DE102022201384B3 - Schaltungsanordnung, Leiterplatte, Elektroantrieb, Fahrzeug und Verfahren zur Ansteuerung der Schaltungsanordnung - Google Patents

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Schaltungsanordnung, aufweisend zwei voneinander über eine Isolationsbarriere getrennte Schaltungsbereiche, wobei zur Signalübermittlung mindestens eines in einem ersten Schaltungsbereich mittels einer getakteten Spannungsquelle erzeugten Signals in einen zweiten Schaltungsbereich eine Wake-Up-Schaltung vorgesehen ist, welche einen Transformator aufweist, dessen Primärwicklung im ersten Schaltungsbereich angeordnet ist und dessen Sekundärwicklung im zweiten Schaltungsbereich angeordnet ist. Die Schaltungsanordnung ist derart ausgelegt, dass bei Detektion eines vorgegebenen Ereignisses im ersten Schaltungsbereich die Primärwicklung derart getaktet betrieben wird, dass an der Sekundärwicklung im zweiten Schaltungsbereich eine Wake-Up-Spannung erzeugt wird. Ferner ist eine Signalerzeugungsschaltung vorgesehen, die derart gebildet ist, dass die Wake-Up-Spannung auf einen Schwellenwert überprüft wird, und wenn der Schwellenwert überschritten ist, ein Steuersignal an ein Steuerelement ausgegeben wird Außerdem ist die Primärwicklung mit einer Induktivität der getakteten Spannungsquelle in Serie oder parallel geschaltet.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität.
• 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 oder einem Akkumulator, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt.
• 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 Komponenten in einem Schaltungsbereich 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. Stand der Technik kann beispielsweise in den Firmenschriften von Texas Instruments zum Bauelement UCD3138 gefunden werden, insbesondere in „Using the UCD3138LLCEVM - User's Guide (Rev. A) Dallas, Texas 75265, Juli 2013 (SLUU979A) und dem Datenblatt zu UCD3138 Highly Integrated Digital Contrroller for Isolated Power - Datasheet (Rev. J), Dallas, Texas 75265, November 2021 (SLUSAP2J).
• 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.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Vorgeschlagen wird eine Schaltungsanordnung, aufweisend zwei voneinander über eine Isolationsbarriere getrennte Schaltungsbereiche, wobei zur Signalübermittlung mindestens eines in einem ersten Schaltungsbereich mittels einer getakteten Spannungsquelle erzeugten Signals in einen zweiten Schaltungsbereich eine Wake-Up-Schaltung vorgesehen ist, welche einen Transformator aufweist, dessen Primärwicklung im ersten Schaltungsbereich angeordnet ist und dessen Sekundärwicklung im zweiten Schaltungsbereich angeordnet ist. Die Schaltungsanordnung ist derart ausgelegt, dass bei Detektion eines vorgegebenen Ereignisses im ersten Schaltungsbereich die Primärwicklung derart getaktet betrieben wird, dass an der Sekundärwicklung im zweiten Schaltungsbereich eine Wake-Up-Spannung erzeugt wird. Ferner ist eine Signalerzeugungsschaltung vorgesehen, die derart gebildet ist, dass die Wake-Up-Spannung auf einen Schwellenwert überprüft wird, und wenn der Schwellenwert überschritten ist, ein Steuersignal an ein Steuerelement ausgegeben wird Außerdem ist die Primärwicklung mit einer Induktivität der getakteten Spannungsquelle in Serie oder parallel geschaltet. Im Falle, dass die Primärwicklung mit der Induktivität des Leistungsausgangs in Serie geschaltet ist, ist ein parallel zur Primärwicklung angeordnetes Schaltelement vorgesehen, welches dazu eingerichtet ist, die Primärwicklung zu überbrücken.
• Durch Verwenden einer Induktivität, deren Magnetfeld 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.
• In einer Ausführung ist die Primärwicklung als ein separates Bauteil oder als in eine die Schaltungsanordnung tragende Leiterplatte integrierte Planarspule gebildet.
• In einer Ausführung ist im Falle, dass die Primärwicklung parallel zu der Induktivität des Leistungsausgangs geschaltet ist, ein mit der Primärwicklung in Serie angeordnetes Schaltelement vorgesehen, welches dazu eingerichtet ist, die Primärwicklung elektrisch von der Induktivität abzukoppeln.
• In einer Ausführung ist das Schaltelement als Transistor gebildet. In einer Ausführung ist die getaktete Spannungsquelle ein DCDC-Konverter. Vorteilhaft ist der DCDC-Konverter ein Aufwärtswandler, ein Abwärtswandler, ein Sperrwandler, ein Flusswandler oder ein isolierter Abwärtswandler.
• In einer Ausführung umfassen die Schaltungsbereiche gleiche oder unterschiedliche Spannungsbereiche aufweisen, wobei Spannungsbereiche Spannungen von 12V oder 24V oder 48V oder 400-800V. In einer Ausführung sind die Schaltungsbereiche galvanisch voneinander getrennt.
• 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.
• 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. Ferner wird ein Elektroantrieb eines Fahrzeugs vorgeschlagen, aufweisend ein Elektronikmodul zur Ansteuerung des Elektroantriebs, das einen Inverter mit der beschriebenen Schaltungsanordnung aufweist. Ferner wird ein Fahrzeug mit dem Elektroantrieb vorgeschlagen.
• Außerdem wird ein Verfahren zur Ansteuerung der Schaltungsanordnung vorgeschlagen, wobei im Falle, dass das Schaltelement parallel zur Primärwicklung angeordnet ist, das Schaltelement geöffnet ist, damit ein von der getakteten Spannungsquelle zur Induktivität fließender Primärstrom auch zur Primärspule fließt, wobei das Schaltelement entweder nach einem vorgegebenen Zeitraum geschlossen wird, oder basierend auf einer Auswertung geschlossen wird, durch welche ermittelt wurde, dass die Wake-Up-Spannung den Schwellenwert überschritten hat. Alternativ ist im Falle, dass das Schaltelement in Serie zur Primärwicklung angeordnet ist, das Schaltelement geschlossen, damit ein von der getakteten Spannungsquelle zur Induktivität fließender Primärstrom auch zur Primärspule fließt, wobei das Schaltelement entweder nach einem vorgegebenen Zeitraum geöffnet wird, oder basierend auf einer Auswertung geöffnet wird, durch welche ermittelt wurde, dass die Wake-Up-Spannung den Schwellenwert überschritten hat.
• 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.
• 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 prinzipiellen Aufbau eines als isolierter Abwärtswandler gebildeten DCDC-Konverters gemäß dem Stand der Technik.
• 3 und 4 zeigen einen prinzipiellen Aufbau einer Schaltungsanordnung mit und ohne Schaltelement gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
• 5 und 6 zeigen einen prinzipiellen Aufbau einer Schaltungsanordnung mit und ohne Schaltelement gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung.
• 7 und 8 zeigen Simulationsergebnisse von Schaltungsanordnungen aus 4 und 6.
• 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.
• 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 getrennten Schaltungsbereichen 11, 12 zu ermöglichen.
• 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.
• Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung bietet zwei unterschiedliche, einfache Lösungen zur Signalübermittlung zwischen zwei durch eine Isolationsbarriere 20 getrennten Schaltungsbereichen 11, 12, wie nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.
• In 1 ist ein prinzipieller, abstrakter Aufbau einer Schaltungsanordnung dargestellt, welcher das Grundprinzip der Erfindung erläutert. In 2 ist eine detailliertere Darstellung der getakteten Spannungsquelle 112 (DCDC-Konverter) gezeigt, welche als isolierter Abwärtswandler gemäß dem Stand der Technik gebildet ist. Die in 3 bis 6 gezeigten Ausführungsbeispiele verwenden einen solchen isolierten Abwärtswandler als getaktete Spannungsquelle 112, wobei auch andere isolierte oder nicht isolierte Wandler (DCDC-Konverter) wie Aufwärtswandler (boost converter), Abwärtswandler (buck converter), Sperrwandler (flyback converter) oder Flusswandler verwendet werden können.
• Grundsätzlich sind stets (mindestens) zwei Schaltungsbereiche 11 und 12 vorhanden, die entweder mit derselben oder unterschiedlichen Spannungen versorgt werden. Der erste Schaltungsbereich 11 (in 1 links dargestellt) ist in dieser Ausführung ein Schaltungsbereich 11, der mit einer höheren Spannung als der zweite Schaltungsbereich 12 (n 1 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.
• 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.
• Zur Lösung des Problems der Signalübermittlung zwischen den beiden Schaltungsbereichen 11 und 12 über die Isolationsbarriere 20 hinweg ist eine Wake-Up-Schaltung 40 vorgesehen, welche einen Transformator T_aux mit einer in einem Schaltungsbereich 11 angeordneten Primärwicklung 41 und einer im anderen Schaltungsbereich 12 angeordneten Sekundärwicklung 42 aufweist. Die Schaltungsanordnung ist derart ausgelegt, dass bei Detektion eines vorgegebenen Ereignisses im ersten Schaltungsbereich 11 die Primärwicklung 41 derart getaktet betrieben wird, dass an der Sekundärwicklung 42 im zweiten Schaltungsbereich 12 eine Wake-Up-Spannung V_wake erzeugt wird. Dabei bedient sich die Wake-Up-Schaltung 40 der vorhandenen Bauteile, insbesondere des Schalters (in 2 oben links als Transistor gezeichnet) des als getaktete Spannungsquelle 112 dienenden DCDC-Konverters, welcher hier als isolierter Abwärtswandler ausgeführt ist. Somit müssen keine zusätzlichen Komponenten bereitgestellt werden.
• Ferner ist im zweiten Schaltungsbereich 12 eine Signalerzeugungsschaltung 121, 122 vorgesehen, die derart gebildet ist, dass die durch die Primärwicklung 41 an der Sekundärwicklung 42 erzeugte Wake-Up-Spannung V_wake, welche vorteilhaft in eine gleichgerichtete Wake-Up-Spannung V_wakeDC gewandelt wird, auf einen Schwellenwert überprüft wird, und wenn der Schwellenwert überschritten ist, ein Steuersignal an ein Steuerelement 123 ausgegeben wird, welches eine aufzuweckende Komponente aufweckt.
• Hauptmerkmal der Schaltungsanordnung ist, dass die Primärwicklung 41 der Wake-Up-Schaltung 40 in Serie zu einer Induktivität L1 der getakteten Spannungsquelle 112 oder (alternativ) parallel dazu geschaltet ist. Wie bereits beschrieben weist die getaktete Spannungsquelle 112 stets mindestens eine Induktivität L1 auf, wobei sie eine einzelne Spule (im Falle von nicht isolierten Wandlern) oder einen Transformator T_main mit einer ersten Induktivität bzw. Wicklung L1 und einer zweiten Induktivität bzw. Wicklung (im Falle eines isolierten Abwärtswandlers wie in den Ausführungsbeispielen beschrieben) aufweist. Der Teil der Schaltung, welcher mit der zweiten Wicklung verbunden ist, kann im selben Schaltungsbereich 11 vorgesehen sein wie der Rest der getakteten Spannungsquelle 112, oder in einem anderen Schaltungsbereich. Dies spielt für die Erfindung keine Rolle.
• Eine erste Ausführung wird mit Bezug zu 3, 4 und 7 beschrieben. Eine zweite Ausführung wird mit Bezug zu 5, 6 und 8 beschrieben. In beiden Ausführungen wird als getaktete Spannungsquelle 112 ein isolierter Abwärtswandler, auch als isolierter synchroner Abwärtswandler bezeichnet, verwendet. Dieser weist eine gekoppelte Spule (also einen Transformator) und einen isolierten zweiten Ausgang (Leistungsausgang 30) auf, welcher eine Sekundärspannung V_sec ausgibt. Die Taktung erfolgt über ein Schaltelement, das hier als Transistor gebildet und oben links direkt neben Vin+ (KI40) eingezeichnet ist. Die restlichen Komponenten der Schaltung müssen nicht erklärt werden, da der Fachmann den Aufbau solcher Wandler kennt. Wichtig ist, dass eine Induktivität L1 vorhanden ist, welche in den gezeigten Ausführungsbeispielen als Transformator T_main dargestellt ist. Hierbei ist die erste Wicklung als Induktivität L1 bezeichnet, da diese eine für die Erfindung wesentliche Referenz darstellt. Erfindungsgemäß ist zusätzlich eine Wake-Up-Schaltung 40 vorgesehen, welche in allen Ausführungen einen Transformator T_aux aufweist, dessen Primärwicklung 41 im ersten Schaltungsbereich 11 angeordnet ist und dessen Sekundärwicklung 42 im zweiten Schaltungsbereich 12 angeordnet ist.
• In einer ersten Ausführung ist die Primärwicklung 41 mit der Induktivität L1 in Serie verbunden, wie in 3 gezeigt. Dadurch fließt der Primärstrom von T_main auch in T_aux, magnetisiert diesen mit und erzeugt auf der Sekundärseite von T_aux, also in der Sekundärwicklung 42 eine Wake-Up-Spannung V_wake, die gleichgerichtet wird (V_wakeDC) und ein Wake-Up-Signal auslösen kann, d.h. eine Komponente im zweiten Schaltungsbereich 12 aufwecken kann (oder eine Information in den zweiten Schaltungsbereich 12 übertragen kann). Bei dieser Ausführung ist der Vorteil, dass bereits existierende Transformatoren oder einfache, gekoppelte Induktivitäten mit lediglich zwei Wicklungen für T_main verwendet werden können. Für T_aux kann ein noch kostengünstigerer Transformator verwendet werden, da die zu übertragende Leistung für V_wake sehr gering ist und die gleichgerichtete Spannung V_wakeDC ebenso meist nur klein sein muss, z.B. eine Threshold-Spannung eines MOSFETs oder eines Bipolartransistors. Außerdem ist es möglich und vorteilhaft, für T_aux einen Transformator mit einer Primärinduktivität 41 einzusetzen, die deutlich kleiner als die Induktivität L1 von T_main ist.
• In 4 ist dieselbe Ausführung wie in 3 gezeigt, allerdings mit einem zusätzlichen Schaltelement Q_aux1, welches z.B. als Transistor gebildet sein kann. Dieses zusätzliche Schaltelement Q_aux1 ist parallel zur Primärwicklung 41 angeordnet und geöffnet, wenn ein Wake-Up-Signal vom ersten Schaltungsbereich 11 in den zweiten Schaltungsbereich 12 übertragen werden soll. Nach erfolgter Auswertung des Wake-Up-Signals, z.B. Schalten eines Transistors, Auslesen per µ Contoller etc., wird das zur Primärwicklung 41 von T_aux parallel geschaltete Schaltelement Q_aux1, welches z.B. ein MOSFET ist, eingeschaltet (geschlossen). Dieses Schaltelement Q_aux1 überbrückt T_aux, womit T_main die volle Leistung zur Verfügung steht. Der Haupt-DCDC-Konverter (hier: isolierter Abwärtswandler) zur Versorgung von V_sec am Leistungsausgang 30 wird so durch T_aux nur noch minimal beeinflusst.
• In 7 sind Verläufe der Spannungen V_sec und V_wakeDC sowie ein Durchschalten des Wake-Up-Signals (AN) dargestellt. Hier ist zu sehen, dass die Sekundärspannung V_sec am Leistungsausgang 30 ansteigt, gefolgt von der Wake-Up-Spannung V_wakeDC, welche durch magnetische Energieübertragung von der Primärwicklung 41 auf die Sekundärwicklung 42 übertragen und gleichgerichtet wurde. Sobald die gleichgerichtete Wake-Up-Spannung V_wakeDC einen Schwellenwert (eines Bauteils) überschritten hat, schaltet das Wake-Up-Signal durch (senkrechte Linie, Zeitpunkt „AN“). Wenn kein Schaltelement Q_aux1 vorhanden ist, liegt weiterhin Spannung an der Primärwicklung 41 an und die Sekundärspannung V_sec am Leistungsausgang 30 erhält nicht die volle Leistung. Wenn aber ein Schaltelement Q_aux1 vorhanden ist, erhöht sich die Sekundärspannung V_sec deutlich schneller, wie in 7 dargestellt, sobald das Schaltelement Q_aux1 geschlossen (eingeschaltet, ON in 7) wird, da dann die Primärwicklung 41 überbrückt wird und die Sekundärspannung V_sec mit voller Leistung aufgebaut werden kann.
• In einer zweiten Ausführung ist die Primärwicklung 41 parallel zu der Induktivität L1 angeordnet, wie in 5 gezeigt. Dadurch fließt ein Teil des Stromes in T_main und ein Teil in T_aux. Der Teil in T_aux überträgt magnetisch Energie auf die Sekundärwicklung 42 und erzeugt eine Wake-Up-Spannung V_wake im zweiten Schaltungsbereich 12. Auch bei dieser Ausführung ist der Vorteil, dass bereits existierende Transformatoren oder einfache, gekoppelte Induktivitäten mit lediglich zwei Wicklungen für T_main verwendet werden können. Für T_aux kann ein noch kostengünstigerer Transformator verwendet werden, da die zu übertragende Leistung für V_wake sehr gering ist und die gleichgerichtete Spannung V_wakeDC ebenso meist nur klein sein muss, z.B. eine Threshold Spannung eines MOSFETs oder eines Bipolartransistors.
• In 6 ist dieselbe Ausführung wie in 5 gezeigt, allerdings mit einem zusätzlichen Schaltelement Q_aux2, welches z.B. als Transistor gebildet sein kann. Dieses Schaltelement Q_aux2 hilft, den Nachteil des parallel geschalteten Transformators T_aux zu lösen, da dieser dem T_main je nach Verhältnis der Primärinduktivitäten relativ viel Leistung nimmt. Insbesondere bei Verwendung eines T_aux mit einer kleinen Primärinduktivität (z.B. Planartransformator oder sehr günstiger Transformator) fließt der meiste Primärstrom über T_aux und kaum Strom über T_main. Damit wird zunächst am Leistungsausgang 30 kaum Sekundärspannung V_sec erzeugt. Dies wird durch das zusätzliche Schaltelement Q_aux2, welches in Serie zur Primärwicklung 41 angeordnet ist, verbessert. Es ist stets geschlossen, spätestens aber dann, wenn ein Wake-Up-Signal vom ersten Schaltungsbereich 11 in den zweiten Schaltungsbereich 12 übertragen werden soll.
• Wenn der DCDC-Konverter (der getakteten Spannungsquelle 112) anläuft, erhält je nach Dimensionierung der T_aux am meisten Energie und eine Wake-Up-Spannung V_wake wird erzeugt. Die Sekundärspannung V_sec ist dabei aber eventuell sehr klein.
• Nach einer bestimmten Zeit oder nach erfolgter Auswertung des Wake-Up-Signals, z.B. Schalten eines Transistors, Auslesen per µ Contoller etc., wird das zur Primärwicklung 41 von T_aux in Serie geschaltete Schaltelement Q_aux2, welches z.B. ein MOSFET ist, ausgeschaltet (geöffnet, OFF in 8). Dadurch wird T_aux aus dem Stromkreis genommen, der gesamte Primärstrom des DCDC-Konverters fließt durch die Induktivität L1 von T_main. Damit wird eine leistungsfähige Spannung (Sekundärspannung V_sec) am Leistungsausgang 30 erzeugt. Der Haupt-DCDC-Konverter (hier: isolierter Abwärtswandler) zur Versorgung von V_sec am Leistungsausgang 30 wird so durch T_aux nur noch minimal beeinflusst.
• In 8 sind Verläufe der Spannungen V_sec und V_wakeDC sowie ein Durchschalten des Wake-Up-Signals (AN) dargestellt. Hier ist zu sehen, dass die Sekundärspannung V_sec am Leistungsausgang 30 ansteigt, gefolgt von der Wake-Up-Spannung V_wakeDC, welche durch magnetische Energieübertragung von der Primärwicklung 41 auf die Sekundärwicklung 42 übertragen und gleichgerichtet wurde. Sobald die Wake-Up-Spannung V_wakeDC einen Schwellenwert (eines Bauteils) überschritten hat, schaltet das Wake-Up-Signal durch (senkrechte Linie, Zeitpunkt „AN“). Wenn kein Schaltelement Q_aux2 vorhanden ist, liegt weiterhin Spannung an der Primärwicklung 41 an und die Sekundärspannung V_sec am Leistungsausgang 30 erhält nicht die volle Leistung. Wenn aber, wie in 8 dargestellt, ein Schaltelement Q_aux2 vorhanden ist, erhöht sich die Sekundärspannung V_sec deutlich schneller, sobald das Schaltelement Q_aux2 geöffnet, d.h. der Strompfad über die Primärwicklung 41 unterbrochen wird.
• In beiden Ausführungen kann T_aux auch als ein Planartransformator in der Leiterplatte der Schaltungsanordnung eingesetzt werden, was besonders kostengünstig ist.
• In beiden Ausführungen kann das Schalten des Schaltelements Q_aux1 , Q_aux2 unterschiedlich erfolgen. Es kann nach einer fest vorgegebenen Zeitspanne schalten, nachdem die Spannung von der getakteten Spannungsquelle 112 erhalten wird. Es kann aber auch aktiv geschaltet werden, wenn eine Erfassung erfolgt ist, dass das Wake-Up-Signal angekommen und das aufzuweckende Bauteil wach ist (oder die Information übertragen wurde). In der ersten Ausführung (Serienschaltung) kann auch ein Anschalten des Schaltelements Q_aux1 erfolgen, wenn die Primärspannung V_prim am DCDC-Konverter (Kondensator C_prim rechts unten in den 3-6) einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
• Die Schaltungsanordnung ist in der Regel auf einer Leiterplatte angeordnet, die Teil eines Inverters eines Elektronikmoduls zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs ist.
• Die Spule bzw. der Transistor T_main sind vorteilhaft als separate Bauteile gebildet, die auf einer Leiterplatte befestigt werden können. Die Primärwicklung 41 der Wake-Up-Schaltung 40 kann als separates Bauteil (bzw. zusammen mit der Sekundärwicklung 42) ausgeführt sein, ist aber vorteilhaft als Planarspule oder als Planartransformator, also in der Leiterplatte integriert, ausgeführt. Planarspule bzw. Planartransformator können unterhalb der Induktivität L1 vorgesehen sein.
• Die Primärwicklung 41 ist im Schaltungsbereich 11 und die Sekundärwicklung 42 ist im Schaltungsbereich 12 derart vorgesehen, dass das dazwischen erzeugte Magnetfeld über die Isolationsbarriere 20 reicht. Es erfolgt also eine magnetische Kopplung.
• Auf Seite des ersten Schaltungsbereichs 11 sind Bauelemente 111, 112 vorgesehen, welche eine Detektion eines Ereignisses (Controller 111) und eine darauffolgende Übermittlung (getaktete Spannungsquelle 112) eines Spannungssignals als Signalspannung an die Primärwicklung 41, welche sich im ersten Schaltungsbereich 11 befindet, über die Induktivität L1 durchführen.
• 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 DCDC-Controller mit Komparator sein kann, der ab einer bestimmten Schwelle 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. 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 zu der getakteten Spannungsquelle 112 durchschaltet, welche mindestens einen DCDC-Konverter und eine Induktivität L1 aufweist.
• Im Bereich der Sekundärwicklung 42 (zweiter Schaltungsbereich 12) ist eine Signalerzeugungsschaltung 121, 122 vorgesehen, durch welche die an die Sekundärwicklung 42 übertragene Wake-Up-Spannung V_wake nach einem Gleichrichten in ein Steuersignal gewandelt und als ein Steuerbefehl (z.B. wake-up) an ein Steuerelement 123, also z.B. einen IC, einen Mikrocontroller, ASIC etc., ausgegeben wird.
• Es ist z.B. eine Gleichrichterschaltung (dargestellt als Diode und Kondensator in den Figuren) vorgesehen, um die als Wechselspannung erzeugte Wake-Up-Spannung V_wake in eine Gleichspannung V_wakeDC zu wandeln. Das resultierende Steuersignal kann entweder direkt an das anzusteuernde Steuerelement 123 ausgegeben werden, oder es ist vorteilhaft zusätzlich ist eine Auswerteschaltung 121, 122 vorgesehen, welche das Steuersignal noch einmal auf ein Überschreiten eines vorgegebenen Schwellenwerts überprüft und das Steuersignal erst dann durchlässt, wenn der Schwellenwert überschritten ist, d.h. wenn die anliegende Spannung hoch genug ist. Als Auswerteschaltung 121, 122 kann eine Zenerdiode in Kombination mit einem Bipolartransistor vorgesehen sein, oder jede andere, zur Überprüfung von Schwellenwerten geeignete Schaltung. Es können somit auch ein Bipolartransistor oder ein MOSFET mit oder ohne Zenerdiode vorgesehen sein. Es kann auch ein Komparator vorgesehen sein. Allerdings sind einfachere Schaltungen ohne eigenen Versorgungsstromverbrauch bevorzugt, also kein Komparator-IC mit Spannungsversorgung, da vor dem Wake-Up der (Ruhe-)Stromverbrauch i.d.R. äußerst niedrig (im µA-Bereich) sein sollte.
• Grundsätzlich kann auch vorgesehen sein, dass das Steuersignal verstärkt wird, bevor es an die Auswerteschaltung 121, 122 ausgegeben wird. Somit können sehr schwache Signale, insbesondere Signale, die kein Wake-Up-Signal sind, ausgewertet werden.
• Die Auswerteschaltung 121, 122 lässt erst ab Überschreiten einer vorgegebenen Spannungsschwelle die Spannung zum Steuerelement 123 durch. 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 anzuwenden.
• Die Schaltungsanordnung ist in der Regel auf einer Leiterplatte realisiert, d.h. die Bauelemente sind entsprechend darauf angeordnet bzw. angelötet oder anders daran befestigt.
• 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 Primärwicklung 41 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.
• 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.
• 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.
• Bezugszeichenliste

11

erster Schaltungsbereich

111

Controller

112

DCDC-Konverter

12

zweiter Schaltungsbereich

121, 122

Auswerteschaltung der Signalerzeugungsschaltung

123

Steuerelement, z.B. IC, Mikrokontroller

20

Isolationsbarriere

30

Leistungsausgang

40

Wake-Up-Schaltung

41

Primärspule

42

Sekundärspule

L1

Induktivität

V_wake

Wake-Up-Spannung

V_wakeDC

gleichgerichtete Wake-Up-Spannung

V_sec

Sekundärspannung am Wandler

Q_aux1

Schaltelement

Q_aux2

Schaltelement

V_prim

Primärspannung am Wandler

C_prim

Primärkondensator

Claims (13)

1. Schaltungsanordnung, aufweisend zwei voneinander über eine Isolationsbarriere (20) getrennte Schaltungsbereiche (11, 12), wobei zur Signalübermittlung mindestens eines in einem ersten Schaltungsbereich (11) mittels einer getakteten Spannungsquelle (112) erzeugten Signals in einen zweiten Schaltungsbereich (12) eine Wake-Up-Schaltung (40) vorgesehen ist, welche einen Transformator (T_aux) aufweist, dessen Primärwicklung (41) im ersten Schaltungsbereich (11) angeordnet ist und dessen Sekundärwicklung (42) im zweiten Schaltungsbereich (12) angeordnet ist, wobei die Schaltungsanordnung derart ausgelegt ist, dass bei Detektion eines vorgegebenen Ereignisses im ersten Schaltungsbereich (11) die Primärwicklung (41) derart getaktet betrieben wird, dass an der Sekundärwicklung (42) im zweiten Schaltungsbereich (12) eine Wake-Up-Spannung (V_wake) erzeugt wird, und wobei ferner eine Signalerzeugungsschaltung (121, 122) vorgesehen ist, die derart gebildet ist, dass die Wake-Up-Spannung (V_wake) auf einen Schwellenwert überprüft wird, und wenn der Schwellenwert überschritten ist, ein Steuersignal an ein Steuerelement (123) ausgegeben wird, und wobei die Primärwicklung (41) mit einer Induktivität (L1) der getakteten Spannungsquelle (112) in Serie geschaltet ist und ein parallel zur Primärwicklung (41) angeordnetes Schaltelement (Q_aux1) vorgesehen ist, welches dazu eingerichtet ist, die Primärwicklung (41) zu überbrücken, oder die Primärwicklung (41) mit einer Induktivität (L1) der getakteten Spannungsquelle (112) parallel geschaltet ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Primärwicklung (41) als ein separates Bauteil oder als in eine die Schaltungsanordnung tragende Leiterplatte integrierte Planarspule gebildet ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Falle, dass die Primärwicklung (41) parallel zu der Induktivität (L1) des Leistungsausgangs (30) geschaltet ist, ein mit der Primärwicklung (41) in Serie angeordnetes Schaltelement (Q_aux2) vorgesehen ist, welches dazu eingerichtet ist, die Primärwicklung (41) elektrisch von der Induktivität (L1) abzukoppeln.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Schaltelement (Q_aux1 ; Q_aux2) als Transistor gebildet ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die getaktete Spannungsquelle (112) ein DCDC-Konverter ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, wobei der DCDC-Konverter ein Aufwärtswandler, ein Abwärtswandler, ein Sperrwandler, ein Flusswandler oder ein isolierter Abwärtswandler ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltungsbereiche (11, 12) gleiche oder unterschiedliche Spannungsbereiche aufweisen, wobei Spannungsbereiche Spannungen von 12V oder 24V oder 48V oder 400-800V umfassen.
8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltungsbereiche (11, 12) galvanisch voneinander getrennt sind.
9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das im ersten Schaltungsbereich (11) erzeugte und in den zweiten Schaltungsbereich (12) zu übermittelnde Signal - ein wake-up Signal ist, um einen als Steuerelement (123) gebildeten IC oder einen Mikrokontroller aufzuwecken, oder - ein Signal ist, um eine Information zwischen erstem und zweitem Schaltungsbereich (11, 12) zu übermitteln, oder - ein Signal ist, um eine Komponente im zweiten Schaltungsbereich (12) anzusteuern.
10. Leiterplatte (10) mit einer darauf angeordneten Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die Teil eines Inverters eines Elektronikmoduls zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs ist.
11. Elektroantrieb eines Fahrzeugs, aufweisend ein Elektronikmodul zur Ansteuerung des Elektroantriebs, das einen Inverter mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.
12. Fahrzeug, aufweisend einen Elektroantrieb nach Anspruch 11.
13. Verfahren zur Ansteuerung der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei - im Falle, dass das Schaltelement (Q_aux1) parallel zur Primärwicklung (41) angeordnet ist, das Schaltelement (Q_aux1) geöffnet ist, damit ein von der getakteten Spannungsquelle (112) zur Induktivität (L1) fließender Primärstrom auch zur Primärspule (41) fließt, wobei das Schaltelement (Q_aux1) entweder nach einem vorgegebenen Zeitraum geschlossen wird, oder basierend auf einer Auswertung geschlossen wird, durch welche ermittelt wurde, dass die Wake-Up-Spannung (V_wake) den Schwellenwert überschritten hat, oder im Falle, dass das Schaltelement (Q_aux2) in Serie zur Primärwicklung (41) angeordnet ist, das Schaltelement (Q_aux2) geschlossen ist, damit ein von der getakteten Spannungsquelle (112) zur Induktivität (L1) fließender Primärstrom auch zur Primärspule (41) fließt, wobei das Schaltelement (Q_aux2) entweder nach einem vorgegebenen Zeitraum geöffnet wird, oder basierend auf einer Auswertung geöffnet wird, durch welche ermittelt wurde, dass die Wake-Up-Spannung (V_wake) den Schwellenwert überschritten hat.

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