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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Begrenzung eines Überstroms und insbesondere eine Schaltungsanordnung für ein Fahrzeug.
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Aus dem Stand der Technik sind Leistungshalbleiterschalter und insbesondere Gate-gesteuerte Leistungshalbleiterschalter bekannt, welche eigerichtet sind, besonders hohe Leistungen zu schalten, die beispielsweise durch Hochvoltspannungsquellen wie Traktionsbatterien von Fahrzeugen bereitgestellt werden. Auf Basis solcher Leistungshalbleiterschalter ist es vorteilhaft möglich, die Hochvoltspannungsquelle im Fehlerfall, insbesondere im Fall eines kurzschlussbedingten Überstroms eines mit der Hochvoltspannungsquelle verbundenen Verbrauchers, besonders schnell von dem Verbraucher zu trennen.
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US2016308523 offenbart eine Leistungsschaltung mit einem ersten MISFET, einem zweiten MISFET und einer Steuerschaltung, wobei die Leistungsschaltung eingerichtet ist, einen Fehlbetrieb und eine parasitäre Oszillation zu reduzieren und darüber hinaus ein Hochgeschwindigkeitsschalten zu ermöglichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schlägt eine Schaltungsanordnung zur Begrenzung eines Überstroms vor, welche besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit einem Fahrzeug einsetzbar ist, ohne die Schaltungsanordnung dadurch auf einen solchen Einsatzbereich zu beschränken. Ein solches Fahrzeug ist beispielsweise ein Straßenfahrzeug (z.B. Motorrad, PKW, Transporter, LKW) oder ein Schienenfahrzeug oder ein Luftfahrzeug/Flugzeug und/oder ein Wasserfahrzeug und insbesondere ein batterieelektrisch angetriebenes Fahrzeug.
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Die Schaltungsanordnung weist einen Halbleiterschalter, einen Gate-Treiber, eine elektrische Energiequelle (z. B. eine Batterie, welche beispielsweise eingerichtet ist, Spannungen bis zu 400 V oder bis 800V bereitzustellen, nachfolgend auch verkürzt als Energiespeicher bezeichnet), eine elektrische Komponente (insbesondere eine elektrische Last, nachfolgend auch verkürzt als Komponente bezeichnet), eine Spannungsquelle und eine Induktivität auf, wobei der Halbleiterschalter in einem Pfad eines Stromkreises aus der elektrischen Energiequelle und der elektrischen Komponente angeordnet ist und eingerichtet ist, einen Stromfluss im Stromkreis in Abhängigkeit einer Ansteuerung eines Gates des Halbleiterschalters durch den Gate-Treiber einzustellen.
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Es sei darauf hingewiesen, dass der Pfad, in dem die beiden Halbleiterschalter angeordnet sind, ein negativer Strompfad (d. h., ein Strompfad, welcher mit einem negativen Potential der Energiequelle verbunden ist) und/oder ein positiver Strompfad (d. h., ein Strompfad, welcher mit dem positiven Potential der Energiequelle verbunden ist) sein kann.
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Die Induktivität ist innerhalb des Pfades des Stromkreises in Reihe zum Halbleiterschalter geschaltet, indem ein erster Anschluss der Induktivität mit einem Source-Anschluss des Halbleiterschalters verbunden ist.
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Ein erster Anschluss der Spannungsquelle, welcher auf einem Referenzpotential liegt, ist mit einem zweiten Anschluss der Induktivität verbunden, sodass die Spannungsquelle eingerichtet ist, den Gate-Treiber über den ersten Anschluss der Spannungsquelle und einen zweiten Anschluss der Spannungsquelle mit Spannung zu versorgen.
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Die Schaltungsanordnung ist auf Basis der Induktivität eingerichtet, eine am Gate des Halbleiterschalters anliegende Spannung mittels eines überstrombedingten Spannungsabfalls über der Induktivität zu reduzieren, sodass dem Überstrom durch eine Erhöhung eines Kanalwiderstandes des Halbleiterschalters entgegengewirkt wird. Konkret wird der Spannungsabfall über der Induktivität durch einen hohen Stromgradienten (d. h., eine hohe Stromänderungsgeschwindigkeit) im Stromkreis bewirkt, welcher beispielsweise durch einen kurzschlussbedingte Überstrom erzeugt wird.
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Eine Höhe der Induktivität ist hierbei in Abhängigkeit einer vordefinierten minimal erforderlichen Reduzierung (was auch eine vollständige Unterbrechung bedeuten kann) eines potentiell auftretenden Überstroms festgelegt.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bietet den besonderen Vorteil, dass auf Basis einer geeigneten Festlegung der Induktivität eine erforderliche Reduzierung eines Überstroms erreicht wird, wodurch sich eine besonders einfache und insbesondere kostengünstige Maßnahme zur Begrenzung von Überströmen realisieren lässt.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Induktivität eine parasitäre Induktivität, welche sich zum Beispiel durch eine Aufbau- und Verbindungstechnik und/oder ein Layout der Schaltungsanordnung ergibt. Dies ist besonders vorteilhaft, da hierdurch kein zusätzliches Bauteil zur Realisierung der Induktivität eingesetzt werden muss. Vorteilhaft wird die Schaltungsanordnung so ausgelegt, dass die parasitäre Induktivität eine Höhe erreicht, welche zur minimal erforderlichen Reduzierung eines auftretenden Überstroms geeignet ist. Alternativ oder zusätzlich ist die Induktivität ein diskretes Bauelement und/oder eine Spule und/oder eine Induktivität einer Leitung und/oder eines Leitungsabschnitts des Stromkreises und/oder eines Drain-Source-Kanals eines Halbleiterschalters und/oder einer Leiterbahn einer Leiterplatte.
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Besonders vorteilhaft ist der Halbleiterschalter ein Leistungshalbleiterschalter und/oder ein MOSFET. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass der Halbleiterschalter als IGBT und/oder als JFET ausgebildet ist. Weiter alternativ oder zusätzlich ist der Halbleiterschalter ein Si, ein SiC, oder ein GaN basierter Halbleiterschalter und/oder ein toplogischer Halbleiterschalter, welcher aus einer Vielzahl parallelgeschalteter Einzelhalbleiterschalter ausgebildet ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Halbleiterschalter ein erster Halbleiterschalter, während der Gate-Treiber ein erster Gate-Treiber und die Induktivität eine erste Induktivität ist. Die Schaltungsanordnung weist zudem einen zweiten Halbleiterschalter innerhalb des Pfades des Stromkreises auf, welcher antiseriell (d. h., in einer sogenannten „back-to-back“-Anordnung) zum ersten Halbleiterschalter geschaltet ist, indem der zweite Anschluss der ersten Induktivität mit einem zweiten Anschluss einer zweiten Induktivität verbunden ist und ein Source-Anschluss des zweiten Halbleiterschalters mit einem ersten Anschluss der zweiten Induktivität verbunden ist. Die Spannungsquelle, welche sich auch aus zwei separaten Spannungsquellen zusammensetzen kann, ist eingerichtet ist, einen zweiten Gate-Treiber, welcher für die Ansteuerung des zweiten Halbleiterschalters vorgesehen ist, mit Spannung zu versorgen. In dem Fall einer Verwendung von zwei separaten Spannungsquellen ist entsprechend eine Spannungsquelle für die Versorgung des ersten Gate-Treibers und eine Spannungsquelle für die Versorgung des zweiten Gate-Treibers vorgesehen. Die Schaltungsanordnung ist auf Basis der ersten Induktivität und der zweiten Induktivität eingerichtet, eine am Gate des ersten Halbleiterschalters anliegende erste Spannung und/oder eine am Gate des zweiten Halbleiterschalters anliegende zweite Spannung mittels eines überstrombedingten Spannungsabfalls über den jeweiligen Induktivitäten zu reduzieren, sodass dem Überstrom durch eine Erhöhung eines Kanalwiderstandes des ersten Halbleiterschalters und/oder des zweiten Halbleiterschalters entgegengewirkt wird. Durch die hier vorgeschlagene „common-source“-Konfiguration der beiden Halbleiteschalter wird bei einer Verwendung von Body-Dioden-behafteten Halbleiterschaltern eine Unterbrechbarkeit des Stroms in beiden Flussrichtungen ermöglicht.
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Darüber hinaus ist es möglich, dass die erste Induktivität und die zweite Induktivität denselben Wert oder unterschiedliche Werte aufweisen, wobei die unterschiedlichen Werte vorteilhaft in Abhängigkeit einer jeweiligen Flussrichtung des Stroms innerhalb des Stromkreises angepasst sind. Unterschiedliche Werte für die erste Induktivität und die zweite Induktivität lassen sich insbesondere dann besonders vorteilhaft einsetzen, wenn ein maximaler zu erwartender Überstrom bzw. eine maximal zu erwartende Änderungsgeschwindigkeit des Stroms in den beiden möglichen Flussrichtungen des Stroms unterschiedlich ausfallen. Ein Überstrom bzw. ein damit einhergehender Stromgradient in einer Entladerichtung der elektrischen Energiequelle kann beispielsweise höher sein, als ein Überstrom bzw. ein damit einhergehender Stromgradient in einer Laderichtung der elektrischen Energiequelle (oder umgekehrt), sodass eine Auslegung der Induktivitäten in Abhängigkeit der jeweiligen Stromrichtung eine besonders zielgerichtete Überstrombegrenzung in den jeweiligen Stromrichtungen ermöglicht.
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Vorteilhaft ist die Höhe der Induktivität (der ersten und/oder der zweiten Induktivität) auf Basis einer Länge eines elektrischen Leiters zwischen dem jeweiligen Source-Anschluss des jeweiligen Halbleiterschalters und dem ersten Anschluss der Spannungsquelle festgelegt, sodass bereits durch eine geeignete Anpassung der Länge des elektrischen Leiters der erfindungsgemäße Effekt zur Begrenzung des Überstroms erzielt wird. Insbesondere, wenn der elektrische Leiter eine Leiterbahn einer Platine ist, lässt sich die gewünschte Induktivität auf besonders einfache und kostengünstige Weise realisieren.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Schaltungsanordnung weiter eine Unterbrechungsvorrichtung auf, welche eingerichtet ist, den Stromkreis zu unterbrechen, nachdem die erfindungsgemäße Reduzierung des Überstroms erfolgt ist. Hierfür ist die Unterbrechungsvorrichtung beispielsweise elektrisch mit den jeweiligen Gate-Treibern des ersten Halbleiterschalters und/oder des zweiten Halbleiterschalters verbunden, um diese einzeln oder gemeinsam in einen geöffneten Zustand zu versetzen, nachdem durch die Unterbrechungsvorrichtung ein entsprechender Überstrom ermittelt wurde. Besonders vorteilhaft ist die Unterbrechungsvorrichtung derart ausgelegt, dass sie die Unterbrechung der Halbleiterschalter erst dann bewirkt, wenn ein Überstrom für eine vordefinierte Mindestdauer anliegt. Dies bietet den Vorteil, dass kurzzeitige Überströme (z. B. durch extern auf die Schaltungsanordnung einwirkende Störungen) nur auf Basis der Induktivität(en) abgefangen werden, sodass ein Weiterbetrieb der Schaltungsanordnung anschließend automatisch ermöglicht wird. Erst, wenn ein Überstrom längerfristig oder dauerhaft anliegt, wird vorteilhaft eine Unterbrechung des Stromkreises durch die Unterbrechungsvorrichtung bewirkt, um eine Beschädigung von Komponenten des Stromkreises zu verhindern, da die Begrenzung des Überstroms auf Basis der Induktivität nur solange wirkt, wie ein überstrombedingter Stromgradient vorliegt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Unterbrechungsvorrichtung alternativ oder zusätzlich eingerichtet sein kann, die Unterbrechung des Stromkreises auf Basis eines weiteren Schalters (z. B. eines weiteren Halbleiterschalters und/oder eines Relais und/oder eins Schützes, usw.) zu bewirken, welcher beispielsweise in einem Pfad des Stromkreises angeordnet ist, in dem der erste und der zweite Halbleiterschalter nicht angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich weist die Schaltungsanordnung weiter eine Diode auf, welche eingerichtet ist, die Induktivität zu überbrücken, wenn im Stromkreis ein Überstrom in eine Richtung fließt, in welcher ohne die Diode ein Spannungsabfall über der Induktivität erzeugt wird, der eine Erhöhung der Gate-Spannung des Halbleiterschalters bewirkt. Alternativ oder zusätzlich ist eine Diode zwischen den Gate-Anschluss und den Source-Anschluss des jeweils betroffenen Halbleiterschalters geschaltet, welche eingerichtet ist, eine Erhöhung der Gate-Spannung auf einen vordefinierten Wert zu begrenzen. Dies lässt sich insbesondere durch eine Verwendung einer geeigneten Zener-Diode erreichen. Die Verwendung der Diode bietet mit anderen Worten den Vorteil, dass beim Vorliegen einer ersten Induktivität und einer zweiten Induktivität die Gate-Spannung desjenigen Halbleiterschalters begrenzt wird, dessen Induktivität stromrichtungsbedingt zu einer Erhöhung der Gate-Spannung führen würde, wodurch ggf. eine Beschädigung dieses Halbleiterschalters bewirkt werden kann.
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Besonders vorteilhaft ist die Schaltungsanordnung eingerichtet, im Zusammenhang mit Spannungen im Bereich von 12 V bis 2 kV, bevorzugt im Bereich von 48 V bis 1 kV und insbesondere bevorzugt im Bereich von 400 V bis 800 V eingesetzt zu werden. Besonders im Hochvoltbereich bietet sich der Vorteil, dass ein Kurzschluss innerhalb des Stromkreises einen hohen Stromgradienten bewirkt, wodurch besonders geringe Werte für die erste Induktivität und/oder die zweite Induktivität ausreichen, um den erfindungsgemäßen Effekt der Überstrombegrenzung zu erzielen. Dadurch lassen sich die Induktivitäten besonders einfach bzw. kostengünstig realisieren, da beispielsweise bereits geeignet dimensionierte Leitungen zwischen der Spannungsquelle und den Halbleiterschaltern ausreichen, um eine ausreichende Überstrombegrenzung zu erzielen.
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Vorzugswiese ist die Höhe einer jeweils eingesetzten Induktivität zusätzlich in Abhängigkeit einer Induktivität des elektrischen Energiespeichers und/oder der elektrischen Komponente und/oder der eingesetzten Halbleiterschalter festgelegt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die elektrische Komponente eine Last (z. B. ein Motor, ein Bordnetz, usw.) und/oder eine weitere elektrische Energiequelle (z. B. eine Ladevorrichtung). Alternativ oder zusätzlich ist die elektrische Energiequelle eine Batterie und insbesondere eine Traktionsbatterie eines Fahrzeugs.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigt:
- 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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Ausführungsform der Erfindung
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1 zeigt ein Schaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Begrenzung eines Überstroms in einem Bordnetz eines Fahrzeugs.
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Die Schaltungsanordnung weist einen ersten MOSFET 10 und einen zweiten MOSFET 15 auf, welche über eine erste Induktivität 60 und eine zweite Induktivität 65, welche jeweils Induktivitäten einer Leiterbahn sind, in einer common-source-Konfiguration miteinander verbunden sind. Auf Basis dieser Konfiguration sind die MOSFETs 10, 15 eingerichtet, einen Strom in einem Stromkreis aus einer Batterie 30 und einer Last 40 des Bordnetzes des Fahrzeugs in beiden möglichen Flussrichtungen zu unterbrechen.
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Die Induktivitäten 60, 65 sind jeweils über erste Anschlüsse 62, 67 mit jeweiligen Source-Anschlüssen 12, 17 der MOSFETs 10, 15 verbunden, während jeweilige zweite Anschlüsse 64, 68 der Induktivitäten 60, 65 miteinander und mit einem ersten Anschluss 52 einer Spannungsquelle 50 verbunden sind.
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Die Spannungsquelle 50 ist eingerichtet, einen für den ersten MOSFET 10 vorgesehenen ersten Gate-Treiber 20 und einen für den zweiten MOSFET 20 vorgesehenen zweiten Gate-Treiber 25 über den ersten Anschluss 52 und einen zweiten Anschluss 54 mit Spannung zu versorgen.
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Die Schaltungsanordnung ist auf Basis der ersten Induktivität 60 und auf Basis der zweiten Induktivität 65 eingerichtet, eine am Gate der jeweiligen MOSFETs 10, 15 anliegende Spannung mittels eines überstrombedingten Spannungsabfalls über den Induktivitäten 60, 65 in Abhängigkeit einer jeweiligen Richtung des Überstroms zu reduzieren, sodass dem Überstrom durch eine Erhöhung eines Kanalwiderstandes der MOSFETs 10, 15 entgegengewirkt wird. Die Höhe der Induktivitäten 60, 65 ist jeweils in Abhängigkeit einer vordefinierten minimal erforderlichen Reduzierung eines auftretenden Überstroms stromrichtungsabhängig festgelegt.
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Da hier ein maximal zu erwartender Entladestromgradient von einem maximal zu erwartenden Ladestromgradienten in einem jeweiligen Kurzschlussfall abweicht, weisen die Induktivitäten 60, 65 voneinander abweichende Werte auf.
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Um zu verhindern, dass sich eine Gate-Spannung des ersten MOSFET 10 in einem Fall erhöht, in dem die zweite Induktivität 65 bei einem vorliegenden Überstrom eine Reduzierung der Gate-Spannung des zweiten MOSFET 15 bewirkt, ist zudem eine Zener-Diode 70 zwischen den Source-Anschluss 12 des ersten MOSFET 10 und den Gate-Anschluss des ersten MOSFET 10 geschaltet.
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Eine als Mikrocontroller ausgebildete Auswerteinheit 90 ist mit den beiden Gate-Treibern 20, 25 und mit einem elektromechanischen Schalter 80 verbunden, wodurch die Auswerteeinheit 90 eingerichtet ist, die beiden MOSFETs 10, 15 und den Schalter 80 jeweils zum Öffnen und zum Schließen anzusteuern. Auf dieser Basis ist die Auswerteeinheit 90 eingerichtet, eine mittels der Induktivitäten 60, 65 kurzzeitig erreichte Strombegrenzung in einem Überstromfall durch eine Ansteuerung zum Öffnen der beiden MOSFETs 10, 15 und/oder des Schalters 80 abzusichern, falls der Überstrom länger als eine vordefinierte Dauer anliegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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