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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität.
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Die Verwendung von Elektronikmodulen, etwa Leistungselektronikmodulen, bei Kraftfahrzeugen hat in den vergangenen Jahrzehnten stark zugenommen. Dies ist einerseits auf die Notwendigkeit, die Kraftstoffeinsparung und die Fahrzeugleistung zu verbessern, und andererseits auf die Fortschritte in der Halbleitertechnologie zurückzuführen. Hauptbestandteil eines solchen Elektronikmoduls ist ein DC/AC-Wechselrichter (Inverter), der dazu dient, elektrische Maschinen wie Elektromotoren oder Generatoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom (AC) zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt.
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Bei Leistungsinvertern oder kombinierten Geräten aus Inverter und TCU (Transmission Control Unit) in der Elektromobilität finden sich im Allgemeinen zwei grundlegende Schaltungsbereiche, die voneinander beispielsweise aus Sicherheits- oder Redundanzgründen mit besonderen Isolationsanforderungen getrennt werden müssen. Diese Schaltungsbereiche weisen in der Regel voneinander unterschiedliche Spannungen auf. Oftmals gibt es die Anforderung, dass Schaltungsbereiche aktiviert werden müssen, wenn im anderen Schaltungsbereich ein Ereignis auftritt. Ein Beispiel ist z.B. ein Aufwecken (Wake-up) von Mikrocontrollern, ASICs etc. in einem Schaltungsbereich, wenn im anderen Schaltungsbereich an KL40 eine Batteriespannung angelegt wird bzw. diese 20V überschreitet. Das entsprechende Ereignis wird also in dem einen Schaltungsbereich detektiert, z.B. von einem vorhandenen Komparator, und muss als Signal über die Isolationsbarriere zum anderen Schaltungsbereich transportiert werden, um dort den Wake-up eines IC zu vollziehen. Dabei stellt die Signalübermittlung über die Isolationsbarriere eine besondere Herausforderung dar. Sie ist immer mit besonders spezifizierten, empfindlichen (z.B. bzgl. Temperatur), großen und teuren Komponenten verbunden.
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Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Schaltungsanordnung bereitzustellen, welche ein Signal von einem Schaltungsbereich in einen anderen, davon über eine Isolationsbarriere getrennten Schaltungsbereich in möglichst einfacher Weise übermitteln kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Vorgeschlagen wird eine Schaltungsanordnung, aufweisend zwei voneinander über eine Isolationsbarriere getrennte Schaltungsbereiche, wobei zur Signalübermittlung mindestens eines in einem ersten Schaltungsbereich erzeugten Signals in einen zweiten Schaltungsbereich eine Kapazität vorgesehen ist, die derart über die Isolationsbarriere reicht, dass sich eine Primärseite davon im ersten Schaltungsbereich befindet, und die Sekundärseite davon im zweiten Schaltungsbereich befindet. Die Schaltungsanordnung ist derart ausgelegt, dass bei Detektion eines vorgegebenen Ereignisses im ersten Schaltungsbereich das Signal im ersten Schaltungsbereich erzeugt und an die Kapazität übertragen wird, wobei an der Sekundärseite der Kapazität mindestens eine Signalerzeugungsschaltung vorgesehen ist, die derart gebildet ist, dass eine aus dem Koppelstrom erzeugte Koppelspannung auf einen Schwellenwert überprüft wird und wenn der Schwellenwert überschritten ist, das Steuersignal an ein Steuerelement ausgegeben wird.
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Durch Verwenden einer Kapazität, die über die Isolationsbarriere reicht, sowie entsprechende Schaltungsanordnungen in den beiden Schaltungsbereichen, kann eine einfache und kostengünstige Lösung zur Signalübermittlung zwischen zwei voneinander getrennten Schaltungsbereichen erreicht werden.
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In einer Ausführung ist die Schaltungsanordnung derart ausgelegt, dass das im ersten Schaltungsbereich erzeugte Signal eine nicht-modulierte DC-Spannung ist, also eine einfach zu erzeugende Spannung.
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In einer Ausführung weist die Signalerzeugungsschaltung einen Kondensator auf, der durch die aus dem Koppelstrom erzeugte Koppelspannung aufgeladen wird, und eine Auswerteschaltung, die derart gebildet ist, dass sie bei Überschreiten einer vorgegebenen Ladung des Kondensators das Signal als Steuersignal an das Steuerelement weiterleitet und der Kondensator dadurch entladen wird.
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In einer alternativen Ausführung weist die Signalerzeugungsschaltung einen Bipolartransistor auf, an dessen Eingangsseite der Koppelstrom anliegt und der ab einem vorgegebenen Koppelstrom durchschaltet und das Signal als Steuersignal an das Steuerelement über eine Auswerteschaltung oder direkt weiterleitet.
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In einer alternativen Ausführung weist die Signalerzeugungsschaltung einen MOSFET auf, an dessen Eingangsseite der Koppelstrom anliegt, wobei die Eingangskapazität des MOSFET wie ein Kondensator wirkt, wobei bei Überschreiten einer vorgegebenen Ladung des Kondensators das Signal als Steuersignal an das Steuerelement über eine Auswerteschaltung oder direkt weitergeleitet wird.
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In einer alternativen Ausführung weist die Signalerzeugungsschaltung eine Auswerteschaltung und einen Widerstand auf, an dem der Koppelstrom einen Spannungsabfall verursacht, der durch die Auswerteschaltung ausgewertet wird, wobei bei Erreichen einer vorgegebenen Schwelle die Auswerteschaltung das Signal als Steuersignal über eine Auswerteschaltung oder direkt an das Steuerelement weiterleitet.
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Es sind also unterschiedliche schaltungstechnische Möglichkeiten vorhanden, das Steuersignal zu erzeugen.
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In einer Ausführung ist die Schaltungsanordnung derart gebildet, dass das Steuersignal nur einmal beim Überschreiten einer Schwelle auf der Primärseite der Kapazität erzeugt wird und erst ein weiteres Mal erzeugt wird, wenn die Schwelle auf der Primärseite unterschritten und dann erneut überschritten wird.
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In einer Ausführung ist das Ereignis eine Spannung, die größer als eine vorgegebene Schwelle ist.
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In einer Ausführung erfolgt die Detektion des Ereignisses durch mindestens eine erste Schaltung, aufweisend einen Komparator, der dazu eingerichtet ist, eine von einer Spannungsversorgung ausgegebene Spannung zu überwachen und als Signal in Form einer Signalspannung auszugeben, und/oder ein DC-Spannungselement, das bei Erhalten einer Spannung, die größer als eine vorgegebene Schwelle ist, aktiviert wird, und eine nachgeschaltete Primärkapazität, welche durch die von dem DC-Spannungselement erhaltene Spannung aufgeladen wird und das Signal erzeugt.
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In einer Ausführung weisen die Schaltungsbereiche gleiche oder unterschiedliche Spannungsbereiche auf, wobei Spannungsbereiche Spannungen von 12V oder 24V oder 48V oder 400-800V umfassen.
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In einer Ausführung sind die Schaltungsbereiche galvanisch voneinander getrennt.
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In einer Ausführung ist ferner die Kapazität als ein Kondensator oder als mindestens zwei in Serie geschaltete Kondensatoren gebildet.
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In einer Ausführung ist das im ersten Schaltungsbereich erzeugte und in den zweiten Schaltungsbereich zu übermittelnde Signal ein wake-up Signal, um einen als Steuerelement gebildeten IC oder einen Mikrokontroller aufzuwecken, oder ein Signal, um eine Information zwischen erstem und zweitem Schaltungsbereich zu übermitteln, oder ein Signal, um eine Komponente im zweiten Schaltungsbereich anzusteuern.
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In einer Ausführung ist an der Sekundärseite der Kapazität ein Koppelelement verbunden, über welches ein Zurückfließen eines aus dem Signal erzeugten Koppelstroms zum ersten Schaltungsbereich möglich ist. In einer Ausführung ist das Koppelelement ein separater oder bereits für andere Einsatzzwecke, z.B. zur EMV-Entstörung, genutzter Kondensator, dessen Primärseite im zweiten Schaltungsbereich und dessen Sekundärseite im ersten Schaltungsbereich angeordnet ist, oder eine Zusammenschaltung von Minuspolen der Energieversorgungen des ersten und zweiten Schaltungsbereichs außerhalb der Schaltungsanordnung.
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Ferner wird eine Leiterplatte mit einer darauf angeordneten, beschriebenen Schaltungsanordnung vorgeschlagen, die Teil eines Inverters eines Elektronikmoduls zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs ist.
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Ferner wird ein Elektroantrieb eines Fahrzeugs bereitgestellt, aufweisend ein Elektronikmodul zur Ansteuerung des Elektroantriebs, das einen Inverter mit der beschriebenen Schaltungsanordnung. Außerdem wird ein Fahrzeug mit dem Elektroantrieb bereitgestellt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau einer Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt einen detaillierteren Aufbau einer Schaltungsanordnung gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 3 zeigt eine Musterschaltung im zweiten Schaltungsbereich gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 4 zeigt Messergebnisse der Musterschaltung aus 3.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Wie bereits eingangs erwähnt liegt das Hauptanwendungsgebiet der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung im Automobilbereich, insbesondere im Bereich der Elektromobilität. Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung wird in einem Leistungsinverter oder einem kombinierten Gerät aus Leistungsinverter und TCU (Transmission Control Unit) verwendet. Ein Einsatz in anderen Anwendungen, in welchen eine Trennung von zwei Schaltungsbereichen 11, 12 unterschiedlicher oder gleicher Spannungen über eine Isolationsbarriere 20 nötig ist, ist aber nicht ausgeschlossen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand unterschiedlicher Ausführungen beschrieben, welche alle dasselbe Ziel und Ergebnis haben, nämlich, eine einfachere Lösung zur Signalübermittlung zwischen zwei durch eine Isolationsbarriere 20 getrennte Schaltungsbereiche 11, 12 zu ermöglichen.
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Bisher wurden z.B. Optokoppler verwendet, um eine solche Signalübermittlung zu ermöglichen. Diese Bauteile sind aber teuer und teils nicht robust genug für hohe Temperaturen oder Umspritzungsprozesse. Als Alternative könnten klassische, kapazitive Isokoppler verwendet werden. Diese sind aber aufwendig konstruiert, sie weisen z.B. eine integrierte Logik, Signalverarbeitung, Spannungsversorgung, teils digitale Übermittlung über die Barriere, etc. auf und sind daher teuer und benötigen viel Platz. Außerdem muss eine spezifische Isolationssicherheit sichergestellt werden, was wiederum aufwändig sein kann.
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Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung bietet eine einfache Lösung zur Signalübermittlung zwischen zwei durch eine Isolationsbarriere 20 getrennte Schaltungsbereiche 11, 12, wie nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.
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In 1 ist ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführung dargestellt, welche das Grundprinzip der Erfindung erläutert. In 2 ist ein detaillierterer Aufbau einer Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführung dargestellt.
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Grundsätzlich sind stets zwei Schaltungsbereiche 11 und 12 vorhanden, die entweder mit derselben oder unterschiedlichen Spannungen versorgt werden. Der erste Schaltungsbereich 11 (im Bild links dargestellt) ist in dieser Ausführung ein Schaltungsbereich 11, der mit einer höheren Spannung als der zweite Schaltungsbereich 12 (im Bild rechts dargestellt) versorgt wird. In dieser Ausführung ist die an den ersten Schaltungsbereich 11 angelegte Spannung eine Spannung von 48V über Klemmen KL40 und KL41. An den zweiten Schaltungsbereich 12 wird eine Spannung von 12V über Klemmen KL30 und KL31 angelegt. Im Automobilbereich sind aktuell unterschiedliche Spannungen üblich, z.B. 12V (KL30/KL31), 24V, 48V (KL40/41) oder Hochvolt mit 400-800V. Deshalb werden die in den Figuren gezeigten Spannungen lediglich zur Veranschaulichung verwendet.
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Zwischen den Schaltungsbereichen 11 und 12 ist eine Isolationsbarriere 20 vorgesehen, welche die Schaltungsbereiche 11 und 12 voneinander trennt. In einer Ausführung kann die Trennung eine galvanische Trennung sein, die beiden Schaltungsbereiche 11 und 12 weisen also keine leitende Verbindung auf.
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Zur Lösung des Problems der Signalübermittlung zwischen den beiden Schaltungsbereichen 11 und 12 über die Isolationsbarriere 20 hinweg ist eine kapazitive Kopplung der beiden Schaltungsbereiche 11 und 12 mittels einer Kapazität 30 vorgesehen. Die Kapazität 30 kann als ein einzelner Kondensator gebildet sein, wie in den Figuren gezeigt, aber auch als zwei oder mehr in Serie geschaltete Kondensatoren. Diese sind so angeordnet, dass im Falle, dass einer der Kondensatoren ausfällt, z.B. beim Bruch der Leiterplatte, der andere weiterhin funktionsfähig ist. Beispielsweise sind zwei in Serie geschaltete Kondensatoren vorhanden. Die Kondensatoren können dabei an unterschiedlichen Bereichen der Leiterplatte angeordnet und mit entsprechenden elektrischen Verbindungsleitungen verbunden sein. Sie können aber auch nahe beieinander und um 90° zueinander ausgerichtet sein.
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Die Primärseite der Kapazität 30 liegt im Schaltungsbereich 11 und die Sekundärseite liegt im Schaltungsbereich 12, d.h. die Kapazität 30 führt also über die Isolationsbarriere 20. Als Kapazität 30 können „open mode“ Kondensatoren bzw. „soft termination“ Kondensatoren verwendet werden. Auf der Primärseite ist die Kapazität 30 mit der erzeugten Signalspannung verbunden. Auf der Sekundärseite ist die Kapazität 30 mit weiteren Bauelementen verbunden, welche einen Koppelstrom I_koppel zu einem Koppelelement C_k2 ermöglichen. Außerdem ist auf der Sekundärseite eine Signalerzeugungsschaltung mit entsprechenden Bauelementen C_wake, 121, 122 vorgesehen, durch welche das im ersten Schaltungsbereich 11 erzeugte Signal V_prim in ein Steuersignal V_wake gewandelt und an ein Steuerelement 123 ausgegeben wird.
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Nachfolgend werden die möglichen Schaltungsvariationen im Detail mit Bezug zu 1-4 beschrieben.
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Auf Seite des ersten Schaltungsbereichs 11 sind Bauelemente 111, 112, 113 vorgesehen, welche eine Detektion eines Ereignisses (Bauelement 111) und eine darauffolgende Übermittlung (DC-Spannungselemente 112, 113) eines Spannungssignals als Signalspannung an die Kapazität 30, genauer deren Primärseite, welche sich im ersten Schaltungsbereich 11 befindet, durchführen.
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Die Detektion des Ereignisses, also in diesem Fall das Anlegen einer Spannung an Klemme KL40 in einer vorgegebenen Höhe, z.B. >20V, wird beispielsweise von Bauelement 111 ausgeführt, welches ein Komparator sein kann, wie in 2 gezeigt. Alternativ kann ein Bauelement vorgesehen sein, welches die anliegende Spannung in anderer Art und Weise auswertet, z.B. ein Transistor, der ab einer vorgegebenen Schwellenspannung durchschaltet, etc.
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Zur Erzeugung der Signalspannung auf Seite des ersten Schaltungsbereichs 11 ist in 1 ein Signalerzeugungsblock dargestellt, der in 2 als DC-Spannungselemente 112, 113 ausgeführt ist. Die DC-Spannungselemente 112, 113 sind in 2 als DCDC-Konverter 112 und Transformator 113 ausgeführt. Der DCDC-Konverter 112 kann z.B. als Buck, als Boost oder Sepic Topologie ausgeführt sein. Anstatt dem in 2 verwendeten Transformator 113 kann auch eine einfache Induktivität verwendet werden.
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Außerdem ist noch eine Kapazität in Form eines Kondensators C_prim vorgesehen, die nach den Bauelementen 111, 112, 113, aber vor der Kapazität 30, angeordnet ist. Dieser Kondensator C_prim ermöglicht es, dass die detektierte Spannung als an den zweiten Schaltungsbereich 12 zu übermittelndes Signal V_prim (Signalspannung) erzeugt wird, z.B. durch Aufladen von C_prim. In einer alternativen Ausführung könnte C_prim auch direkt mit der Spannung der Klemme KL40 geladen werden.
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In der in 2 gezeigten Ausführung können die Detektion und Auswertung kombiniert werden, indem bereits vorhandene Bauteile verwendet werden. Beispielsweise wird ein bereits vorhandener DCDC Wandler 112 verwendet, der ab einer bestimmten Schwelle (Detektion z.B. via „enable Pin“ oder einen Undervoltage Lockout UVL) automatisch anläuft und eine zweite DC Spannung erzeugt. Diese DC Spannung kann die Signalspannung V_prim sein. Es können also auch bereits für andere Funktionen vorgesehene Bauelemente verwendet werden.
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Die Kapazität 30, genauer deren Sekundärseite, welche sich im zweiten Schaltungsbereich 12 befindet, ist mit einem Koppelelement C_k2 verbunden. Das Koppelelement C_k2 dient dazu, dass der auf der Sekundärseite der Kapazität 30 aufgrund der Signalspannung V_prim erzeugte Koppelstrom I_koppel wieder über die Isolationsbarriere 20 zum ersten Schaltungsbereich 11 zurückfließen kann und damit der zugehörige Stromkreis geschlossen ist.
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In 1 ist das Koppelelement C_k2 als Kondensator gebildet, der wie die Kapazität 30 über beide Schaltungsbereiche 11, 12 gebildet ist, und über welchen ein Zurückfließen eines aus dem Signal V_prim erzeugten Koppelstroms I_koppel zum ersten Schaltungsbereich 11 möglich ist. Der Kondensator kann dabei ein bereits vorhandener Kondensator sein, z.B. ein Y-Kondensator zwischen den beiden Massen (GND) der Klemmen KL41 und KL31. In 2 ist das Koppelelement C_k2 nicht als physisches Koppelelement C_k2 vorhanden, vielmehr sind die Klemmen KL41 und KL31 außerhalb des Geräts (also des Leistungsinverters oder des kombinierten Geräts aus Leistungsinverter und TCU) miteinander über einen zentralen Massesternpunkt verbunden. Somit kann der Koppelstrom I_koppel über die externe Verbindung der beiden Massen fließen.
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Die Kapazität 30, welche als kapazitive Kopplung zwischen den beiden Schaltungsbereichen 11 und 12 angeordnet ist, ist auf der Sekundärseite, also im zweiten Schaltungsbereich 12, mit weiteren Bauelementen verbunden, die einen Strom I_koppel zu einem C_k2 ermöglichen. Diese Bauelemente dienen als Signalerzeugungsschaltung, welche ein erstes Bauelement, in 1 und 2 als Kondensator C_wake gebildet, sowie weitere Bauelemente 121, 122 umfasst. Die Bauelemente 121, 122 nehmen die Auswertung der Spannung vor, um die Signalübertragung an das anzusteuernde Steuerelement 123, also einen IC, einen Mikrocontroller, ASIC etc. durchzuführen, wenn die Spannung hoch genug ist. Wie in 1 und 2 gezeigt, kann ein Kondensator C_wake vorgesehen sein, der sich durch den Koppelstrom I_koppel auflädt und eine messbare Spannung als Steuersignal V_wake ausgibt. Die Auswertung des Steuersignals V_wake erfolgt über entsprechende Auswerteschaltungen 121, 122. In 2 ist als erster Teil der Auswerteschaltung eine Zenerdiode 121 vorgesehen, welche ab einer vorgegebenen Schwellenspannung leitet. Nachfolgend ist eine Transistorschaltung 122 (mit entsprechenden Widerständen etc.) vorgesehen, welche das Steuersignal V_wake dann an das Steuerelement 123 durchlässt.
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Alternativ kann anstatt eines Kondensators C_wake auch ein Widerstand verwendet werden, an dem der I_koppel einen Spannungsabfall verursacht, der durch die Auswerteschaltungen 121, 122 ausgewertet wird. Weiter alternativ kann anstatt des Kondensators C_wake die Eingangsseite eines Bipolartransistors (also dessen Basis-Emitter Strecke) mit der Sekundärseite der Kapazität 30 verbunden sein. Der Koppelstrom I_koppel fließt dann teilweise über Basis-Emitter. Zusätzlich kann eine Auswerteschaltung 121, 122 vorhanden und z.B. als Zenerdiode gebildet sein. Weiter alternativ kann die Eingangsseite eines MOSFET (also Gate-Source) mit der Sekundärseite der Kapazität 30 verbunden sein. Die Eingangskapazität des MOSFET wirkt dann wie ein C_wake, lädt sich auf und schaltet den MOSFET durch. Zusätzlich kann auch hier eine Auswerteschaltung 121, 122 vorhanden und z.B. als Zenerdiode gebildet sein.
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Das Steuersignal V_wake kann ein Wake-Up-Signal für einen IC, der als Steuerelement 123 dient, sein, aber auch ein Signal, das eine Information vom ersten Schaltungsbereich 11 in den zweiten Schaltungsbereich 12 transportiert.
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Nachfolgend werden weitere Eigenschaften und Vorteile der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung dargelegt.
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Die Spannung V_prim, also das Signal bzw. die Signalspannung, welche an die Kapazität 30 übermittelt wird, ist eine einfache DC Spannung, sie wird nicht moduliert. Außerdem kann sie direkt eine Eingangsspannung am ersten Schaltungsbereich 11 sein, in 1-3 also die KL40 Spannung. Ferner kann sie eine stabilisierte Spannung sein, z.B. die geregelte Ausgangsspannung eines DCDC-Konverters 112 oder Linearreglers, wie bereits beschrieben. Die V_prim wird erst angelegt bzw. aufgebaut, wenn eine andere Signalspannung einen Schwellwert überschreitet. In den gezeigten Ausführungen ist die Spannung, die zuerst einen Wert überschreitet, die an Klemme KL40 angelegte Spannung (48V). Sobald diese einen vorgegebenen Wert, z.B. 20V, überschreitet, wird der Komparator 111 aktiviert, der dann die z.B. die V_prim aktiviert.
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Ferner ist zu beachten, dass der Koppelstrom I_koppel nur fließt, wenn sich die V_prim ändert, was z.B. aufgrund des Spannungskreises C_prim, 30, C_wake, C_k2 in 1 ersichtlich ist.
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Die Spannung V_prim kann ferner in ein sekundäres Spannungssignal V_wake umgewandelt werden, indem damit ein C_wake (in den in 1-3 gezeigten Ausführungen) aufgeladen wird. In alternativen Ausführungen kann die Spannung V_prim über die Kapazität 30 in einen Transistor geführt werden (z.B. Basis oder Gate) welcher dann durchschaltet bzw. den Strom verstärkt.
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Das durch den Koppelstrom I_koppel erzeugte Signal V_wake wird in der Auswerteschaltung 121, 122 erneut auf eine Schwellenspannung überprüft und erzeugt erst bei Überschreiten das entsprechende Signal, also z.B. ein Wake-Up-Signal. Dasselbe Prinzip ist bei Überschreiten einer Vth eines MOSFET oder einer Vth eines Bipolartransistors, oder bei Überschreiten einer Komparatorschwelle, bei Überschreiten einer Zenerspannung und anschließendes Schalten eines Transistors 122 ( 1-3) anzuwenden.
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Außerdem wird das Wake-Up-Signal nur einmal beim Überschreiten einer Schwelle auf der Primärseite (erster Schaltungsbereich 11) erzeugt und wird erst wieder erzeugt, wenn die Schwelle auf der Primärseite zuerst wieder unterschritten und dann erneut überschritten wird.
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Das finale Wake-Up Signal kann sich selbst nach einer Haltezeit zurücksetzen, z.B. durch Entladen des C_wake durch den Basisstrom des Transistors 122. Damit erfolgt ein Unterschreiten der vorgegebenen Schwelle und ein Abschalten des V_wake-Signals.
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In einer Ausführung ist der Kapazitätswert des C_wake deutlich kleiner als die Summe der Kapazitätswerte der Koppelkondensatoren 30, Ck_2.
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Zur Veranschaulichung werden nachfolgend Messergebnisse (in 4 gezeigt) einer in 3 gezeigten Musterschaltung erläutert.
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In 3 sind die als Kondensator gebildete Kapazität 30 sowie der an deren Sekundärseite anschließende Schaltungsbereich 12 gezeigt. Im Schaltungsbereich 12 sind ein Kondensator der Signalerzeugungsschaltung C_wake sowie die Auswerteschaltung mit Bauelement 121 in Form einer Zenerdiode und Bauelement 122 in Form von Transistoren und Widerständen gezeigt. Ferner ist die resultierende Spannung bzw. das resultierende Wake-Up-Signal gezeigt, das dann z.B. zum Aufwecken eines (nicht gezeigten) IC dient. Die hier gezeigte Ausführung ist lediglich beispielhaft, um zu zeigen, dass das Konzept funktioniert.
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Auf der Primärseite der Kapazität 30 wird entsprechend die Versorgungsspannung (KL40) angelegt und in das zu übermittelnde Signal V_prim (Signalspannung) überführt. In der Realität sieht die Kapazität 30 eine steigende Flanke, wie in 4 sehr vereinfacht aus Messergebnissen gezeichnet zu sehen ist. Das Steuersignal V_wake steigt dabei mit V_prim, es folgt also V_prim (der Signalverlauf ist also im Wesentlichen gleich). Wenn V_wake eine vorgegebene Schwellenspannung V_th überschreitet, wird die Zenerdiode 121 leitend und schaltet das Ansteuersignal für das Steuerelement 123 aktiv, d.h. es wird die für z.B. das Aufwecken eines IC 123 benötigte Spannung an den Pin des IC angelegt (vom Schaltungsbereich 11 über die Kapazität 30 in den Schaltungsbereich 12 und dort über C_wake und die Bauelemente 121,122 bis zum IC 123 durchgeleitet).
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Die Schaltungsanordnung ist in der Regel auf einer Leiterplatte realisiert, d.h. die Bauelemente sind entsprechend darauf angeordnet bzw. angelötet oder anders daran befestigt.
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Die Anwendung der Schaltungsanordnung liegt im Bereich der Elektromobilität. In vielen Anwendungen, so auch z.B. beim Abschleppen eines elektrisch angetriebenen bzw. antreibbaren Fahrzeugs, oder wenn der Akkumulator abgeklemmt oder ausgefallen ist, ist es wichtig, dass eine durch den Elektromotor, der in bestimmten Situationen als Generator wirkt, erzeugte Energie nicht in den Akkumulator fließt und diesen ggf. zu weit auflädt. Hierfür kann es sein, dass ein entsprechendes Steuerelement 123 in einem durch die Isolationsbarriere getrennten Schaltungsbereich 12 aktiviert werden muss, um zumindest Messungen durchzuführen und/oder Aktionen zu tätigen, die das Beschädigen durch z.B. Überladen des Akkumulators verhindern. In diesem Fall würde ein Wake-Up-Signal durch die ansteigende Spannung im ersten Schaltungsbereich 11 erzeugt werden, welches über die Kapazität 30 die Isolationsbarriere 20 überwinden und das Steuerelement 123 aktivieren könnte, welches wiederum z.B. den Elektromotor kurzzeitig bzw. für eine bestimmte Zeit kurzschließen kann, um Schäden an den Komponenten zu verhindern.
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Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung kann in einem (Leistungs-)Inverter eines Elektronikmoduls oder einem kombinierten Gerät aus (Leistungs-)Inverter und TCU zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs verwendet werden. Auch können elektrifizierte Achsen durch den Elektroantrieb angetrieben werden.
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Ein Elektronikmodul im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hybridfahrzeugs, und/oder elektrifizierten Achsen. Das Elektronikmodul umfasst einen DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter). Es kann außerdem einen AC/DC-Gleichrichter (Engl.: Rectifier), einen DC/DC-Wandler (Engl.: DC/DC Konverter), Transformator (Engl.: Transformer) und/oder einen anderen elektrischen Wandler oder ein Teil eines solchen Wandlers umfassen oder ein Teil hiervon sein. Insbesondere dient das Elektronikmodul zum Bestromen einer E-Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter dient vorzugsweise dazu, aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu erzeugen.
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Bezugszeichenliste
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- 11
- erster Schaltungsbereich
- 111
- Komparator
- 112
- DCDC-Konverter
- 113
- Transformator
- 12
- zweiter Schaltungsbereich
- 121, 122
- Auswerteschaltung der Signalerzeugungsschaltung
- 123
- Steuerelement, z.B. IC, Mikrokontroller
- 20
- Isolationsbarriere
- 30
- Kapazität
- V_prim
- Signal
- V_wake
- Steuersignal
- I_koppel
- Koppelstrom
- C_wake
- Kondensator der Signalerzeugungsschaltung
- C_prim
- Primärkapazität
