EP3449688A1 - Anordnung zum schalten eines widerstands - Google Patents

Anordnung zum schalten eines widerstands

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EP3449688A1
EP3449688A1 EP17722409.4A EP17722409A EP3449688A1 EP 3449688 A1 EP3449688 A1 EP 3449688A1 EP 17722409 A EP17722409 A EP 17722409A EP 3449688 A1 EP3449688 A1 EP 3449688A1
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EP
European Patent Office
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resistor
switching device
switching
potential
switch
Prior art date
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Granted
Application number
EP17722409.4A
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English (en)
French (fr)
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EP3449688B1 (de
Inventor
Alexander HENNE
Norbert BOTZENMAYER
Hans Rechberger
Heinz Seiler
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Webasto SE
Original Assignee
Webasto SE
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Filing date
Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP3449688B1 publication Critical patent/EP3449688B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B1/00—Details of electric heating devices
    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
    • H05B1/0227—Applications
    • H05B1/023—Industrial applications
    • H05B1/0236—Industrial applications for vehicles
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B1/00—Details of electric heating devices
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    • H05B1/0202—Switches
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/035—Electrical circuits used in resistive heating apparatus

Definitions

  • the invention relates to an arrangement comprising a heat-emitting first resistor, a control device for switching the first
  • Resistor and a (in particular grounded) component which is at a potential without direct reference to a drive voltage, in particular a housing and / or chassis component, wherein the first resistor in spatial proximity to the component, in particular housing or chassis component, arranged according to claim 1 and a corresponding control method according to claim 10.
  • Fig. 1 illustrates the prior art and shows a resistor which is in the vicinity of a housing and through the resistors Rl to R4
  • the resistor is cooled for heat dissipation on the housing.
  • the capacitors C 1 to C 5 correspond to a symbolic representation of a capacitance, which is assigned to the resistor and results from the spatially close connection of the resistor to the housing.
  • the transistor M turns the resistor (Rl to R4) on or off.
  • the complete resistor (R1 to R4) is at the supply voltage.
  • the transistor M is now turned on, the voltage across the resistor (R1 to R4) changes.
  • a lower end of R4 (in FIG. 1) goes to 0 V, while an upper end of R 1 (in FIG. 1) continues to be at supply voltage.
  • the average voltage, ie one between a (in FIG. 1) lower end of R2 and a (in FIG. 1) upper end of R3 of the complete resistance (R1 to R4) corresponds to half
  • the described charging and discharging of the capacitors may vary depending on
  • shielding is not possible in all cases or can often only be integrated with significant additional costs.
  • a shield also ensures that a possible heat connection deteriorates, since both a shielding layer and at least one further insulation layer is required.
  • Filter components are relatively expensive, heavy and bulky. A slowing of the clocking (switching time) is often undesirable because the clocking is adapted to other requirements accordingly.
  • an arrangement comprising a heat-emitting first resistor, a control device for switching the first resistor and a (in particular grounded) component which is at a potential without direct reference to a drive voltage, in particular a housing and / or Chassis component, to propose, wherein the first resistor is arranged in spatial proximity to the component, in particular housing or chassis component, wherein interference due to the input and
  • the object is achieved by an arrangement comprising a heat-emitting first resistor, a control device for switching the first resistor and a (in particular earthed) component, which preferably at a potential without (direct) reference to a
  • Drive voltage is, in particular a housing and / or chassis component, wherein the first resistor is arranged in spatial proximity to the component, in particular housing or chassis component, and having a first and a second terminal, wherein the control device comprises a first switching device and a second switching device, wherein the first switching device, the first resistor and the second switching device are connected in series in the order named and thus form a series circuit.
  • a compensation device is provided and configured such that in the on state of the first resistor a voltage is applied between the first and the second terminal, so that the first terminal is at a first potential and the second terminal is at a first potential second potential, wherein the first resistor in the off-state at an intermediate potential, which lies between the first and the second potential, is held, in particular, at least approximately, half
  • the first resistance is generally a resistance that couples against a foreign potential.
  • the control device is configured (alternatively or in addition to the first preferred aspect), the first
  • Resistor pulse-width modulated to control with first and second
  • Switching device are switched synchronously.
  • a central idea of the first aspect of the invention is that the (first) resistance in the off-state is maintained at an intermediate potential which lies between the first and the second potential.
  • Intermediate potential corresponding voltage may correspond for example 30 to 70, preferably 45 to 55, more preferably 48 to 52, even more preferably (at least about) 50% of the voltage applied in the on state to the first terminal of the (first) resistor (which as a rule is the "supply voltage")
  • Compensating means compensate for currents generated by capacitances between the (first) resistor and the housing, at least partially (ideally completely).
  • a current flowing in a capacitance corresponding to a resistance section the
  • Resistance sections correspond. Ideally, no electricity is flowing through a ground connection. The same (in the reverse direction) is enabled when the two switching devices are turned off synchronously.
  • a key idea of the second aspect of the invention is that the resistor is driven pulse-modulated, but not via only one switching device, but synchronously (simultaneously) over the two
  • Compensation device (with the resistors described below and the connection line described below) may be omitted (or is optional).
  • This compensation device essentially plays a role only when the switching devices are started up or switched on for the first time and can then in particular reduce an EMC interference.
  • the compensation device plays no (or - if provided - at best a small) role more, as then by a ( almost) synchronous switching of the two switching devices (instead of only one switching device) effectively an equal or at least similar effect can be achieved.
  • the two switching devices on both sides of the resistor (in particular heating resistor) in the current PWM operation not the complete voltage swing at the PWM switching, but a lower voltage swing (in particular at least approximately only the half).
  • the above compensation device thus has the particular advantage that when switching on for the first time (start-up) or during the final switch-off
  • control device is configured such that the two switching devices can be switched synchronously (in particular simultaneously).
  • Resistance ie a change from on-state to off-state
  • a switching of the switching devices to distinguish ie a change from on-state to off-state
  • turning on the resistor is to be understood in particular as a first startup (after a longer break, for example of at least 10 seconds or at least one minute).
  • On off- Switching is accordingly to be understood in particular as a definitive (at least for the duration of at least 10 seconds or at least one minute) of a shutdown of the resistor (or disconnection of the resistor from the resistor)
  • the resistor (especially heater resistor) is still in the on state.
  • the first or second switching device can be switched off in an on state of the resistor (ie, block a current). Relative to the switching devices should be between a switch-on time (ie a period of time in which the switching device does not block power) and a switch-off duration (ie a period in which the switching device blocks the power)
  • the switching devices are referred to the time of start-up of the resistor, the term "first-time" switching of the respective switching device should be used.
  • the switching devices are referred to as shutting down the resistor, the intention is to turn off "final" of the
  • Switching devices be the talk. Again, an initial power, especially as switching after an interruption of at least 10 seconds or at least one minute to be understood. Similarly, a final switch off should mean an interruption of the operation of the resistor (heating resistor) of at least 10 seconds, preferably at least one minute.
  • a “minimum distance” of less than 1 cm, in particular less than 0.5 cm, between the resistor and the component is intended to mean a “spatial proximity" between the (first) resistance and the component (eg housing)
  • the “minimum distance” is the smallest distance when a distance between resistor and component (spatially, i.e. along a
  • the (first) resistance is preferably the resistance of an electrical one
  • Heating device in particular electrical Schichtloomleaned.
  • electrical Layer heaters include a heating resistor that extends flat and heats when passing an electrical current.
  • the resistor is a resistor which is arranged for dissipating heat in spatial proximity to a (in particular grounded) component, which is preferably at a potential without direct reference to a drive voltage, in particular to a housing and / or a chassis component .
  • the resistor can generally be a heating resistor, that is to say that component via which heat is generated in a heating device for heating or another resistor which possibly has to be cooled.
  • control device comprises a
  • Switching means, first resistor and second switching means are connected in parallel, wherein the connecting line is a point between the second and the third resistor with a point between the two
  • a high-resistance resistor is understood to be a resistor whose resistance value is significantly higher (for example at least twice or at least five times) than the resistance value of the first one
  • Resistance lies.
  • (high-impedance) resistance at least 1 kQ, preferably at least 1 ⁇ .
  • Compensation device having an active circuit, which causes a corresponding voltage (in particular center voltage) can be set on the first resistor.
  • a resistance of the second resistor and a resistance of the third resistor differ by at most 10%.
  • the resistance values of the second and third resistors (at least essentially) the same size.
  • the difference (of at most 10%) should be calculated by first forming a difference of the resistance values and dividing this difference by the smaller resistance value (and then multiplying by 100 to get a percentage value).
  • the resistors are essentially (or at least substantially) the same size, disturbances, as described above, can be significantly reduced or, ideally, even completely avoided.
  • connection line may be connected (approximately) at a center of the first resistor.
  • First and / or second switching device are preferably formed as a transistor, in particular MOSFET or IGBT, or comprise such a transistor (MOSFET or IGBT), preferably based on silicon or silicon carbide or gallium arsenide. This provides a structure that can be switched quickly and reliably.
  • the arrangement according to the first aspect preferably comprises a
  • Control device configured, first and second
  • the (preferably synchronous) circuit can also be provided by another component which is not necessarily part of the arrangement.
  • the arrangement according to the first aspect is principally characterized in that (in electrical terms) a structure is provided which (in the case of a preferably synchronous circuit) has a corresponding structure
  • a support device in particular comprising one or more capacitances, for example parallel to the second and / or third resistor, for supporting a voltage corresponding to the intermediate potential (in particular center voltage) provided.
  • first and second switching devices can not be switched on synchronously "100%", depending on the switching time and the time difference, this leads to a different current flowing through an earth connection. to mitigate the effect of the time shift, in the simplest case are
  • Capacitors connected in parallel to the second and third (high resistance) resistor.
  • a microcontroller and / or FPGA can be provided.
  • An FPGA Field Programmable Gate Array
  • Microcontroller or FPGA are provided for controlling the circuit of the first and / or second switching device, in particular for re-sharpening a switching time of the first and second switching device. This can also significantly mitigate difficulties with regard to a "timing" of the two switching devices (in particular transistors or MOSFETs or IGBTs, preferably based on silicon or silicon carbide or gallium arsenide), by sharpening this "timing" to achieve the highest possible degree of synchrony. This can be done an effective compensation.
  • the arrangement may further comprise a power source, in particular a DC power source.
  • a power source in particular a DC power source.
  • a power source can also be provided externally, so that the arrangement only corresponding connections to
  • Switching device less than 20%, preferably less than 5% of a
  • a clock rate (frequency) of the PWM drive is preferably in a range of 1 kHz to 30 kHz, more preferably 8 kHz to 25 kHz.
  • Pulse width (duty cycle) of the PWM drive is preferably in the range of 1% to 100% of a clock.
  • a control method for switching a in close proximity to a (in particular grounded) component, which is preferably at a potential without (direct) reference to a drive voltage, in particular to one Housing and / or chassis component, arranged heat-emitting, first resistor having a first and a second terminal.
  • a control method for switching a in close proximity to a (in particular grounded) component, which is preferably at a potential without (direct) reference to a drive voltage, in particular to one Housing and / or chassis component, arranged heat-emitting, first resistor having a first and a second terminal.
  • Intermediate potential which is located between the first and the second potential, is held, in particular, at least approximately, half
  • the (first) resistor (in particular heating resistor) is driven in a pulse-width-modulated manner, wherein a first switching device assigned to the first connection and a second, the second connection
  • associated switching device can be switched synchronously.
  • a first switching device associated with the first port and a second switching device associated with the second port are synchronously (in particular simultaneously) switched, at least at the first switching on and final switching off.
  • Switching device and a switch-on of the second switching device is preferably less than 20%, preferably less than 5% of a
  • Switching device and a switch-off of the second switching device less than 20%, preferably less than 5% of a turn-on period of the first switching device.
  • the electric heater may also include a (clocked) wire heater or a PCT element as a heating element.
  • the electric layer heater may include a heating layer that forms an electrical resistance and is heated by flowing a current through the heating layer, so that heat for heating can be given off.
  • the heating layer for example, in a
  • Plasma coating process in particular plasma spraying, or in a screen printing process or as a resistor paste, in particular on the
  • Insulating layer to be applied In the plasma coating method, for example, first an electrically conductive layer, in particular on the insulating layer, are applied. Subsequently areas can be cut out of the electrically conductive layer so that one printed conductor or a plurality of printed conductors remain. Preferably, however, a masking technique is used. The printed conductors can then form the heating resistor or several heating resistors. The regions mentioned can alternatively be cut out of the conductive layer by means of a masking technique, for example by means of a laser.
  • the heating coating for example, a
  • nickel and / or chromium for example, 70-90% nickel and 10-30% chromium can be used, with a ratio of 80% nickel to 20% chromium being considered to be well suited.
  • the heating coating may, for example, occupy an area of at least 5 cm 2 , preferably at least 10 cm 2 and / or at most 200 cm 2 , preferably at most 100 cm 2 .
  • the heating coating preferably has a height (thickness) of at least 5 ⁇ , preferably at least 10 ⁇ and / or at most a 1 mm, preferably at most 500 ⁇ , even more preferably at most 30 ⁇ , even more preferably at most 20 ⁇ .
  • a conductor track defined by the heating coating may be at least 1 mm, preferably at least 3 mm, more preferably at least 5 mm, even more preferably at least 10 mm, even more preferably at least 30 mm wide.
  • the term "width" is intended to mean the extent of the conductor perpendicular to its longitudinal extension (the
  • the arrangement according to the invention can be designed for operation in the low-voltage range, preferably for 12 volts, 24 volts or 48 volts.
  • the term "low-voltage range” should preferably be understood to mean an operating voltage of less than 100 V, in particular less than 60 V (DC).
  • the arrangement according to the invention (and in particular a possibly provided heating coating) is for operation in the high-voltage range, preferably for more than 100 V volts or above 250 V or more than 500 V, for example in a range of 250-800 V.
  • the effects of the prior art which are to be avoided, which are to be avoided, are particularly pronounced possibly provided heating coating designed for operation with direct current.
  • the layer heating or heating coating can basically as in
  • WO 2013/186106 AI and / or WO 2013/030048 AI described be trained.
  • heaters are described which have an electrical heating layer which heats when an electrical voltage (or the flow of a current) is applied.
  • the resistors already mentioned can basically be made of any electrically conductive material, but are preferably made of metal.
  • the arrangement according to the invention and / or the method according to the invention and in particular the electric heating device are preferably for the
  • Fig. 1 An arrangement for power supply and circuit in the
  • Fig. 2 shows an arrangement for the power supply and circuit of a in the
  • Fig. 3 shows an arrangement according to FIG. 2 during a second
  • Fig. 4 shows an arrangement for the power supply circuit of a resistor arranged in the vicinity of a housing according to a second embodiment of the invention.
  • Fig. 1 shows a schematic view of an arrangement with a switching resistance according to the prior art.
  • the to be switched Electrical resistance is shown here symbolically by the resistors Rl to R4. Basically, this is just one
  • the resistors Rl to R4 shown schematically can also be regarded as resistance sections of the resistor (ie individual sections of the resistor connected in series). Alternatively, however, these may actually be structurally delimited resistors (for example, four).
  • the resistor Rl to R4 is arranged close to a housing 10 for heat removal (cooling).
  • the capacitors C 1 through C 5 shown in FIG. 1 correspond to a symbolic representation of a capacitance of the resistor resulting from the close arrangement on the housing.
  • these capacitances can then be assigned to individual sections.
  • a switch M (specifically a transistor, in particular MOSFET or IGBT) is provided, which can be switched on and off.
  • the switch M is turned off, the resistor Rl to R4 is at supply voltage provided by a power supply 11. If the switch M is now switched on (for the first time), the voltage across the resistor R1 to R4 changes. The (in Fig. 1) lower end of Rl goes to 0 volts, while the (in Fig. 1) upper end of Rl continues to supply voltage.
  • the capacity according to the schematic representation Cl to C5
  • the capacitance C1 is fully discharged while discharging C3 to half the supply voltage.
  • Half the supply voltage corresponds to the mean voltage of the complete resistor.
  • the reference numeral 12 denotes a DC link capacitor.
  • Other capacitors 13 and inductors 14 are components of a
  • FIG. 2 shows an arrangement analogous to FIG. 1, but with differences according to the invention.
  • the elements / units with the reference numerals 10 to 15 correspond to the arrangement according to the prior art of FIG. 1, so that reference is made in this regard to the statements on the prior art.
  • the arrangement according to FIG. 2 comprises not only a switch M (see FIG. 1), but two switches M 1, M2 (which are in the form of transistors, preferably MOSFETs or IGBTs).
  • switches M 1, M2 which are in the form of transistors, preferably MOSFETs or IGBTs.
  • two (high-impedance) resistors 16, 17 are provided which have a
  • Connecting line 18 are connected to the first resistor Rl to R4. Specifically, first switching devices Ml, first resistor Rl to R4 and second switching device M2 are connected in series. In parallel, second (high-impedance) resistor 16 and third (high-impedance) resistor 17 are connected.
  • the connecting line 18 is connected on the one hand between the (high-impedance) resistors 16, 17 and on the other hand connected to the resistor Rl to R4. Concretely, the connection line may be connected between a second resistance portion R2 and a third resistance portion R3 (in the sectional view). However, this is not mandatory.
  • the connecting line could also be arranged, for example (in FIG. 2), above R 1 or below R 3, etc.
  • the switches M1, M2 are switched synchronously (simultaneously).
  • switching devices Ml and M2 can reverse the unwanted current
  • capacitors may also support the center voltage applied to the resistors R1 through R4 in the off state of the switching devices M1 and M2 in order to defuse the effect of the time shift.
  • these capacitors can be parallel to the two
  • the switching devices M l, M2 are controlled by a controller 19 (not shown in detail).
  • the (high-impedance) resistors 16, 17 and the connecting line 18 are elements of a compensation device 20 which ensures (as described above) that in the (finally) switched-off state of the switching devices Ml, M2 a center voltage is applied to the resistor Rl to R4.
  • a (fast) control unit such as a
  • MOSFETs Re-sharpen switching devices
  • FIG. 4 shows an alternative embodiment of the invention. This corresponds to the embodiment of FIGS. 2 and 3 with the difference that the
  • the resistor R1-R4 is PWM-driven.
  • the switching devices are switched synchronously not only when first switching on and the first time off, but also during operation of the resistor R1-R4 (ie during the on-state of the resistor). This can disturbances during the PWM control of the resistor (in particular
  • a PWM control of the resistor R1-R4 also takes place in the first embodiment according to FIG. 2-3 (in particular as described with regard to FIG. 4).
  • Rl - R4 resistors (as a symbolic representation of a total resistance)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, umfassend einen wärmeabgebenden ersten Widerstand (R1 bis R4), eine Steuerungsvorrichtung zum Schaltendes ersten Widerstandes (R1 bis R4) sowie ein, insbesondere geerdetes, Bauteil, das auf einem Potential ohne direkten Bezug zueiner Ansteuerspannung, insbesondere ein Gehäuse oder Chassisbauteil (10), liegt, -wobei der erste Widerstand(R1 bis R4) in räumlicher Nähe zu dem Bauteil, insbesondere Gehäuse(10), angeordnetist und einen ersten und einen zweiten Anschluss aufweist, -wobei die Steuerungsvorrichtung eine erste Schaltvorrichtung (M1) und eine zweite Schaltvorrichtung (M2) umfasst, -wobei erste Schaltvorrichtung (M1), erster Widerstand (R1 bis R4) und zweite Schaltvorrichtung (M2) in der genannten Reihenfolge in Reihe geschaltet sind und somit eine Reihenschaltung ausbilden, --wobei eine Kompensationseinrichtung (20) vorgesehen und konfiguriert ist, so dass im Ein-Zustand des ersten Widerstandes (R bis R4) zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss eine Spannung anliegt, so dass der erste Anschluss auf einem ersten Potential liegt und der zweite Anschluss auf einem zweiten Potential liegt, wobei der Widerstand (R1 bis R4) im Aus-Zustand auf einem Zwischenpotential, das zwischen dem ersten und dem zweiten Potential liegt, gehalten wird,insbesondere auf, zumindest ungefähr, halber Versorgungsspannung gehalten wird und/oder --wobei die Steuerungsvorrichtung konfiguriert ist, den ersten Widerstand pulsweiten-moduliert anzusteuern, wobei erste sowie zweite Schaltvorrichtung synchron geschaltet werden.

Description

Anordnung zum Schalten eines Widerstands Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung, umfassend einen wärmeabgebenden ersten Widerstand, eine Steuerungsvorrichtung zum Schalten des ersten
Widerstandes sowie ein (insbesondere geerdetes) Bauteil, das auf einem Potential ohne direkten Bezug zu einer Ansteuerspannung liegt, insbesondere ein Gehäuse und/oder Chassisbauteil, wobei der erste Widerstand in räumlicher Nähe zu dem Bauteil, insbesondere Gehäuse oder Chassisbauteil, angeordnet ist, nach Anspruch 1 sowie ein entsprechendes Steuerungsverfahren nach Anspruch 10.
Fig. 1 illustriert den Stand der Technik und zeigt einen Widerstand, der sich in der Nähe eines Gehäuses befindet und durch die Widerstände Rl bis R4
symbolisch dargestellt wird. Der Widerstand wird zur Wärmeabfuhr am Gehäuse gekühlt.
Die Kondensatoren Cl bis C5 entsprechen einer symbolischen Darstellung einer Kapazität, die dem Widerstand zugeordnet ist und durch die räumlich nahe Anbindung des Widerstandes an dem Gehäuse entsteht.
Der Transistor M schaltet den Widerstand (Rl bis R4) ein bzw. aus. Wenn der Transistor M ausgeschaltet wird, liegt der komplette Widerstand (Rl bis R4) auf Versorgungsspannung. Wird der Transistor M nun eingeschaltet, verändert sich die Spannung über dem Widerstand (Rl bis R4). Ein (in Fig. 1) unteres Ende von R4 geht gegen 0 V, während ein (in Fig. 1) oberes Ende von Rl weiterhin auf Versorgungsspannung liegt. Die mittlere Spannung, also eine zwischen einem (in Fig. 1) unteren Ende von R2 und einem (in Fig. 1) oberen Ende von R3 des vollständigen Widerstandes (Rl bis R4) entspricht der halben
Versorgungsspannung. Dies hat zur Folge, dass die Kapazität (Cl bis C5) in diesem schematischen Beispiel ganz oder zumindest teilweise entladen wird. Cl wird beispielsweise „vollständig" entladen, während C3 auf die halbe Versorgungsspannung entladen wird. Im Mittel hat dies zur Folge, dass die gesamte Kapazität um die halbe Versorgungsspannung entladen wird.
Wenn der Transistor M ausgeschaltet wird, wiederholt sich dieses Phänomen im Prinzip. Die Kapazitäten werden dabei nicht entladen, sondern (bis zur
Versorgungsspannung) geladen.
Das beschriebene Laden und Entladen der Kondensatoren kann je nach
Geschwindigkeit zu deutlichen elektromagnetischen Störungen führen (sowohl zu leitungsgebundenen als auch zu abgestrahlten Störungen).
Insbesondere wenn der Widerstand (Rl bis R4) schnell geschaltet wird (und eine verteilte Kapazität zur Erde hat), können Störungen auf einem Gehäuse und/oder einem Kabelschirm und/oder Erdungsleitungen auftreten. Übliche
Gegenmaßnahmen sind :
- Eine Schirmung, damit der Widerstand nicht mehr gegen Erdpotential koppelt,
- Filterkomponenten (Common Mode Drossel, Y-Kondensatoren),
- Verlangsamung der Taktung (Schaltfrequenz, Schaltzeit).
Eine Schirmung ist jedoch nicht in allen Fällen möglich oder oft nur mit deutlichen zusätzlichen Kosten integrierbar. Eine Schirmung sorgt zudem dafür, dass sich eine eventuelle Wärmeanbindung verschlechtert, da sowohl eine Schirmlage als auch mindestens eine weitere Isolationslage benötigt wird.
Je nach Applikation (im Hinblick auf Spannung und Strom) können
Filterkomponenten vergleichsweise teuer, schwer und voluminös werden. Eine Verlangsamung der Taktung (Schaltzeit) ist oftmals unerwünscht, da die Taktung entsprechend an andere Anforderungen angepasst ist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung, umfassend einen wärmeabgebenden ersten Widerstand, eine Steuerungsvorrichtung zum Schalten des ersten Widerstandes sowie ein (insbesondere geerdetes) Bauteil, das auf einem Potential ohne direkten Bezug zu einer Ansteuerspannung liegt, insbesondere ein Gehäuse und/oder Chassisbauteil, vorzuschlagen, wobei der erste Widerstand in räumlicher Nähe zu dem Bauteil, insbesondere Gehäuse oder Chassisbauteil, angeordnet ist, wobei Störungen aufgrund des Ein- und
Ausschaltens des Widerstandes und/oder aufgrund einer Pulsweitenmodulation auf einfache Art und Weise reduziert werden sollen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Steuerungsverfahren vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch eine Anordnung, umfassend einen wärmeabgebenden ersten Widerstand, eine Steuerungsvorrichtung zum Schalten des ersten Widerstandes sowie ein (insbesondere geerdetes) Bauteil, das vorzugsweise auf einem Potential ohne (direkten) Bezug zu einer
Ansteuerspannung liegt, insbesondere ein Gehäuse und/oder Chassisbauteil, wobei der erste Widerstand in räumlicher Nähe zu dem Bauteil, insbesondere Gehäuse oder Chassisbauteil, angeordnet ist und einen ersten und einen zweiten Anschluss aufweist, wobei die Steuerungsvorrichtung eine erste Schaltvorrichtung und eine zweite Schaltvorrichtung umfasst, wobei erste Schaltvorrichtung, erster Widerstand und zweite Schaltvorrichtung in der genannten Reihenfolge in Reihe geschaltet sind und somit eine Reihenschaltung ausbilden. Gemäß einem ersten bevorzugten Aspekt der Erfindung ist eine Kompensationseinrichtung vorgesehen und konfiguriert, so dass im Ein-Zustand des ersten Widerstandes zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss eine Spannung anliegt, so dass der erste Anschluss auf einem ersten Potential liegt und der zweite Anschluss auf einem zweiten Potential liegt, wobei der erste Widerstand im Aus-Zustand auf einem Zwischenpotential, das zwischen dem ersten und dem zweiten Potential liegt, gehalten wird, insbesondere auf, zumindest ungefähr, halber
Versorgungsspannung gehalten wird. Der erste Widerstand ist im Allgemeinen ein Widerstand, der gegen ein fremdes Potential koppelt. Gemäß einem zweiten bevorzugten Aspekt der Erfindung ist (alternativ oder zusätzlich zum ersten bevorzugten Aspekt) die Steuerungsvorrichtung konfiguriert, den ersten
Widerstand pulsweiten-moduliert anzusteuern, wobei erste sowie zweite
Schaltvorrichtung synchron geschaltet werden.
Ein Kerngedanke des ersten Aspektes der Erfindung liegt darin, dass der (erste) Widerstand im Aus-Zustand auf einem Zwischenpotential gehalten wird, das zwischen dem ersten und dem zweiten Potential liegt. Eine dem
Zwischenpotential entsprechende Spannung kann beispielsweise 30 bis 70, vorzugsweise 45 bis 55, noch weiter vorzugsweise 48 bis 52, noch weiter vorzugsweise (zumindest ungefähr) 50 % der Spannung entsprechen, die im Ein- Zustand an dem ersten Anschluss des (ersten) Widerstandes anliegt (was im Regelfall die„Versorgungsspannung" ist). Durch die erfindungsgemäße
Kompensationseinrichtung kompensieren sich Ströme, die durch Kapazitäten zwischen dem (ersten) Widerstand und dem Gehäuse erzeugt werden, zumindest teilweise (im Idealfall vollständig). Bei einem (synchronen) insbesondere erstmaligen Einschalten der beiden Schaltvorrichtungen wird ein Strom, der in einer Kapazität fließt, die einem Widerstandsabschnitt entspricht, der
vergleichsweise nahe an der ersten Schaltvorrichtung liegt, von einer Kapazität aufgenommen, die einem Widerstandsabschnitt entspricht, der vergleichsweise nahe zu der zweiten Schaltvorrichtung liegt. Ähnliches gilt für weitere Kapazitäten bzw. Kapazitätsanteile, die entsprechenden (spiegelbildlichen)
Widerstandsabschnitten entsprechen. Im Idealfall fließt kein Strom mehr über eine Erdanbindung. Das Gleiche (in umgekehrte Richtung) wird ermöglicht, wenn die beiden Schaltvorrichtungen synchron ausgeschaltet werden.
Ein Kerngedanke des zweiten Aspektes der Erfindung liegt darin, dass der Widerstand pulsweisen-moduliert angesteuert wird, jedoch nicht über nur eine Schaltvorrichtung, sondern synchron (gleichzeitig) über die beiden
Schaltvorrichtungen. In diesem Zusammenhang kann dann die
Kompensationseinrichtung (mit den weiter unten beschriebenen Widerständen und der weiter unten beschriebenen Verbindungsleitung) ggf. entfallen (bzw. ist nur optional). Diese Kompensationseinrichtung spielt im Wesentlichen nur bei einem Hochfahren bzw. erstmaligen Einschalten der Schaltvorrichtungen eine Rolle und kann dann insbesondere eine EMV-Störung reduzieren. Bei einer PWM- Ansteuerung bzw. darauffolgenden Schaltvorgänge im laufenden Betrieb (z. B. mit kontinuierlichem Heizstrom, wenn der Widerstand ein Heizwiderstand ist) spielt die Kompensationseinrichtung keine (oder - wenn vorgesehen - bestenfalls eine geringe) Rolle mehr, da dann durch ein (nahezu) synchrones Schalten der beiden Schaltvorrichtungen (anstelle nur einer Schaltvorrichtung) effektiv eine gleiche oder zumindest ähnliche Wirkung erzielt werden kann. Letztlich liegt durch die zwei Schaltvorrichtungen auf beiden Seiten des Widerstandes (insbesondere Heizwiderstandes) in dem laufenden PWM-Betrieb auch nicht der vollständige Spannungshub beim PWM-Schalten an, sondern ein geringerer Spannungshub (insbesondere zumindest annähernd nur der Halbe).
Die obige Kompensationseinrichtung hat also insbesondere den Vorteil, dass beim erstmaligen Anschalten (Hochfahren) bzw. beim endgültigen Ausschalten
(Herunterfahren) des Widerstandes (Heizwiderstandes) ein einmaliger Puls zu diesem Zeitpunkt kompensiert oder zumindest minimiert wird. Für das
Kompensieren von Störungen während des Betriebes (also während einer PWM- Ansteuerung) ist eine derartige Kompensationseinrichtung (mit den weiter unten beschriebenen Widerständen und der Verbindungsleitung) nicht zwingend erforderlich. Dazu ist es erfindungsgemäß (gemäß dem zweiten Aspekt) vorgesehen, dass die Steuervorrichtung so konfiguriert ist, dass die beiden Schaltvorrichtungen synchron (insbesondere gleichzeitig) geschaltet werden können.
Grundsätzlich ist zwischen einem Einschalten des Widerstandes (also einem Wechsel von Aus-Zustand in Ein-Zustand bzw. einem Ausschalten des
Widerstandes, also einem Wechsel von Ein-Zustand in Aus-Zustand) und einem Schalten der Schaltvorrichtungen zu unterscheiden. In diesem Sinne ist ein Einschalten des Widerstandes (insbesondere Heizwiderstandes) insbesondere als ein erstmaliges Hochfahren (nach einer längeren Pause, von beispielsweise mindestens 10 Sekunden oder mindestens einer Minute) zu verstehen. Ein Aus- Schalten ist demgemäß insbesondere als ein endgültiges (zumindest für die Dauer von mindestens 10 Sekunden oder mindestens einer Minute) Herunterfahren des Widerstandes zu verstehen (bzw. Trennen des Widerstandes von der
Stromquelle). Auch bei einer PWM-Ansteuerung kommt es zu äußerst kurzen (durch die einzelnen Pulse getrennten) Unterbrechungen in der Versorgung.
Während dieser sehr kurzen Unterbrechungen befindet sich der Widerstand (insbesondere Heizwiderstand) jedoch immer noch im Ein-Zustand. Mit anderen Worten kann also die erste oder zweite Schaltvorrichtung in einem Ein-Zustand des Widerstandes ausgeschaltet sein (also einen Strom sperren). Bezogen auf die Schaltvorrichtungen soll zwischen einer Einschaltzeitdauer (also einer Zeitdauer, in der die Schaltvorrichtung Strom nicht sperrt) und einer Ausschaltzeitdauer (also einer Zeitdauer, in der die Schaltvorrichtung den Strom sperrt)
unterschieden werden. Wenn bei den Schaltvorrichtungen auf den Zeitpunkt der Inbetriebnahme des Widerstandes Bezug genommen wird, soll insbesondere von einem„erstmaligem" Einschalten der jeweiligen Schaltvorrichtung die Rede sein. Wenn bei den Schaltvorrichtungen das Herunterfahren des Widerstandes in Bezug genommen wird, soll von einem„endgültigen" Ausschalten der
Schaltvorrichtungen die Rede sein. Auch hier soll ein erstmaliges Einschalten, insbesondere als Einschalten nach einer Unterbrechung von mindestens 10 Sekunden oder mindestens einer Minute verstanden werden. Genauso soll ein endgültiges Ausschalten eine Unterbrechung des Betriebes des Widerstandes (Heizwiderstandes) von mindestens 10 Sekunden, vorzugsweise mindestens einer Minute bedeuten.
Unter einer„räumlichen Nähe" zwischen dem (ersten) Widerstand und dem Bauteil (z. B. Gehäuse) soll insbesondere ein (Minimal-) Abstand von weniger als 1 cm, insbesondere weniger als 0,5 cm zwischen Widerstand und Bauteil
verstanden werden. Der„Minimalabstand" ist der kleinste Abstand, wenn ein Abstand zwischen Widerstand und Bauteil (räumlich, d.h. entlang einer
Erstreckung eines Zwischenraumes) nicht konstant ist. Widerstand und Bauteil sollen jedoch insofern voneinander beabstandet sein, dass zwischen Widerstand und Gehäuse kein Kurzschluss ausgebildet ist. Bei dem (ersten) Widerstand handelt es sich vorzugsweise um den Widerstand einer elektrischen
Heizeinrichtung, insbesondere elektrischen Schichtheizeinrichtung. Elektrische Schichtheizeinrichtungen umfassen einen Heizwiderstand, der sich flächig erstreckt und beim Durchleiten eines elektrischen Stroms erwärmt. Generell handelt es sich bei dem Widerstand um einen Widerstand, der zur Wärmeabfuhr in räumlicher Nähe zu einem (insbesondere geerdeten) Bauteil, das vorzugsweise auf einem Potential ohne direkten Bezug zu einer Ansteuerspannung liegt, insbesondere zu einem Gehäuse und/oder einem Chassisbauteil, angeordnet ist. Bei dem Widerstand kann es sich generell um einen Heiz-Widerstand handeln, also dasjenige Bauteil, über das in einer Heizeinrichtung Wärme zur Heizung erzeugt wird oder um einen anderen Widerstand, der ggf. gekühlt werden muss.
In einer Ausführungsform umfasst die Steuerungsvorrichtung einen
(hochohmigen) zweiten Widerstand, einen (hochohmigen) dritten Widerstand und eine Verbindungsleitung, wobei der zweite und dritte Widerstand zueinander in Reihe geschaltet sind und gegenüber der Reihenschaltung aus erster
Schalteinrichtung, erstem Widerstand und zweiter Schalteinrichtung parallel geschaltet sind, wobei die Verbindungsleitung einen Punkt zwischen dem zweiten und dem dritten Widerstand mit einem Punkt zwischen den beiden
Schaltvorrichtungen verbindet. Bei einer derartigen Struktur kann auf einfache Art und Weise das gewünschte Zwischenpotential (insbesondere Mittenspannung) eingestellt werden. Unter einem hochohmigen Widerstand ist ein Widerstand zu verstehen, dessen Widerstandswert deutlich (z. B. mindestens um das Doppelte oder mindestens das Fünffache) über dem Widerstandswert des ersten
Widerstandes liegt. Beispielsweise kann der Widerstandswert eines
(hochohmigen) Widerstandes mindestens 1 kQ, vorzugsweise mindestens 1 ΜΩ betragen.
Alternativ oder zusätzlich zu dem zweiten und dritten Widerstand kann die
Kompensationseinrichtung eine aktive Beschaltung aufweisen, die bewirkt, dass eine entsprechende Spannung (insbesondere Mittenspannung) auf dem ersten Widerstand eingestellt werden kann.
Ein Widerstandswert des zweiten Widerstands und ein Widerstandswert des dritten Widerstandes unterscheiden sich um höchstens 10 %. Weiter
vorzugsweise sind die Widerstandswerte von zweitem und drittem Widerstand (zumindest im Wesentlichen) gleich groß. Der Unterschied (von höchstens 10 %) soll derart berechnet werden, dass zunächst eine Differenz der Widerstandswerte gebildet wird und diese Differenz durch den kleineren Widerstandswert geteilt wird (und dann mit 100 multipliziert wird, um zu einer Prozentangabe zu kommen). Insbesondere wenn die Widerstände im Wesentlichen (bzw. zumindest im Wesentlichen) gleich groß sind, können Störungen, wie oben beschrieben, deutlich reduziert oder im Idealfall sogar völlig vermieden werden.
Die oben genannte Verbindungsleitung kann beispielsweise (etwa) in einer Mitte des ersten Widerstandes angeschlossen sein. Es ist jedoch (davon abweichend) auch denkbar, die Verbindungsleitung an einem anderen Punkt (zwischen erster und zweiter Schaltvorrichtung) anzuschließen, beispielsweise an (oder in der Nähe) der ersten Schaltvorrichtung oder der zweiten Schaltvorrichtung oder auch an mehreren Punkten.
Erste und/oder zweite Schaltvorrichtung sind vorzugsweise als Transistor, insbesondere MOSFET oder IGBT, ausgebildet oder umfassen einen solchen Transistor (MOSFET oder IGBT), vorzugsweise auf der Basis von Silicium oder Siliciumcarbid oder Galliumarsenid. Dadurch wird eine Struktur bereitgestellt, die schnell und zuverlässig geschaltet werden kann.
Die Anordnung gemäß dem ersten Aspekt umfasst vorzugsweise eine
Steuerungseinrichtung, die konfiguriert ist, erste und zweite
Schaltungsvorrichtung synchron (gleichzeitig) zu schalten. Grundsätzlich kann die (bevorzugt synchrone) Schaltung jedoch auch durch ein anderes Bauteil zur Verfügung gestellt werden, das nicht zwingend Bestandteil der Anordnung ist. Insofern zeichnet sich die Anordnung gemäß dem ersten Aspekt grundsätzlich vor allem dadurch aus, dass (in elektrischer Hinsicht) eine Struktur bereitgestellt wird, die (bei vorzugsweise synchroner Schaltung) eine entsprechende
Kompensation auf einfache Art und Weise ermöglicht.
Vorzugsweise ist eine Stützeinrichtung, insbesondere umfassend eine oder mehrere Kapazitäten, beispielsweise parallel zum zweiten und/oder dritten Widerstand, zur Stützung einer dem Zwischenpotential entsprechenden Spannung (insbesondere Mittenspannung) vorgesehen. Wenn erste und zweite Schaltvorrichtung nicht„100 %" synchron eingeschaltet werden können, führt dies je nach Schaltzeit und Zeitverschiebung zu einem unterschiedlich hohen Strom, der über eine Erdanbindung abfließt. Die Stützeinrichtung (insbesondere Kondensatoren) können nun die gewünschte Spannung (Mittenspannung) stützen, um den Effekt der Zeitverschiebung zu mildern. Im einfachsten Fall sind
Kondensatoren parallel zu dem zweiten und dritten (hochohmigen) Widerstand geschaltet.
Weiterhin kann ein Microcontroller und/oder FPGA vorgesehen sein. Ein FPGA (Field Programmable Gate Array) ist ein integrierter Schaltkreis (in den eine logische Schaltung programmiert werden kann). Microcontroller bzw. FPGA sind zur Steuerung der Schaltung der ersten und/oder zweiten Schaltvorrichtung vorgesehen, insbesondere zum Nachschärfen eines Schaltzeitpunktes der ersten und zweiten Schaltvorrichtung. Auch dadurch können Schwierigkeiten im Hinblick auf ein„Timing" (Schalt-Zeitpunkt) der beiden Schaltvorrichtungen (insbesondere Transistoren bzw. MOSFETs oder IGBTs, vorzugsweise auf der Basis von Silicium oder Siliciumcarbid oder Galliumarsenid) deutlich gemildert werden, indem dieses „Timing" nachgeschärft wird, um einen höchstmöglichen Grad an Synchronität zu erreichen. Dadurch kann eine effektive Kompensation erfolgen.
Die Anordnung kann weiterhin eine Stromquelle, insbesondere Gleichstromquelle umfassen. Eine solche Stromquelle kann jedoch auch extern bereitgestellt werden, so dass die Anordnung lediglich entsprechende Anschlüsse zum
Anschließen einer Stromquelle aufweist.
Vorzugsweise ist ein zeitlicher Abstand zwischen einem Einschaltzeitpunkt der ersten Schaltvorrichtung und einem Einschaltzeitpunkt der zweiten
Schaltvorrichtung weniger als 20 %, vorzugsweise weniger als 5 % einer
Einschaltzeitdauer der ersten Schaltvorrichtung. Alternativ oder zusätzlich ist ein zeitlicher Abstand zwischen einem Ausschaltzeitpunkt der ersten
Schaltvorrichtung und einem Ausschaltzeitpunkt der zweiten Schaltvorrichtung weniger als 20 %, vorzugsweise weniger als 5 % einer Einschaltzeitdauer der ersten Schaltvorrichtung. Eine Taktrate (Frequenz) der PWM-Ansteuerung ist vorzugsweise in einem Bereich von 1 kHz bis 30 kHz , weiter vorzugsweise von 8 kHz bis 25 kHz. Eine
Impulsbreite (Tastgrad) der PWM-Ansteuerung ist vorzugsweise im Bereich von 1 % bis 100 % eines Taktes.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Steuerungsverfahren, insbesondere unter Verwendung der obigen Anordnung, zum Schalten eines in räumlicher Nähe zu einem (insbesondere geerdeten) Bauteil, das vorzugsweise auf einem Potential ohne (direkten) Bezug zu einer Ansteuerspannung liegt, insbesondere zu einem Gehäuse und/oder Chassisbauteil, angeordneten wärmeabgebenden, ersten Widerstandes mit einem ersten und einem zweiten Anschluss. Gemäß einem ersten bevorzugten Aspekt des Verfahrens liegt der erste Anschluss in einem Ein-Zustand des ersten Widerstandes auf einem ersten Potential und der zweite Anschluss in einem Ein-Zustand auf einem zweiten Potential liegt, wobei der Widerstand in einem Aus-Zustand auf einem
Zwischenpotential, das zwischen dem ersten und dem zweiten Potential liegt, gehalten wird, insbesondere auf, zumindest ungefähr, halber
Versorgungsspannung gehalten wird. Gemäß einem zweiten bevorzugten Aspekt des Verfahrens wird der (erste) Widerstand (insbesondere Heizwiderstand) pulsweiten-moduliert angesteuert, wobei eine erste, dem ersten Anschluss zugeordnete Schaltvorrichtung und eine zweite, dem zweiten Anschluss
zugeordnete Schaltvorrichtung synchron geschaltet werden.
Vorzugsweise werden auch beim ersten Aspekt des Verfahrens eine erste, dem ersten Anschluss zugeordnete Schaltvorrichtung und eine zweite, dem zweiten Anschluss zugeordnete Schaltvorrichtung synchron (insbesondere gleichzeitig) geschaltet, zumindest beim erstmaligen Einschalten und endgültigen Ausschalten.
Ein zeitlicher Abstand zwischen einem Einschaltzeitpunkt der ersten
Schaltvorrichtung und einem Einschaltzeitpunkt der zweiten Schaltvorrichtung ist vorzugsweise weniger als 20 %, vorzugsweise weniger als 5 % einer
Einschaltzeitdauer der ersten Schaltvorrichtung. Alternativ oder zusätzlich ist ein zeitlicher Abstand zwischen einem Ausschaltzeitpunkt der ersten
Schaltvorrichtung und einem Ausschaltzeitpunkt der zweiten Schaltvorrichtung weniger als 20 %, vorzugsweise weniger als 5 % einer Einschaltzeitdauer der ersten Schaltvorrichtung.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch eine elektrische Heizeinrichtung, insbesondere Schichtheizeinrichtung, umfassend eine Anordnung der oben beschriebenen Art und/oder ausgebildet zur Durchführung des oben
beschriebenen Steuerungsverfahrens gelöst. Hinsichtlich der Vorteile der elektrischen Heizeinrichtung sowie des Steuerungsverfahrens wird auf die
Ausführungen zur oben beschriebenen Anordnung verwiesen. Die elektrische Heizeinrichtung kann auch einen (getakteten) Drahtheizer oder ein PCT-Element als Heizelement umfassen.
Die elektrische Schichtheizung kann eine Heizschicht umfassen, die einen elektrischen Widerstand ausbildet und durch Fließen eines Stroms durch die Heizschicht erwärmt wird, so dass Wärme zum Heizen abgegeben werden kann.
Die Heizschicht (Heizbeschichtung) kann beispielsweise in einem
Plasmabeschichtungsverfahren, insbesondere Plasmaspritzen, oder in einem Siebdruckverfahren oder als Widerstandspaste, insbesondere auf die
Isolierschicht, aufgetragen werden. In dem Plasmabeschichtungsverfahren kann beispielsweise zunächst eine elektrisch leitende Schicht, insbesondere auf die Isolierschicht, aufgetragen werden. Aus der elektrisch leitfähigen Schicht können anschließend Bereiche ausgeschnitten werden, so dass eine Leiterbahn oder mehrere Leiterbahnen übrigbleiben. Bevorzugt kommt jedoch eine Maskiertechnik zum Einsatz. Die Leiterbahnen können dann den Heizwiderstand oder mehrere Heizwiderstände bilden. Die genannten Bereiche können alternativ zu einer Maskiertechnik, beispielsweise mittels eines Lasers aus der leitfähigen Schicht herausgeschnitten werden. Die Heizbeschichtung kann beispielsweise eine
Metallschicht sein und ggf. Nickel und/oder Chrom enthalten oder aus diesen Materialien bestehen. Beispielsweise können 70-90 % Nickel und 10-30 % Chrom verwendet werden, wobei ein Verhältnis von 80 % Nickel und 20 % Chrom als gut geeignet betrachtet wird. Die Heizbeschichtung kann beispielsweise eine Fläche von mindestens 5 cm2, vorzugsweise mindestens 10 cm2 und/oder höchstens 200 cm2, vorzugsweise höchstens 100 cm2, einnehmen.
Die Heizbeschichtung hat vorzugsweise eine Höhe (Dicke) von mindestens 5 μιτι, vorzugsweise mindestens 10 μιτι und/oder höchstens einem 1 mm, vorzugsweise höchstens 500 μιτι, noch weiter vorzugsweise höchstens 30 μιτι, noch weiter vorzugsweise höchstens 20 μιτι. Eine durch die Heizbeschichtung definierte Leiterbahn kann mindestens 1 mm, vorzugsweise mindestens 3 mm, noch weiter vorzugsweise mindestens 5 mm, noch weiter vorzugsweise mindestens 10 mm, noch weiter vorzugsweise mindestens 30 mm breit sein. Unter„Breite" soll die Ausdehnung der Leiterbahn senkrecht zu ihrer Längserstreckung (die
üblicherweise auch die Richtung des Stromflusses definiert) verstanden werden.
Die erfindungsgemäße Anordnung (und insbesondere eine ggf. vorgesehene Heizbeschichtung) kann zum Betrieb im Niedervoltbereich, vorzugsweise für 12 Volt, 24 Volt oder 48 Volt ausgelegt sein. Unter„Niedervoltbereich" soll vorzugsweise eine Betriebsspannung von unter 100 Volt, insbesondere unter 60 Volt (Gleichstrom) verstanden werden. Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Anordnung (und insbesondere eine ggf. vorgesehene Heizbeschichtung) zum Betrieb im Hochvoltbereich, vorzugsweise für über 100 V Volt oder über 250 V oder über 500 V, z. B. in einem Bereich von 250-800 V, ausgelegt. In einem höheren Voltbereich sind die oben erläuternden, zu vermeidenden, Effekte beim Stand der Technik besonders ausgeprägt. Im Allgemeinen ist die Anordnung und insbesondere eine ggf. vorgesehene Heizbeschichtung für einen Betrieb mit Gleichstrom ausgelegt.
Die Schichtheizung bzw. Heizbeschichtung kann grundsätzlich wie in
WO 2013/186106 AI und/oder WO 2013/030048 AI beschrieben, ausgebildet sein. Dort werden Heizungen beschrieben, die eine elektrische Heizschicht aufweisen, die sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung (bzw. dem Fließen eines Stroms) erwärmt. Die bereits erwähnten Widerstände können grundsätzlich aus einem beliebigen elektrisch leitfähigen Material gefertigt sein, sind jedoch vorzugsweise aus Metall .
Die erfindungsgemäße Anordnung und/oder das erfindungsgemäße Verfahren und insbesondere die elektrische Heizeinrichtung sind vorzugsweise für die
Verwendung in einem Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug vorgesehen und/oder entsprechend konfiguriert.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Beispiels gemäß dem Stand der Technik sowie einem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, die anhand der Abbildungen näher erläutert werden. H ierbei zeigen :
Fig . 1 Eine Anordnung zur Stromversorgung und Schaltung eines in der
Nähe eines Gehäuses angeordneten Widerstandes gemäß dem Stand der Technik;
Fig . 2 eine Anordnung zur Stromversorgung und Schaltung eines in der
Nähe eines Gehäuses angeordneten Widerstandes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung während eines ersten Schaltvorgangs;
Fig . 3 eine Anordnung gemäß Fig . 2 während eines zweiten
Schaltvorgangs; und
Fig . 4 eine Anordnung zur Stromversorgungsschaltung eines in der Nähe eines Gehäuses angeordneten Widerstandes gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleichwirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
Fig . 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Anordnung mit einem zu schaltenden elektrischen Widerstand gemäß dem Stand der Technik. Der zu schaltende elektrische Widerstand ist hier symbolisch durch die Widerstände Rl bis R4 dargestellt. Grundsätzlich handelt es sich hier jedoch um nur einen
(durchgehenden) Widerstand. Insofern können die schematisch dargestellten Widerstände Rl bis R4 auch als Widerstands-Abschnitte des Widerstands aufgefasst werden (also in Serie geschaltete Einzelabschnitte des Widerstandes). Alternativ kann es sich hier jedoch auch tatsächlich um voneinander strukturell abgegrenzte Widerstände (beispielsweise vier) handeln. Der Widerstand Rl bis R4 ist zur Wärmeabfuhr (Kühlung) nahe an einem Gehäuse 10 angeordnet.
Die in Fig. 1 gezeigten Kondensatoren Cl bis C5 entsprechen einer symbolischen Darstellung einer Kapazität des Widerstandes, die aus der nahen Anordnung an dem Gehäuse resultiert. In der abschnittsweisen Betrachtung des Widerstandes Rl bis R4 mit vier Abschnitten Rl, R2, R3 und R4 können diese Kapazitäten dann einzelnen Abschnitten zugeordnet sein.
Weiterhin ist ein Schalter M (konkret ein Transistor, insbesondere MOSFET oder IGBT) vorgesehen, der ein- und ausgeschaltet werden kann. Wird der Schalter M ausgeschaltet, liegt der Widerstand Rl bis R4 auf Versorgungsspannung, die durch eine Spannungsversorgung 11 bereitgestellt wird. Wird der Schalter M nun (erstmalig) eingeschaltet, verändert sich die Spannung über dem Widerstand Rl bis R4. Das (in Fig. 1) untere Ende von Rl geht gegen 0 Volt, während das (in Fig. 1) obere Ende von Rl weiterhin auf Versorgungsspannung liegt. Dies hat zur Folge, dass die Kapazität, gemäß der schematischen Darstellung Cl bis C5, ganz oder teilweise entladen wird. Die Kapazität Cl wird beispielsweise vollständig entladen, während C3 auf die halbe Versorgungsspannung entladen wird. Die halbe Versorgungsspannung entspricht der mittleren Spannung des vollständigen Widerstandes.
Im Mittel wird die vollständige Kapazität um die halbe Versorgungsspannung entladen.
Wird nun der Schalter M (endgültig) ausgeschaltet, wiederholt sich grundsätzlich das eben Beschriebene. Die Kapazitäten werden jedoch nicht entladen, sondern bis zur Versorgungsspannung aufgeladen. Dieses Laden und Entladen der Kondensatoren Cl bis C5 kann je nach Geschwindigkeit der Schaltung zu deutlichen EMV-Störungen führen (sowohl leitungsgebunden als auch
abgestrahlt).
Das Bezugszeichen 12 kennzeichnet einen Zwischenkreis-Kondensator. Weitere Kondensatoren 13 sowie Induktivitäten 14 sind Bestandteile einer
Netznachbildung (englisch: Line Impedance Stabilization Network, LISN) und für die vorliegende Erfindung nicht weiter von Bedeutung. Durch das Bezugszeichen 15 ist eine Erdanbindung des Gehäuses 10 symbolisiert.
In Fig. 2 ist eine Anordnung analog Fig. 1 gezeigt, jedoch mit erfindungsgemäßen Unterschieden. Die Elemente/Einheiten mit dem Bezugszeichen 10 bis 15 entsprechen der Anordnung gemäß dem Stand der Technik gemäß Fig. 1, so dass diesbezüglich auf die Ausführungen zum Stand der Technik verwiesen wird.
Im Unterschied zum Stand der Technik umfasst die Anordnung gemäß Fig. 2 jedoch nicht nur einen Schalter M (vgl. Fig. 1), sondern zwei Schalter M l, M2 (die als Transistoren, vorzugsweise MOSFETs oder IGBTs ausgebildet sind). Außerdem sind zwei (hochohmige) Widerstände 16, 17 vorgesehen, die über eine
Verbindungsleitung 18 mit dem ersten Widerstand Rl bis R4 verbunden sind. Konkret sind erste Schaltvorrichtungen Ml, erster Widerstand Rl bis R4 und zweite Schaltvorrichtung M2 in Serie geschaltet. Parallel dazu sind zweiter (hochohmiger) Widerstand 16 und dritter (hochohmiger) Widerstand 17 geschaltet. Die Verbindungsleitung 18 ist einerseits zwischen den (hochohmigen) Widerständen 16, 17 angeschlossen und andererseits am Widerstand Rl bis R4 angeschlossen. Konkret kann die Verbindungsleitung zwischen einem zweiten Widerstandsabschnitt R2 und einem dritten Widerstandsabschnitt R3 (in der abschnittsweisen Betrachtung) angeschlossen sein. Dies ist jedoch nicht zwingend. Die Verbindungsleitung könnte auch beispielsweise (in Fig. 2) oberhalb von Rl oder unterhalb von R3 etc. angeordnet sein.
II und 12 symbolisieren Ströme, die bei einem Einschalten der Schalter Ml und M2 fließen. Die beiden (hochohmigen) Widerstände 16, 17 haben im vorliegenden Ausführungsbeispiel den gleichen Wert (können jedoch auch ggf., zumindest geringfügig, variieren). Die Schalter Ml, M2 werden synchron (gleichzeitig) geschaltet.
Beim synchronen (insbesondere erstmaligen) Einschalten von Ml und M2 wird der Strom, der in C5 fließt (direkt) von Cl aufgenommen. Analoges gilt für C4 und C2. Im Idealfall fließt dann kein Strom mehr über die Erdanbindung. Im Prinzip das Gleiche (in umgekehrter Richtung) geschieht, wenn M l und M2 synchron ausgeschaltet werden. Dies ist in Fig. 3 illustriert. Fig. 3 entspricht Fig. 2, nur dass die Ströme II und 12 gezeigt sind, die beim Ausschalten fließen.
Wenn die Schaltvorrichtungen Ml und M2 nicht (exakt) synchron eingeschaltet werden, fließt je nach Schaltzeit und Zeitverschiebung ein bestimmter Strom über die Erdanbindung 15. Selbst bei nicht (exakt) synchron schaltenden
Schaltvorrichtungen Ml und M2 kann der unerwünschte Strom jedoch um
mindestens den Faktor 10 reduziert werden (im Vergleich zur Ansteuerung gemäß Fig. 1). Gegebenenfalls können auch Kondensatoren die Mittenspannung, die im ausgeschalteten Zustand der Schaltvorrichtungen Ml und M2 an dem Widerstand Rl bis R4 anliegt, stützen, um den Effekt der Zeitverschiebung zu entschärfen. Diese Kondensatoren können beispielsweise parallel zu den beiden
(hochohmigen) Widerständen 16, 17 angeordnet sein.
Die Schaltvorrichtungen M l, M2 werden durch eine Steuerungseinrichtung 19 (nicht im Detail dargestellt) gesteuert. Die (hochohmigen) Widerstände 16, 17 und die Verbindungsleitung 18 sind Elemente einer Kompensationseinrichtung 20, die (wie oben beschrieben) dafür sorgt, dass im (endgültig) ausgeschalteten Zustand der Schaltvorrichtungen Ml, M2 eine Mittenspannung an dem Widerstand Rl bis R4 anliegt.
Auch kann ggf. eine (schnelle) Steuereinheit, wie beispielsweise ein
Microcontroller oder FPGA den Schaltzeitpunkt (Timing) der beiden
Schaltvorrichtungen (MOSFETs) Ml und M2 nachschärfen, um einen
vergleichsweise hohen Grad an Synchronität zu erreichen. Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung. Dies entspricht der Ausführungsform nach den Fig. 2 und 3 mit dem Unterschied, dass die
Kompensationseinrichtung (mit den Widerständen 16, 17 und der
Verbindungsleitung 18) nicht vorgesehen ist. Bei dieser Ausführungsform wird der Widerstand R1-R4 PWM-angesteuert. Dabei werden die Schaltvorrichtungen nicht nur beim erstmaligen Ein-Schalten und beim erstmaligen Ausschalten synchron geschaltet, sondern auch während des Betriebes des Widerstandes R1-R4 (also während des Ein-Zustandes des Widerstandes). Dadurch können Störungen während der PWM-Ansteuerung des Widerstandes (insbesondere
Heizwiderstandes) im laufenden Betrieb kompensiert oder zumindest reduziert werden. Bevorzugt erfolgt auch bei der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 2-3 eine PWM-Ansteuerung des Widerstandes R1-R4 erfolgen (insbesondere wie im Hinblick auf Fig. 4 beschrieben).
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den
Zeichnungen dargestellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.
Bezugszeichen
Cl - C5 Kondensatoren (als symbolische Darstellung einer Gesamt-Kapazität)
M Schaltvorrichtung
Ml Erste Schaltvorrichtung
M2 Zweite Schaltvorrichtung
Rl - R4 Widerstände (als symbolische Darstellung eines Gesamt-Widerstandes)
10 Gehäuse
11 Spannungsversorgung
12 Zwischenkondensator
13 Kapazität
14 Induktivität
15 Erdanbindung
16 Zweiter (hochohmiger) Widerstand Dritter (hochohmiger) Widerstand Verbindungsleitung
Steuerungseinrichtung
Kompensationseinrichtung

Claims

Ansprüche
1. Anordnung, umfassend einen wärmeabgebenden ersten Widerstand (Rl bis R4), eine Steuerungsvorrichtung zum Schalten des ersten Widerstandes (Rl bis R4) sowie ein, insbesondere geerdetes, Bauteil, das auf einem Potential ohne direkten Bezug zu einer Ansteuerspannung, insbesondere ein Gehäuse oder Chassisbauteil (10), liegt,
- wobei der erste Widerstand (Rl bis R4) in räumlicher Nähe zu dem Bauteil, insbesondere Gehäuse (10), angeordnet ist und einen ersten und einen zweiten Anschluss aufweist,
- wobei die Steuerungsvorrichtung eine erste Schaltvorrichtung (Ml) und eine zweite Schaltvorrichtung (M2) umfasst,
- wobei erste Schaltvorrichtung (Ml), erster Widerstand (Rl bis R4) und zweite Schaltvorrichtung (M2) in der genannten Reihenfolge in Reihe geschaltet sind und somit eine Reihenschaltung ausbilden, wobei eine Kompensationseinrichtung (20) vorgesehen und konfiguriert ist, so dass im Ein-Zustand des ersten Widerstandes (Rl bis R4) zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss eine Spannung anliegt, so dass der erste Anschluss auf einem ersten Potential liegt und der zweite Anschluss auf einem zweiten Potential liegt, wobei der Widerstand (Rl bis R4) im Aus-Zustand auf einem Zwischenpotential, das zwischen dem ersten und dem zweiten Potential liegt, gehalten wird, insbesondere auf, zumindest ungefähr, halber Versorgungsspannung gehalten wird und/oder wobei die Steuerungsvorrichtung konfiguriert ist, den ersten
Widerstand pulsweiten-moduliert anzusteuern, wobei erste sowie zweite Schaltvorrichtung synchron geschaltet werden.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Kompensationseinrichtung (20) einen, insbesondere hochohmigen zweiten Widerstand (16), einen, insbesondere hochohmigen dritten Widerstand (17) und eine Verbindungsleitung (18) umfasst, wobei der zweite (16) und dritte (17) Widerstand zueinander in Reihe geschaltet sind und gegenüber der Reihenschaltung aus erster Schaltvorrichtung (Ml), erstem Widerstand (Rl bis R4) und zweiter Schaltvorrichtung (M2) parallel geschaltet sind, wobei die Verbindungsleitung (18) einen Punkt zwischen dem zweiten (16) und dem dritten (17) Widerstand mit einem Punkt zwischen den beiden Schaltvorrichtungen (Ml, M2) verbindet.
3. Anordnung nach Anspruch 2,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
sich ein Widerstandswert des zweiten Widerstandes (16) und ein
Widerstandswert des dritten Widerstandes (17) um höchstens 10 % voneinander unterscheiden, insbesondere, zumindest im Wesentlichen, gleich groß sind.
4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
die erste (Ml) und/oder zweite (M2) Schaltvorrichtung einen Transistor, insbesondere MOSFET oder IGBT, vorzugsweise auf Basis von Silicium und/oder Siliciumcarbid und/oder Galliumarsenid, umfasst.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u rch g e ke n n ze i c h n et, dass
eine Steuerungseinrichtung (19) vorgesehen ist, die konfiguriert ist, erste und zweite Schaltvorrichtung (Ml, M2) synchron (gleichzeitig) zu schalten.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
g e ke n n ze i c h n et d u rch
eine Stützungseinrichtung, insbesondere umfassend eine oder mehrere Kapazitäten, beispielsweise parallel zum zweiten und/oder dritten
Widerstand zur Stützung einer dem Zwischenpotential entsprechenden Spannung, insbesondere Mittenspannung.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
g e ke n n ze i c h n et d u rc h
einen Microcontroller und/oder FPGA zur Steuerung der Schaltung der ersten und/oder zweiten Schaltvorrichtung, insbesondere zum Nachschärfen eines Schaltzeitpunktes der ersten und zweiten Schaltvorrichtung.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
g e k e n n z e i c h n e t d u r c h
eine Spannungsversorgung (11), insbesondere eine Gleichstromquelle.
9. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
ein zeitlicher Abstand zwischen einem Einschaltzeitpunkt der ersten
Schaltvorrichtung und einem Einschaltzeitpunkt der zweiten
Schaltvorrichtung weniger als 20 %, vorzugsweise weniger als 5 % einer Einschaltzeitdauer der ersten Schaltvorrichtung ist und/oder
ein zeitlicher Abstand zwischen einem Ausschaltzeitpunkt der ersten
Schaltvorrichtung und einem Ausschaltzeitpunkt der zweiten
Schaltvorrichtung weniger als 20 %, vorzugsweise weniger als 5 % einer Einschaltzeitdauer der ersten Schaltvorrichtung ist.
10. Steuerungsverfahren, insbesondere unter Verwendung der Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, zum Schalten eines in räumlicher Nähe zu einem, insbesondere geerdeten, Bauteil, das auf einem Potential ohne direkten Bezug zu einer Ansteuerspannung liegt, insbesondere einem Gehäuse (10) oder Chassis-Bauteil, angeordneten wärmeabgebenden, ersten Widerstandes (Rl bis R4) mit einem ersten und einem zweiten Anschluss, wobei der erste Anschluss in einem Ein-Zustand des ersten
Widerstandes auf einem ersten Potential liegt und der zweite Anschluss in einem Ein-Zustand auf einem zweiten Potential liegt, wobei der Widerstand (Rl bis R4) in einem Aus-Zustand auf einem Zwischenpotential, das zwischen dem ersten und dem zweiten Potential liegt, gehalten wird, insbesondere auf, zumindest ungefähr, halber Versorgungsspannung gehalten wird und/oder wobei der erste Widerstand pulsweiten-moduliert angesteuert wird, wobei eine erste, dem ersten Anschluss zugeordnete
Schaltvorrichtung (Ml) und eine zweite, dem zweiten Anschluss zugeordnete Schaltvorrichtung (M2) synchron geschaltet werden,.
11. Steuerungsverfahren nach Anspruch 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
ein zeitlicher Abstand zwischen einem Einschaltzeitpunkt der ersten
Schaltvorrichtung und einem Einschaltzeitpunkt der zweiten
Schaltvorrichtung weniger als 20 %, vorzugsweise weniger als 5 % einer Einschaltzeitdauer der ersten Schaltvorrichtung ist und/oder ein zeitlicher Abstand zwischen einem Ausschaltzeitpunkt der ersten
Schaltvorrichtung und einem Ausschaltzeitpunkt der zweiten
Schaltvorrichtung weniger als 20 %, vorzugsweise weniger als 5 % einer Einschaltzeitdauer der ersten Schaltvorrichtung ist.
12. Elektrische Heizeinrichtung, insbesondere Schichtheizeinrichtung, umfassend eine Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder ausgebildet zur Durchführung des Steuerungsverfahrens zur Steuerung des elektrischen Widerstandes der Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11.
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