten Masseanschluss (161) gekoppelt ist, und wobei eine Low-Side-Klemme der zweiten Batterie (167) mit dem zweiten Masseanschluss (162) gekoppelt ist.
System nach Anspruch 15, wobei eine Versorgungsspannung der zweiten Batterie (167) kleiner ist als die Versorgungsspannung der ersten Batterie (166).
System nach Anspruch 16, wobei die Versorgungsspannung der ersten Batterie (166) im Bereich von 20 V bis 60 V liegt, wobei die Versorgungsspannung der zweiten Batterie (167) im Bereich von 6 V bis 18 V liegt.