DE19835316A1 - Gesteuerte Gleichrichterbrücke mit Überspannungsschutz - Google Patents
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Abstract
Es wird eine gesteuerte Gleichrichterbrücke für einen mehrere Phasenwicklungen und eine Erregerwicklung aufweisenden Generator als selbstgesteuerte Gleichrichterbrücke mit MOS-Feldeffekttransistoren aufgebaut. Damit eine solche Gleichrichterbrücke bei schneller Lastverringerung und dadurch auftretender Load-Dump-Spannung eingesetzt werden kann, wird eine Spannungsschutzschaltung eingesetzt, die die in der Erregerwicklung bei schneller Abschaltung gespeicherte Energie in die Batterie zurückspeist, wodurch die Erregerwicklung entregt wird. Bei einer schnellen Lastverringerung werden dabei die Generatorwicklungen durch entspechende Ansteuerung der Low- oder High-Side-Transistoren kurzgeschlossen.
Description
Die Erfindung geht aus von einer gesteuerten
Gleichrichterbrücke mit Überspannungsschutz für einen
Generator, insbesonders für einen in einem Fahrzeug
eingesetzten Drehstromgenerator nach der Gattung des
Hauptanspruchs.
Die Erzeugung elektrischer Energie für ein
Kraftfahrzeugbordnetz erfolgt üblicherweise mit einem von
der Brennkraftmaschine des Fahrzeugs angetriebenen
Drehstromgenerator, dessen Ausgangsspannung von einem
Spannungsregler geregelt wird. Die Ausgangsspannung des
Generators wird mit Hilfe einer Gleichrichterbrücke in eine
Gleichspannung gewandelt. Als Gleichspannungsbrücke werden
üblicherweise sechs Zenerdioden eingesetzt, die zwischen dem
Plus- und dem Minusanschluß des Generators liegen.
Es ist jedoch auch bekannt, anstelle von Zenerdioden
ansteuerbare Gleichrichterelemente einzusetzen, die von
Steuermitteln angesteuert werden. Der Einsatz einer
gesteuerten Gleichrichterbrücke wird beispielsweise in der
US-PS 4,825,139 beschrieben. Dabei wird auch die Verwendung
von MOS-Feldeffekttransistoren in der Gleichrichterbrücke
vorgeschlagen. Mit Hilfe einer solchen gesteuerten
Gleichrichterbrücke läßt sich eine Generatorregelung
durchführen, die auch bei kleinen Drehzahlen eine
Generatorausgangsspannung ermöglicht, die zur Versorgung des
Bordnetzes geeignet ist.
Die erfindungsgemäße gesteuerte Gleichrichterbrücke mit
Überspannungsschutz hat gegenüber dem Stand der Technik den
Vorteil, daß die bei einem Lastabwurf auftretenden
Spannungsspitzen verringert werden. Eine Verringerung dieser
Spannungsspitzen ist beim Einsatz einer selbstgesteuerten
Gleichrichterbrücke mit MOS-Feldeffekttransistoren
notwendig.
Erzielt werden diese Vorteile, indem eine gesteuerte
Gleichrichterbrücke mit Überspannungsschutz gemäß der
Merkmalskombination des Anspruchs 1 eingesetzt wird. Mit
dieser gesteuerten Gleichrichterbrücke mit
Überspannungsschutz werden die bei einem Lastabwurf
entstehenden Überspannungen, die von der in der
Erregerwicklung des Generators gespeicherten magnetischen
Energie verursacht werden, schnell abgebaut, indem eine
Rückspeisung der gespeicherten Energie in die Batterie
erfolgt.
Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den
Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt. Es ist dabei
besonders vorteilhaft, daß durch die Rückspeisung des
Erregerstromes ein schnelles Absinken der durch den
Lastabwurf verursachten Load-Dump-Spannung erzielt wird,
wobei der von dieser Load-Dump-Spannung verursachte
Kurzschlußstrom, der von den MOS-Feldeffekttransistoren im
Kurzschlußfall beherrscht werden muß, besonders gering
gehalten werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine Schaltung zur
Verhinderung der durch den Lastabwurf verursachten
Load-Dump-Spannung. In Fig. 2 ist ein Generator mit einer
selbstgesteuerten Gleichrichterbrücke dargestellt, und die
Fig. 3 und 4 zeigen den Spannungsverlauf der Load-Dump-Spannung
sowie den zugehörigen Stromverlauf bei Kurzschluß
der Low-Side-Transistoren der Gleichrichterbrücke einerseits
im Normalbetrieb und andererseits bei der erfindungsgemäßen
Entregung durch Batterierückspeisung.
In Fig. 1 ist eine Schaltung zur Verhinderung der
Load-Dump-Spannung, die bei einem plötzlichen Lastabwurf
auftreten kann, dargestellt. Diese Schaltungsanordnung ist
der Erregerwicklung E des Generators zugeordnet, sie umfaßt
die beiden Halbleiterventile V11 und V21, die beispielsweise
MOS-Feldeffekttransistoren sind. Über die beiden
Transistoren V11 und V21 ist die Erregerwicklung E mit der
Batterie B verbindbar. Die Ansteuerung der Transistoren V11
und V21 erfolgt mit Hilfe eines nicht näher dargestellten
Spannungsreglers, der das Gate-Potential der MOSFETs
beeinflußt. Bei leitenden Transistoren V11 und V21 liegt an
der Erregerwicklung E die Spannung UBat.
Mit Hilfe der beiden Transistoren V11 und V21 stellt der
Spannungsregler den durch die Erregerwicklung E fließenden
Erregerstrom IE so ein, daß die Ausgangsspannung des
Generators die gewünschte Höhe einnimmt. Eine Verringerung
der Ausgangsspannung des Generators wird durch Abschalten
des Erregerstromes erzielt. Da bei der Abschaltung des
Erregerstromes IE in der Erregerwicklung eine Gegenspannung
induziert wird, sind in der Schaltung nach Fig. 1 zwei
Halbleiterventile V31 und V41, beispielsweise Dioden
vorgesehen, die beim Abschalten des Erregerstromes, also bei
gesperrten Transistoren V11 und V21 die in der
Erregerwicklung E gespeicherte magnetische Energie in die
Batterie B zurückführen. Insbesonders im Load-Dump-Fall,
also bei einem Betriebszustand, bei dem die Belastung des
Generators sehr schnell verringert wird, beispielsweise
durch einen Lastabwurf oder durch das Abschalten starker
elektrischer Verbraucher ist es erforderlich, daß die sich
einstellende Load-Dump-Spannung schnell abgebaut wird.
Dieser Abbau wird mit den Halbleiterventilen V31 und V41
besonders schnell erreicht.
In Fig. 2 ist ein Generator G1 sowie eine dem Generator G1
zugeordnete selbstgesteuerte Gleichrichterbrücke mit sechs
Halbleiterelementen, z. B. MOSFETs dargestellt, für die eine
Schaltung nach Fig. 1 besonders vorteilhaft eingesetzt
werden kann. Vom Generator G1 sind die Ständerwicklungen U,
V und W sowie die Erregerwicklung E dargestellt. Die
Erregerwicklung E entspricht dabei der Erregerwicklung E
nach Fig. 1. Die Anschlüsse der Statorwicklungen U, V und W
sind mit U1, U2, V1, V2, W1 und W2 bezeichnet. Die
Verschaltung zwischen dem Generator G1 und der
Gleichrichterbrücke ist derart, daß jeweils zwei
Feldeffekttransistoren V12, V42 V22, V52; V32, V62 eine
Serienschaltung bildet. Die Verbindungspunkte der jeweils
zwei in Serie geschalteten Transistoren führen auf die
Generatoranschlüsse W1, V1 und U1. Die jeweils voneinander
entfernten Anschlüsse der Transistoren V12 bis V62 sind
jeweils untereinander verbunden. Zwischen den zugehörigen
Anschlüssen entsteht die Spannung UD, die als
Ausgangsspannung des Generators zur Ladung der Batterie B
bzw. zur Versorgung der elektrischen Lasten RL dienen.
Bei schneller Öffnung des Schalters S1 bzw. auch bei einem
ungewollten Lastabwurf findet zum einen die bereits in
Verbindung mit Fig. 1 erläuterte Rückspeisung der in der
Erregerwicklung induzierten Spannung in die Batterie statt
und zum anderen werden die Transistoren V12 bis V62 der
Gleichrichterbrücke so angesteuert, daß ein Auftreten der
Load-Dump-Spannung verhindert wird. Dazu wird mit Hilfe
eines Kurzschlusses der sogenannten Low-Side-Transistoren
V42, V52 und V62 oder alternativ der High-Side-Transistoren
V12, V22, V 32 ein Kurzschluß der Generatorwicklungen
erhalten. Die Low- oder High-Side-Transistoren werden dabei
von einer Ansteuerschaltung A, die beispielsweise im
Spannungsregler integriert ist, so angesteuert, daß der
gewünschte Kurzschluß auftritt. Es wird dazu eine geeignete
Steuerspannung an den Gate-Anschluß der Transistoren,
beispielsweise der MOS-Feldeffekttransistoren, angelegt.
Wird vom Spannungsregler erkannt, daß die Load-Dump-Spannung
eine vorgebbare definierte Spannungsgrenze unterschreitet,
wird der Kurzschluß der Low- oder High-Side-Transistoren
durch entsprechende Ansteuerung aufgehoben und der
selbstgesteuerte Gleichrichter mit den Transistoren V12 bis
V62 nimmt den eigentlichen Betrieb wieder auf.
Durch Kombination der beiden in den Fig. 1 und 2
dargestellten Schaltungsanordnungen läßt sich ein Generator
mit einer MOS-Feldeffekttransistor-Gleichrichterbrücke
realisieren, die einen Load-Dump-Schutz aufweist, so daß
auch bei einem Lastabwurf keine Überspannungen auftreten
können.
In Fig. 3 sind zwei Beispiele für den Spannungsverlauf der
Load-Dump-Spannung im Normalbetrieb U1 [V] und bei Entregung
durch Batterierückspeisung U2 [V] dargestellt, die die Vorteile
der Erfindung erkennen lassen. Im Normalbetrieb, also bei einem
Generator mit MOS-Feldeffekttransistoren ohne Schaltung zur
Verhinderung der Load-Dump-Spannung nach Fig. 1 sinkt die
Load-Dump-Spannung von ihrem Maximalwert von beispielsweise 100 V nur
langsam ab, während bei einer Entregung durch
Batterierückspeisung bereits nach 100 ms eine vollständige
Entregung erhalten wird. Für den in Fig. 4 dargestellten
Stromverlauf im Load-Dump-Fall bei Kurzschluß der Low-Side-Transistoren
ergibt sich im Normalbetrieb IK1 [A] ein starkes
Ansteigen des Stromes und nur ein langsames Abfallen, während
bei einer Entregung durch Batterierückspeisung die maximale
Stromstärke wesentlich geringer ist und der Kurzschlußstrom
bereits nach 100 ms wieder auf Null abgeklungen ist. Der
Stromverlauf ist als IK2 [A] über der Zeit t aufgetragen. Wie
die Fig. 3 und 4 erkennen lassen, kann mit Hilfe der
Entregung der Erregerwicklung durch Batterierückspeisung eine
Gleichrichterbrücke mit MOS-Feldeffekttransistoren aufgebaut
werden, die auch im Load-Dump-Fall zuverlässig arbeitet und
Überspannungen weitestgehend verhindert.
Claims (4)
1. Gesteuerte Gleichrichterbrücke für einen mehrere
Phasenwicklungen und eine Erregerwicklung aufweisenden
Generator, die als MOS-Feldeffekttransistoren ausgebildete
Gleichrichterelemente umfaßt, die mit den Phasenwicklungen des
Generators in Verbindung stehen und die vom Generator gelieferte
Spannung vor Zuführung zu einer Batterie sowie zu elektrischen
Lasten gleichrichten, wobei die Höhe der Generatorspannung
mittels eines Spannungsreglers der den durch die Erregerwicklung
fließenden Erregerstrom beeinflußt, geregelt wird, dadurch
gekennzeichnet, daß der Erregerwicklung eine Schutzschaltung
zugeordnet ist, die die in der Erregerwicklung bei schneller
Lastverringerung gespeicherte magnetische Energie in elektrische
Energie wandelt und in die Batterie zurückspeist, wodurch die
Erregerwicklung entregt wird.
2. Gesteuerte Gleichrichterbrücke für einen mehrere
Phasenwicklungen und eine Erregerwicklung aufweisenden Generator
nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung
zwei Halbleiterschalter (V11 und V21) umfaßt, die mit der
Erregerwicklung in Serie liegen und parallel zur Batterie (B)
liegen, daß parallel zum Halbleiterelement (V11) und zur
Erregerwicklung (L) ein weiteres Halbleiterelement (V31) liegt
und daß parallel zur Erregerwicklung und zum Halbleiterelement
(V21) ein Halbleiterelement (V41) liegt.
3. Gesteuerte Gleichrichterbrücke für einen mehrere
Phasenwicklungen und eine Erregerwicklung aufweisenden Generator
nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Halbleiterelemente (V11 und V21) Feldeffekttransistoren sind und
daß die Halbleiterelemente (V31 und V41) Dioden sind, die
jeweils so angeordnet sind, daß das Halbleiterelement (V31)
positive Spannungen zur Batterie (B) leitet und das
Halbleiterelement (V21) negative Spannungen zum entsprechenden
Anschluß der Batterie (B) leitet.
4. Gesteuerte Gleichrichterbrücke für einen mehrere
Phasenwicklungen und eine Erregerwicklung aufweisenden Generator
(G1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß entweder die mit Masse in Verbindung
stehenden Low-Side-Transistoren (V42, V52 und V62) der
Gleichrichterbrücke oder die mit Br in Verbindung stehenden
High-Side-Transistoren V12, V22, V32 so ansteuerbar sind, daß
sie bei einer durch schnelle Lastverringerung auftretenden
Load-Dump-Spannung die Generatorwicklungen (U, V, W) kurzschließen.
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