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Die Erfindung betrifft eine aktive Entladeschaltung für einen Stromrichter, der zur Verwendung in einem elektrifizierten Fahrzeug, d.h. einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug, dient. Außerdem betrifft die Erfindung einen Stromrichter mit einer solchen aktiven Entladeschaltung, einen elektrischen Achsantrieb mit einem solchen Stromrichter sowie ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb.
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Im Stand der Technik sind reine Elektrofahrzeuge sowie Hybridfahrzeuge bekannt, welche ausschließlich bzw. unterstützend von einer oder mehreren elektrischen Maschinen als Antriebsaggregate angetrieben werden. Um die elektrischen Maschinen solcher Elektrofahrzeuge bzw. Hybridfahrzeuge mit elektrischer Energie zu versorgen, umfassen die Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge elektrische Energiespeicher, insbesondere wiederaufladbare elektrische Batterien. Diese Batterien sind dabei als Gleichspannungsquellen ausgebildet, die elektrischen Maschinen benötigen in der Regel jedoch eine Wechselspannung. Daher wird zwischen einer Batterie und einer elektrischen Maschine (E-Maschine) eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs üblicherweise ein sog. Wechselrichter (Inverter) geschaltet.
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Derartige Wechselrichter umfassen üblicherweise eine Leistungselektronik mit mehreren Halbleiterschaltelementen, die typischerweise aus Transistoren, etwa MOSFETs oder IGBTs, gebildet sind. Dabei ist es bekannt, die Halbleiterschaltelemente als sogenannte Halbbrücken auszugestalten, die über eine Highside-Einrichtung und eine Lowside-Einrichtung verfügen. Diese Highside- bzw. Lowside-Einrichtung umfasst ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente, die im Betrieb des Wechselrichters gezielt gesteuert werden, um aus einem eingangsseitig der Halbbrücken eingespeisten DC-Strom mehrere voneinander zeitlich versetzte Phasenströme eines AC-Stroms zu erzeugen, wobei die Phasenströme jeweils für sich zeitlich veränderlich sind und in der Regel einen sinusförmigen Verlauf annehmen.
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Aus dem Stand der Technik sind zudem aktive Entladeschaltungen bekannt, die dazu dienen, einen im Wechselrichter verbauten Zwischenkreiskondensator zu entladen. Dies dient dazu, eine elektrische Hochspannungsladung, die nach dem Ausschalten des elektrischen Achsantriebs weiterhin auf dem Zwischenkreiskondensator existiert, zu entladen, um Sicherheitsvorschriften hinsichtlich Verhinderung von Stromschlägen zu erfüllen.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Wechselrichtern besteht der Nachteil, dass die aktiven Entladeschaltungen bauartbedingt herstellungsaufwändig und kostenintensiv sind. Außerdem involvieren die bekannten Entladeschaltungen ein komplexes Schaltkreisdesign, welches eine Vielzahl von elektrischen bzw. elektronischen Bauteilen erfordern, die die Kosten der bekannten Wechselrichter weiter erhöhen.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine aktive Entladeschaltung bereitzustellen, um die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise zu beheben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die aktive Entladeschaltung, den Stromrichter, den elektrischen Achsantrieb sowie das Fahrzeug gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.
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Die Erfindung betrifft eine aktive Entladeschaltung für einen Stromrichter zum Betreiben eines elektrischen Achsantriebs in einem Elektrofahrzeug und/oder einem Hybridfahrzeug. Der Stromrichter ist vorzugsweise ein DC/AC-Wechselrichter zum Umwandeln einer DC-Spannung in eine AC-Spannung. Alternativ kann der Stromrichter als DC/DC-Gleichrichter zum Umwandeln einer DC-Eingangsspannung in eine von dieser verschiedene DC-Ausgangsspannung ausgebildet sein. Der Stromrichter umfasst eine Leistungselektronik mit mehreren Halbleiterschaltelementen zum Erzeugen eines Ausgangsstroms basierend auf einem von einer Spannungsquelle bereitgestellten Eingangsstrom mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente. Im Fall eines Wechselrichters handelt es sich beim Eingangsstrom um einen von einer DC-Spannungsquelle bereitgestellten DC-Strom, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen AC-Strom mit mehereren Phasenströmen handelt. Im Fall eines Gleichrichters handelt es sich beim Eingangsstrom um einen von einer DC-Spannungsquelle bereitgestellten DC-Eingangsstrom, wobei es sich beim Ausgangsstrom um einen vom DC-Eingangsstrom verschiedenen DC-Ausgangsstrom handelt, der vorzugsweise zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie dieser zugeführt wird.
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Die Halbleiterschaltelemente sind vorzugsweise Transistoren wie MOSFETs und/oder IGBTs, wobei die Halbleiterschaltelemente zusätzlich eine oder mehrere Dioden umfassen können. Das den Halbleiterschaltelementen zugrunde liegende Halbleitermaterial ist vorzugsweise Silizium oder ein sogenannter Halbleiter mit einer großen Bandlücke (Engl.: Wide bandgap semiconductors, WBS), etwa Siliziumcarbid, Galliumnitrid oder Galliumoxid. Die Halbleiterschaltelemente sind auf einem Substrat angebracht. Das Substrat kann einen mehrschichtigen Aufbau mit einer ersten Metalllage, einer zweiten Metalllage und einer dazwischen befindlichen Isolationslage aufweisen. Die Halbleiterschaltelemente sind in diesem Fall auf einer Oberseite der ersten Metalllage angebunden, wobei an eine Unterseite der zweiten Metalllage ein Kühlkörper angebunden ist.
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Die Leistungselektronik weist mehrere Leistungsanschlüsse zum Einspeisen des Eingangsstroms in die Halbleiterschaltelemente und zum Abgreifen bzw. Abgeben des Ausgangsstroms auf. Im Fall des Wechselrichters umfassen die Leistungsanschlüsse DC-Leistungsanschlüsse und AC-Leistungsanschlüsse. Die DC-Leistungsanschlüsse umfassen wiederum einen oder mehrere pluspolige und minuspolige DC-Leistungsanschlüsse. Die AC-Leistungsanschlüsse sind einem gemeinsamen AC-Phasenstrom oder jeweils einem von mehreren AC-Phasenströmen des gesamten AC-Stroms zugeordnet. Die Leistungsanschlüsse erstrecken sich vorzugsweise über eine Seitenfläche einer Vergussmasse, mittels derer die Halbleiterschaltelemente vergossen sind, nach außen hinaus. Weiter vorzugsweise erstrecken sich die Leistungsanschlüsse außerhalb der Vergussmasse senkrecht zur Oberseite des Substrats nach oben, sodass sie von oben kontaktierbar sind. Die Leistungselektronik umfasst außerdem mehrere Signalpins zum Übertragen von Steuersignalen, die von einer Steuereinrichtung des Stromrichters erzeugt sind und zum Ansteuern der Halbleiterschaltlelemente an die Steuerelektrode (z.B. Gate-Elektrode) gesendet werden.
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Erfindungsgemäß ist die aktive Entladeschaltung im elektrischen Achsantrieb schaltungstechnisch integriert und mit dem Stromrichter verschaltet. Die aktive Entladeschaltung dient zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators des Stromrichters. Dazu ist die aktive Entladeschaltung über den Zwischenkreiskondensator angeschlossen. Die aktive Entladeschaltung umfasst einen Entladeschalter und einen mit dem Entladeschalter in Reihe geschalteten Entladewiderstand. Der Entladeschalter und der Entladewiderstand sind zwischen einer ersten Stromleitung und einer zweiten Stromleitung einer Sammelschiene des elektrischen Achsantriebs geschaltet. Die erste Stromleitung und die zweite Stromleitung sind von entgegengesetzten Poligkeit. Die Sammelschiene wird auch als Busbar bezeichnet. Die Spannungsquelle ist eingangsseitig an den Zwischenkreiskondensator angeschlossen, wobei der Zwischenkreiskondensator zwischen den beiden Stromleitungen der Sammelschiene geschaltet ist. Die aktive Entladeschaltung umfasst ferner eine Steuereinrichtung zum Erzeugen und Einprägen eines Steuersignals in den Entladeschalter, um diesen gezielt zu schalten und den Entladevorgang auf diese Weise zu aktivieren bzw. zu deaktivieren. Bevorzugt weist der Entladeschalter einen p-Kanal-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, PMOS, auf. Der Entladewiderstand weist einen Kaltleiter auf. Der Kaltleiter ist ein Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten, wird daher auch als PTC-Widerstand oder PTC-Thermistor bezeichnet.
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Die Verwendung des Kaltleiters ermöglicht ein automatisches Einstellen des Entladevorgangs, wenn der Entladestrom durch den Kaltleiter fließt und dieser sich dadurch erwärmt, sodass eine Schwelltemperatur erreicht wird.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Steuereinrichtung einen ersten Widerstand, einen zweiten Widerstand, eine Zener-Diode und einen ersten Halbleiterschalter auf. Der erste Widerstand und die Zener-Diode sind zueinander parallelgeschaltet und zugleich zwischen einem Entladesteueranschluss des Entladeschalters und der ersten Stromleitung der Sammelschiene geschaltet. Der zweite Widerstand und der erste Halbleiterschalter sind zueinander reihengeschaltet und zugleich zwischen dem Entladesteueranschluss des Entladeschalters und einer Masse geschaltet. Außerdem ist der zweite Widerstand zwischen dem Entladesteueranschluss des Entladeschalters und dem ersten Halbleiterschalter geschaltet. In dieser Schaltungskonfiguration kann mittels Schaltens des ersten Halbleiterschalters der Entladeprozess des Zwischenkreiskondensators aktiviert oder deaktiviert werden. Wenn der erste Halbleiterschalter geöffnet (d.h. in einen leitenden Zustand versetzt) wird, wird der zweite Widerstand auf die Masse gelegt. In diesem Fall erzeugen der erste Widerstand, der zweite Widerstand und die Zener-Diode zusammen eine Spannungsdifferenz zwischen dem Entladesteueranschluss (Gate-Anschluss) und einem gesteuerten Anschluss (Source-Anschluss) des Entladeschalters, die den Entladeschalter öffnet (d.h. diesen in einen leitenden Zustand versetzt). Somit wird der Zwischenkreiskondensator entladen. Wenn der erste Halbleiterschalter geschlossen (d.h. in einen sperrenden Zustand versetzt) wird, wird die Spannungsdifferenz zwischen dem Entladesteueranschluss (Gate-Anschluss) und dem gesteuerten Anschluss (Source-Anschluss) des Entladeschalters zu Null. Dies schließt den Entladeschalter (d.h. versetzt diesen in einen sperrenden Zustand). Somit wird der Entladeprozess des Zwischenkreiskondensators eingestellt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Steuereinrichtung einen dritten Widerstand und einen vierten Widerstand auf, die zwischen der ersten Stromleitung und der zweiten Stromleitung der Sammelschiene zueinander reihengeschaltet sind. Ein Steueranschluss (Gate-Anschluss) des ersten Halbleiterschalters ist mit einem Knotenpunkt zwischen dem dritten Widerstand und dem vierten Widerstand elektrisch verbunden. Der dritte Widerstand und der vierte Widerstand fungieren als Spannungsteiler, wobei die geteilte Spannung zwischen der ersten Stromleitung und der zweiten Stromleitung der Sammelschiene auf den Steueranschluss des ersten Halbleiterschalters angelegt wird. Ein zweiter Halbleiterschalter ist über den vierten Widerstand geschaltet, der zwischen dem Knotenpunkt und der zweiten Stromleitung der Sammelschiene geschaltet ist. Die Steuereinrichtung weist ferner einen Schaltsignalgeber zum Einprägen eines Schaltsignals in den zweiten Halbleiterschalter auf. Diese Schaltkonfiguration ermöglicht ein besonders sicheres Aktivieren und Deaktivieren des Entladevorgangs des Zwischenkreiskondensators. Im Normalbetrieb des elektrischen Achsantriebs (d.h. im Fahrbetrieb) soll der Zwischenkreiskondensator nicht entladen werden. Dazu kann der Schaltsignalgeber ein ON-Signal generieren, welches den zweiten Halbleiterschalter öffnet (d.h. in einen leitenden Zustand versetzt). Der vierte Widerstand ist somit kurzgeschlossen, was dazu führt, dass die Spannungsdifferenz zwischen dem Steueranschluss und einem gesteuerten Anschluss (Emitter-Anschluss) des ersten Halbleiterschalters Null wird. Der erste Halbleiterschatler wird dadurch geschlossen. Dies bewirkt wiederum, dass der Entladeschalter geschlossen wird. Im Entladebetrieb hingegen generiert der Schaltsignalgeber ein OFF-Signal für den zweiten Halbleiterschalter, sodass der dritte Widerstand und der vierte Widerstand als Spannungsteilerfungieren und eine Teilspannung zwischen den beiden Stromleitungen der Sammelschiene auf den Steueranschluss des ersten Halbleiterschalters einspeist. Der zweite Widerstand wird hierdurch auf die Masse gelegt. In diesem Fall erzeugen der erste Widerstand, der zweite Widerstand und die Zener-Diode zusammen eine Spannungsdifferenz zwischen dem Entladesteueranschluss und dem gesteuerten Anschluss des Entladeschalters, um diesen zu öffnen. Im Fall, dass der Schaltsignalgeber, der als Mikrocontroller ausgebildet sein kann, außer Betrieb ist (beispielsweise wegen eines Ausfalls des Bordnetzes des Fahrzeugs und somit der Energieversorgung für den Schaltsignalgeber), fungieren der dritte Widerstand und der vierte Widerstand weiterhin als Spannungsteiler und erhalten den Entladevorgang aufrecht. Die aktive Entladeschaltung ist daher stromausfallsbeständiger.
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Die Erfindung betrifft weiterhin einen entsprechenden Stromrichter, insbesondere einen Wechselrichter, mit einer aktiven Entladeschaltung gemäß einer hier beschriebenen Ausführungsformen, einen elektrischen Achsantrieb mit einem erfindungsgemä-ßen Stromrichter sowie ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb. Der Stromrichter kann als Wechselrichter oder Gleichrichter ausgebildet sein und mehrere (beispielsweise drei) Phaseneinheiten aufweisen, die jeweils eine Halbrückenschaltung mit einer Highside und einer Lowside umfassen, wobei die Highside und die Lowside jeweils ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente aufweisen. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Stromrichter beschriebenen Vorteile auch für den erfindungsgemäßen elektrischen Achsantrieb und das erfindungsgemäße Fahrzeug.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
- 1 ein schematisches Schaltbild einer aktiven Entladeschaltung gemäß einer Ausführungsform,
- 2 ein schematisches Schaltbild der aktiven Entladeschaltung aus 1, wobei die aktive Entladeschaltung in einem elektrischen Achsantrieb mit einem Wechselrichter schaltungstechnisch integriert ist,
- 3 ein schematisches Schaltbild einer aktiven Entladeschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
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1 zeigt ein schematisches Schaltbild einer aktiven Entladeschaltung 10 gemäß einer allgemeinen Ausführungsform. Die aktive Entladeschaltung 10 ist, wie in 2 näher gezeigt, in einem elektrischen Achsantrieb schaltungstechnisch integriert und mit einem hier beispielshaft als Wechselrichter ausgebildeten Stromrichter 40 verschaltet. Die aktive Entladeschaltung 10 dient zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators 42 des Wechselrichters 40. Dazu ist die aktive Entladeschaltung 10 über den Zwischenkreiskondensator 42 angeschlossen. Die aktive Entladeschaltung 10 umfasst einen Entladeschalter 12 und einen mit dem Entladeschalter 12 in Reihe geschalteten Entladewiderstand 14. Wie ebenfalls in 2 näher gezeigt, sind der Entladeschalter 12 und der Entladewiderstand 14 zwischen einer ersten Stromleitung 52 und einer zweiten Stromleitung 54 einer Sammelschiene des elektrischen Achsantriebs geschaltet. Die erste Stromleitung 52 und die zweite Stromleitung 54 sind von entgegengesetzter Poligkeit. Die Sammelschiene wird auch als Busbar bezeichnet. Eine hier nicht gezeigte DC-Spannungsquelle (z.B. Lithium-Ionen-Batterie) ist eingangsseitig an den Zwischenkreiskondensator 42 angeschlossen.
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Die aktive Entladeschaltung 10 umfasst ferner eine Steuereinrichtung 16 zum Erzeugen und Einprägen eines Steuersignals in den Entladeschalter 12, um diesen gezielt zu schalten und den Entladevorgang auf diese Weise zu aktivieren bzw. zu deaktivieren. Bevorzugt weist der Entladeschalter 12 einen p-Kanal-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, PMOS, auf. Der Entladewiderstand 14 weist einen Kaltleiter auf. Der Kaltleiter ist ein Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten, wird daher auch als PTC-Widerstand oder PTC-Thermistor bezeichnet.
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2 zeigt ein schematisches Schaltbild der aktiven Entladeschaltung 10 aus 1, wobei die aktive Entladeschaltung 10 in einem elektrischen Achsantrieb, in dem der Wechselrichter 40 schaltungstechnisch integriert ist, verschaltet ist. Der Wechselrichter 40 ist zum Umwandeln einer DC-Spannung in eine AC-Spannung ausgebildet. Dazu umfasst der Wechselrichter 40 eine Leistungselektronik mit mehreren Halbleiterschaltelementen 44a-c, 46a-c zum Erzeugen eines Ausgangsstroms basierend auf einem von einer DC-Spannungsquelle (hier nicht gezeigt) bereitgestellten Eingangsstrom mittels Schaltens der Halbleiterschaltelemente 44a-c, 46a-c. Beim Ausgangsstrom handelt es sich um einen AC-Strom mit mehereren Phasenströmen. Die Leistungselektronik umfasst mehrere Phasen, die jeweils eine Halbbrücke mit einer Highside und einer Lowside aufweisen. Die Phasen sind zum Erzeugen jeweils eines der Phasenströme ausgebildet. Die Highside und die Lowside können im Allgemeinen ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente umfassen. Im hier gezeigten Beispiel ist jede Highside durch ein einziges oberes Halbleiterschaltelement 44a-c gebildet, wobei jede Lowside durch ein einziges unteres Halbleiterschaltelement 46a-c gebildet ist. Die Phasenströme werden ausgangsseitig in eine elektrische Maschine 50 des elektrischen Achsantriebs eingespeist.
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Die Halbleiterschaltelemente 44a-c, 46a-c sind vorzugsweise Transistoren wie MOSFETs und/oder IGBTs, wobei die Halbleiterschaltelemente 44a-c, 46a-cjeweils zusätzlich eine oder mehrere Dioden umfassen können. Das den Halbleiterschaltelementen 44a-c, 46a-c zugrunde liegende Halbleitermaterial ist vorzugsweise Silizium oder ein sogenannter Halbleiter mit einer großen Bandlücke (Engl.: Wide bandgap semiconductors, WBS), etwa Siliziumcarbid, Galliumnitrid oder Galliumoxid. Die Halbleiterschaltelemente 44a-c, 46a-c sind auf einem Substrat angebracht. Das Substrat kann einen mehrschichtigen Aufbau mit einer ersten Metalllage, einer zweiten Metalllage und einer dazwischen befindlichen Isolationslage aufweisen. Die Halbleiterschaltelemente 44a-c, 46a-c sind in diesem Fall auf einer Oberseite der ersten Metalllage angebunden, wobei an eine Unterseite der zweiten Metalllage ein Kühlkörper angebunden ist.
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3 zeigt ein schematisches Schaltbild der aktiven Entladeschaltung 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Hier ist der Entladeschalter 12 als PMOS ausgebildet, wobei der Entladewiderstand 14 als Kaltleiter ausgebildet ist. Der Entladeschalter 12 weist einen Entladesteueranschluss 122 (Gate), einen gesteuerten Anschluss 124 (Source) und einen Bezugspotentialanschluss 126 (Drain) auf. Der gesteuerte Anschluss 124 ist mit der ersten Stromleitung 52 der Sammelschiene elektrisch verbunden, wobei der Bezugspotentialanschluss 126 mit dem Entladewiderstand 14 elektrisch verbunden ist. Der Entladewiderstand 14 ist wiederum mit der zweiten Stromleitung 54 der Sammelschiene elektrisch verbunden.
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Außerdem weist die Steuereinrichtung 16 (siehe 1) einen ersten Widerstand 18, einen zweiten Widerstand 20, eine Zener-Diode 22 und einen ersten Halbleiterschalter 24 auf. Der erste Widerstand 18 und die Zener-Diode 22 sind zueinander parallelgeschaltet und zugleich zwischen dem Entladesteueranschluss 122 des Entladeschalters 12 und der ersten Stromleitung 52 der Sammelschiene geschaltet. Der zweite Widerstand 20 und der erste Halbleiterschalter 24 sind zueinander reihengeschaltet. Der erste Halbleiterschalter 24 ist mit seinem gesteuerten Anschluss 244 an den zweiten Widerstand 20 und mit seinem Bezugspotentialanschluss 246 an eine Masse 26 elektrisch angebunden. Außerdem ist der zweite Widerstand 20 zwischen dem Entladesteueranschluss 122 des Entladeschalters 12 und dem ersten Halbleiterschalter 24 geschaltet. Die Zener-Diode 22 dient zur Spannungsbegrenzung zwischen ihren beiden Anschlussseiten. Vorzugsweise ist die Spannung zwischen den beiden Anschlusssseiten der Zener-Diode 22 geringer als eine maximal zulässige Spannung zwischen dem Entladesteueranschluss 122 (Gate) und dem gesteuerten Anschluss 124 (Source) des Entladeschalters 12.
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In dieser Schaltungskonfiguration kann mittels Schaltens des ersten Halbleiterschalters 24 der Entladeprozess des Zwischenkreiskondensators 42 aktiviert oder deaktiviert werden. Wenn der erste Halbleiterschalter 24 geöffnet (d.h. in einen leitenden Zustand versetzt) wird, wird der zweite Widerstand 20 auf die Masse 26 gelegt. In diesem Fall erzeugen der erste Widerstand 18, der zweite Widerstand 20 und die Zener-Diode 22 zusammen eine Spannungsdifferenz zwischen dem Entladesteueranschluss 122 und dem gesteuerten Anschluss 124 des Entladeschalters 12, die den Entladeschalter 12 öffnet (d.h. diesen in einen leitenden Zustand versetzt). Somit wird der Zwischenkreiskondensator 42 entladen. Wenn der erste Halbleiterschalter 24 geschlossen (d.h. in einen sperrenden Zustand versetzt) wird, wird die Spannungsdifferenz zwischen dem Entladesteueranschluss 122 und dem gesteuerten Anschluss 124 des Entladeschalters 12 den Wert Null annehmen. Dies schließt den Entladeschalter 12 (d.h. versetzt diesen in einen sperrenden Zustand). Somit wird der Entladeprozess des Zwischenkreiskondensators 42 eingestellt.
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Zusätzlich weist die Steuereinrichtung 16 einen dritten Widerstand 28 und einen vierten Widerstand 32 auf, die zwischen der ersten Stromleitung 52 und der zweiten Stromleitung 54 der Sammelschiene zueinander reihengeschaltet sind. Ein Steueranschluss 242 (Gate) des ersten Halbleiterschalters 24 ist mit einem Knotenpunkt 30 zwischen dem dritten Widerstand 28 und dem vierten Widerstand 32 elektrisch verbunden. Der dritte Widerstand 28 und der vierte Widerstand 32 fungieren als Spannungsteiler, wobei die geteilte Spannung zwischen der ersten Stromleitung 52 und der zweiten Stromleitung 54 der Sammelschiene auf den Steueranschluss 242 des ersten Halbleiterschalters 24 angelegt wird. Ein zweiter Halbleiterschalter 34 ist über den vierten Widerstand 32 geschaltet, der zwischen dem Knotenpunkt 30 und der zweiten Stromleitung 54 der Sammelschiene geschaltet ist. Die Steuereinrichtung 16 weist ferner einen Schaltsignalgeber 36 zum Einprägen eines Schaltsignals in einen Steueranschluss 342 des zweiten Halbleiterschalters 34 auf. Der Schaltsignalgeber 36 ist vorzugsweisse als Mikrocontroller ausgebildet, weiter vorzugsweise in eine Treibereinrichtung (hier nicht gezeigt) des Wechselrichters 40 integriert. Diese Schaltkonfiguration ermöglicht ein besonders sicheres Aktivieren und Deaktivieren des Entladevorgangs des Zwischenkreiskondensators 42. Im Normalbetrieb des elektrischen Achsantriebs (d.h. im Fahrbetrieb) soll der Zwischenkreiskondensator 42 nicht entladen werden. Dazu kann der Schaltsignalgeber 36 ein ON-Signal generieren, welches den zweiten Halbleiterschalter 34 öffnet (d.h. in einen leitenden Zustand versetzt). Der vierte Widerstand 32 ist somit kurzgeschlossen, was dazu führt, dass die Spannungsdifferenz zwischen dem Steueranschluss 242 und dem gesteuerten Anschluss 244 des ersten Halbleiterschalters 24 Null wird. Der erste Halbleiterschatler 24 wird dadurch geschlossen. Dies bewirkt wiederum, dass die Spannungsdifferenz zwischen dem Steueranschluss 122 und dem gesteuerten Anschluss 124 des Entladeschalters 12 den Wert Null annimmt und der Entladeschalter 12 hierdurch geschlossen wird. Dies verhindert ein ungewolltes Entladen des Zwischenkreiskondensators 42 im Fahrbetrieb des elekrischen Achsantriebs.
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Im Entladebetrieb hingegen generiert der Schaltsignalgeber 36 ein OFF-Signal für den zweiten Halbleiterschalter 34, sodass der dritte Widerstand 28 und der vierte Widerstand 32 als Spannungsteiler fungieren und eine Teilspannung zwischen den beiden Stromleitungen 52,54 der Sammelschiene auf den Steueranschluss 242 des ersten Halbleiterschalters 24 einspeist. Der zweite Widerstand 20 wird hierdurch auf die Masse 26 gelegt. In diesem Fall erzeugen der erste Widerstand 18, der zweite Widerstand 20 und die Zener-Diode 22 zusammen eine Spannungsdifferenz zwischen dem Entladesteueranschluss 122 und dem gesteuerten Anschluss 124 des Entladeschalters 12, um diesen zu öffnen. Im Fall, dass der Schaltsignalgeber 36 außer Betrieb gerät (beispielsweise wegen eines Ausfalls des Bordnetzes des Fahrzeugs und somit der Energieversorgung für den Schaltsignalgeber 36), fungieren der dritte Widerstand 28 und der vierte Widerstand 32 weiterhin als Spannungsteiler und erhalten den Entladevorgang aufrecht. Die aktive Entladeschaltung 10 ist daher stromausfallsbeständiger.
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Der erste Halbleiterschalter 24 und/oder der zweite Halbleiterschalter 34 können als Transistor, beispielsweise Bipolartransistor wie IGBT, Feldeffekttransistor wie MOS-FET, oder Triode ausgebildet sein.
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Es kann ein Trennschalter, etwa als Relais ausgebildet, zum galvanischen Abtrennen der Spannungsquelle bzw. Fahrzeugbatterie von der Sammelschiene vorgesehen sein.
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Wenn der Trennschalter eingeschaltet ist, kann der Zwischenkreiskondensator 42 entladen werden. Es fließt ein Entladestrom, der den elektrischen Widerstandswert des als PTC-Widerstand ausgebildeten Entladewiderstands 14 ansteigen lässt. Beim Erreichen einer Widerstandsschwelle wird der Entladestrom abgeschnürt und der Entladevorgang wird eingestellt. Dieser automatische Einstellmechanismus dient zum Schutz der elektronischen Bauteile im Wechselrichter 40, einschließlich des Entladeschalters 12, vor einer Überhitzung. Wenn der Trennschalter hingegen ausgeschaltet ist, kann der Zwischenkreiskondensator 42 ohne thermische Beeinträchtigung der elektronischen Bauteile im Wechselrichter 40 schnell entladen werden.
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Bezugszeichen
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- 10
- aktive Entladeschaltung
- 12
- Entladeschalter (PMOS)
- 122
- Entladesteueranschluss (Gate)
- 124
- gesteuerter Anschluss (Source)
- 126
- Bezugspotentialanschluss (Drain)
- 14
- Entladewiderstand (PTC)
- 16
- Steuereinrichtung
- 18
- erster Widerstand
- 20
- zweiter Widerstand
- 22
- Zener-Diode
- 24
- erster Halbleiterschalter
- 242
- Entladesteueranschluss (Gate)
- 244
- gesteuerter Anschluss (Emitter)
- 246
- Bezugspotentialanschluss (Kollektor)
- 26
- Masse
- 28
- dritter Widerstand
- 30
- Knotenpunkt
- 32
- vierter Widerstand
- 34
- zweiter Halbleiterschalter
- 342
- Entladesteueranschluss (Gate)
- 344
- gesteuerter Anschluss (Emitter)
- 346
- Bezugspotentialanschluss (Kollektor)
- 36
- Schaltsignalgeber
- 40
- Stromrichter (Wechselrichter)
- 42
- Zwischenkreiskondensator
- 44a-c
- oberes Halbleiterschaltelement
- 46a-c
- unteres Halbleiterschaltelement
- 50
- elektrische Maschine
- 52
- erste Stromleitung
- 54
- zweite Stromleitung
