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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Strombegrenzung und ein elektrisches System mit einer solchen Schaltungsanordnung.
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Aus dem Stand der Technik sind elektrische Systeme wie Antriebsstränge batterieelektrisch angetriebener Fahrzeuge bekannt, in welchen Fehlerzustände, insbesondere niederimpedante Kurzschlüsse ermittelt werden und in welchen im Fehlerfall geeignete Maßnahmen zur Begrenzung und/oder Verhinderung von Beschädigungen von Komponenten der elektrischen Systeme ausgeführt werden.
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Insbesondere in batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugen ist es wichtig, einen elektrischen Kurzschluss, beispielsweise in einem Stromkreis zwischen einer Traktionsbatterie und einem Inverter, im Millisekundenbereich zu unterbinden. Herkömmlicherweise wird hierfür eine Spannung über einem Shunt mittels einer Messelektronik überwacht, um bei einer Überschreitung einer bestimmten Spannung ein pyrotechnisches Batterietrennsystem (engl. pyrofuse) anzusteuern, sodass ein den Kurzschluss aufweisender Stromkreis unterbrochen wird.
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DE 102019202163 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Abschalten einer Batteriezelle in einem Batteriesystem eines Fahrzeugs im Falle eines elektrischen Kurzschlusses. Hierzu wird ein Messelement verwendet, um eine Messspannung basierend auf einem Stromstärkegradienten zu erzeugen. Über eine mit dem Messelement verbundene Analogschaltung wird der Kurzschluss erkannt, wobei die Analogschaltung einen Schalter ansteuert, um den Stromfluss zu unterbrechen.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltungsanordnung zur Strombegrenzung vorgeschlagen, welche vorteilhaft in einem batterieelektrisch betriebenen Fahrzeug einsetzbar ist, um beispielsweise eine Traktionsbatterie und/oder weitere Komponenten, insbesondere eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs im Falle eines auftretenden Überstroms vor einer Beschädigung zu schützten. Es sei darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nicht auf einen solchen Anwendungsbereich beschränkt ist und grundsätzlich in beliebigen elektrischen Systemen vorteilhaft einsetzbar ist.
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Die Schaltungsanordnung weist eine Induktivität, einen Begrenzungswiderstand, einen Gate-Widerstand, einen Gate-Treiber, eine Strombegrenzungssteuerschaltung und einen Halbleiterschalter auf, wobei ein Ausgangsanschluss der Strombegrenzungssteuerschaltung über den Begrenzungswiderstand mit einem Steuereingang (i. d. R. einem Gate-Anschluss) des Halbleiterschalters verbunden ist. Der Begrenzungswiderstand ist beispielsweise als eigenständiges Bauelement und/oder als intrinsischer Ausgangswiderstand der Schaltungsanordnung und/oder als elektrische Verbindung des Ausgangsanschlusses der Strombegrenzungssteuerungsschaltung mit dem Steuereingang des Halbleiterschalters und/oder diskret und/oder integriert ausgebildet.
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Die Strombegrenzungssteuerschaltung ist eingerichtet, eine Ausgangsimpedanz der Strombegrenzungssteuerungsschaltung am Ausgangsanschluss zu verändern, um den Halbleiterschalter dadurch anzusteuern.
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Der Gate-Treiber ist über den Gate-Widerstand mit dem Steuereingang des Halbleiterschalters und dadurch zusätzlich mit dem Begrenzungswiderstand verbunden und er ist eingerichtet, den Halbleiterschalter zum Öffnen und zum Schließen anzusteuern (das Schließen schließt explizit auch mögliche Ansteuerungszustände zwischen einem vollständigen Schließen und einem vollständigen Öffnen des Halbleiterschalters mit ein). Mit anderen Worten bilden der Gate-Widerstand und der Begrenzungswiderstand einen Spanungsteiler aus, welcher in Abhängigkeit der Ausgangsimpedanz der Strombegrenzungssteuerungsschaltung eingestellt wird.
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Der Halbleiterschalter ist eingerichtet, einen Strom in einem Stromkreis zwischen einer elektrischen Energiequelle (nachfolgend verkürzt auch „Energiequelle“ genannt) und einer elektrischen Last (nachfolgend verkürzt auch „Last“ genannt) in Abhängigkeit einer Ansteuerung durch die Strombegrenzungssteuerschaltung einzustellen. Hierfür ist eine Laststrecke des Halbleiterschalters (i. d. R. ein Kanal zwischen einem Source- und einem Drain-Anschluss des Halbleiterschalters) in Reihe zwischen die Energiequelle und die Last geschaltet.
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Die Induktivität ist eingerichtet, über einen ersten Anschluss direkt oder indirekt (z. B. über weitere Komponenten wie Schalter, Leitungen, usw.) mit einem Anschluss der elektrischen Energiequelle und über einen zweiten Anschluss direkt oder indirekt (z. B. über weitere Komponenten wie Schalter, Leitungen, usw.) mit einem Anschluss der Last verbunden zu werden.
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Ein erster Eingangsanschluss der Strombegrenzungssteuerschaltung ist mit dem ersten Anschluss der Induktivität elektrisch verbunden und ein zweiter Eingangsanschluss der Strombegrenzungssteuerschaltung ist mit dem zweiten Anschluss der Induktivität elektrisch verbunden, sodass eine über der Induktivität abfallende Spannung, welche durch einen überstrombedingten Stromgradienten in dem durch die Energiequelle und durch die Last gebildeten Stromkreis hervorgerufen wird, am Eingang der Strombegrenzungssteuerschaltung anliegt.
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Auf diese Weise ist die Strombegrenzungssteuerschaltung eingerichtet, den überstrombedingten Spannungsabfall über der Induktivität zu erfassen und als Reaktion darauf ihre Ausgangsimpedanz zu reduzieren, um somit auf Basis eines Spannungsabfalls über dem Begrenzungswiderstand eine Ausgangsimpedanz des Hableiterschalters zu erhöhen, sodass die erhöhte Ausgangsimpedanz im Halbleiterschalter dem Überstrom entgegenwirkt.
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Unter einem überstrombedingten Spannungsabfall kann insbesondere ein Spannungsabfall verstanden werden, der durch einen Kurzschluss im Stromkreis verursacht wird. Alternativ oder zusätzlich kann unter dem überstrombedingten Spannungsabfall allgemeiner ein Spannungsabfall verstanden werden, welcher durch einen Stromgradienten im Stromkreis verursacht wird, der einen für den Stromkreis vordefinierten zulässigen Stromgradienten überschreitet. Beispielsweise lässt sich die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung derart auslegen, dass einem auftretenden Kurzschluss durch die Schaltungsanordnung bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt entgegengewirkt wird, zu dem ein für den Kurzschluss charakteristischer Stromgradient erreicht ist, wodurch eine besonders schnelle Kurzschlussgegensteuerung umsetzbar ist.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bietet neben der besonders schnellen Erkennung und schnellen Handhabung eines Überstroms u. a. die Vorteile, dass Komponenten innerhalb des Stromkreises, in dem die Schaltungsanordnung eingesetzt wird, zuverlässig vor einer Beschädigung durch einen Überstrom geschützt werden können. Sie bietet zudem den Vorteil, dass durch eine geeignete Festlegung elektrischer Parameter der Schaltungsanordnung eine Energieversorgung der Last und/oder weiterer Lasten im Stromkreis automatisch wiederaufgenommen werden kann, sobald der überstrombedingte Stromgradient abklingt. Ein solcher Fall ist beispielsweise dann denkbar, wenn der Überstrom durch einen in den Stromkreis eingekoppelten zeitlich begrenzten Störimpuls und/oder ähnliche temporär auftretenden Ereignisse verursacht wird. Dadurch lässt sich eine Verfügbarkeit von Komponenten des Stromkreises erhöhen, was sich insbesondere bei einer Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung im Zusammenhang mit einer Überwachung eines Antriebsstrangs eines batterieelektrisch angetriebenen Fahrzeugs vorteilhaft auswirken kann.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Halbleiterschalter ein Leistungshalbleiterschalter, alternativ oder zusätzlich ein MOSFET, ein IGBT, oder ein JFET, und weiter alternativ oder zusätzlich ein Si, ein SiC, oder ein GaN basierter Halbleiterschalter. Zudem ist es möglich, dass der Halbleiterschalter ein toplogischer Halbleiterschalter ist, welcher aus einer Vielzahl (z. B. zwei, drei, vier oder mehr) parallelgeschalteter Einzelhalbleiterschalter ausgebildet ist. Letzteres lässt sich insbesondere dann vorteilhaft einsetzen, wenn hohe Ströme mittels des Halbleiterschalters zu schalten und/oder zu reduzieren sind. Besonders vorteilhaft ist die Strombegrenzungsschaltung als Analogschaltung ausgebildet, da auf diese Weise eine besonders schnelle Reaktion der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung auf einen vorliegenden Überstrom ermöglicht wird.
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Die Induktivität ist bevorzugt eine parasitäre Induktivität und/oder ein diskretes Bauelement und/oder eine Spule und/oder ein Transformator. Alternativ oder zusätzlich ist die Induktivität eine Induktivität eines Shunt-Widerstandes und/oder einer Leitung und/oder eines Leitungsabschnittes des Stromkreises und/oder einer Stromschiene und/oder einer Leiterbahn einer Leiterplatte. Insbesondere in dem Fall, in dem die Induktivität eine parasitäre Induktivität einer ohnehin vorhandenen Komponente des Stromkreises ist, lässt sich eine besonders kostengünstige und einfache Umsetzung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erreichen. Die parasitäre Induktivität eines Shunt-Elements ist beispielsweise präzise durch die geometrischen Dimensionen des Shunt-Elements festlegbar. Zudem ist es möglich, mittels eines oder mehrerer zusätzlich hinzugefügter Abgriffe an einer bestehenden Komponente des Stromkreises (z. B. an besagtem Shunt-Element) einen geeigneten Wert für die erfindungsgemäß benötigte Induktivität auf flexible Weise einzustellen.
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Vorteilhaft ist die Schaltungsanordnung eingerichtet, die überstrombedingt erhöhte Ausgangsimpedanz des Halbleiterschalters dauerhaft aufrechtzuerhalten (z. B. auf Basis einer Latch-Schaltung), sodass eine Reduzierung des Spannungsabfalls über der Induktivität nach einem überstrombedingten Stromgradienten nicht zu einer vollen Wiederaufsteuerung des Halbleiterschalters führt, obwohl die Ursache des Überstroms (z. B. ein Kurzschluss) nach wie vor vorhanden ist. Alternativ ist es möglich, die erhöhte Ausgangsimpedanz nach einem vordefinierten Zeitraum auf einen ursprünglichen Wert vor dem Auftreten des Überstroms zurückzuführen, wenn sich der Spannungsabfall über der Induktivität reduziert. Dies bietet u. a. den Vorteil, dass kurzzeitig auftretende Überströme, welche beispielsweise durch eingekoppelte Störpulse verursacht werden, nicht zu einer dauerhaften Reduzierung der Ausgangsimpedanz des Halbleiterschalters führen. Der vordefinierte Zeitraum ist vorteilhaft in Abhängigkeit einer erwarteten Dauer potentiell auftretender Störpulse und/oder davon abweichender überstromverursachender Ereignisse festgelegt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Schaltungsanordnung eingerichtet, ein den Spannungsabfall über der Induktivität repräsentierendes Signal vor der Verarbeitung durch die Strombegrenzungssteuerschaltung mittels eines Tiefpasses, insbesondere mittels eines RC-Tiefpasses, einer Tiefpassfilterung zu unterziehen, welche insbesondere eingerichtet ist, auf den Stromkreis einwirkende Störsignale zu glätten bzw. zu reduzieren. Weiter vorteilhaft weist die Schaltungsanordnung einen Entladewiderstand auf, welcher parallel zu einem Kondensator des RC-Tiefpasses geschaltet ist und welcher in Abhängigkeit einer gewünschten Dauer der Strombegrenzung zwischen der Energiequelle und der Last festgelegt ist. Weiter alternativ oder zusätzlich ist zwischen den zweiten Anschluss der Induktivität und den zweiten Eingangsanschluss der Strombegrenzungssteuerschaltung eine Diode geschaltet, welche einerseits dafür sorgt, dass eine Überstromerkennung bzw. Überstromreaktion durch die Strombegrenzungssteuerschaltung nur dann erfolgt, wenn ein positiver Stromgradient vorliegt und welche anderseits geeignet ist, geringe Spannungsabfälle (z. B. durch Störimpulse verursacht) über der Induktivität durch ihre Vorwärtsspannung herauszufiltern, sodass solche Spannungsabfälle nicht zu einer Reduzierung des Laststroms im Stromkreis führen.
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Vorzugsweise ist die Schaltungsanordnung eingerichtet, einen Stromfluss durch den Halbleiterschalter vollständig zu unterbinden, falls eine vordefinierte erste Spannungsschwelle durch den Spannungsabfall über der Induktivität überschritten wird. Dies erfolgt beispielsweise durch eine Abschaltschaltung, deren Eingang ebenfalls mit den Anschlüssen der Induktivität verbunden ist und deren Ausgang direkt mit dem Steueranschluss des Halbleiterschalters verbunden ist, sodass der Steuereingang des Halbleiterschalters in Richtung des Source-Potentials oder vorzugsweise auf das Source-Potential des Halbleiterschalters gezogen wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Begrenzungswiderstand ein linearer und/oder ein nichtlinearer Begrenzungswiderstand und insbesondere eine Zener-Diode. Im Fall einer Verwendung einer Zener-Diode ergibt sich der Vorteil, dass der Spannungsteiler aus dem Gate-Widerstand und dem Begrenzungswiderstand nicht in Abhängigkeit der konkreten Ausgestaltung der Schaltungsanordnung festgelegt werden muss, da stattdessen der im Wesentlichen konstante Spannungsabfall über der Zenerdiode (z. B. 6 V) für die Ansteuerung des Steuereingangs des Halbleiterschalters maßgeblich ist. Vorzugsweise ist die Strombegrenzungssteuerschaltung auf Basis eines Bipolartransistors und/oder auf Basis eines MOSFET ausgebildet ist, dessen Ausgangsimpedanz im Falle eines vorliegenden Überstroms durch eine Ansteuerung eines Steuereingangs des Bipolartransistors oder des MOSFET angepasst wird.
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Weiter bevorzugt ist die Schaltungsanordnung eingerichtet, die Ausgangsimpedanz der Strombegrenzungssteuerschaltung erst dann zu reduzieren, wenn der Spannungsabfall über der Induktivität eine vordefinierte zweite Spannungsschwelle überschreitet. Dies ist beispielsweise auf Basis der oben beschriebenen Diode und/oder auf Basis einer Vorwärtsspannung eines für die Änderung der Ausgangsimpedanz der Strombegrenzungssteuerschaltung verwendbaren Bipolartransistors festlegbar.
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Die elektrische Energiequelle ist beispielsweise eine Batterie und insbesondere eine Antriebsbatterie für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug. Die Batterie ist beispielsweise zum Bereitstellen einer Spannung im Bereich von 48 V bis 1000 V und bevorzugt zwischen 200 V und 800 V eingerichtet, ohne dadurch eine Einschränkung auf vorgenannte Spannungsbereiche vorzunehmen. Die Last ist bevorzugt ein Inverter für einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs und/oder ein Klimakompressor und/oder eine elektrische Heizung und/oder ein On-Board-Charger, usw. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung besonders dann vorteilhaft anwendbar, wenn die Last parallel zu einem Zwischenkreiskondensator geschaltet ist, durch welchen im Falle eines Kurzschlusses in der Last und/oder in einem anderen Teilbereich des Stromkreises, ein besonders hoher Stromgradient erzeugt wird, da sich eine Induktivität der Batterie im Kurzschlussfall zunächst nicht strombegrenzend auswirkt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektrisches System vorgeschlagen, welches eine Schaltungsanordnung nach vorstehender Beschreibung, eine elektrische Energiequelle (z. B. eine Batterie), eine Last (z. B. ein Inverter in Verbindung mit einem Elektromotor) und ein Bordnetz für ein Fahrzeug aufweist. Das Fahrzeug ist beispielsweise ein PKW, ein LKW, ein Bus, ein Schienenfahrzeug oder ein Zweirad. Das Bordnetz ist u. a. eingerichtet, elektrische Energie der elektrischen Energiequelle an die Last zu übertragen. Die Schaltungsanordnung ist eingerichtet, einen Strom zwischen der Last und der elektrischen Energiequelle mittels einer Ansteuerung des Halbleiterschalters zu reduzieren, falls ein über das Bordnetz fließender Strom einem Überstrom entspricht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
- 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen elektrischen Systems mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Strombegrenzung gemäß einer ersten Ausführungsform; und
- 2 ein Schaltbild einer Strombegrenzungssteuerschaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen elektrischen Systems mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 5 gemäß einer ersten Ausführungsform. Das elektrische System ist hier ein elektrisches System eines Antriebsstrangs eines batterieelektrisch angetriebenen Fahrzeugs.
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Das elektrische System weist neben der Schaltungsanordnung 5 zur Strombegrenzung eine als Batterie 30 eines Antriebsstrangs des Fahrzeugs ausgebildete elektrische Energiequelle, eine als Inverter 40 des Antriebsstrangs ausgebildete Last, einen parallel zum Inverter 40 geschalteten Kondensator CL und ein Bordnetz 80 des Fahrzeugs auf. Der Kondensator CL ist beispielsweise für eine Stabilisierung einer Bordnetzspannung vorgesehen. Im Falle eines auftretenden Kurzschlusses im Inverter 40 wird dieser daher zunächst durch den Kondensator CL gespeist und nicht durch die Batterie 30.
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Die Schaltungsanordnung 5 weist eine Induktivität L auf, welche mit einem ersten Anschluss L1 mit einem Anschluss 32 der Batterie 30 verbunden ist und welche mit einem zweiten Anschluss L2 über einen MOSFET 20 (z. B. ein SiC-MOSFET), welcher auch aus einer Mehrzahl parallelgeschalteter SiC-MOSFETs 20 zusammengesetzt sein kann, mit einem Anschluss 42 des Inverters 40 verbunden ist. Die Induktivität L ist hier eine parasitäre Induktivität L eines Shunt-Widerstandes.
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Die Induktivität L ist vorteilhaft möglichst nahe (z. B. im Abstand einiger Millimeter bis einiger Zentimeter) am Source-Anschluss des MOSFET 20 angeschlossen, um bei auftretenden hohen Stromgradienten einen zusätzlichen Spannungsabfall am Gate-Anschluss 22 des MOSFET 20 über eine Streuinduktivität zwischen Source und einer Strombegrenzungssteuerschaltung 10 der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 5 zu vermeiden.
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Die Schaltungsanordnung weist ferner einen Gate-Treiber 25 auf, welcher über einen Gate-Widerstand RG mit dem Gate-Anschluss 22 des MOSFET 20 und mit dem Begrenzungswiderstand RB elektrisch verbunden ist und eingerichtet ist, den MOSFET 20 zum Öffnen und zum Schließen anzusteuern. Für eine erfindungsgemäße Kurzschlussüberwachung ist daher von einer Ansteuerung des MOSFET 20 durch den Gate-Treiber 25 auszugehen, bei welcher der MOSFET 20 geschlossen ist, sodass ein Strom I zwischen der Batterie 30 und dem Inverter 40 fließen kann.
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Die Strombegrenzungssteuerschaltung 10 ist eingerichtet, eine Ausgangsimpedanz der Strombegrenzungssteuerungsschaltung 10 an einem Ausgangsanschluss 12 der Strombegrenzungssteuerschaltung 10 zu verändern, um den MOSFET 20 unabhängig von einer aktuellen Ansteuerung des MOSFET 20 durch den Gate-Treiber 25 anzusteuern. Mit anderen Worten ist die Strombegrenzungssteuerschaltung 10 eingerichtet, einen Grad einer Aufsteuerung des MOSFET 20 auch dann anzupassen, wenn durch den Gate-Treiber 25 parallel eine Gate-Spannung zur vollen Aufsteuerung des MOSFET 20 (z. B. 18 V) bereitgestellt wird.
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Die Strombegrenzungssteuerschaltung 10 ist über einen ersten Eingangsanschluss 14 mit dem ersten Anschluss L1 der Induktivität L verbunden und sie ist über einen zweiten Eingangsanschluss 16 mit dem zweiten Anschluss L2 der Induktivität L verbunden.
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Über jeweilige Vorwärtsspannungen einer Diode D1 und eines Bipolartransistors 60 der Strombegrenzungssteuerschaltung 10 wird ein Einfluss kleinerer Störimpulse auf die Strombegrenzungssteuerschaltung 10 verhindert, indem diese eine zweite Spannungsschwelle festlegen, welche durch die Spannung VL mindestens erreicht werden muss, um die erfindungsgemäße Strombegrenzung auszuführen.
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Die Diode D1 ist zudem eingerichtet, Schwingungen zu dämpfen bzw. zu verhindern und die induzierte Spannung VL gleichzurichten, sodass die Kurzschlusserkennung nur in Entladerichtung des Kondensators CL arbeitet. Über den Bipolartransistor 60 wird schließlich die Ausgangsimpedanz der Strombegrenzungssteuerschaltung 10 eingestellt.
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Im Falle eines niederimpedanten Kurzschlusses im vorliegenden Stromkreis liegt eine in der Induktivität L induzierte Spannung VL als Eingangsgröße am Eingang 14, 16 der Strombegrenzungssteuerschaltung 10 an. Der aufgrund der anliegenden Spannung VL leitende Bipolartransistor 60 führt über den Widerstand RB entsprechend zu einem Herabsetzen der Gate-Source-Spannung VGS am MOSFET 20, zum Beispiel von einem Spannungswert von 18 V auf einen Spannungswert 6 V, wodurch der Strom I im Stromkreis auf einen gewünschten Stromwert begrenzt wird.
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Über einen Widerstand RD und einen Stromfluss zwischen Basis und Emitter des Bipolartransistors 60 wird eine Zeitdauer festgelegt, für welche eine Gate-Source-Spannung VGS des MOSFET 20 reduziert wird, bis die Gate-Source-Spannung VGS wieder auf beispielsweise 18 V ansteigt. Ein durch den Stromfluss zwischen Basis und Emitter des Bipolartransistors 60 erzeugter Spannungsabfall ist mittels der Basis-Emitter-Spannung VBE gekennzeichnet.
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Der Widerstand RF und der Kondensator C bilden einen Tiefpass 50, welcher zusätzlich eine Filterung unkritischer Störpulse bewirkt.
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Es ist denkbar, die Schaltungsanordnung 5 mittels einer Latch-Schaltung zu erweitern, welche eingerichtet ist, die Gate-Source-Spannung VGS des MOSFET 20 nach einem aufgetretenen Kurzschluss dauerhaft auf dem begrenzten Stromwert zu halten.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, den MOSFET 20 mittels einer Erweiterung der Schaltungsanordnung 5 nach dem erfindungsgemäßen Absenken des Stroms I aufgrund eines hohen Stromgradienten vollständig zu öffnen, um den Stromkreis vollständig zu unterbrechen. Die vollständige Unterbrechung wird vorteilhaft bei einer Überschreitung einer ersten vordefinierten Spannungsschwelle durch die Spannung VL ausgeführt.
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Zudem ist es möglich, den Begrenzungswiderstand RB durch eine Zener-Diode zu ersetzen um eine durch die Zener-Diode vorgegebene Spannung für die Ansteuerung des Gates des MOSFET 20 zu verwenden.
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Ferner sei darauf hingewiesen, dass die Induktivität L alternativ im dem Zweig zwischen der Batterie 30 und dem Inverter 40 angeordnet sein kann, in dem der MOSFET 20 in 1 nicht angeordnet ist. Zudem ist es möglich, den MOSFET 20 ebenfalls in diesem anderen Zweig anzuordnen.
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2 zeigt ein Schaltbild einer Strombegrenzungssteuerschaltung 10 einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 5 gemäß einer zweiten Ausführungsform, wobei diese Strombegrenzungssteuerschaltung 10 insbesondere für eine Kurzschlusserkennung und eine Strombegrenzung bei sehr geringer zur Verfügung stehender Induktivität L (z. B. 1 nH bis 5 nH) und/oder bei geringeren Stromanstiegen (z. B. 10 A/µs bis 100 A/µs) einsetzbar ist. Es ist zudem möglich, die in 2 gezeigte Strombegrenzungssteuerschaltung 10 parallel zu der in 1 gezeigten Strombegrenzungssteuerschaltung 10 einzusetzen. Die in 1 gezeigte Strombegrenzungssteuerschaltung 10 reagiert schneller bei großen Stromgradienten, während die in 2 gezeigte Strombegrenzungssteuerschaltung 10 im Vergleich dazu langsamer, dafür aber sensitiver, d. h., bereits bei geringeren Stromgradienten, reagiert.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Strombegrenzungssteuerschaltung 10 gemäß der zweiten Ausführungsform alternativ zur Strombegrenzungssteuerschaltung 10 gemäß der ersten Ausführungsform in der Schaltungsanordnung 5 bzw. dem dort gezeigten elektrischen System einsetzbar ist (oder auch unabhängig von dieser konkreten Ausgestaltung), weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Ausführungen zu 1 verwiesen wird und nachfolgend nur die Unterschiede zu 1 erläutert werden.
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Es sei zudem darauf hingewiesen, dass die Strombegrenzungssteuerschaltung 10 zum besseren Verständnis an ihrem Ausgangsanschluss 12 die Komponenten RB, D3 aufweist, welche über die eigentliche Strombegrenzungssteuerschaltung 10 hinausgehend der übergeordneten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 5 zugeordnet sind.
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Mittels der Eingangsanschlüsse 14, 16 ist die vorliegende Strombegrenzungssteuerschaltung 10 beispielsweise mit den in 1 gezeigten Anschlüssen L1, L2 der Induktivität L der Schaltungsanordnung 5 elektrisch verbunden.
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Die Strombegrenzungssteuerschaltung 10 gemäß der zweiten Ausführungsform wird mittels einer Spannungsversorgung VCC versorgt, wobei diese beispielsweise eine durch den Gate-Treiber 25 in 1 bereitgestellte Spannung sein kann. Vorteilhaft stellt die Spannungsversorgung VCC einen Spannungswert größer als 5 V bereit.
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Über eine Vorwärtsspannung einer Diode D2 wird eine zweite Spannungsschwelle für einen Komparator 100 voreingestellt, welche durch die Spannung VL überschritten werden muss, um die erfindungsgemäße Strombegrenzung auszuführen. Zur Anpassung der zweiten Spannungsschwelle ist es beispielsweise denkbar, eine oder mehrere weitere Dioden in Reihe zur Diode D2 anzuordnen.
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Auf Basis der Diode D3, welche hier als Zener-Diode ausgebildet ist, wird eine Gate-Source-Spannung des in 1 gezeigten Halbleiterschalters 20 festgelegt, welche entsprechend zu einer Strombegrenzung des in 1 gezeigten Stromkreises im Kurzschlussfall führt.
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Anstellte eines Bipolartransistors 60 wie in 1 ist hier ein MOSFET 70 zur Anpassung der Ausgangsimpedanz der Strombegrenzungssteuerschaltung 10 vorgesehen, welcher durch den Komparator 100 geschlossen wird sobald die zweite Spannungsschwelle durch die Spannung VL überschritten wird.
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Zudem sind die Strombegrenzungswiderstände RP1, RP2, RB und RB' vorgesehen.
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Mittels des Strombegrenzungswiderstandes RP1 lässt sich ein undefinierter Ansteuerzustand des MOSFET 70 vermeiden, indem dieser die Spannung mittels eines sogenannten Pull-Up-Widerstandes auf die Gate- oder Versorgungsspannung hochzieht. Gleichzeitig limitiert er den Strom, wenn der Komparator 100 seinen Ausgang auf Masse zieht.
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Der Strombegrenzungswiderstand RP2 zieht den negativen Eingang des Komparators 100 auf ein definiertes Potenzial und begrenzt zudem den Strom, wenn die Diode D2 leitend wird.
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Der Strombegrenzungswiderstand RB limitiert zusammen mit Gate-Widerstand RG den Strom durch den MOSFET 70 und durch die Diode D3. Außerdem verhindert er Schwingungen, die durch ein schnelles Schalten verursacht werden können.
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Der Strombegrenzungswiderstand RB' begrenzt den Strom, um beim Schalten des MOSFETs 70 keine hohen transienten Stromspitzen am Gate des MOSFET 70 zu erzeugen.
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Die Strombegrenzungssteuerschaltung 10 gemäß der zweiten Ausführungsform ist zudem vorteilhaft mittels eines (nicht gezeigten) invertierenden Operationsverstärkers am Eingang des Komparators 100 erweiterbar, wodurch die zweite Spannungsschwelle mit geringen Toleranzen besonders flexibel einstellbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019202163 A1 [0004]
