WO2016041884A1 - Verpolschutzschaltung für ein kraftfahrzeug-bordnetz und kraftfahrzeug-bordnetz - Google Patents

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polarity reversal
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Jordan Popov
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Continental Automotive Technologies GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H11/00—Emergency protective circuit arrangements for preventing the switching-on in case an undesired electric working condition might result
    • H02H11/002—Emergency protective circuit arrangements for preventing the switching-on in case an undesired electric working condition might result in case of inverted polarity or connection; with switching for obtaining correct connection
    • H02H11/003—Emergency protective circuit arrangements for preventing the switching-on in case an undesired electric working condition might result in case of inverted polarity or connection; with switching for obtaining correct connection using a field effect transistor as protecting element in one of the supply lines
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H1/00—Details of emergency protective circuit arrangements
    • H02H1/06—Arrangements for supplying operative power

Definitions

  • Polarity reversal protection circuit for a motor vehicle electrical system and vehicle electrical system
  • the invention relates to the field of vehicle electronics and in particular the field of protection circuits for electrical systems.
  • a motor vehicle electrical system If a motor vehicle electrical system is inadvertently connected to an external voltage source with reverse polarity, very high currents flow, which can destroy the battery and, in particular, semiconductors in the line path of the motor vehicle electrical system (hereafter: vehicle electrical system). This is the case in particular when there are synchronous rectifiers in the electrical system whose switches are constructed with MOSFETs. It is therefore important in the design of on-board networks to ensure that, above all, expensive power semiconductors are not damaged in the event of accidental connection with reverse polarity ("reverse polarity"). It is an object of the invention to provide an approach by means of which power semiconductors in a vehicle electrical system can be protected when an external voltage source with reverse polarity is connected.
  • inverse diode diodes are referred to, resulting within the structure of a transistor.
  • the inverse diode will also referred to as a substrate diode, body diode or parasitic substrate diode.
  • an ex ternal ⁇ inverse diode of a transistor is referred to as inverse diode, which are provided for hen outside the substrate, in which the transistor is constructed.
  • semiconductor disconnect switch As a semiconductor switch whschlei ⁇ terschalter be particularly referred, for example, semiconductor disconnect switch.
  • semiconductor switches in particular transistors such as MOSFETs, n-channel MOSFETs or IGBTs in Be ⁇ costume.
  • the semiconductor switch is designed in particular as a circuit breaker, ie as a switch that is not part of an electrical / electronic load, but to connect to this in series, and to disconnect the electrical system or the loads within the electrical system from the battery or to disconnect the battery.
  • the open semiconductor switch is brought into a closed switching state, so that the switching and (ie, the transistor element itself without inverse diode) relieve current carrying regions of the transistor, the Inversdi ⁇ ode.
  • the polarity reversal protection circuit includes a ground terminal, a positive pole and a half ⁇ conductor switch.
  • the semiconductor switch is provided with a Versode configured. Furthermore, the semiconductor switch is connected se ⁇ riell with the positive terminal or with the ground terminal.
  • the polarity reversal protection circuit may also have a positive electrical system connection, wherein the semiconductor switch between the positive vehicle electrical system connection (to connect the electrical system or the positive potential of the electrical system) and the positive terminal (such as a terminal for the positive battery teriepolpol) is connected in series. In this case, the semiconductor switch is connected upstream of the positive terminal.
  • the semiconductor switch of the polarity reversal protection circuit could also be connected upstream of the ground connection.
  • the semiconductor switch would (for connection of the electrical system and the earth potential of the onboard network ⁇ ) and the ground terminal (such as a terminal for the ne ⁇ gativen battery) connected in series in this case between the wiring ground connection.
  • the ground terminal such as a terminal for the ne ⁇ gativen battery
  • the wiring ground terminal and the ground terminal can be di rectly ⁇ interconnected and have the same potential, especially if the semiconductor single Rasch age is serially connected to the positive pole.
  • the positive pole terminal and the positive power supply board can be connected directly to each other and the same potential alswei ⁇ sen, particularly when the semiconductor single Rasch age is serially connected to the ground terminal.
  • the polarity reversal protection circuit further comprises a voltage source to switch the semiconductor switch in the reverse polarity case (in a conducting state), whereby the inverse diode of the semiconductor switch is relieved.
  • the voltage source is connected to a control input of the semiconductor switch.
  • the voltage source is set up to put the semiconductor switch in a conductive state via the control input, if the voltage potential of the ground terminal is above that of the positive terminal or if such Voltage is applied.
  • the power source is ⁇ staltet to generate a switching signal to apply it to the CON ⁇ ereingang of the semiconductor switch.
  • the voltage source may be a self-contained power source, such as a battery, a capacitor or the like which gege ⁇ is appropriate, arranged to be charged to the ground terminal and the positive pole.
  • the voltage source preferably has a voltage converter. This is equipped with an input which is connected directly or indi rectly ⁇ with the ground terminal and the positive pole.
  • the input is connected to receive, in whole or in part, a voltage applied between the ground terminal and the positive terminal.
  • the output of the voltage converter is connected to the control input of the semiconductor switch.
  • the Massean ⁇ circuit of the voltage converter or the input may be connected directly or indirectly to the vehicle power supply ground terminal.
  • the voltage converter or the input can instead be ver ⁇ connected with positive pole to the positive-board power supply.
  • the voltage converter which may also be referred to as a DCDC converter, may be an inductive or capacitive converter, such as a charge pump, a boost converter, an inverting converter, a synchronous converter, or may generally be provided with one or more energy storage devices (capacitors
  • the voltage at the output of the voltage converter in terms of the potential level ge ⁇ genüber ground (ground terminal or wiring ground terminal) or with respect to the positive pole or the positive power supply board is displaceable.
  • the voltage converter is preferably a transformer with galvanic isolation.
  • the voltage converter may comprise a transformer or a transformer for this purpose.
  • the voltage converter can be used as a flyback converter,
  • the voltage converter can be configured only in the case of reverse polarity, that is, when a voltage potential is applied to the mass and to the plus pole terminal, in which the potential of the ground terminal is higher than the Pluspolan ⁇ circuit to receive power via the input and at the output while there is no current at the input (and at the output) if there is no reverse polarity.
  • the voltage ⁇ converter can further include a smoothing energy storage such as a smoothing capacitor, or another delay element, by means of which for a predetermined time duration of the output of the voltage transformer, a switching signal (that is, a closing signal) applies to the semiconductor switch after the polarity reversal is no longer is present. This is used in particular to avoid oscillating states.
  • the voltage converter may further comprise an input-side check-in control circuit that conducts current when the voltage potential of the ground terminal is higher than the Pluspolan ⁇ circuit or when a voltage is applied to these terminals, which is negative.
  • the drive circuit may be set up to otherwise block a current flow to the voltage converter or to deliver no switching signal for closing the semiconductor switch. It may alternatively be provided that the drive circuit conducts current when the voltage at ground and positive pole terminal is negative, and that this state continues after this negative voltage is no longer present (ie, the polarity reversal is no longer present ⁇ ). This state can in particular be canceled by a clear signal or by the fact that the voltage converter (at least temporarily) receives no current at the input.
  • the drive circuit serves to activate the voltage converter.
  • the drive circuit may comprise a diode.
  • the drive circuit may have a coupled MOSFET, in particular a p-channel MOSFET.
  • the coupled MOSFET is a realization form of a feedback switching element, which can also be referred to as a monostable flip-flop due to its function. Is due to the thus configured control stage a negati ⁇ ve voltage (or other signal that indicates the state of a reverse polarity), then the control circuit goes into the conducting state or in a state in which the
  • Solid state switch (by means of the remaining voltage source) is driven to assume or maintain a conductive state.
  • the driver circuit Located on the drive stage negative voltage more (as a result of the conductive state of the semi-conductor switch), the driver circuit remains in a stand to ⁇ in which these drives the semiconductor switch (by means of the remaining voltage source) to maintain a conductive state.
  • the monostable multivibrator is reset again to a state in which the semiconductor switch is in the "non-conductive" state according to the activation
  • the conductive state is a power line between the semiconductor sections outside of the inverse diode, for the realization of a corresponding delay element may be an energy storage, such as a capacitor , be provided in the positive feedback circuit of the An horrschal ⁇ device, in particular in combination with a resistor to form an RC or LC element In stable or oscillating states of the semiconductor switch ef ⁇ êtiv be avoided.
  • the voltage source may have a supply input connected to the potential of the ground terminal and the potential the positive terminal is connected.
  • the voltage source is supplied via the supply input (which is preferably configured bipolar) with electrical energy. This is the case, in particular, if the voltage source is designed as a voltage converter (as described above) and is thus dependent on supply.
  • the voltage source further has an output which is connected to the control input and a further terminal of the semiconductor switch. A switching signal is transmitted to the semiconductor switch via the output of the voltage source.
  • the control input may be the base or the gate of a transistor forming the semiconductor switch.
  • the other terminal of the emitter or the source of the transistor may be that forms the semi ⁇ conductor switch.
  • the further connection serves to form another potential for the potential at the control input, in order to be able to apply a voltage between the two potentials which reproduces the control signal of the voltage source.
  • the voltage source may have a galvanic isolation between the supply input and the output and may be configured with a transformer or transformer as mentioned above.
  • the output via a galvanic isolator (such as a transformer or a transformer) may be connected to the semiconductor switch. This is the adaptation of the potential level between the power supply and semi ⁇ pus switch, if necessary.
  • the voltage source is preferably configured for supply voltages at the supply input and is in particular designed to operate at a supply voltage of not more than 500, 600, 800 mV or else 1 V or 1.2 V. These voltage values are in particular the minimum operating voltages of the voltage source.
  • a voltage can be used as the supply voltage, which voltage drops at a pn junction, in particular at a load connected to the semiconductor switch, which can be designed as a transistor with an inverse diode or can comprise this or is a diode.
  • the closed transistor or on the diode which is to be regarded as a load
  • only the forward voltage of the associated inverse diode which is approximately in the said range of 500 - 800 mV or 1000 mV or 1200 mV (or possibly also outside) can lie.
  • the load is in a use case of a rectifier circuit (as an active rectifier circuit including transistors which have an inverse diode or with a passive diode or rectifier diode) gebil ⁇ det, in particular of the DC side and output side of the rectifier circuit that conducts current approximately in the event of polarity reversal (because then the inverse diode or the diode is connected in the passage ⁇ direction) and is therefore considered as a load.
  • a rectifier circuit as an active rectifier circuit including transistors which have an inverse diode or with a passive diode or rectifier diode
  • gebil ⁇ det gebil ⁇ det
  • the voltage source is designed to work already with a supply voltage, that is the forward voltage of the connected transistor.
  • the minimum operating voltage can be below the specified voltage values .
  • the connected transistor is also referred to more generally as an electronic load switch.
  • the inverse diode of the semiconductor switch preferably has a forward direction to the positive pole terminal court ⁇ tet.
  • the semiconductor switch (which is designed in particular as a MOSFET) can be connected in the usual way (for example with the drain connection to the positive pole connection) to the positive pole connection.
  • a motor vehicle electrical system which is equipped with a Verpolschutzsciens, as set forth herein.
  • a load is connected in series with the semiconductor switch.
  • the series circuit of load and semiconductor switch resulting from this connection is connected between the ground connection and the positive pole connection.
  • a synchronous rectifier having to ⁇ least an active rectifier transistor versiode a home
  • a (passive) rectification for example, regarded as a load, in particular the output side and the electronic ⁇ rule switch (transistor with inverse diode or rectifier diode) of the rectifier and generally a load.
  • Loads are in particular electronic load switches.
  • the load or the at least one rectifier ⁇ tertransistor of the at least one rectifier diode may be connected in series with another component, which also conducts in Verpolungsfall, such as an inductance or De ⁇ ren DC resistance.
  • the load is not Shareerwei ⁇ se a functional load, whose operating current flows.
  • the load is also a load or a consumer, the or also generated in the non-working case, a current flow, in particular in the case of rectifier diode, rectifier ⁇ transistors or circuit breakers, due to their properties (such as an inverse diode between current-carrying terminals) in Reverse polarity case conduct electricity. Therefore, the load has, in particular an electronic circuit breaker with an inverse diode or at least one rectifier ⁇ terdiode.
  • the load and in particular the portions or components (such as an inverse diode) which carry current in the reverse polarity case have a higher high-current resistance than the inverse diode of the semiconductor switch.
  • the here for the inverse diode of the semiconductor switch Be ⁇ written .
  • the load can in particular take a transistor to ⁇ , such as a MOSFET or an IGBT, said transistor may have an inverse diode whose forward direction facing the positive pole.
  • the load may include a diode, such as a rectifier diode, as described above.
  • the load can be a solid state switch like that
  • the semiconductor switch of the load (which in particular corresponds to the electronic load switch) is designed with an inverse diode, as is the semiconductor switch of FIG
  • Polarity reversal protection circuit can be configured with an inverse diode.
  • the type of semiconductor switch the Polarity reversal protection circuit can correspond to the type of semiconductor switch of the load.
  • the load may be configured as a passive or a controlled rectifier (or as an inverter).
  • the substrate of the semi-conductor switch ⁇ the load is connected via a thermal resistance to a heat sink, which is smaller than a thermal resistance which connects the substrate of the semiconductor switch with a heat sink.
  • the semiconductor switch of the load can have better cooling or cooling connection than the semiconductor switch of the polarity reversal protection circuit.
  • the diode or Gleichrichterdi ⁇ ode or its substrate or semiconductor body of the load is connected via a thermal resistance to a heat sink, which is smaller than a thermal resistance which connects the substrate of the semiconductor switch with a heat sink. With ande ren ⁇ words, the diode of the load can better cooling or cooling connection as the semiconductor switch
  • the inverse diode of the semiconductor switch or the (rectifier ⁇ ter-) diode of the load may have a forward direction, the forward direction of the inverse diode of the
  • Polarity reversal protection corresponds.
  • the forward direction of the semiconductor switch of the load is preferably directed to the positive pole connection.
  • the diode of the load may belong to a rectifier ⁇ ter circuit or other circuit, such as an inverter.
  • FIG. 1 shows, by way of example, an automotive vehicle electrical system which is equipped with a polarity reversal protection circuit.
  • FIG. 1 shows an example of one described here
  • the motor vehicle electrical system 60 is shown only insofar as it is necessary to explain the invention.
  • the illustrated polarity reversal protection circuit 10 for a motor vehicle electrical system has a ground terminal 20, a positive terminal 22 and a semiconductor switch 30.
  • the semiconductor switch 30 is in particular a transistor, for example a
  • the semiconductor switch 30 is equipped with an inverse diode 32, whose forward direction to the positive terminal 20 has.
  • the semiconductor switch 30 is connected in series with the positive ⁇ pole terminal 22, but may also be connected in series with the ground terminal 20.
  • one of the current-carrying terminals (drain or source) is connected to the ground or positive terminal.
  • the polarity reversal protection circuit 10 also has a voltage source 40.
  • This may be self-sufficient, but is connected in the illustrated example via a supply connection 45 with the potentials of the ground and the plus-pole connections to connected by these electrical energy for operating the voltage ⁇ source.
  • the voltage source 40 can therefore also be regarded as a converter (DC voltage converter ⁇ ).
  • the voltage source is connected to a control input 34 of the semiconductor switch 30.
  • the DC-DC converter is connected to the control input 34 (gate) of the semiconductor switch.
  • the semiconductor switch 30 operates as a circuit breaker within the electrical system 60.
  • the semiconductor switch 30 is a circuit breaker, which is designed in particular for a nominal operating current (drain-source) of more than 50 A, 200 A or 500 A.
  • the voltage source 40 is arranged on the gear 34 Steuerein ⁇ the semiconductor switch 30 in a conductive state (Drain-source path conductive) to put when the
  • Voltage potential of the ground terminal 20 is above that of the plus ⁇ pole terminal 22.
  • the voltage source is equipped with a voltage as mentioned wall ⁇ ler 42nd This has an input 44, which is connected downstream of the supply connection.
  • the input 44 and the supply terminal 45 is connected to the ground terminal 20 and the positive pole terminal 22 is connected (directly or indi rectly ⁇ ).
  • the output 46 of the voltage converter 42 is connected to the control input 34 of the semiconductor switch 30.
  • the voltage converter has an input-side drive circuit 48, which conducts current when the voltage potential of the ground terminal 20 is above that of the positive terminal 22, ie when the Verpolungsfall occurs or occurs ⁇ occurs. Otherwise, the drive circuit 48 blocks a current flow to the voltage converter 42. In this way, the drive circuit controls the operation of the polarity reversal protection circuit, so that in the case of reverse polarity, the voltage source 40 is supplied and the semiconductor switch 30 is transferred or holds in a conductive state.
  • the voltage source may comprise a control input via which the polarity reversal is detected, to the power source 40 to control ⁇ .
  • the drive circuit may have a diode whose forward direction points to the voltage source 40.
  • the drive circuit 40 may comprise a coupled MOSFET, in particular a p-channel MOSFE.
  • the drive circuit 40 may have a flip-flop that changes the switching state (permanent, but resettable) when the reverse polarity event occurs.
  • the drive circuit 48 is shown in more detail in the upper left corner and includes a feedforward path including a delay element (RC element or the like).
  • the supply input 45 of the voltage source 40 is connected to the potential of the ground terminal 20 and the potential of the positive pole terminal 22.
  • the output 47 of the voltage source 40 is connected to the control input 34 and a further terminal 36 of the semiconductor switch 30.
  • the voltage source 40 has between the supply input 45 and the output 47 to a galvanic isolation.
  • the separating member comprises two magnetically coupled Wick ⁇ lungs, the source with the different sides of the voltage (40 that is connected to the input 45 and the output 47th
  • the inverse diode 32 of the semiconductor switch 30 has (herstel ⁇ lung-related) to a forward direction which is directed to Pluspolan- circuit 22nd
  • the motor vehicle electrical system 60 of FIG. 1 is connected to the polarity reversal protection circuit 10 described above.
  • a load 70 is connected in series with the semiconductor switch 30.
  • the resulting series circuit of load 70 and semiconductor switch 30 is connected between the ground terminal 20 and the positive terminal 22.
  • the load 70 is a component which conducts in the case of reverse polarity, in particular a (further) circuit breaker of a synchronous rectifier (not shown completely).
  • the power switch, which is the load 70 has an inverse diode 74 that is in parallel with the switching portion 72 (ie, source, drain, and the intermediate channel region) of the power switch 70.
  • the inverse diode results in the production of the substrate of the circuit breaker (ie the load 70) and is in some modes no load that plays a role in the operation of the circuit breaker.
  • the switching portion 72 ie, source, drain, and the intermediate channel region
  • the load 70 is a Transis ⁇ tor, in particular a MOSFET.
  • an electronic load switch 72 of the region of the transistor is referred to, controlled by the egg ⁇ NEN control input power leads, such as the above-mentioned section 72, that is, source, drain, and Between the seats ⁇ rule lying channel region.
  • the inverse diode 74 has a higher ⁇ high high-current strength than the inverse diode 32, in particular due to a better heat dissipation.
  • the illustrated load 70 may be provided a diode, such as a rectifier, wherein the diode as shown
  • Diode 74 is aligned and connected, with no electronic ⁇ nischer load switch 72 is connected in parallel.
  • the load 70 is designed as a (passive or as shown) controlled rectifier or as an inverter, or as part of a rectifier or inverter.
  • the illustrated load 70 has a semiconductor switch 72 (drain, source and the intermediate channel region) with an inverse diode 74, which is located in particular in the same substrate as the semiconductor switch.
  • the substrate of the semiconductor switch 72 of the load is connected via a thermal resistor with a heat sink ⁇ sink (not shown), which is smaller than a thermal resistance, which connects the substrate of the semiconductor switch 30 of the polarity reversal protection circuit 10 with a heat sink.
  • heating of the inverse diode 74 is less critical (in terms of damage to the respective semiconductor) as a heating of the inverse diode 32, wherein the results He ⁇ overheating by current flow through these diodes.
  • the rectifying diode in a passive rectifier as a load with a higher heat load to be allowed from ⁇ as the inverse diode 32.
  • the higher HEAT- ⁇ carrying capacity is obtained by a smaller heat resistance to a heat sink and / or from a higher operating temperature.
  • the inverse diode 74 of the semiconductor switch the load 70 has a forward direction to the positive pole terminal court ⁇ tet.
  • the transmission directions mentioned here are in reversed direction, if the circuit 10 is constructed to be complementary.
  • the voltage source 10 can be constructed as a flyback converter which, in addition to a chopper circuit (which is supplied via the input 45 or 44), has a (magnetic) transformer which galvanically isolates the input 45 from the output 47.

Landscapes

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Abstract

Es wird eine Verpolschutzschaltung (10) für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz beschrieben. Die Verpolschutzschaltung (10) weist einen Masseanschluss (20), einen Pluspolanschluss (22) und einen Halbleiterschalter (30) auf. Der Halbleiterschalter (30) ist mit einer Inversdiode (32) ausgestaltet und ist seriell mit dem Pluspolanschluss (20) oder dem Masseanschluss (22) verbunden. Die Verpolschutzschaltung (10) weist ferner eine Spannungsquelle (40) auf, die mit einem Steuereingang (34) des Halbleiterschalters (30) verbunden ist. Die Spannungsquelle (40) ist eingerichtet, über den Steuereingang (34) den Halbleiterschalter (30) in einen leitenden Zustand zu versetzen, wenn das Spannungspotential des Masseanschlusses (20) über dem des Pluspolanschlusses (22) liegt. Ferner wird ein Kraftfahrzeug-Bordnetz (60) mit einer Verpolschutzschaltung (10) beschrieben.

Description

Beschreibung
Verpolschutzschaltung für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz und Kraftfahrzeug-Bordnetz
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Fahrzeugelektronik und insbesondere das Gebiet der Schutzschaltungen für Bordnetze.
Falls versehentlich ein Kraftfahrzeug-Bordnetz mit einer ex- fernen Spannungsquelle mit umgekehrter Polung verbunden wird, fließen sehr hohe Ströme, die die Batterie und insbesondere Halbleiter im Leitungspfad des Kraftfahrzeug-Bordnetzes (im Weiteren: Bordnetz) zerstören können. Dies ist insbesondere der Fall, wenn sich im Bordnetz Synchrongleichrichter befin- den, deren Schalter mit MOSFETs aufgebaut sind. Es ist daher bei der Ausgestaltung von Bordnetzen darauf zu achten, dass vor allem teure Leistungs-Halbleiter beim versehentlichen An- schluss mit umgekehrter Polung ( "Verpolung" ) nicht geschädigt werden. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Herangehens- weise aufzuzeigen, mittels der Leistungs-Halbleiter in einem Bordnetz geschützt werden können, wenn eine externe Spannungsquelle mit umgekehrter Polung angeschlossen wird.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängi¬ gen Ansprüche. Weitere Ausführungen ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche sowie mit den Merkmalen und Aus¬ führungsformen, wie sie im Weiteren dargestellt sind.
Es wurde erkannt, dass bei einem Halbleiterschalter, der eine Inversdiode aufweist, diese auch bei offenem Schaltzustand des Halbleiters leitet, jedoch die Wärmeabfuhr der Inversdio¬ de nicht ausreichend ist, um eine Überhitzung der Inversdiode und somit des Leistungs-Halbleiters zu vermeiden.
Als Inversdiode werden Dioden bezeichnet, die sich innerhalb des Aufbaus eines Transistors ergeben. Die Inversdiode wird auch als Substrat-Diode, Body-Diode oder parasitäre Substrat- Diode bezeichnet. Ferner wird als Inversdiode auch eine ex¬ terne Inversdiode eines Transistors bezeichnet, die außerhalb des Substrats, in dem der Transistor aufgebaut ist, vorgese- hen sind.
Als Halbleiterschalter werden insbesondere Leistungshalblei¬ terschalter bezeichnet, beispielsweise Halbleiter- Trennschalter. Es kommen als Halbleiterschalter insbesondere Transistoren wie MOSFETs, n-Kanal-MOSFETs oder IGBTs in Be¬ tracht. Der Halbleiterschalter ist insbesondere als Trennschalter ausgeführt, d.h. als ein Schalter, der nicht ein Teil einer elektrischen/elektronischen Last ist, sondern zu dieser in Serie zu schalten ist, und das Bordnetz bzw. die Lasten innerhalb des Bordnetzes von der Batterie zu trennen bzw. um die Batterie abzutrennen.
Es wurde erkannt, dass bei offenem Halbleiterschalter der nur durch die Inversdiode fließende Strom diese zu stark erwärmen kann, da häufig der Wärmewiderstand zwischen einer Inversdio¬ de und einer Wärmesenke größer ist als der Wärmewiderstand zwischen den schaltenden und stromführenden Bereichen des Halbleiterschalters (d.h. Source, Drain und/oder Kanalbereich bzw. Emitter, Kollektor oder pn- oder np-Übergänge, die an den Emitter oder an den Kollektor angrenzen) und einer Wärmesenke. Da somit die Kühlung der Inversdiode weniger stark ausgeprägt ist als die genannten schaltenden und stromführenden Bereichen des Halbleiterschalters, kann die Erwärmung der Inversdiode zu einer Schädigung des Halbleiterschalters füh- ren. Daher wird erfindungsgemäß der offene Halbleiterschalter in einen geschlossenen Schaltzustand gebracht, damit die schaltenden und stromführenden Bereiche des Transistors (d.h. das Transistorelement selbst, ohne Inversdiode) die Inversdi¬ ode entlasten.
Es wird daher eine Verpolschutzschaltung für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz beschrieben. Die Verpolschutzschaltung weist einen Masseanschluss , einen Pluspolanschluss und einen Halb¬ leiterschalter auf. Der Halbleiterschalter ist mit einer In- versdiode ausgestaltet. Ferner ist der Halbleiterschalter se¬ riell mit dem Pluspolanschluss oder mit dem Masseanschluss verbunden . Die Verpolschutzschaltung kann ferner einen positiven Bordnetzanschluss aufweisen, wobei der Halbleiterschalter zwischen dem positiven Bordnetzanschluss (zum Anschluss des Bordnetzes bzw. des positiven Potentials des Bordnetzes) und dem Pluspolanschluss (etwa eine Klemme für den positiven Bat- teriepol) in Serie geschaltet ist. In diesem Fall ist der Halbleiterschalter dem Pluspolanschluss vorgeschaltet.
Der Halbleiterschalter der Verpolschutzschaltung könnte auch dem Masseanschluss vorgeschaltet sein. Der Halbleiterschalter wäre in diesem Fall zwischen dem Bordnetz-Masseanschluss (zum Anschluss des Bordnetzes bzw. des Massepotentials des Bord¬ netzes) und den Masseanschluss (etwa eine Klemme für den ne¬ gativen Batteriepol) in Serie geschaltet. In dem letztgenann¬ ten Fall wäre der Halbleiterschalter dem Masseanschluss vor- geschaltet.
Der Bordnetz-Masseanschluss und der Masseanschluss können di¬ rekt miteinander verbunden sein und das gleiche Potential aufweisen, insbesondere wenn der Halbleiteraschalter seriell mit dem Pluspolanschluss verbunden ist. Alternativ können der Pluspolanschluss und der positive Bordnetzanschluss direkt miteinander verbunden sein und das gleiche Potential aufwei¬ sen, insbesondere wenn der Halbleiteraschalter seriell mit dem Masseanschluss verbunden ist.
Die Verpolschutzschaltung weist ferner eine Spannungsquelle auf, um den Halbleiterschalter im Verpolungsfall zu schalten (in einen leitenden Zustand) , wodurch die Inversdiode des Halbleiterschalters entlastet wird. Die Spannungsquelle ist mit einem Steuereingang des Halbleiterschalters verbunden.
Die Spannungsquelle ist eingerichtet, über den Steuereingang den Halbleiterschalter in einen leitenden Zustand zu versetzen, wenn das Spannungspotential des Masseanschlusses über dem des Pluspolanschlusses liegt bzw. wenn eine derartige Spannung angelegt wird. Hierzu ist die Spannungsquelle ausge¬ staltet, ein Schaltsignal zu erzeugen, um dieses an den Steu¬ ereingang des Halbleiterschalters anzulegen. Die Spannungsquelle kann eine autarke Spannungsquelle sein, etwa eine Batterie, ein Kondensator oder ähnliches, die gege¬ benenfalls eingerichtet ist, an dem Masseanschluss und dem Pluspolanschluss aufgeladen zu werden. Vorzugsweise weist die Spannungsquelle einen Spannungswandler auf. Dieser ist mit einem Eingang ausgestattet, welcher mit dem Masseanschluss und dem Pluspolanschluss direkt oder indi¬ rekt verbunden ist. Der Eingang ist derart geschaltet, dass er eine Spannung, die zwischen dem Masseanschluss und dem Pluspolanschluss anliegt, vollständig oder teilweise erhält. Der Ausgang des Spannungswandlers ist mit dem Steuereingang des Halbleiterschalters verbunden. Anstatt mit dem Massean¬ schluss kann der Spannungswandler bzw. dessen Eingang mit dem Bordnetz-Masseanschluss direkt oder indirekt verbunden sein. Ferner kann der Spannungswandler bzw. dessen Eingang anstatt mit Pluspolanschluss mit dem positiven Bordnetzanschluss ver¬ bunden sein.
Der Spannungswandler, der auch als DCDC-Wandler bezeichnet werden kann, kann ein induktiver oder kapazitiver Wandler sein, etwa als eine Ladungspumpe, ein Aufwärtswandler, ein Inverswandler, ein Sychronwandler oder kann allgemein mit einem oder mit mehreren Energiespeichern (Kondensatoren
und/oder Drosseln) ausgestaltet sein, die von einem Zerhacker angesteuert werden. Insbesondere ist die Spannung am Ausgang des Spannungswandlers hinsichtlich des Potentialniveaus ge¬ genüber Masse (Masseanschluss oder Bordnetz-Masseanschluss ) bzw. gegenüber dem Pluspolanschluss oder dem positiven Bordnetzanschluss verschiebbar. Vorzugsweise ist der Spannungs- wandler ein Wandler mit galvanischer Trennung. Der Spannungswandler kann hierzu einen Transformator bzw. einen Übertrager umfassen. Der Spannungswandler kann als Sperrwandler,
Eintaktflusswandler, Gegentaktflusswandler, Resonanzwandler oder brückenloser PFC-Wandler ausgebildet sein oder kann eine entsprechende Schaltung umfassen.
Der Spannungswandler kann eingerichtet sein, ausschließlich im Falle der Verpolung, d.h. wenn an dem Masse- und dem Plus- polanschluss ein Spannungspotential angelegt wird, bei dem das Potential des Masseanschlusses über dem des Pluspolan¬ schlusses liegt, über den Eingang Strom aufzunehmen und am Ausgang abzugeben, während am Eingang (und am Ausgang) kein Strom fließt, wenn keine Verpolung vorliegt. Der Spannungs¬ wandler kann ferner einen Glättungs-Energiespeicher aufweisen, etwa einen Glättungskondensator, oder ein anderes Verzögerungsglied, mittels dem für eine vorbestimmte Zeitdauer der Ausgang des Spannungswandlers ein Schaltsignal (d.h. ein Schließ-Signal ) an den Halbleiterschalter anlegt, nachdem die Verpolung nicht mehr vorliegt. Dies dient insbesondere zur Vermeidung von schwingenden Zuständen.
Der Spannungswandler kann ferner eine eingangsseitige An- Steuerschaltung aufweisen, die Strom leitet, wenn das Spannungspotential des Masseanschlusses über dem des Pluspolan¬ schlusses liegt oder wenn eine Spannung an diese Anschlüsse angelegt wird, die negativ ist. Die Ansteuerschaltung kann eingerichtet sein, ansonsten einen Stromfluss zum Spannungs- wandler zu sperren bzw. kein Schaltsignal zum Schließen des Halbleiterschalters abzugeben. Es kann alternativ vorgesehen sein, dass die Ansteuerschaltung Strom leitet, wenn die Spannung an Masse- und Pluspolanschluss negativ ist, und dass dieser Zustand fortbesteht, nachdem diese negative Spannung nicht mehr vorliegt (d.h. der Verpolungsfall nicht mehr vor¬ liegt) . Dieser Zustand kann insbesondere aufgehoben werden durch ein Löschsignal oder dadurch, dass der Spannungswandler (zumindest temporär) keinen Strom am Eingang erhält. Die Ansteuerschaltung dient zur Aktivierung des Spannungswandlers. Anstatt einer eingangsseitigen Ansteuerschaltung kann auch eine Steuerschaltung verwendet werden, die (bezogen auf den Spannungswandler) ausgangsseitig im Spannungswandler angeordnet ist. Die Ansteuerschaltung kann eine Diode aufweisen. Alternativ oder in Kombination hiermit kann die Ansteuerschaltung einen mitgekoppelten MOSFET aufweisen, insbesondere einen p-Kanal- MOSFET. Der mitgekoppelte MOSFET ist eine Realisierungsform eines rückgekoppelten Schaltglieds, das auch aufgrund seiner Funktion als monostabile Kippstufe bezeichnet werden kann. Liegt an der derart ausgestalteten Ansteuerstufe eine negati¬ ve Spannung an (oder ein anderes Signal das den Zustand einer Verpolung kennzeichnet) , so geht die Ansteuerschaltung in den leitenden Zustand über bzw. in einen Zustand, in dem der
Halbleiterschalter (mittels der restlichen Spannungsquelle) angesteuert wird, einen leitenden Zustand einzunehmen oder beizubehalten. Liegt an der Ansteuerstufe keine negative Spannung mehr an (als Folge des leitenden Zustands des Halb- leiterschalters ) , so bleibt die Ansteuerstufe in einem Zu¬ stand, in dem diese den Halbleiterschalter (mittels der restlichen Spannungsquelle) ansteuert, einen leitenden Zustand aufrechtzuerhalten. Falls die Schaltung vollständig spannungslos ist (oder durch ein anderes Löschsignal) , wird die monostabile Kippstufe wieder zurückgesetzt in einen Zustand, in dem gemäß Ansteuerung der Halbleiterschalter mit dem Zustand „nicht leitend" vorliegt. Anstatt eines Löschsignals kann auch ein Zeitablauf ab dem Anlegen der negativen Spannung dazu führen, dass bei nicht mehr anliegender negativer Spannung der Halbleiterschalter vom leitenden Zustand in den nichtleitenden Zustand versetzt wird. Als leitender Zustand wird eine Stromleitung zwischen den Halbleiterabschnitten außerhalb der Inversdiode bezeichnet. Zur Realisierung eines entsprechenden Verzögerungsglieds kann ein Energiespeicher, etwa ein Kondensator, im Mitkopplungskreis der Ansteuerschal¬ tung vorgesehen sein, insbesondere in Kombination mit einem Widerstand, um ein RC- oder LC-Glied auszubilden. Somit kann die Ansteuerschaltung eine Tiefpasscharakteristik bzw. eine zeitlich Integrierende Funktion aufweisen. Dadurch werden in- stabile bzw. schwingende Zustände des Halbleiterschalters ef¬ fektiv vermieden.
Die Spannungsquelle kann einen Versorgungseingang aufweisen, der mit dem Potential des Masseanschluss und dem Potential des Pluspolanschlusses verbunden ist. Die Spannungsquelle wird über den Versorgungseingang (der vorzugsweise zweipolig ausgestaltet ist) mit elektrischer Energie versorgt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Spannungsquelle als Span- nungswandler (wie eingangs beschrieben) ausgestaltet ist und somit auf Versorgung angewiesen ist. Die Spannungsquelle weist ferner einen Ausgang auf, der mit dem Steuereingang und einem weiteren Anschluss des Halbleiterschalters verbunden ist. Über den Ausgang der Spannungsquelle wird ein Schaltsig- nal an den Halbleiterschalter übertragen. Der Steuereingang kann die Basis oder das Gate eines Transistors sein, der den Halbleiterschalter bildet. Der weitere Anschluss kann der Emitter oder die Source des Transistors sein, der den Halb¬ leiterschalter ausbildet. Der weitere Anschluss dient dazu, für das Potential am Steuereingang ein weiteres Potential zu bilden, um zwischen den beiden Potentialen eine Spannung anlegen zu können, die das Steuersignal der Spannungsquelle wiedergibt . Die Spannungsquelle kann zwischen dem Versorgungseingang und dem Ausgang eine galvanische Trennung aufweisen und kann wie eingangs bemerkt mit einem Übertrager bzw. Transformator ausgestaltet sein. Ferner kann der Ausgang über ein galvanisches Trennglied (etwa ein Übertrager bzw. ein Transformator) mit dem Halbleiterschalter verbunden sein. Dies dient der Anpassung des Potentialniveaus zwischen Spannungsquelle und Halb¬ eiterschalter, falls dies notwendig ist.
Die Spannungsquelle ist vorzugsweise für Versorgungsspannun- gen an dem Versorgungseingang ausgestaltet und ist insbesondere ausgelegt, bereits bei einer Versorgungsspannung von nicht mehr als 500, 600, 800 mV oder auch 1 V oder 1.2 V zu arbeiten. Diese Spannungswerte sind insbesondere die Be- triebs-Minimalspannungen der Spannungsquelle. Dadurch kann als Versorgungsspannung eine Spannung verwendet werden, die an einem pn-Übergang abfällt, insbesondere an einer mit dem Halbleiterschalter verbundenen Last, die etwa als Transistor mit Inversdiode ausgestaltet sein kann oder diese umfassen kann oder eine Diode ist. In diesem Fall fällt an dem ange- schlossenen Transistor bzw. an der Diode, der bzw. die als Last zu betrachten ist, lediglich die Durchlassspannung der zugehörigen Inversdiode ab, die etwa in dem genannten Bereich von 500 - 800 mV oder 1000 mV oder 1200 mV (oder ggf. auch außerhalb) liegen kann. Die Last wird in einem Anwendungsfall von einer Gleichrichterschaltung (als aktive Gleichrichterschaltung mit Transistoren, die eine Inversdiode aufweisen oder mit einer passiven Diode bzw. Gleichrichterdiode) gebil¬ det, insbesondere von der Gleichstromseite bzw. Ausgangsseite der Gleichrichterschaltung, die etwa im Verpolungsfall Strom leitet (da dann die Inversdiode bzw. die Diode in Durchlass¬ richtung angeschlossen ist) und daher als Last betrachtet wird. Die Spannungsquelle ist ausgestaltet, bereits mit einer Versorgungsspannung, die der Durchlassspannung des ange- schlossenen Transistors, zu arbeiten. Die Minimale Betriebs¬ spannung kann unter den genannten Spannungswerten liegen. Der angeschlossene Transistor wird im Weiteren auch allgemeiner als elektronischer Lastschalter bezeichnet. Die Inversdiode des Halbleiterschalters weist vorzugsweise eine Durchlassrichtung auf, die zum Pluspolanschluss gerich¬ tet ist. Dadurch kann der Halbleiterschalter (der insbesondere als MOSFET ausgebildet ist) in gewohnter Weise (etwa mit dem Drain-Anschluss an den Pluspolanschluss) mit dem Pluspol- anschluss verbunden sein.
Ferner wird ein Kraftfahrzeug-Bordnetz beschrieben, das mit einer Verpolschutzschaltung ausgestattet ist, wie sie hierin dargelegt ist. Eine Last ist seriell mit dem Halbleiterschal- ter verbunden. Die durch diese Verbindung resultierende Serienschaltung aus Last und Halbleiterschalter ist zwischen den Masseanschluss und den Pluspolanschluss geschaltet. Als Last wird beispielsweise ein Synchrongleichrichter (mit zu¬ mindest einem aktiven Gleichrichtertransistor, der eine In- versiode aufweist) oder ein (passiver) Gleichrichter angesehen, insbesondere dessen Ausgangsseite bzw. die elektroni¬ schen Schalter (Transistor mit Inversdiode oder Gleichrichterdiode) des Gleichrichters und allgemein einer Last. Als Last werden insbesondere elektronische Lastschalter bezeich- net, die im Verpolungsfall leitend sind (etwa über deren In¬ versdiode oder Gleichrichterdiode) , so dass sich ein Strom- fluss ergibt. Die Last bzw. der mindestens eine Gleichrich¬ tertransistor der die mindestens eine Gleichrichterdiode kann mit einer weiteren Komponente seriell verbunden sein, die im Verpolungsfall ebenso leitet, etwa eine Induktivität bzw. de¬ ren Gleichstromwiderstand. Die Last ist nicht notwendigerwei¬ se eine funktionelle Last, zu deren Betrieb Strom fließt. Die Last ist ebenso eine Last bzw. ein Verbraucher, die bzw. der auch im nicht funktionierende Fall einen Stromfluss erzeugt, insbesondere im Falle von Gleichrichterdiode, Gleichrichter¬ transistoren oder Lastschaltern, die aufgrund ihrer Eigenschaften (etwa eine Inversdiode zwischen stromführenden Anschlüssen) auch im Verpolungsfall Strom leiten. Die Last weist daher insbesondere einen elektronischen Lastschalter mit einer Inversdiode oder auch mindestens eine Gleichrich¬ terdiode auf.
Die Last und insbesondere die im Verpolungsfall stromführen- den Abschnitte oder Komponenten (etwa eine Inversdiode) weist eine höhere Hochstromfestigkeit auf als die Inversdiode des Halbleiterschalters .
Für die Inversdiode der Last bzw. für die Gleichrichterdiode gilt das hier für die Inversdiode des Halbleiterschalters Be¬ schriebene. Die Last kann insbesondere einen Transistor um¬ fassen, etwa einen MOSFET oder einen IGBT, wobei der Transistor eine Inversdiode aufweisen kann, deren Durchlassrichtung zum Pluspolanschluss weist. Alternativ kann die Last eine Di- ode, etwa eine Gleichrichterdiode umfassen, wie vorangehend beschrieben ist.
Die Last kann einen Halbleiterschalter wie die
Verpolschutzschaltung oder auch eine Diode aufweisen. Der Halbleiterschalter der Last (der insbesondere dem elektronischen Lastschalter entspricht) ist mit einer Inversdiode aus¬ gestaltet, wie auch der Halbleiterschalter der
Verpolschutzschaltung mit einer Inversdiode ausgestaltet sein kann. Der Typ des Halbleiterschalters der Verpolschutzschaltung kann dem Typ des Halbleiterschalters der Last entsprechen.
Die Last kann als passiver oder als gesteuerter Gleichrichter (oder als Inverter) ausgestaltet sein. Das Substrat des Halb¬ leiterschalters der Last ist über einen Wärmewiderstand mit einer Wärmesenke verbunden, der kleiner ist als ein Wärmewiderstand, der das Substrat des Halbleiterschalters mit einer Wärmesenke verbindet. Mit anderen Worten kann der Halbleiter- Schalter der Last eine bessere Kühlung bzw. Kühlanbindung als der Halbleiterschalter der Verpolschutzschaltung aufweisen. Im Folgenden ist auf eine Alternative zu der vorangehend be¬ schriebenen Last dargestellt. Die Diode bzw. Gleichrichterdi¬ ode bzw. dessen Substrat oder Halbleiterkörper der Last ist über einen Wärmewiderstand mit einer Wärmesenke verbunden, der kleiner ist als ein Wärmewiderstand, der das Substrat des Halbleiterschalters mit einer Wärmesenke verbindet. Mit ande¬ ren Worten kann die Diode der Last eine bessere Kühlung bzw. Kühlanbindung als der Halbleiterschalter der
Verpolschutzschaltung aufweisen.
Die Inversdiode des Halbleiterschalters bzw. die (Gleichrich¬ ter-) Diode der Last kann eine Durchlassrichtung aufweisen, die der Durchlassrichtung der Inversdiode der
Verpolschutzschaltung entspricht. Die Durchlassrichtung des Halbleiterschalters der Last ist vorzugsweise zum Pluspolan- schluss gerichtet. Die Diode der Last kann einer Gleichrich¬ terschaltung angehören oder auch einer anderen Schaltung, etwa einem Inverter.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Die Figur 1 stellt in beispielhafter Weise ein Kraftfahrzeug- Bordnetz dar, das mit einem Verpolschutzschaltung ausgestat- tet ist.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung Die Figur 1 zeigt ein Beispiel eines hier beschriebenen
Kraftfahrzeug-Bordnetzes 60 sowie einer hier beschriebene Verpolschutzschaltung 10. Das Kraftfahrzeug-Bordnetz 60 ist lediglich insoweit dargestellt, wie es zur Erläuterung der Erfindung erforderlich ist.
Die dargestellte Verpolschutzschaltung 10 für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz weist einen Masseanschluss 20, einen Pluspolanschluss 22 und einen Halbleiterschalter 30 auf. Der Halblei- terschalter 30 ist insbesondere ein Transistor, etwa ein
MOSFET. Der Halbleiterschalter 30 ist mit einer Inversdiode 32 ausgestattet, deren Durchlassrichtung zum Pluspolanschluss 20 weist. Der Halbleiterschalter 30 ist seriell mit dem Plus¬ polanschluss 22 verbunden, kann jedoch auch seriell mit dem Masseanschluss 20 verbunden sein. Insbesondere einer der stromführenden Anschlüsse (Drain oder Source) ist mit dem Masse- oder Pluspolanschluss verbunden.
Die Verpolschutzschaltung 10 weist ferner eine Spannungsquel- le 40 auf. Diese kann autark sein, ist jedoch in dem dargestellten Beispiel über einen Versorgungsanschluss 45 mit den Potentialen der Masse- und des Pluspolanschlüssen verbunden, um von diesen elektrische Energie zum Betrieb der Spannungs¬ quelle verbunden. In dem dargestellten Beispiel kann die Spannungsquelle 40 daher auch als Wandler (Gleichspannungs¬ wandler) betrachtet werden. Die Spannungsquelle ist mit einem Steuereingang 34 des Halbleiterschalters 30 verbunden. Insbe¬ sondere ein Ausgang 47 der Spannungsquelle, der sich auf der entgegengesetzten Seite des Versorgungsanschlusses 45 befin- det (bezogen auf die Spannungsquelle bzw. bezogen auf den
Gleichspannungswandler) ist mit dem Steuereingang 34 (Gate) des Halbleiterschalters verbunden. Der Halbleiterschalter 30 arbeitet als Trennschalter innerhalb des Bordnetzes 60. Der Halbleiterschalter 30 ist ein Leistungsschalter, der insbe- sondere für einen Nennbetriebsstrom (Drain-Source) von mehr als 50 A, 200 A oder 500 A ausgelegt ist.
Die Spannungsquelle 40 ist eingerichtet, über den Steuerein¬ gang 34 den Halbleiterschalter 30 in einen leitenden Zustand (Drain-Source-Strecke leitend) zu versetzen, wenn der
Verpolungsfall auftritt (oder aufgetreten ist) bzw. wenn das
Spannungspotential des Masseanschlusses 20 über dem des Plus¬ polanschlusses 22 liegt.
Die Spannungsquelle ist wie erwähnt mit einem Spannungswand¬ ler 42 ausgestattet. Dieser weist einen Eingang 44 auf, der dem Versorgungsanschluss nachgeschaltet ist. Der Eingang 44 bzw. der Versorgungsanschluss 45 ist mit dem Masseanschluss 20 und dem Pluspolanschluss 22 verbunden (direkt oder indi¬ rekt) . Der Ausgang 46 des Spannungswandlers 42 ist mit dem Steuereingang 34 des Halbleiterschalters 30 verbunden.
Der Spannungswandler weist eine eingangsseitige Ansteuer- Schaltung 48 auf, die Strom leitet, wenn das Spannungspotential des Masseanschlusses 20 über dem des Pluspolanschlusses 22 liegt, d.h. wenn der Verpolungsfall auftritt oder aufge¬ treten ist. Ansonsten sperrt die Ansteuerschaltung 48 einen Stromfluss zum Spannungswandler 42. Auf diese Weise steuert die Ansteuerschaltung den Betrieb der Verpolschutzschaltung, so dass im Verpolungsfall die Spannungsquelle 40 versorgt wird und den Halbleiterschalter 30 in leitenden Zustand überführt oder hält. Es sind auch andere Steuermechanismen mög¬ lich, etwa eine dauerhafte Versorgung der Spannungsquelle, wobei nur im Verpolungsfall die Spannungsquelle 40 den Steu¬ ereingang 34 mit einem AN-Signal versorgt. Hierzu kann die Spannungsquelle einen Steuereingang aufweisen, über den der Verpolungsfall erkannt wird, um die Spannungsquelle 40 anzu¬ steuern .
Die Ansteuerschaltung kann eine Diode aufweisen, deren Durchlassrichtung zur Spannungsquelle 40 weist. Alternativ oder zusätzlich kann die Ansteuerschaltung 40 einen mitgekoppelten MOSFET aufweisen, insbesondere einen p-Kanal-MOSFE . Allge- mein kann die Ansteuerschaltung 40 eine Kippschaltung aufweisen, die bei Eintritt des Verpolungsfalls den Schaltzustand (dauerhaft, jedoch rücksetzbar) ändert. Die Ansteuerschaltung 48 ist in der linken oberen Ecke detaillierter dargestellt und umfasst einen Mitkopplungspfad, der ein Verzögerungsglied (RC-Glied oder ähnlich) umfasst.
Der Versorgungseingang 45 der Spannungsquelle 40 ist mit dem Potential des Masseanschluss 20 und dem Potential des Plus- polanschluss 22 verbunden. Der Ausgang 47 der Spannungsquelle 40 ist mit dem Steuereingang 34 und einem weiteren Anschluss 36 des Halbleiterschalters 30 verbunden. Die Spannungsquelle 40 weist zwischen dem Versorgungseingang 45 und dem Ausgang 47 eine galvanische Trennung auf. Alternativ kann der Ausgang über ein galvanisches Trennglied 50 (als Alternative gestri¬ chelt dargestellt) mit dem Halbleiterschalter 30 verbunden sein. Das Trennglied umfasst zwei magnetisch gekoppelte Wick¬ lungen, die mit den unterschiedlichen Seiten der Spannungs- quelle 40 (d.h. mit dem Eingang 45 bzw. dem Ausgang 47 verbunden sind.
Die Inversdiode 32 des Halbleiterschalters 30 weist (herstel¬ lungsbedingt) eine Durchlassrichtung auf, die zum Pluspolan- schluss 22 gerichtet ist.
Das Kraftfahrzeug-Bordnetz 60 der Figur 1 ist mit der vorangehend beschriebenen Verpolschutzschaltung 10 verbunden. Eine Last 70 ist seriell mit dem Halbleiterschalter 30 verbunden ist. Die dadurch resultierende Serienschaltung aus Last 70 und Halbleiterschalter 30 ist zwischen dem Masseanschluss 20 und dem Pluspolanschluss 22 geschaltet. Die Last 70 ist eine im Verpolungsfall leitende Komponente, insbesondere ein (wei¬ tere) Leistungsschalter eines Synchrongleichrichters (nicht vollständig dargestellt) . Der Leistungsschalter, der die Last 70 darstellt, weist eine Inversdiode 74 auf, die parallel zu dem schaltenden Abschnitt 72 (d.h. Source, Drain, und der dazwischenliegende Kanalbereich) des Leistungsschalters 70 liegt. Die Inversdiode ergibt sich herstellungsbedingt im Substrat des Leistungsschalters (d.h. der Last 70) und stellt in einigen Betriebsarten keine Last dar, die für den Betrieb des Leistungsschalters eine Rolle spielt. Da im
Verpolungsfall dennoch Strom durch den Leistungsschalter (d.h. der Last 70) fließt, wird die Inversdiode 74 als (stromführende) Last bezeichnet. Die Last 70 ist ein Transis¬ tor, insbesondere ein MOSFET. Als elektronischer Lastschalter 72 wird der Bereich des Transistors bezeichnet, der über ei¬ nen Steuereingang gesteuert Strom führt, etwa der vorangehend genannte Abschnitt 72, d.h. Source, Drain, und der dazwi¬ schenliegende Kanalbereich. Die Inversdiode 74 hat eine höhe¬ re Hochstromfestigkeit als die Inversdiode 32, insbesondere aufgrund einer besseren Wärmeabführung. Anstatt der dargestellten Last 70 kann eine Diode vorgesehen sein, etwa die eines Gleichrichters, wobei die Diode wie die dargestellte
Diode 74 ausgerichtet und beschaltet ist, wobei kein elektro¬ nischer Lastschalter 72 parallel geschaltet ist.
Die Last 70 ist als (passiver oder wie dargestellt) gesteuer- ter Gleichrichter oder als Inverter ausgestaltet, oder als Teil eines Gleichrichters oder Inverters. Die dargestellte Last 70 weist einen Halbleiterschalter 72 (Drain, Source und der dazwischenliegende Kanalbereich) mit einer Inversdiode 74, die sich insbesondere im gleichen Substrat wie der Halb- leiterschalter befindet. Das Substrat des Halbleiterschalters 72 der Last ist über einen Wärmewiderstand mit einer Wärme¬ senke (nicht dargestellt) verbunden, der kleiner ist als ein Wärmewiderstand, der das Substrat des Halbleiterschalters 30 der Verpolschutzschaltung 10 mit einer Wärmesenke verbindet. Dadurch ist eine Erhitzung der Inversdiode 74 weniger kritisch (im Hinblick auf eine Schädigung des betreffenden Halbleiters) als eine Erhitzung der Inversdiode 32, wobei die Er¬ hitzung sich durch Stromfluss durch diese Dioden ergibt. Wie erwähnt kann bei einem passiven Gleichrichter als Last die Gleichrichterdiode mit einer höheren Hitzebelastbarkeit aus¬ gestattet sein als die Inversdiode 32. Die höhere Hitzebe¬ lastbarkeit ergibt sich durch einen geringeren Wärmewiderstand zu einer Wärmesenke und/oder aus einer höheren Betriebstemperatur .
Die Inversdiode 74 des Halbleiterschalters der Last 70 weist eine Durchlassrichtung auf, die zum Pluspolanschluss gerich¬ tet ist. Die hier genannten Durchlassrichtungen sind in umge- kehrter Richtung, falls die Schaltung 10 komplementär aufgebaut ist.
Die Spannungsquelle 10 kann als Sperrwandler aufgebaut sein, der neben einer Zerhackerschaltung (welche über den Eingang 45 bzw. 44 versorgt wird) einen (magnetischen) Übertrager aufweist, der den Eingang 45 von dem Ausgang 47 galvanisch trennt .
Bezugs zeichenliste
10 Verpolschutzschaltung
20 Masseanschluss
22 Pluspolanschluss
30 Halbleiterschalter (der Spannungsquelle)
32 Inversdiode
40 Spannungsquelle
34 Steuereingang (des Halbleiterschalters 30)
42 Spannungswandler
44 Eingang des Wandlers 42
45 Versorgungseingang der Spannungsquelle 40
46 Ausgang 46 des Spannungswandlers 42
47 Ausgang 47 der Spannungsquelle 40
48 eingangsseitige Ansteuerschaltung der Spannungsquelle 40 36 weiterer Anschluss 36 des Halbleiterschalters 30
50 alternatives galvanisches Trennglied
60 Kraftfahrzeug-Bordnetz
70 Last bzw. Leistungstransistor innerhalb des angeschlos¬ senen Bordnetzes
72 elektronischer Lastschalter
74 Inversdiode der Last 70 (kann auch als Gleichrichterdio¬ de eines passiven Gleichrichters vorgesehen sein)

Claims

Ansprüche
1. Verpolschutzschaltung (10) für ein Kraftfahrzeug- Bordnetz, wobei die Verpolschutzschaltung (10) aufweist: - einen Masseanschluss (20);
- einen Pluspolanschluss (22); und
- einen Halbleiterschalter (30), der mit einer Inversdi- ode (32) ausgestaltet ist und der seriell mit dem Plus¬ polanschluss (20) oder dem Masseanschluss (22) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die
Verpolschutzschaltung (10) ferner aufweist:
- eine Spannungsquelle (40), die mit einem Steuereingang (34) des Halbleiterschalters (30) verbunden ist, und die eingerichtet ist, über den Steuereingang (34) den Halb- leiterschalter (30) in einen leitenden Zustand zu versetzen, wenn das Spannungspotential des Masseanschlusses (20) über dem des Pluspolanschlusses (22) liegt.
2. Verpolschutzschaltung nach Anspruch 1, wobei die Span- nungsquelle (40) einen Spannungswandler (42) aufweist, der mit einem Eingang (44) ausgestattet ist, welcher mit dem Masseanschluss (20) und dem Pluspolanschluss (22) verbunden ist, wobei der Ausgang des Spannungswandlers (42) mit dem Steuereingang (34) des Halbleiterschalters (30) verbunden ist.
3. Verpolschutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Spannungswandler (42) eine eingangsseitige Ansteuerschaltung (48) aufweist, die Strom leitet, wenn das Spannungspotential des Masseanschlusses (20) über dem des Pluspolanschlusses (22) liegt, und ansonsten einen Stromfluss zum Spannungswandler (42) sperrt.
4. Verpolschutzschaltung nach Anspruch 3, wobei die An- Steuerschaltung (48) eine Diode aufweist oder einen mitgekoppelten MOSFET aufweist, insbesondere einen p- Kanal-MOSFE . Verpolschutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Spannungsquelle (40) einen Versor¬ gungseingang (45) aufweist, der mit dem Potential des Masseanschluss (20) und dem Potential des Pluspolan- schluss (22) verbunden ist, und die Spannungsquelle (40) einen Ausgang (47) aufweist, der mit dem Steuereingang (34) und einem weiteren Anschluss (36) des Halbleiterschalters (30) verbunden ist, wobei die Spannungsquelle (40) zwischen dem Versorgungseingang (45) und dem Ausgang (47) eine galvanische Trennung aufweist oder der Ausgang über ein galvanisches Trennglied (50) mit dem Halbleiterschalter (30) verbunden ist.
Verpolschutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Inversdiode (32) des Halbleiterschal¬ ters (30) eine Durchlassrichtung aufweist, die zum Plus- polanschluss (22) gerichtet ist.
Kraftfahrzeug-Bordnetz (60) mit einer
Verpolschutzschaltung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Last (70) seriell mit dem Halblei¬ terschalter (30) verbunden ist und die resultierende Se¬ rienschaltung aus Last (70) und Halbleiterschalter (30) zwischen den Masseanschluss (20) und den Pluspolan- schluss (22) geschaltet ist.
Kraftfahrzeug-Bordnetz nach Anspruch 7, wobei die Last (70), die insbesondere einen elektronischen Lastschalter (72) mit einer Inversdiode (74) aufweist, eine höhere Hochstromfestigkeit aufweist als die Inversdiode (32) des Halbleiterschalters (30) der Verpolschutzschaltung (10) .
9. Kraftfahrzeug-Bordnetz nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Last (70) als passiver oder gesteuerter Gleichrichter oder als Inverter ausgestaltet ist oder als Teil eines Gleichrichters oder Inverters vorliegt und eine Gleich¬ richterdiode oder einen Halbleiterschalter (72) mit einer Inversdiode (74) aufweist, wobei das Substrat des Halbleiterschalters (72) der Last über einen Wärmewider stand mit einer Wärmesenke verbunden ist, der kleiner ist als ein Wärmewiderstand, der das Substrat des Halb¬ leiterschalters (30) der Verpolschutzschaltung (10) mit einer Wärmesenke verbindet oder wobei die Gleichrichter diode der Last über einen Wärmewiderstand mit einer Wär mesenke verbunden ist, der kleiner ist als ein Wärmewiderstand, der das Substrat des Halbleiterschalters (30) der Verpolschutzschaltung (10) mit einer Wärmesenke ver bindet .
10. Kraftfahrzeug-Bordnetz nach Anspruch 9, wobei die In- versdiode (74) des Halbleiterschalters der Last (70) ei ne Durchlassrichtung aufweist, die zum Pluspolanschluss gerichtet ist.
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