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Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb verfügen über einen Akkumulator, der die zum Fahren benötigte, elektrische Energie bereithält. Zum Aufladen wird das Fahrzeug über einen Ladeanschluss an eine Ladestation per Kabel angeschlossen.
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Um hohe Traktionsleistungen zu ermöglichen, sind zahlreiche Fahrzeuge mit einem Hochvoltakkumulator bzw. Hochvoltnetz mit einer Nennspannung von mindestens 600 V, insbesondere mit einer Nennspannung von 800 V ausgestattet, während zahlreiche Ladestationen eine geringere Gleichspannung als Ladespannung vorsehen, insbesondere Ladestationen gemäß dem CHAdeMO-Standard, der bis zu 500 V Ladespannung vorsieht. Zur Anpassung der Spannung wird ein Gleichspannungswandler verwendet.
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Ferner ist das Hochvoltnetz des Fahrzeugs bei fehlerfreiem Betrieb gegenüber dem Fahrzeugmassepotential bzw. dem Chassis elektrisch isoliert. Die Ladestation sieht eine Erdung vor, die als Sicherheitsmaßnahme während des Ladens mit der Fahrzeugmasse verbunden ist. Tritt ein Isolationsfehler des Hochvoltnetzes gegenüber der Fahrzeugmasse auf, dann dient die Erdung als Sicherheitsmaßnahme. Da die Ladeenergie über Ader mit hohem Querschnitt übertragen wird und nicht immer gewährleistet ist, dass die Erdung einen entsprechenden Querschnitt aufweist bzw. ausreichend mit dem Erdpotential verbunden ist, besteht die Gefahr einer hohen Berührspannung. Ein Isolationswächter kann eine Reaktionszeit aufweisen, die nicht ausreichend ist, eine Schädigung eines Nutzers durch den Isolationsfehler zu vermeiden.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich das kabelgebundene Laden sicherer ausgestaltet lässt und insbesondere eine mangelhafte Erdung nicht dazu führt, dass durch ein Isolationsfehler eine gefährliche Berührspannung entsteht.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den fahrzeugseitigen Lade-Spannungswandler nach Anspruch 1. Weitere Eigenschaften, Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
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Es wird vorgeschlagen, einen Spannungswandler mit einer Rückstromsperre auszurüsten, über die der Eingang des Wandlers mit der Schalteinheit des Wandlers verbunden ist. Durch die Rückstromsperre wird auf einfache Weise ein unbegrenzter Stromfluss von einem Potential des Hochvoltnetzes über die Erdungsverbindung, die bei fehlerhafter Erdung z.T. über einen Nutzer laufen kann, zum anderen Potential des Hochvoltnetzes vermieden. Die Rückstromsperre ist vorzugsweise ausgebildet, Strom nur in eine Richtung zu leiten, so dass der Schutzeffekt unmittelbar eintritt und nicht erst nach einer periodischen, aktiven Auswertung, wie sie ein Isolationswächter ausführen würde. Durch die Rückstromsperre wird ein gefährlicher Stromfluss über einen Nutzer verringert oder auch verzögert.
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Durch das Verringern bzw. Begrenzen des Stromflusses kann die Funktion eines Erdungsleiters aufrechterhalten werden und es wird vermieden, dass durch unbegrenzten Stromfluss der Erdungsleiter geschädigt wird. Die Speicherinduktivität des Wandlers kann ferner auf zwei Arbeitsinduktivitäten (eine an jedem Wandereingangspotential) aufgeteilt sein, so dass bei fehlerhafter Erdung eine der Arbeitsinduktivitäten den Stromfluss zumindest anfänglich begrenzt (gemäß der Sprungantwort der Induktivität), so dass die Verzögerung bzw. verringerte Anstiegsrate anderen Sicherheitsmaßnahmen ein Erkennen des Isolationsfehlers und das Durchführen von Sicherheitsmaßnahmen ermöglicht, bevor der Stromfluss unbegrenzt ist.
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Es wird ein fahrzeugseitiger Lade-Spannungswandler mit einer Vorschaltung beschrieben, die eine Arbeitsinduktivität aufweist. Ferner weist der Lade-Spannungswandler eine Schalteinheit auf. Diese ist der Vorschaltung nachgeschaltet. Die Vorschaltung und die Schalteinheit bilden zusammen einen Gleichspannungswandler mit Speicherdrossel und Schalter, insbesondere einen Aufwärtswandler. Die Funktion der Speicherdrossel des so gebildeten Wandlers wird von der (mindestens einen) Arbeitsinduktivität realisiert. Die (getakteten) Schalter des Gleichspannungswandlers befinden sich in der Schalteinheit; die dort vorgesehenen Schaltkomponenten realisieren die Funktion der Schalter des Gleichspannungswandlers. Die Vorschaltung und die Schalteinheit bilden somit einen Aufwärtswandler, dessen Arbeitsinduktivität zu einem Verbindungspunkt zweier Schaltelemente führt, die zum Ausgang bzw. zur anderen Potentialschiene führen.
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Die mindestens eine Arbeitsinduktivität (bzw. eine Arbeitsinduktivität hiervon) verbindet ein erstes Eingangspotential eines Eingangs des Spannungswandlers mit der Schalteinheit. Ein zweites Eingangspotential des Eingangs ist über eine Rückstromsperre der Vorschaltung mit der Schalteinheit verbunden. Mit anderen Worten sind die Arbeitsinduktivität und die Rückstromsperre in unterschiedlichen Potentialschienen des Spannungswandlers vorgesehen.
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Die Schalteinheit weist Schaltelemente auf, die über einen Verbindungspunkt miteinander verbunden sind. Die Arbeitsinduktivität (bzw. bei mehreren Arbeitsinduktivität: die erste Arbeitsinduktivität) verbindet das erste Eingangspotential mit dem Verbindungspunkt. Ein Schaltelement der Schalteinheit ist zwischen der Arbeitsinduktivität und einem erste Ausgangspotential des Wandlers angeschlossen und die Rückstromsperre ist in zweiten Eingangspotential nachgeschaltet (oder einem zweiten Ausgangspotential vorgeschaltet). Somit befindet sich in einer Potentialschiene (= Verbindung des ersten Eingangspotentials mit dem ersten Ausgangspotential) ein Schaltelement der Schalteinheit (Diode oder Transistor) und in der anderen Potentialschiene (= Verbindung des zweiten Eingangspotentials mit dem zweiten Ausgangspotential) befindet sich die Rückstromsperre. Das ersten Eingangspotential und das erste Ausgangspotential haben die gleiche Polarität. Das zweite Eingangspotential und das zweite Ausgangspotential haben die gleiche Polarität.
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Als eine Möglichkeit kann der so gebildete Aufwärtswandler als Schaltelemente (der Schalteinheit) eine zum (positiven) Ausgang führende Diode und einen zum anderen Potential führenden Schalter (Transistor) aufweisen und somit unidirektional ausgebildet sein. Das erste Potential des Eingangs ist über die Arbeitsinduktivität an den restlichen Wandler angebunden. Als Rückstromsperre dient eine (weitere) Diode in der Potentialschiene des zweiten Potentials. Die Diode unterbindet einen unbegrenzten Strom-Rückfluss bei fehlerhafter Erdung und bildet so die Rückstromsperre.
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Als eine weitere Möglichkeit kann der so gebildete Aufwärtswandler als Schaltelemente eine zum (positiven) Ausgang führenden Schalter und einen weiteren, zum anderen Ausgangspotential führenden Schalter (Transistor) aufweisen und somit bidirektional ausgebildet sein, wobei in diesem Fall die Speicherdrossel vorgesehen wird von zwei Arbeitsinduktivitäten, die unterschiedliche Potentiale des Wandlereingangs an den restlichen Wandler anbinden. Eine der Arbeitsinduktivitäten ist mit dem Verbindungspunkt der Schalter der Schalteinheit verbunden und die zweite der Arbeitsinduktivitäten ist über einen Transistor als Rückstromsperre angebunden. Der Transistor ist eingerichtet, geöffnet zu werden, wenn ein Erdungsfehler oder Isolationsfehler erkannt wird. Die zweite Arbeitsinduktivität verlangsamt den Stromanstieg bei einem Isolationsfehler und schützt dadurch den Nutzer bzw. die Erdung, so dass die Zeit, in der der Strom verlangsamt ansteigt, genutzt werden kann, um Sicherheitsmaßnahmen durchführen zu können.
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Den genannten Möglichkeiten ist gemeinsam, dass ein Eingang des Spannungswandlers vorliegt, der über eine Rückstromsperre mit der Schalteinheit verbunden ist. Die Rückstromsperre ist insbesondere Teil der Vorschaltung (die auch die Funktion der Speicherdrossel des Wandlers bereitstellt).
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Vorzugsweise ist die Arbeitsinduktivität zwischen einem ersten Eingangspotential des Eingangs und einem Verbindungspunkt von zwei seriell verbundenen Schaltelementen der Schalteinheit vorgesehen. Über die Arbeitsinduktivität ist das erste Eingangspotential des Eingangs, insbesondere das positive Eingangspotential mit der Schalteinheit (bzw. dessen Verbindungspunkt) verbunden. Die Rückstromsperre ist insbesondere ausgebildet, einen Stromfluss von der Schalteinheit (über die Rückstromsperre selbst) zu einem zweiten Eingangspotential zu sperren. Die Sperrwirkung / Schaltung der Rückstromsperre ergibt sich insbesondere durch die Polarität der Spannung, die an der Steuerstrecke (d.h. über der Rückstromsperre selbst) anliegt. Es kann jedoch auch als Rückstromsperre ein Transistor verwendet werden, dessen Sperrwirkung durch ein Signal bestimmt wird, das am Steuereingang des Transistors (Gate oder Basis) anliegt, so dass durch das Signal gesteuert wird, dass kein Rückstrom fließen kann.
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Bevorzugt weist die Rückstromsperre jedoch ein Diodenelement auf. Deren Sperrrichtung weist vorzugsweise vom zweiten (bspw. negativen) Eingangspotential zu der Schalteinheit hin. Wie erwähnt kann in anderen Ausführungsformen die Rückstromsperre einen Transistor aufweisen, der (etwa aufgrund seiner Ansteuerung) ausgebildet ist, einen Stromfluss vom zweiten Eingangspotential zu der Schalteinheit hin zu sperren.
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Die zwei verbundenen Schaltelemente der Schalteinheit können als ein Transistor als eine Diode ausgebildet sein, oder sind zwei Transistoren. Im erstgenannten Fall ist der Wandler unidirektional und im zweitgenannten Fall kann der Wandler bidirektional ausgebildet sein, wobei im zweitgenannten Fall der Wandler unidirektional ausgebildet ist, wenn der obere Transistor gemäß der Funktion einer Diode angesteuert wird (etwa zur Verringerung von Verlusten gegenüber einer Diode als Bauelement an dieser Stelle).
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Vorzugsweise ist der Lade-Spannungswandler als unidirektionaler Gleichspannungswandler ausgebildet. Dadurch kann die Diode als Rückstromsperre einen übermäßigen Stromfluss verhindern. In der Diode können sich bei einem Rückstrom über die Erdung zwei entgegengesetzte Ströme überlagern, so dass sich ein reduzierter Strombetrag ergibt. Dies sind beispielsweise der über die Erdung führende Rückstrom zur Schalteinheit hin sowie der von der Schalteinheit weg fließende Strom, die insbesondere dann auftreten, wenn die Ausgangspotentiale des Wandlers gegenüber Masse aufgrund eines Isolationsfehlers verschoben sind und ein eingangsseitiger Varistor zwischen dem Eingang und dem Massepotential die Spannung zwischen Eingang (Eingangspotential) und Massepotential begrenzt. Die Varistoren können jedoch auch nicht Teil des Wandlers sein, sondern in der angeschlossenen Ladesäule vorgesehen sein, um den betreffenden Effekt zu erreichen.
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Wie erwähnt können auch zwei Arbeitsinduktivitäten (in unterschiedlichen Eingangspotentialschienen) vorgesehen sein. Als (mindestens eine) Arbeitsinduktivität bzw. Wandler-Speicherdrossel kann eine erste Arbeitsinduktivität vorgesehen sein. Diese ist zwischen einem ersten Eingangspotential des Eingangs (etwa das positive) und einem Verbindungspunkt von zwei seriell verbundenen Schaltelementen der Schalteinheit angeordnet (und verbindet diese). Die Vorschaltung kann eine zweite Arbeitsinduktivität aufweisen, die seriell zwischen einem zweiten Eingangspotential des Eingangs (etwa das negative) und der Schalteinheit vorgesehen sein. Die zweite Arbeitsinduktivität ist somit in der negativen Potentialschiene zwischen Eingang und Schalteinheit vorgesehen.
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Die Rückstromsperre ist vorzugsweise ausgebildet, einen Stromfluss von der Schalteinheit über die Rückstromsperre zu einem zweiten Eingangspotential zu sperren, d.h. ist ausgebildet, einen Stromfluss in der negativen Potentialschiene in (schaltbar) zu sperren, insbesondere in der Richtung vom Eingang zur Schalteinheit hin. In einem Lademodus und einem Rückspeisemodus des Lade-Spannungswandlers kann die Rückstromsperre angesteuert sein, zu leiten, und kann ausgebildet sein, bei einem Isolationsfehler zu sperren, wobei dann die betreffende Arbeitsinduktivität einen Stromanstieg eines Isolationsfehlerstroms reduziert und somit Zeit zur Ausführung von Sicherheitsmaßnahmen erlaubt.
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Die Rückstromsperre kann einen Transistor aufweisen, der ausgebildet ist, einen Stromfluss vom zweiten Eingangspotential zu der Schalteinheit hin zu sperren, insbesondere indem dieser entsprechend angesteuert wird. Der Transistor weist eine Inversdiode auf, über die beim Laden aufgrund deren Sperrrichtung kein Strom fließt, so dass der Ansteuerzustand des Transistors den Stromfluss bestimmt. Beim Rückspeisen fließt auch bei sperrendem Transistor Strom über diesen, nämlich über die Inversdiode. Hierbei dient die betreffende Induktivität (d.h. die Ausgestaltung mittels einer Induktivitäten in beiden Potentialschienen des Eingangs) zur Verringerung des Stromanstiegs bei einem Fehlerfall (Isolationsfehlerfall) und erlaubt somit das Ausführen von Sicherheitsmaßnahmen.
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Die Schalteinheit weist hierbei vorzugsweise zwei Transistoren auf. Diese bilden die zwei verbundenen Schaltelemente der Schalteinheit. Dadurch kann der Lade-Spannungswandler als bidirektionaler Gleichspannungswandler ausgebildet sein.
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Die Vorschaltung kann eine Freilaufdiode aufweisen. Diese ist an den Verbindungspunkt der Schaltelemente der Schalteinheit angeschlossen ist. Mit anderen Worten verbindet die Freilaufdiode diejenigen Enden der beiden Arbeitsinduktivitäten, die dem Eingang entgegengesetzt sind. Die Freilaufdiode weist eine Sperrrichtung auf, die von dem Verbindungspunkt der Schaltelemente (positives Eingangspotential) zur Rückstromsperre (in der negativen Potentialschiene des Eingangs) weist.
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Mit anderen Worten sind die Freilaufdiode und die Rückstromsperre über einen Verbindungspunkt (der Vorschaltung) miteinander in Reihe verbunden, wobei das zweite Eingangspotential über die zweite Arbeitsinduktivität mit diesem Verbindungspunkt verbunden ist und das ersten Eingangspotential über die erste Arbeitsinduktivität mit einem Ende der Freilaufdiode verbunden ist, das dem genannten Verbindungspunkt entgegengesetzt ist.
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Der Transistor oder die Transistoren der Schalteinheit werden im Lademodus getaktet angesteuert. Es ergibt sich ein Aufwärts-Spannungswandlung (Boost) von der Spannung am Eingang zum Ausgang hin. Da die hier erwähnten Ausführungsformen einen Lademodus erlauben, wird der hier beschriebene Wandler als Lade-Spannungswandler beschrieben. Dies schießt jedoch nicht weitere Funktionen aus, insbesondere nicht das Rückspeisen. Der hier beschriebene Wandler ist auch zum Rückspeisen fähig, wenn die Schalteinheit wie beschrieben zwei Transistoren (in Reihenschaltung) aufweist; es ergibt sich ein bidirektionaler Gleichspannungswandler. Die Transistoren werden auch beim Rückspeisen entsprechend getaktet angesteuert.
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Der Wandler kann ferner einen Varistor aufweisen, der ein Potential des Eingangs mit dem Massepotential verbindet. Vorzugsweise ist das erste Potential des Eingangs über einen ersten Varistor mit dem Massepotential verbunden und das zweite Potential des Eingangs ist über einen zweiten Varistor mit dem Massepotential verbunden. Die Sprungspannung, ab der die Varistoren leitend werden, entspricht der Hälfte der üblichen Eingangsspannung inklusive einer üblichen Abweichungsmarge, um die die Spannung des betreffenden Eingangspotential gegenüber Masse von einem Soll abweichen kann, etwa 50 V oder 100 V.
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Die mindestens eine Arbeitsinduktivität ist als Wandler-Speicherdrossel ausgebildet. Vorzugsweise weist diese eine Güte von mindestens 5, 10, 25 oder 50 oder auch von mindestens 100 bei einer Frequenz von 100 kHz auf. Die mindestens eine Arbeitsinduktivität ist insbesondere keine Störfilterdrossel, insbesondere da deren geringe Güte einen effizienten Betrieb als Arbeitsinduktivität nicht zulässt.
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Der Lade-Spannungswandler verfügt vorzugsweise über einen Zwischenkreiskondensator, der die Potentiale des Ausgangs des Wandlers überbrückt und so die Ausgangsspannung glättet.
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Falls die Rückstromsperre mittels äußerem Signal schaltbar ausgestaltet ist, etwa als Transistor, dass wird diese geöffnet, wenn ein Fehler erfasst wird. Insbesondere werden auch die Transistoren der Schalteinheit geöffnet, wenn ein Fehler erfasst wird. Bei dem Fehler handelt es sich vorzugsweise um einen Isolationsfehler, insbesondere eines Ausgangspotentials des Wandlers gegenüber Fahrzeugmasse. Es kann eine Fehlererkennungseinheit vorgesehen sein, die diesen Fehler erkennt, und die zumindest den Transistoren ansteuert, der die Rückstromsperre bildet.
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Die Fehlererkennungseinheit kann ausgebildet sein, mindestens ein Eingangspotentiale oder Ausgangspotential gegenüber Fahrzeugmasse zu messen. Ist der Betrag der Spannung außerhalb eines vorgegebenen Bereichs, etwa größer als 550 V zwischen Ausgangspotential und Fahrzeugmasse bei einer üblichen Betriebsspannung von 800 V zwischen den Ausgangspotentialen, oder ist die Polarität umgekehrt, dann wird dies als Isolationsfehler erkannt. Die Fehlererkennungseinheit kann alternativ oder zusätzlich ausgebildet sein, einen Strom durch den Erdungsleiter (Schutzleiter) zu erfassen. Ist dieser über einem Schwellenwert, wird dies als Isolationsfehler erkannt. Hierbei kann an dem Erdungsleiter oder einem Erdungsanschluss ein Stromsensor vorgesehen sein.
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Ferner kann jeweils ein Strommesser wie ein Stromsensor oder ein Shunt an den Eingangspotentialen bzw. deren Anschlüssen vorgesehen sein, um zu ermitteln, ob der Betrag des Stroms, der in das eine Eingangspotential bzw. die eine Eingangspotentialschiene führt, dem Betrag des Stroms entspricht, der aus dem anderen Eingangspotential bzw. der anderen Eingangspotentialschiene herausgeführt wird. Liegt die Differenz der Beträge über einem Fehlerstromschwellenwert, wird dies als Isolationsfehler erkannt.
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Der Spannungswandler kann eingerichtet sein, dass bei einem erkannten Fehler alle Transistoren dauerhaft (etwa für eine Mindestzeitdauer oder bis zum Empfangen eines Rücksetzsignals) geöffnet werden (Wandler inaktiv, Rückstromsperre ggf. offen angesteuert), und dass ein zum Aktivieren des Wandlers erforderliches Rücksetzsignal nur verschlüsselt oder über einen abschließbaren Kontakt eingegeben werden kann. Es kann vorgesehen sein, dass die Fehleranzahl gezählt wird und der Wandler nur bei Überschreiten einer Fehlerzahl alle Transistoren wie erwähnt öffnet. Sind zusätzlich Trennschalter vorgesehen, werden diese ebenso geöffnet wir die genannten Transistoren. Wird ein Isolationsfehler erkannt, kann vom Wandler ein Unterbrechungssignal (Ende Energietransfer) abgegeben werden, insbesondere an eine angeschlossene Ladesäule.
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Der Lade-Spannungswandler kann einen Eingang aufweisen, der einen Kontakt für das erste und das zweite Eingangspotential vorsieht. Insbesondere kann der Eingang einen Kontakt für einen Schutzleiter (=Erdungsleiter) bzw. für eine Erdungspotential aufweisen. Der Lade-Spannungswandler kann in einem Gehäuse oder in einem Fahrzeugchassis vorgesehen sein, dessen (Masse-)potential elektrisch isoliert ist von dem Spannungswandler. Der Schutzleiter bzw. das Erdungspotential des Eingangs bzw. der Ladestation kann mit diesem (leitenden) Gehäuse bzw. Fahrzeugchassis verbunden sein. Der Spannungswandler erlaubt einen Schutz bei einem Isofehler, wenn die Erdung insbesondere außerhalb des Fahrzeugs, d.h. ladestationsseitig fehlerhaft ist (d.h. einen zu hohen Erdungswiderstand aufweist). Der Schutz wird insbesondere von der Rückstromsperre vorgesehen. Bei einer Ausführungsform mit je einer Arbeitsinduktivität an jedem Eingangspotential erlaubt die Arbeitsinduktivität eine Verlangsamung des Stromanstiegs bei Eintritt des Fehlers, so dass Gegenmaßnahmen (öffnen aller Schalter getroffen werden können, bevor der Strom einen bestimmten (gefährlichen Betrag) überschreitet.
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Es kann ferner ein Überbrückungsschalter vorgesehen sein, der das erste Eingangspotential (etwa das positive Eingangspotential) schaltbar mit einem entsprechenden Ausgangspotential (etwa das positive Ausgangspotential) der Schalteinheit verbindet. Es ergibt sich eine Überbrückung des Wandlers bzw. ein Bypass. Der Überbrückungsschalter ist zur direkten Verbindung des Eingangs mit dem Wandlerausgang geschlossen; hierbei ist der Wandler (d.h. dessen Schalteinheit) inaktiv. Ist der Überbrückungsschalter offen, kann die Schalteinheit aktiv sein (d.h. getaktet Schalten, um eine Spannungswandlung durchzuführen). Der Überbrückungsschalter ist vorzugsweise direkt (schalterfrei) am betreffenden Eingangspotential angeschlossen. Der Lade-Spannungswandler kann ferner einen ersten Trennschalter aufweisen. Dieser ist zwischen dem ersten Eingangspotential (etwa das positive Eingangspotential) und der Arbeitsinduktivität vorgesehen, die zur Schalteinheit führt. Mit anderen Worten ist die genannte Arbeitsinduktivität im positiven Verbindungspfad zwischen Eingang und Schalteinheit vorgesehen. Es kann eine weitere, zweite Arbeitsinduktivität dem anderen, zweiten Eingangspotential (etwa dem negativen Eingangspotential) nachgeschaltet sein und den Eingang mit der Schalteinheit in einem negativen Verbindungspfad verbinden. Der erste Trennschalter ist genauso wie der Überbrückungsschalter ist vorzugsweise direkt (schalterfrei) am betreffenden Eingangspotential angeschlossen. Vom ersten Eingangspotential aus gesehen gehen sowohl der erste Trennschalter (in einem ersten Pfad) als auch der Überbrückungsschalter (in einem zweiten Pfad) ab. Der erste Trennschalter ist somit nicht dem Überbrückungsschalter vorgeschaltet. Es kann ein zweite Trennschalter vorgesehen sein, der das zweite Eingangspotential (etwa das negative) mit der Rückstromsperre direkt oder über eine Sicherung verbindet. Diese Verbindung ist insbesondere schalterfrei.
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Die Rückstromsperre kann gemäß einer weiteren Ausführungsform ein erstes Diodenelement aufweisen, das parallel an eine Reihenschaltung mit einem zweiten Diodenelement (entgegengesetzt gepolt) und einer (ggf. weiteren) Sicherung angeschlossen ist. Die Sperrrichtung des ersten Diodenelements weist vom zweiten Eingangspotential zu der Schalteinheit hin. Die Sperrrichtung des zweiten Diodenelements weist von der Schalteinheit zu dem zweiten Eingangspotential hin. Die Rückstromsperre weist somit eine Reihenschaltung aus einer Sicherung und einem zweiten Diodenelement auf. Ein Rückstrom (der bei einer Leistungsübertragung vom Eingang zum Wandlerausgang auftritt) zum zweiten Eingangspotential hin läuft somit über das erste Diodenelement. In entgegengesetzter Richtung, etwa beim ohnehin leistungsschwächeren Rückspeisen (im Vergleich zum Laden) läuft der Strom durch das zweite Diodenelement und die Sicherung, die so den Strom etwa im Fehlerfall (bei Überschreiten des Sicherung-Grenzstroms) abschaltet. Bei Fehlern in der Erdung wird dadurch der gefährdende Strom unmittelbar und sofort begrenzt von der Sicherung. Es können beim Auslösen dieser Sicherung weitere Sicherungsmaßnahmen folgen, etwa das Öffnen von Trennschaltern. Die hier beschriebene Rückstromsperre kann anstelle der vorangehend beschriebenen Rückstromsperren verwendet werden (oder in serieller Kombination mit einer der vorangehend beschriebenen Rückstromsperren).
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Die 1 und 2 dienen zur Erläuterung des hier beschriebenen fahrzeugseitigen Lade-Spannungswandlers. Die 3 dient zur Erläuterung einer Ausführungsform der Rückstromsperre.
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Die 1 zeigt eine Schaltung zur Erläuterung von Ausführungsformen mit einer Arbeitsinduktivität, die die Speicherdrossel des Wandlers bildet, sowie mit einer selbststeuernden Rückstromsperre in Form eine Diode. Die 2 zeigt eine Schaltung zur Erläuterung von Ausführungsformen mit einer Arbeitsinduktivität, die verteilt ist und von zwei Speicherdrosseln des Wandlers gebildet wird, sowie mit einer fremdgesteuerten Rückstromsperre in Form eines Transistors.
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Die 1 und die 2 zeigen jeweils einen fahrzeugseitigen Lade-Spannungswandler mit einer Vorschaltung VS und einer Schalteinheit SE, die der Vorschaltung VS nachgeschaltet ist. Der Eingang des Lade-Spannungswandlers wird dargestellt von einem ersten, positiven Eingangspotential E+ und einem zweiten, negativen Eingangspotential E-. Der Begriff „Eingang“ bezieht sich auf die Energieflussrichtung beim Laden. Der Eingang des Lade-Spannungswandlers entspricht dem Eingang der Vorschaltung VS. Die Schalteinheit SE weist zwei Schaltelemente auf, die seriell über einen Verbindungpunkt VP miteinander verbunden sind. Der Verbindungspunkt VP ist über das erste Schaltelement mit dem ersten Ausgangspotential A+ verbunden und ist über das zweite Schaltelement mit dem zweiten Ausgangspotential A- verbunden.
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In Hinblick auf das erste Schaltelement unterscheiden sich die Schaltungen der beiden Figuren. Die Vorsilbe „Ausgang..“ bezieht sich auf die Energieflussrichtung beim Laden. Die Schalteinheit SE ist einerseits über dessen Verbindungspunkt VP und andererseits über das zweite Ausgangspotential A- der Schalteinheit SE mit der Vorschaltung VS verbunden.
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Wie bei zahlreichen Gleichspannungswandlertopologien (Boost-Wandler, SEPIC-Wandler, Cuk-Wandler,...) sieht der in den Figuren dargestellte Wandler eine Arbeitsdrossel und eine nachgeschaltete Schalteinheit vor, die durch getaktetes Schalten zusammen mit der die Arbeitsdrossel das Spannungswandeln realisiert. Die Funktion der Arbeitsdrossel wird hier von der Vorschaltung VS vorgesehen, und die Funktion der Schalteinheit von der nachgeschalteten Schalteinheit SE. Der Schalteinheit SE folgt ein Zwischenkreiskondensator C, der zwischen den Ausgangspotentialen A+ und A- vorliegt.
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In den 1 und 2 ist jeweils eine Rückstromsperre RS dargestellt, die zwischen dem zweiten Eingangspotential Vorschaltung bzw. des Wandlers und dem zweiten Ausgangspotential der Schalteinheit SE bzw. des Wandlers in Reihe geschaltet ist. In Hinblick auf die Realisierung der Rückstromsperre RS unterscheiden sich die Schaltungen der 1 und 2.
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In der 1 ist die Funktion der Arbeitsdrossel von der Arbeitsinduktivität L realisiert, die zwischen dem ersten Eingangspotential E+ und dem Verbindungspunkt VP der Schalteinheit SE in Reihe geschaltet ist. Das zweite Eingangspotential E- ist hingegen arbeitinduktivitätenfrei mit der Schalteinheit SE (d.h. mit dem zweiten Ausgangspotential A-) verbunden. Das zweite Eingangspotential E- ist über die Rückstromsperre RS mit der Schalteinheit SE (d.h. mit dem zweiten Ausgangspotential A-) verbunden.
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Die Rückstromsperre RS ist in der 1 eine Diode, d.h. ein Schaltelement, dessen Schaltzustand nur von der Polarität zwischen den Enden des Elements abhängt und insbesondere nicht notwendigerweise von anderen Schaltsignalen angesteuert werden muss. Die Sperrrichtung der Rückstromsperre RS der 1 zeigt vom zweiten Ausgangspotential A- zum zweiten Eingangspotential E-, d.h. von der Schalteinheit weg. Dies unterbindet einen Stromfluss von A- (bzw. A+) über einen Nutzer und eine Erdung zum Potential E-, der bei einem Isolationsfehler entstehen kann, wenn die Erdung gestört ist, etwa ein Fehler in der Erdungsverbindung zwischen den zwei Netzabschnitten, die von dem Wandler überbrückt werden (etwa ein Fehler in der Erdungsverbindung zwischen Ladestation und Fahrzeug). Die Diode, die die Rückstromsperre RS vorsieht, unterbindet hierbei den Rückfluss von Strom, der entgegengesetzt zu einem Ladestrom fließen würde.
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Die Schalteinheit weist als ein erstes Schaltelement eine (weitere) Diode D auf, die zwischen dem ersten Ausgangspotential A+ und dem Verbindungspunkt VP vorgesehen ist und deren Durchlassrichtung von VP zum Ausgangspotential A+ zeigt. Weitere Ausführungsformen sehen anstatt der Diode einen Transistor auf, so dass sich insbesondere eine Rückspeisefähigkeit ergibt. Die Funktion der dargestellten Diode D kann auch von einem Transistor realisiert werden, der so angesteuert wird, dass sich die Durchlass- und Sperrfunktion der Diode ergibt. Dies ist bei Verwendung von Transistoren mit geringerer Durchlassspannung bzw. mit geringem ON-Widerstand gegenüber einer Diode ggf. vorteilhaft. Die Schalteinheit SE weist als ein zweites Schaltelement einen Transistor T auf, der zwischen dem Verbindungspunkt VP und dem zweiten Ausgangspotential A- vorgesehen ist. Durch getaktetes Schalten des Transistors ergibt sich die Funktion des Aufwärtswandelns von Gleichspannung.
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In der 2 ist die Funktion der Arbeitsdrossel von den Arbeitsinduktivitäten L+ und L- realisiert; die Funktion der Arbeitsdrossel ist somit aufgeteilt auf die erste und zweite Arbeitsinduktivität L+ und L-. Die erste Arbeitsinduktivität L+ ist zwischen dem ersten Eingangspotential E+ und dem Verbindungspunkt VP der Schalteinheit SE in Reihe geschaltet (entsprechend der Induktivität L der 1). Das zweite Eingangspotential E- ist (unter anderem) über die zweite Arbeitsinduktivität L- mit der Schalteinheit SE (d.h. mit dem zweiten Ausgangspotential A-) verbunden. Die zweite Arbeitsinduktivität L- ist über die Rückstromsperre RS' mit der Schalteinheit SE (d.h. mit dem zweiten Ausgangspotential A-) verbunden.
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Die Rückstromsperre RS' ist in der 2 ein Transistor, d.h. ein Schaltelement, dessen Schaltzustand sich durch ein (äußeres) Steuersignal steuern lässt. Dies ermöglicht einen Stromfluss zum Rückspeisen, d.h. einen Stromfluss, der bei einer Energieübertragung vom Ausgang A+, A- zum Eingang E+, E- des Wandlers auftritt. Bei einem erkannten Isolationsfehler (etwa wenn aufgrund eines Isolationsfehlers das Potential A+ bzw. A- gegenüber einem Massepotential ein vorgegebenes Nenn-Spannungsfenster verlässt) ist der Wandler eingerichtet, die Rückstromsperre RS' zu öffnen, insbesondere wenn das Nenn-Spannungsfenster mit einer Häufigkeit größer einer vorgegebenen Grenz-Häufigkeit oder für länger als ein vorgegebenes Toleranzzeitfenster verlassen wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass die in 2 mittels Signal steuerbare Rückstromsperre RS' nur mittels eines geschützten Signals wieder geschlossen werden kann, wenn sie einmal fehlerbedingt geöffnet wurde. Ein derartiges geschütztes Signal ist etwa ein Signal, das nur über eine abschließbare Schnittstelle eingegeben werden kann, oder die einem bestimmten Code entspricht, um so zu gewährleisten, dass nur autorisiertes Personal zurücksetzen kann. Der Transistor, der die Rückstromsperre RS' darstellt, ist ein MOSEFET, dessen Inversdiode wie dargestellt eine Sperrrichtung aufweist, die vom zweiten Ausgangspotential A- zum zweiten Eingangspotential E- zeigt, d.h. von der Schalteinheit weg. Dies unterbindet bei offenem Schaltzustand des MOSFETs, der die Rückstromsperre RS' vorsieht, einen Stromfluss von A- (bzw. A+) über einen Nutzer und eine Erdung zum Potential E-, der bei einem Isolationsfehler entstehen kann, wenn die Erdung gestört ist, etwa ein Fehler in der Erdungsverbindung zwischen den zwei Netzabschnitten, die von dem Wandler überbrückt werden (etwa ein Fehler in der Erdungsverbindung zwischen Ladestation und Fahrzeug).
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An Stelle des MOSFETs (Bezugszeichen RS') kann allgemein ein Transistor mit Inversdiode (Bodydiode) oder ohne Inversdiode verwendet werden. Die Inversdiode der Rückstromsperre RS, falls vorhanden, unterbindet hierbei den Rückfluss von Strom, der entgegengesetzt zu einem Ladestrom fließen würde, wenn dies nicht erwünscht ist. Im Rückspeisebetrieb ist RS' in geschlossenem Zustand.
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In der 2 ist eine Freilaufdiode FD dargestellt, die einen Verbindungspunkt VP von Schaltelemente T1, T2 einer Schalteinheit SE (im Weiteren näher erläutert) mit der Rückstromsperre RS' verbindet. Mit anderen Worten verbindet die Freilaufdiode FD den Verbindungspunkt VP mit demjenigen Ende der zweiten Arbeitsinduktivität L, das dem Eingang E-, E+ entgegengesetzt ist. Die Freilaufdiode FD verbindet dasjenige Ende der ersten Arbeitsinduktivität L+, das dem Eingang E-, E+ entgegengesetzt ist, mit der Rückstromsperre RS'. Die Freilaufdiode FD verbindet diejenigen Enden der ersten und zweiten Arbeitsinduktivität L+, L-, die dem Eingang E-, E+ entgegengesetzt sind. Die Freilaufdiode FD schützt die Schaltelemente T1, T2 der Schalteinheit SE vor einer hohen Spannung, die beim Öffnen (von T1, T2, RS') durch Selbstinduktion der Arbeitsinduktivität L+ und/oder L- entstehen kann.
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Entsteht durch einen eintretenden Isolationsfehler ein Strom zwischen den Potentialen A+, A- und einem Massepotential, dann beginnt nicht sofort ein unbegrenzter Stromfluss, sondern die Induktivität L- begrenzt gemäß der Lenz'schen Regel den Stromfluss bei dessen Beginn, so dass ein Zeitfenster entsteht, in dem der Stromfluss noch gering ist und Maßnahmen getroffen werden können, etwa das Deaktivieren der Schalteinheit SE (alle von außen steuerbaren Schalter öffnen) und ggf. auch das Öffnen der von der per Signal steuerbaren Rückstromsperre RS'.
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Die bereits erwähnte Schalteinheit SE der 2 weist als ein erstes Schaltelement einen Transistor T1 auf, der zwischen dem ersten Ausgangspotential A+ und dem Verbindungspunkt VP vorgesehen ist. Dieser verfügt über eine Inversdiode, deren Durchlassrichtung von VP zum Ausgangspotential A+ zeigt. Dadurch, dass das Schaltelement T1 als Transistor ausgebildet ist, ergibt sich eine Rückspeisefunktion des Wandlers, bei dem sich die Funktionen von Eingang (E+, E-) und Ausgang (A+, A-) verkehren.
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Transistor T1 kann (wie auch der Transistor T2) beim Laden und/oder beim Rückspeisen getaktet angesteuert werden, wobei über das Tastverhältnis die jeweilige Ausgangsspannung (beim Laden: zwischen A+ und A-, beim Rückspeisen: zwischen E+, E-) eingestellt werden kann. Die Schalteinheit SE weist wie erwähnt als ein zweites Schaltelement einen Transistor T2 auf, der zwischen dem Verbindungspunkt VP und dem zweiten Ausgangspotential A- vorgesehen ist. Durch getaktetes Schalten der Transistoren T1, T2 ergibt sich insbesondere die Funktion des Aufwärtswandelns von Gleichspannung ausgehend von E+,- nach A+,-(Ladebetrieb) oder in umgekehrter Richtung von A+,- nach E+,- (Rückspeisebetrieb).
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Die Transistoren T1, T2 sind als MOSFETs mit Inversiode dargestellt. Die Inversdioden weisen jeweils eine Durchlassrichtung auf, die von negativen zum positiven Ausgangspotential (von A+ zu A-) weist. Es können auch Transistoren ohne Inversdiode verwendet werden.
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Die Arbeitsinduktivität L bzw. Arbeitsinduktivitäten L-, L+ der 1 und 2 und somit die Induktivitäten, die die Speicherdrossel des Wandlers repräsentieren (bzw. dessen Funktion realisieren) sind vorzugsweise keine Filterinduktivitäten, insbesondere keine Filterinduktivitäten eines EMV-Filters. Für 2 gilt, dass die Induktivitäten L-, L+ vorzugsweise keine Filterdrosseln eines Gleichtaktfilters sind. Insbesondere weist die Arbeitsinduktivität L bzw. weisen die Arbeitsinduktivitäten L-, L+ der 1 und 2 eine höhere Güte auf als Filterdrossel, beispielsweise eine Güte von mindestens 5, 10, 25 oder 50 oder auch von mindestens 100 bei einer Frequenz von 100 kHz. Der Arbeitsinduktivität L bzw. den Arbeitsinduktivitäten L-, L+ der 1 und 2 kann ein EMV-Filter mit mindestens einer Filterinduktivität vorgeschaltet sein.
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Die 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Rückstromsperre. Das zweite Eingangspotential des Eingangs ist bei Anwendung dieser Ausführungsform über die dargestellte Rückstromsperre RS" mit der Schalteinheit SE verbunden. Die Rückstromsperre RS" ist Teil der Vorschaltung VS.
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Die Rückstromsperre RS" weist ein erstes Diodenelement D1 auf, das parallel an eine Reihenschaltung angeschlossen ist. Diese Reihenschaltung weist ein zweites Diodenelement D2 (entgegengesetzt gepolt zur D1) auf sowie und eine Sicherung F2. Wenn wie in 1 dargestellt eine Sicherung F1 verwendet wird, dann kann die Sicherung F1 als erste Sicherung bezeichnet werden und die Sicherung F2 der 3 kann als zweite Sicherung bezeichnet werden. Die Sperrrichtung des ersten Diodenelements D1 weist vom zweiten Eingangspotential zu der Schalteinheit hin und überträgt somit den Strom bei einer Spannungswandlung vom Eingang zum Ausgang hin. Die Sperrrichtung des zweiten Diodenelements weist von der Schalteinheit zu dem zweiten Eingangspotential hin und überträgt somit den Strom bei einer Spannungswandlung vom Ausgang zum Eingang hin, wie es beim Rückspeisen der Fall ist.
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Tritt ein Fehler in der Erdung auf, dann kann bei einem Isolationsfehler der Strom, der zum zweiten Eingangspotential fließt, begrenzt werden mittels der Sicherung F2. Die Sicherung F2 weist einen Maximal-, Auslöse- oder Nennstrom auf, der bei einer maximalen Rückspeiseleistung auftritt, oder weist einen Maximal-, Auslöse- oder Nennstrom auf, der bei einer maximalen Rückspeiseleistung auftritt, zuzüglich einer Sicherheitsmarge von 5% oder 10% oder 20%. Auch die Diode D2 kann einen Nennstrom oder Dauerstrom in dieser Höhe aufweisen, vorzugsweise zuzüglich einer weiteren Sicherheitsmarge. Die Sicherung F1 der 1 weist einen Maximal-, Auslöse- oder Nennstrom auf, der bei einer maximalen Ladeleistung auftritt, gegebenenfalls zuzüglich einer Sicherheitsmarge von 5% oder 10% oder 20%. Der Maximal-, Auslöse- oder Nennstrom der Sicherung F1 kann das mindestens Doppelte, Dreifache, Vierfache oder Fünffache des Maximal-, Auslöse- oder Nennstrom der Sicherung F1 betragen. Der Nennstrom der Sicherung F1 (vgl. 1) kann beispielsweise mindestens 300 A oder 350 A betragen. Dies entspricht Anwendungen, die ein schnelles Laden mit Gleichstrom unter Berücksichtigung der Vorgaben zum öffentlichen Stromnetz bzw. unter Berücksichtigung der allgemeinen Gegebenheiten des (öffentlichen) Stromnetzes erlauben. Die Sicherung F2 hat hingegen einen geringeren Nennstrom. Der Nennstrom der Sicherung F2 (vgl. 3) richtet sich beispielsweise an den (maximalen) Rückspeisestrom, der anwendungsbedingt kleiner sein kann als der maximale Ladestrom. In ersten Anwendungen kann der Nennstrom der Sicherung F2 weniger als 150 A, weniger als 125 A oder weniger als 110 A betragen. In zweiten Anwendungen kann der Nennstrom der Sicherung F2 weniger als 95 A oder weniger als 90 A betragen. In dritten Anwendungen kann der Nennstrom der Sicherung F2 weniger als 40 A, 35 A oder 30 A betragen. Die Anwendung hängt von der Besicherung und der Phasenzahl des elektrischen Netzanschlusses ab, an den der Wandler angeschlossen wird. Insbesondere kann die Dimensionierung der Sicherung F2 von der Nenn-Rückspeiseleistung abhängen, die beispielsweise 40 - 45 kW, ca. 22 kW oder 11 kW betragen kann.
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Weitere Anwendungen sehen vor, dass die Sicherung F2 einen Nennstrom hat, der weniger als 70 A, 65 A oder 63 A beträgt. Die Auslösezeit der Sicherung F2 ist vorzugsweise kürzer als die Auslösezeit der Sicherung F1 und kann weniger als die Hälfte oder 20% hiervon betragen. Die in 3 dargestellte Rückflusssperre verbindet die Induktivität L- (2) oder das Potential E- (1) mit dem Potential A-bzw. mit der dem Punkt VP abgewandten Seite des Transistors T2 (2) oder T (1). Die Durchflussrichtung der Diode D1 weist hierbei zum Potential E-. Die Dioden D1 und D2 sind antiparallel miteinander verbunden, wobei die Diode D2 (mit der Durchflussrichtung zum zweiten Eingangspotential weisend) in Reihe mit der Sicherung F2 angeschlossen ist und wobei ferner diese Reihenschaltung (anti)parallel an die Diode D1 angeschlossen ist. Dadurch wirkt die Sicherung F2 nur in Durchflussrichtung der Diode D2; in entgegengesetzter Flussrichtung durch die Rückflusssperre der 3 überbrückt die Diode D1 die Sicherung F2, etwa um einen Ladestrom zu ermöglichen, der größer ist als der Auslösestrom der Sicherung F2.
