WO2020114696A1 - Vorrichtung und verfahren zur entladung eines zwischenkreiskondensators - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur entladung eines zwischenkreiskondensators Download PDF

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voltage
intermediate circuit
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Marco DENK
Stefan Hain
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for discharging an intermediate circuit capacitor according to the main claims.
  • An intermediate circuit capacitor in a power electronic drive train should be able to be discharged in a controlled manner in the event of a fault for safety reasons.
  • a permanent passive discharge through high-resistance resistors or a redundant, active discharge circuit is used.
  • the active discharge circuit can, for example, a plurality of power resistors which absorb the energy of the intermediate circuit capacitor and / or comprise a high-voltage semiconductor switch which interconnects the load resistors with the intermediate circuit capacitor if necessary. This technology can be used for systems up to 400V, for example.
  • the present invention provides an improved device and an improved method for discharging an intermediate circuit capacitor according to the main claims.
  • Advantageous embodiments result from the subclaims and the following description.
  • a device for discharging an intermediate circuit capacitor comprising the following features:
  • a discharge unit for discharging the intermediate circuit capacitor the discharge unit being switchable or connected between two connecting terminals of the intermediate circuit capacitor, wherein a discharge of the intermediate circuit capacitor can be controlled by a drive voltage applied to a control input of the discharge unit;
  • control unit which is designed to act upon the control input of the discharge unit with the control voltage, the control unit is further configured to change the drive voltage during a discharge process or to start a discharge process of the intermediate circuit capacitor.
  • a discharge unit can be understood to mean, for example, a unit or an element which enables a current to flow in response to a control signal in order to discharge the intermediate circuit capacitor in a discharge process.
  • the discharge unit can be a semiconductor component, in particular from the field of power electronics.
  • a control unit can be understood to mean a unit, in particular an electronic unit, which generates the control voltage in accordance with a predetermined regulation or circuit topology. The control voltage can be generated, for example, numerically or in terms of circuitry.
  • a component or an element of an inverter can be used as the discharge unit.
  • the approach proposed here is based on the knowledge that a discharge unit, for example depending on a current temperature, can have a different switching behavior, so that by operating the control input of the discharge unit with a variable control voltage, a working point of the discharge unit is reliably controlled , in which a safe discharge of the intermediate circuit capacitor is achieved.
  • the approach presented here has the advantage of being able to safely discharge the intermediate circuit capacitor in different application scenarios using technically simple and inexpensive means, in response to the control signal or the control voltage.
  • the approach presented here thus offers a solution of how the redundant, active discharge according to one embodiment can be implemented, for example, as part of the inverter by suitable control of semiconductor switches as the discharge unit. Corresponding load resistors and an associated high voltage load resistor can be saved.
  • the power semiconductor (s) as an embodiment of the discharge unit is / are se operated in the linear range and set a defined resistance and discharge current for discharging the intermediate circuit capacitor.
  • control unit can be designed to change the control voltage from a low voltage level to a high voltage level.
  • discharge unit can advantageously be controlled such that the intermediate circuit capacitor is discharged as quickly and safely as possible via the discharge unit.
  • control unit can also be designed to change the control voltage uniformly, linearly and / or monotonously, in particular strictly monotonously. In this way it can be ensured, for example, that the discharge unit is controlled for a sufficiently long time in an optimal voltage range of the control voltage so that the intermediate circuit capacitor can be discharged reliably and quickly. At the same time, such a control voltage can be provided in a technically simple and efficient manner.
  • An embodiment of the approach proposed here is particularly advantageous in which the control unit has an RC element in order to determine a voltage level of the control voltage.
  • Such an embodiment is technically very simple to implement.
  • control unit can be designed to operate at or for a start of discharge. tion process to cause a voltage jump in the drive voltage and / or to cause a voltage jump in the drive voltage after an end of the discharge process.
  • Such an embodiment offers the advantage of actuating the discharge unit in such a way that no inadvertent discharge of the intermediate circuit capacitor occurs before the desired start of the discharge process and / or after the end of the discharge process the discharge unit can be brought quickly back into a state in which the intermediate circular capacitor can be recharged.
  • control unit is designed to set the control voltage to a level of 0 volts at the start of the discharge process, in particular starting from a minimum value that occurs before the start of the Discharge process has applied to the control input of the discharge unit and / or wherein the control unit is designed to set the control voltage to a minimum value after an end of the discharge process, in particular based on a maximum value that at one end of the discharge process at the control input of the Discharge unit has created.
  • the discharge unit can be controlled in such a way that the discharge of the intermediate circuit capacitor is as safe as possible at the desired discharge times or discharge time intervals, while at the other times or time intervals a discharge of the intermediate circuit capacitor can be avoided as reliably as possible.
  • the discharge unit can be designed as a semiconductor switch, in particular a power semiconductor switch.
  • this semiconductor switch can, for example, be part of an inverter of the intermediate circuit, so that components of the intermediate circuit that are already in use can be used for additional functionality and additional, separate components can thereby be saved, as a result of which the approach presented here can be implemented very inexpensively.
  • the semiconductor switch can also be operated in a linear (characteristic) range, so that the technical functions of the semiconductor switch can be used as efficiently as possible for the discharge process of the intermediate circuit, for example for converting the electrical energy stored in the intermediate circuit capacitor into thermal energy.
  • the discharge unit can also be designed as a transistor, in particular a MOSFET transistor, or an IGBT.
  • a transistor in particular a MOSFET transistor, or an IGBT.
  • Such an embodiment offers the advantage of a particularly fast and reliable control possibility of the discharge unit or the discharge of the intermediate circuit capacitor, wherein, for example, how a component of the intermediate circuit can be used for the further function as a discharge unit, which increases the manufacturing costs for the implementation of the approach presented here can be reduced.
  • control unit can be designed to determine the control voltage as a function of a temperature of the discharge unit or a component of the discharge unit.
  • the approach proposed here can be implemented in a particularly simple and inexpensive manner if a circuit topology is used in which the control unit has at least two resistors, one of the resistors being connectable in parallel with the other of the resistors by means of a first switch or being coupled to the control input of the discharge unit or can be coupled and / or wherein the control unit has a capacitance that can be switched or switched between the control input of the discharge unit and a connection of the intermediate circuit capacitor, in particular wherein the capacitance has a second switch for parallel connection of the capacitance between the control input and the Connection of the intermediate circuit capacitor to effect.
  • Such an The form of implementation of the approach presented here has the advantage of being able to use technically simple means to provide the desired change in the drive voltage during the discharge process or to initiate the discharge process.
  • An embodiment of the approach proposed here can be used particularly efficiently in an intermediate circuit for transmitting electrical energy from an energy source to an actuator, the intermediate circuit having an intermediate circuit capacitor and a device coupled to the intermediate circuit capacitor according to a variant presented here, in particular wherein the device uses at least one component which is also used by an inverter connected to the intermediate circuit capacitor.
  • the component used by the inverter can be used here as the discharge unit of the device.
  • Another advantage is an embodiment of the approach proposed here as a method for discharging an intermediate circuit capacitor by means of a variant of a device presented here, the method having the following step:
  • a control device can be an electrical device that processes electrical signals, for example sensor signals, and outputs control signals as a function thereof.
  • the control device can have one or more suitable interfaces, which can be designed as hardware and / or software.
  • the interfaces can, for example, be part of an integrated circuit in which functions of the device are implemented.
  • the interfaces can also be separate integrated circuits or at least partially consist of discrete components.
  • the interfaces can be software modules which are present, for example, on a microcontroller next to their software modules.
  • a computer program product with program code which can be stored on a machine-readable medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and is used to carry out the method according to one of the above-described embodiments when the program is on a computer or a control unit.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a vehicle in which a device for discharging a dual-circuit capacitor according to an exemplary embodiment can be used;
  • Figure 2 is a diagram showing the modulation behavior of a power semiconductor as a discharge unit.
  • FIG. 5 shows a possible circuit topology which can be used for the simple and inexpensive implementation of the approach presented here;
  • FIG. 6 shows a diagram to show different electrical quantities over time for a deeper understanding of the function of the circuit from FIG. 5; and
  • FIG. 7 shows a flow chart of a method according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a vehicle 100, in which a device 105 for discharging an intermediate circuit capacitor according to one exemplary embodiment can be used.
  • the vehicle 100 is configured, for example, as a hybrid or electric vehicle.
  • the vehicle 100 is supplied with electrical energy by a battery or an accumulator as an energy store 110, which for example feeds a voltage UB of 400 volts or, in newer vehicles, 800 volts into an energy supply system 115 of the vehicle 100.
  • an intermediate circuit 125 with an inverter 130 is often required in order, for example, to feed the energy supply system 115 of the vehicle 100 from the energy source 110 as DC voltage Energy to generate an alternating voltage, in particular a multi-phase alternating voltage in a drive energy supply system 135 for operating the drive motor 120.
  • the inverter 130 can have one or more bridge circuits (not shown in FIG. 1 for reasons of clarity) in order to determine the suitable AC voltage for injection into the drive power supply system 135 from the DC voltage UB from the energy supply system 115.
  • an intermediate circuit capacitor 140 is provided.
  • This intermediate circuit capacitor 140 is usually designed in such a way that it can absorb a large amount of energy in order to compensate for the corresponding fluctuations in the voltage UB in the energy supply interception system 115 intercept.
  • a fault occurs in the electrical system of the vehicle 100, for example a short circuit or an electrical defect, it may be necessary for safety reasons to discharge the intermediate circuit capacitor 140 as quickly as possible, for example to avoid the risk of fire of the vehicle 100 or the risk of to minimize electric shock for occupants of vehicle 100 due to the high electrical voltage that may still be present in intermediate circuit capacitor 140.
  • a corresponding protective circuit is usually used, as is the device 105 presented here for discharging the intermediate circuit capacitor 140.
  • the device 105 for discharging the intermediate circuit capacitor 140 has a discharge unit 145 and a control unit 150.
  • the discharge unit 145 can be connected, for example, between terminals 155 of the intermediate circuit capacitor 140, wherein a discharge of the intermediate circuit capacitor 140 can be controlled by the discharge unit 145 by means of a drive voltage applied to a control input 160.
  • the control unit 150 is designed to apply the control voltage to the control input 160 of the discharge unit 145, the control unit 150 providing the control voltage in such a way that the control voltage during the discharge process or for a discharge (ie for starting the discharge) of the intermediate circuit capacitor 140 is changed.
  • the corresponding control voltage U in the control unit 150 be generated and applied to the control input 160 of the discharge unit 145, as will be described in more detail below.
  • a power semiconductor is now used as the discharge unit 145, for example that which is part of the inverter 130 or a bridge circuit of the inverter 130, a problem can be encountered with regard to controlled activation of the latter Power semiconductors occur so that instead of its nominal current (a few hundred amperes) carries only a very small current (a few hundred milliamps).
  • the gate voltage U ge of this power semiconductor ie the voltage between the gate and the source connection of the power semiconductor used as a discharge unit 145
  • U ge, const the current flow I in the power semiconductor
  • egg NEN desired low discharge current controls the necessary gate voltage U ge of many Parameteren such as temperature and manufacturing tolerances depends, is the active discharge by applying a pre-defined Ga te voltage U ge not possible.
  • FIG. 2 shows a diagram to illustrate the modulation behavior of a power semiconductor as a discharge unit 145, in which the gate voltage U g e is plotted on the abscissa and the current l c flowing through the power semiconductor is plotted on the ordinate. Furthermore, three characteristic curves 200 are entered in the diagram, a first 200 a of the characteristic curves 200 showing the current flow l c as a function of the gate voltage U ge at a temperature of 150 ° C.
  • the discharge current 210 required to discharge the intermediate circuit capacitor 140 is reliably reached only for the temperature 25 ° C. of the power semiconductor; in the event that the power semiconductor has a temperature of -25 ° C., the constant gate voltage U ge is too low, while for the temperature 150 ° C. of the power semiconductor the constant gate voltage U ge is too high.
  • FIG. 2 thus illustrates the problem using the example of the reliable control of the discharge unit 145 using the example of a power semiconductor as a discharge unit at a variable temperature, which has the greatest influence on the discharge current.
  • FIG. 2 thus shows the problem of the uncontrollable discharge current.
  • the constant gate voltage (U ge , konst) is set for a temperature of 25 ° C. in such a way that the desired discharge current l c flows.
  • T 150 ° C.
  • an excessively high discharge current flows over the semiconductor or the semiconductor of the discharge unit 145 at the same applied gate voltage, as a result of which they can be damaged or destroyed.
  • the discharge unit 145 which is embodied here as a semiconductor, is not driven with a constant gate voltage, but with a variable drive voltage, such as a gate voltage ramp.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a profile 300 of the control voltage, as can be applied to the control input 160 of the discharge unit 145 in accordance with an exemplary embodiment of the approach presented here.
  • the time t is plotted on the abscissa of the diagram shown in FIG. 3 and the gate voltage U ge on the ordinate.
  • the linear or monotonous or even strictly monotonically increasing profile of the gate voltage U ge can be seen for increasingly later times t, the time in the original corresponding to a time of activation of the discharge process, for example in response to the error signal 170.
  • the gate voltage U ge is thus impressed on the control input 160 as a variable control voltage or gate voltage voltage ram.
  • variable gate voltage U ge as the control voltage applied to the control input 160, for example in the form of the gate voltage ramp according to an exemplary embodiment of the approach presented here, makes it possible to increase the control voltage as a function of time with a fixed gradient, so that all relevant gate voltages U ge are gradually passed through.
  • This control leads to the fact that the gate voltage U ge , which opens the electron channel and the flow of the optimal discharge current lc through the discharge unit 145, is applied to the semiconductor as the discharge unit 145, regardless of its temperature and its parameters leads as the semiconductor, so that the inter mediate circuit capacitor 145 can be discharged.
  • FIG. 4 shows the diagram corresponding to the diagram from FIG. 2, but it can now be seen that the variable gate voltage U ge means that an optimal operating point or an optimal gate voltage on one of the characteristic curves 200 is independent of the current temperature of the semiconductor as a discharge unit 145 it is sufficient, which leads to the opening of the discharge unit 145 in the form of a semiconductor, so that the intermediate circuit capacitor 130 can be discharged reliably and quickly.
  • FIG. 4 thus shows an optimal control of the semiconductor as a discharge unit 145 by means of the exemplary variable gate voltage ramp as the control voltage to be impressed on the control input 160. For each temperature of the semiconductor as the discharge unit 145, the desired or required discharge current 210 is thus achieved quickly and reliably.
  • the slope of the ramp can be used to set how quickly the electron channel of the semiconductor used as the discharge unit 145 is to be opened and thus how dynamically the discharge process of the intermediate circuit capacitor 140 is to be carried out.
  • FIG. 5 shows a possible circuit topology 500 which can be used for the simple and inexpensive implementation of the approach presented here.
  • the circuit topology 500 can be used as a circuit concept for generating the variable control voltage, for example as a gate voltage ramp. will stand.
  • the control voltage or gate voltage voltage can also be implemented by other means, for example by numerical or digital control of corresponding voltage sources.
  • the control circuit or control unit 150 of the semiconductor (as discharge unit 145) is supplemented by four further components, namely the first switch S1, the second switch S2, a capacitance CAD and a resistor RAD, the two switches S1 and S2 in, for example Depending on the error signal 170 can be closed or opened by means of a switch control unit 510.
  • the discharge unit 145 for example, a semiconductor or power semiconductor (here, for example, a MOSFET voltage transistor) is used, which is also part of the inverter 130, for example a bridge circuit of the inverter 130 for converting the DC voltage U B into an AC voltage for operating the drive motor Can be 120.
  • first switch S1 In normal switching operation (ie if there is no fault), first switch S1 is closed and second switch S2 is open. Since the resistor RAD SO is selected so that it is much larger (for example by a factor of 10) than the gate resistor R g , the switching behavior of the semiconductor as the discharge unit 145 is not influenced by the parallel connection of RAD and R g . Due to the opened second switch S2, the capacitance CAD is not effective. If the intermediate circuit 125 or the intermediate circuit capacitor 140 is to be discharged, this is initiated, for example, by the error signal 170 and the switch control unit 510 controls a voltage source in order to switch a control voltage Us to a positive control voltage, the first switch S1 being opened and the second switch S2 is closed.
  • the capacitance of CAD is advantageously much larger (for example by a factor of 10) than the gate-source capacitance of the semiconductor as discharge unit 145, the voltage of the gate-source capacitance is immediately matched to the voltage of the capacitance CAD (for example by a typical jump from -5V to 0V).
  • the further course of the gate voltage U ge is determined by charging the RC timing element consisting of RAD and CAD, as a result of which the desired gate voltage ramp U ge , for example, as shown in Figure 4 is reached.
  • FIG. 6 shows a diagram of different electrical quantities plotted on the ordinate on the left (voltages Uce, U g e and current lc) and on the right (power loss or energy loss) of the diagram over the time t plotted on the abscissa for a deeper understanding of the function of the Circuit from FIG. 5.
  • the discharge concept of the approach presented here is illustrated on the basis of measurement results and a functional proof of the drive-integrated, active discharge concept presented here.
  • the gate voltage ramp is then impressed.
  • the channel of the semiconductor acting as a discharge unit 145 begins to open and a controlled discharge current (characteristic line 620) flows, which is a maximum of 1A.
  • the voltage of the intermediate circuit Uce (characteristic curve 630) drops due to the discharge current lc within a discharge time interval t d of 0.7 s from 800 V to 0 V.
  • a power loss pi oss of 500W at iner waste energy ei oss of 200 J is reduced.
  • the discharge unit (which is realized here as a semiconductor) can be controlled via a variable drive voltage, such as a gate voltage ramp, for triggering an active discharge of the intermediate circuit capacitor 140.
  • the variable ansteroid voltage or ramp can be generated by different variants, such as an RC element with an applied voltage or a defined current source.
  • All discharge unit types such as, for example, semiconductor types (Si-IGBTs, Si-MOSFETs and SiC-MOSFETs) that can be used favorably, in many relevant voltage classes (650 V,
  • FIG. 7 shows a flowchart of an exemplary embodiment as a method 700 for discharging an intermediate circuit capacitor by means of a variant of a device presented here, the method 700 having the step 710 of applying a control voltage to the control input of the discharge unit, the charging being carried out in such a way that the control voltage is changed during a discharge process or to start a discharge process of the intermediate circuit capacitor.
  • an exemplary embodiment comprises a “and / or” link between a first feature and a second feature
  • this can be read in such a way that the embodiment according to one embodiment has both the first feature and the second feature and according to a further embodiment either only that has the first feature or only the second feature.

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Abstract

Vorliegend wird eine Vorrichtung (105) zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators (140) vorgestellt, wobei die Vorrichtung (105) eine Entladungseinheit (145) zum Entladen des Zwischenkreiskondensators (140) aufweist, wobei die Entladungseinheit (145) zwischen zwei Anschlussklemmen (155) des Zwischenkreiskondensators (140) schaltbar oder geschaltet ist, wobei eine Entladung des Zwischenkreiskondensators (140) durch eine an einem Ansteuereingang (160) der Entladungseinheit (145) angelegte Ansteuerspannung (Uge) steuerbar ist. Ferner umfasst die Vorrichtung (105) eine Ansteuereinheit (150), die zum Beaufschlagen des Ansteuereingangs (160) der Entladungseinheit (145) mit der Ansteuerspannung (Uge) ausgebildet ist, wobei die Ansteuereinheit (150) ferner ausgebildet ist, um die Ansteuerspannung (Uge) während eines Entladungsvorgangs oder zum Start eines Entladungsvorgangs des Zwischenkreiskondensators (125) zu verändern.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators gemäß den Hauptansprüchen.
Ein Zwischenkreiskondensator in einem leistungselektronischen Antriebsstrang sollte in einem vorliegenden Fehlerfall aus Sicherheitsgründen kontrolliert entladen werden können. Dazu wird nach beispielsweise eine permanent anliegende, passive Entla dung durch hochohmige Widerstände oder eine redundante, aktive Entladeschaltung eingesetzt. Die aktive Entladeschaltung kann beispielsweise mehrere Leistungswi derständen, welche die Energie des Zwischenkreiskondensators aufnehmen, und/oder einem Hochspannungshalbleiterschalter umfassen, welcher die Lastwider stände mit dem Zwischenkreiskondensator im Bedarfsfall zusammenschaltet. Diese Technologie kann beispielsweise für Systeme bis 400V genutzt werden.
Für 800V-Systeme besteht die Problematik, dass der Hochspannungshalbleiterschal ter und die Lastwiderstände signifikant größer werden, da der Zwischenkreiskonden sator bei gleicher Kapazität die vierfache Energie enthält.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Vorrich tung sowie ein verbessertes Verfahren zum Entladen eines Zwischenkreiskondensa tors gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Es wird eine Vorrichtung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators vorgestellt, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale umfasst:
- eine Entladungseinheit zum Entladen des Zwischenkreiskondensators, wobei die Entladungseinheit zwischen zwei Anschlussklemmen des Zwischenkreiskondensa tors schaltbar oder geschaltet ist, wobei eine Entladung des Zwischenkreiskondensa tors durch eine an einem Ansteuereingang der Entladungseinheit angelegte Ansteu erspannung steuerbar ist; und
- eine Ansteuereinheit, die zum Beaufschlagen des Ansteuereingangs der Entla dungseinheit mit der Ansteuerspannung ausgebildet ist, wobei die Ansteuereinheit ferner ausgebildet ist, um die Ansteuerspannung während eines Entladungsvorgangs oder zum Start eines Entladungsvorgangs des Zwischenkreiskondensators zu verän dern.
Unter einer Entladungseinheit kann beispielsweise eine Einheit oder ein Element verstanden werden, welches einen Stromfluss, ansprechend auf ein Ansteuersignal, ermöglicht, um den Zwischenkreiskondensator in einem Entladungsvorgang zu ent laden. Beispielsweise kann die Entladungseinheit ein Halbleiterbauelement, insbe sondere aus dem Bereich der Leistungselektronik sein. Unter einer Ansteuereinheit kann eine Einheit, insbesondere eine elektronische Einheit, verstanden werden, die die Ansteuerspannung entsprechend einer vorbestimmten Vorschrift oder Schal- tungstolpologie erzeugt. Die Ansteuerspannung kann beispielsweise numerisch oder schaltungstechnisch generiert werden. Beispielsweise kann als die Entladungseinheit eine Komponente oder ein Element eines Wechselrichters verwendet werden.
Der hier vorgeschlagene Ansatz basiert auf der Erkenntnis, dass eine Entladungs einheit, beispielsweise in Abhängigkeit von einer aktuellen Temperatur, ein unter schiedliches Durchschaltverhalten aufweisen kann, sodass durch die Beaufschla gung des Ansteuereingangs der Entladungseinheit mit einer veränderbaren Ansteu erspannung zuverlässig ein Arbeitspunkt der Entladungseinheit angesteuert wird, bei dem auch eine sichere Entladung des Zwischenkreiskondensators erreicht wird. Der hier vorgestellte Ansatz bietet den Vorteil, mit technisch einfachen und kostengünsti gen Mitteln den Zwischenkreiskondensator in unterschiedlichen Einsatzszenarien sicher entladen zu können, ansprechend auf das Ansteuersignal bzw. die Ansteuer spannung.
Der hier vorgestellte Ansatz bietet somit eine Lösung, wie die redundante, aktive Ent ladung gemäß einer Ausführungsform durch ein geeignetes Ansteuern von Halb leiterschaltern als Entladungseinheit beispielsweise als Teil des Wechselrichters rea lisiert werden kann. Entsprechende Lastwiderstände und ein dazugehöriger Hoch spannungslastwiderstand können dadurch eingespart werden. Der/die Leistungs halbleiter als Ausführungsform der Entladungseinheit wird/werden dazu beispielswei- se im Linearbereich betrieben und auf diese Weise ein definierter Widerstand und Entladestrom für die Entladung des Zwischenkreiskondensators eingestellt.
Gemäß einem Aspekt des hier vorgestellten Ansatzes wird somit ermöglicht, ein be sonders einfaches und funktionales Ansteuerverfahren für Leistungshalbleiter als Ausführugnsform einer Entladungseinheit zu realisieren, um eine aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators kontrolliert durchzuführen. Es wird daher gemäß einer Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes ein neuartiges Ansteuerver fahren der Entladungseinheit, beispielsweise in der Form eines Leistungshalbleiters, vorgeschlagen, um die Funktion einer redundanten, aktiven Entladung des Zwi schenkreiskondensators in die Ansteuerung integrieren zu können.
Gemäß einer besonders günstigen Ausführungsform kann die Ansteuereinheit aus gebildet sein, um die Ansteuerspannung von einem niedrigen Spannungspegel zu einem hohen Spannungspegel zu verändern. Auf diese Weise lässt sich vorteilhaft die Entladungseinheit derart anzusteuern, dass der Zwischenkreiskondensator mög lichst schnell und sicher über die Entladungseinheit entladen wird.
Auch kann gemäß einer weiteren Ausführungsform die Ansteuereinheit ausgebildet sein, um die Ansteuerspannung gleichmäßig, linear und/oder monoton, insbesondere streng monoton zu verändern. Auf diese Weise kann beispielsweise sichergestellt werden, dass die Entladungseinheit in einem optimalen Spannungsbereich der An steuerspannung hinreichend lange angesteuert wird, sodass der Zwischenkreiskon densator zuverlässig und schnell entladen werden kann. Zugleich lässt sich eine sol che Ansteuerspannung technisch einfach und effizient bereitstellen.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der die Ansteuereinheit ein RC-Glied aufweist, um einen Spannungspegel der Ansteuerspannung zu ermitteln. Eine solche Ausführungsform ist schaltungstech nisch sehr einfach realisierbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes kann die Ansteuereinheit ausgebildet sein, um bei einem oder für einen Beginn des Entla- dungsvorgangs einen Spannungssprung der Ansteuerspannung zu bewirken und/oder nach einem Ende des Entladungsvorgangs einen Spannungssprung der Ansteuerspannung zu bewirken. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, die Entladungseinheit derart anzusteuern, dass vor dem gewünschten Beginn des Entla dungsvorgangs keine versehentliche Entladung des Zwischenkreiskondensators er folgt und/oder nach der Beendigung des Entladungsvorgangs die Entladungseinheit wieder schnell in einen Zustand gebracht werden kann, in welchem der Zwischen kreiskondensator wieder aufgeladen werden kann.
In diesem Zusammenhang ist eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes besonders vorteilhaft, bei der die Ansteuereinheit ausgebildet ist, um bei einem Be ginn des Entladungsvorgangs die Ansteuerspannung auf einen Pegel von 0 Volt zu setzen, insbesondere ausgehend von einem minimalsten Wert, der vor einem Beginn des Entladungsvorgangs am Ansteuereingang der Entladungseinheit angelegen hat und/oder wobei die Ansteuereinheit ausgebildet ist, um nach einem Ende des Entla dungsvorgangs die Ansteuerspannung auf einen minimalen Wert zu setzen, insbe sondere ausgehend von einem maximalen Wert, der an einem Ende des Entla dungsvorgangs am Ansteuereingang der Entladungseinheit angelegen hat. Auf diese Weise kann die Entladungseinheit derart angesteuert werden, dass eine möglichst große Sicherheit der Entladung des Zwischenkreiskondensators zu gewünschten Entladungszeitpunkten bzw. Entladungszeitintervallen erfolgt, während zu den ande ren Zeitpunkten bzw. Zeitintervallen eine Entladung des Zwischenkreiskondensators möglichst zuverlässig vermieden werden kann.
Auch kann gemäß einer anderen Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansat zes die Entladungseinheit als ein Halbleiterschalter, insbesondere ein Leistungshalb leiterschalter ausgebildet sein. Auf diese Weise lässt sich eine sehr schnelle und ein fache Ansteuerung der Entladung des Zwischenkreiskondensators realisieren. Zu gleich kann dieser Halbleiterschalter beispielsweise Teil eines Wechselrichters des Zwischenkreises sein, sodass bereits zu verwendende Komponenten des Zwischen kreises für eine zusätzliche Funktionalität genutzt werden können und hierdurch zu sätzliche, separate Komponenten eingespart werden können, wodurch sich der hier vorgestellte Ansatz sehr kostengünstig implementieren lässt. Besonders günstig kann auch der Halbleiterschalter in einem linearen (Kennlinien-) Bereich betrieben werden, wodurch die technischen Funktionen des Halbleiterschalters möglichst effi zient für den Entladungsvorgang des Zwischenkreises genutzt werden können, bei spielsweise zur Umwandlung der in den Zwischenkreiskondensator gespeicherten elektrischen Energie in thermische Energie.
Auch kann gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes die Entladungseinheit als ein Transistor, insbesondere ein MOSFET -Transistor, oder ein IGBT ausgebildet sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil einer be sonders schnellen und zuverlässigen Ansteuerungsmöglichkeit der Entladungsein heit bzw. der Entladung des Zwischenkreiskondensators, wobei beispielsweise wie der eine Komponente des Zwischen kreises für die weitere Funktion als Entladungs einheit verwendet werden kann, wodurch sich Herstellungskosten für die Implemen tierung des hier vorgestellten Ansatzes reduzieren lassen.
Auch kann in einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes die Ansteuereinheit ausgebildet sein, um die Ansteuerspannung in Abhängigkeit von ei ner Temperatur der Entladungseinheit oder einer Komponente der Entladungseinheit zu bestimmen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, einen optimalen Ar beitspunkt der Entladungseinheit möglichst schnell passenden Ansteuerspannung anzusteuern, sodass der Zwischenkreiskondensator möglichst schnell entladen wer den kann.
Besonders einfach und kostengünstig lässt sich der hier vorgeschlagene Ansatz im plementieren, wenn eine Schaltungstopologie verwendet wird, bei der die Ansteuer einheit zumindest zwei Widerstände aufweist, wobei einer der Widerstände mittels eines ersten Schalters mit dem anderen der Widerstände parallelschaltbar oder mit dem Ansteuereingang der Entladungseinheit gekoppelt oder koppelbar ist und/oder wobei die Ansteuereinheit eine Kapazität aufweist, die zwischen den Ansteuerein gang der Entladungseinheit und einen Anschluss des Zwischenkreiskondensators schaltbar oder geschaltet ist, insbesondere wobei die Kapazität einen zweiten Schal ter aufweist, um eine Parallelschaltung der Kapazität zwischen dem Ansteuereingang und dem Anschluss des Zwischenkreiskondensators zu bewirken. Eine solche Aus- führungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil, mit technisch einfa chen Mitteln die gewünschte Veränderung der Ansteuerspannung während des Ent ladungsvorgangs oder zum Einleiten des Entladungsvorgangs bereitstellen zu kön nen.
Besonders effizient lässt sich eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen An satzes in einem Zwischenkreis zur Übertragung einer elektrischen Energie aus einer Energiequelle an einen Aktor einsetzen, wobei der Zwischenkreis einen Zwischen kreiskondensator und eine mit dem Zwischenkreiskondensotor gekoppelte Vorrich tung gemäß einer hier vorgestellten Variante aufweist, insbesondere wobei die Vor richtung zumindest eine Komponente (mit-) nutzt, die ferner von einem mit dem Zwi schenkreiskondensator zusammengeschalteten Wechselrichter genutzt wird . Die von dem Wechselrichter genutzte Komponente kann heribei als die Entladungseinheit der Vorrichtung genutzt werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, den Zwischenkreiskondensator effizient, schnell und zuverlässig durch die Vorrichtung entladen zu können.
Von Vorteil ist ferner eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes als Verfahren zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators mittels einer Variante einer hier vorgestellten Vorrichtung, wobei das Verfahren den folgenden Schritt auf weist:
- Beaufschlagen des Ansteuereingangs der Entladungseinheit mit einer Ansteuer spannung, wobei das Beaufschlagen derart erfolgt, dass die Ansteuerspannung wäh rend oder für einen Beginn eines Entladungsvorgangs des Zwischenkreiskondensa tors verändert wird.
Auch durch eine solche Ausführungsform lassen sich die Vorteile des hier vorgestell ten Ansatzes schnell und effizient realisieren.
Günstig ist weiterhin eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes als Steu ergerät, das eingerichtet ist, um den Schritt einer Varianten eines hier vorgestellten Verfahrens in einer entsprechenden Einheit auszuführen und/oder anzusteuern. Ein Steuergerät kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispiels weise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine oder mehrere geeignete Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Vorrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnitt stellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben an deren Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf ei nem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplatten speicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchfüh rung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät ausgeführt wird.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, in welchem eine Vorrichtung zur Entladung eines Zwisdchenkreiskondensators gemäß einem Ausführungsbeispiel eingesetzt werden kann;
Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung des Aussteuerverhaltens eines Leistungshalb leiters als Entladungseinheit;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Verlaufs der Ansteuerspannung;
Fig. 4 ein Diagramm entsprechend dem Diagramm aus Figur 2, wobei nun jedoch erkennbar ist, dass durch die veränderliche Gate-Spannung ein optimaler Arbeits punkt bzw. eine optimale Gate-Spannung auf einer Kennlinie erreicht wird;
Fig. 5 eine mögliche Schaltungstopologie, die zur einfachen und kostengünstigen Realisierung des hier vorgestellten Ansatzes verwendet werden kann; Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung unterschiedlicher elektrischer Größen über die Zeit zum vertieften Verständnis der Funktion der Schaltung aus der Figur 5; und Fig. 7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorlie genden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 100, in welchem eine Vorrichtung 105 zur Entladung eines Zwisdchenkreiskondensators gemäß einem Ausführungsbeispiel eingesetzt werden kann. Das Fahrzeug 100 ist beispielsweise als Hybrid- oder Elektrofahrzeug ausgestaltet. Das Fahrzeug 100 wird von einer Bat terie bzw. einem Akkumulator als Energiespeicher 1 10 mit elektrischer Energie ver sorgt, der beispielsweise eine Spannung UB von 400 Volt oder, bei neueren Fahr zeugen, auch 800 Volt in ein Energieversorgungssystem 1 15 des Fahrzeugs 100 einspeist. Um nun einen Antriebsmotor 120 des Fahrzeugs 100 mit dieser Energie aus dem Energiespeicher 1 10 betreiben zu können, ist oftmals ein Zwischenkreis 125 mit einem Wechselrichter 130 erforderlich, um beispielsweise aus der als Gleichspannung von der Energiequelle 110 auf das Energieversorgungssystem 1 15 des Fahrzeugs 100 eingespeisten Energie eine Wechselspannung, insbesondere eine mehrphasige Wechselspannung in einem Antriebsenergieversorgungssystem 135 zum Betreiben des Antriebsmotors 120 zu generieren. Hierzu kann der Wechsel richter 130 ein oder mehrere in der Figur 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte Brückenschaltungen aufweisen, um aus der Gleichspannung UB aus dem Energieversorgungssystem 115 die geeignete Wechselspannung zur Einspri- sung in das Antriebsenergieversorgungssystem 135 zu ermitteln.
Um nun Schwankungen der Spannung UB im Energieversorgungssystem 1 15 bei wechselnder Last des Antriebsmotors 120 zu vermeiden oder zu glätten, ist ein Zwi schenkreiskondensator 140 vorgesehen. Dieser Zwischenkreiskondensator 140 ist dabei meist derart ausgelegt, dass er eine teilweise große Energiemenge aufnehmen kann, um die entsprechenden Schwankungen der Spannung UB im Energieversor- gungssystem 115 abzufangen. Tritt nun allerdings ein Fehlerfall im elektrischen Sys tem des Fahrzeugs 100, beispielsweise ein Kurzschluss oder ein elektrischer Defekt auf, kann es aus Sicherheitsgründen erforderlich sein, den Zwischenkreiskondensa tor 140 möglichst schnell zu entladen, um beispielsweise die Brandgefahr des Fahr zeugs 100 oder die Gefahr eines elektrischen Schlags für Insassen des Fahrzeugs 100 durch die eventuell noch im Zwischenkreiskondensator 140 befindliche hohe elektrische Spannung zu minimieren. Hierzu wird meist eine entsprechende Schutz schaltung verwendet, wie sich die hier vorgestellte Vorrichtung 105 zur Entladung des Zwischenkreiskondensators 140 darstellt.
Die Vorrichtung 105 zur Entladung des Zwischenkreiskondensators 140 weist hierbei eine Entladungseinheit 145 sowie eine Ansteuereinheit 150 auf. Die Entladungsein heit 145 kann hierbei beispielsweise zwischen Anschlussklemmen 155 des Zwi schenkreiskondensators 140 geschaltet sein, wobei eine Entladung des Zwischen kreiskondensators 140 durch die Entladungseinheit 145 mittels einer an einem An steuereingang 160 angelegte Ansteuerspannung steuerbar ist. Die Ansteuereinheit 150 ist ausgebildet, um den Ansteuereingang 160 der Entladungseinheit 145 mit der Ansteuerspannung zu beaufschlagen, wobei die Ansteuereinheit 150 die Anstrei cherspannung derart bereitstellt, dass die Ansteuerspannung während des Entla dungsvorgangs oder für eine Entladung (d. h. zu einem Starten der Entladung) des Zwischenkreiskondensators 140 verändert wird.
Um eine Entladung des Zwischenkreiskondensators 140 einzuleiten, kann beispiels weise ansprechend auf einen von einer Fehlererkennungseinheit 165 erkannten und mittels eines Fehlerssignals 170 an die Anstreuereinheit 150 übermittelten Fehlers, beispielsweise eines Defekts im elektrischen System des Fahrzeugs 100, in der An steuereinheit 150 die entsprechende Ansteuerspannung Uge generiert und dem An steuereingang 160 der Entladungseinheit 145 beaufschlagt werden, wie dies nach folgend noch näher beschrieben ist.
Wird nun als Entladungseinheit 145 ein Leistungshalbleiter verwendet, beispielswei se der ein Teil des Wechselrichters 130 oder einer Brückenschaltung des Wechsel richters 130 ist, kann ein Problem imn Bezug auf ein kontrolliertes Ansteuern dieses Leistungshalbleiters auftreten, damit dieser anstelle seines nominellen Stromes (eini ge Hundert Ampere) nur einen sehr kleinen Strom (einige Hundert Milliampere) führt. Dazu sollte die Gate-Spannung Uge dieses Leistungshalbleiters (d. h., der Spannung zwischen dem Gate und dem Source-Anschluss des als Entladungseinheit 145 ver wendeten Leistungshalbleiters), welche den Stromfluss I im Leistungshalbleiter ein stellt, auf einen bestimmten konstanten Wert (Uge,konst) eingestellt werden. Da für ei nen gewünschten, kontrolliert niedrigen Entladestrom die dafür notwendige Gate- Spannung Uge von vielen Parameteren wie Temperatur und Herstellungstoleranzen abhängt, ist die aktive Entladung durch das Anlegen einer zuvor fest definierten Ga te-Spannung Uge nicht möglich.
Figur 2 zeigt ein Diagramm zur Darstellung des Aussteuerverhaltens eines Leis tungshalbleiters als Entladungseinheit 145, in welchem auf der Abszisse die Gate- Spannung Uge und auf der Ordinate der durch den Leistungshalbleiter fließende Strom lc aufgetragen ist. Ferner sind drei Kennlinien 200 in das Diagramm eingetra gen, wobei eine erste 200a der Kennlinien 200 den Stromfluss lc in Abhängigkeit der Gate-Spannung Uge bei einer Temperatur von 150°C des Leistungshalbleiters, eine zweite 200b der Kennlinien 200 den Stromfluss lc in Abhängigkeit der Gate- Spannung Uge bei einer Temperatur von 25°C des Leistungshalbleiters und eine drit te 200c der Kennlinien 200 den Stromfluss lc in Abhängigkeit der Gate-Spannung Uge bei einer Temperatur von -40°C des Leistungshalbleiters abbildet. Aus der Figur 2 wird hierbei erkennbar, dass der zur Entladung des Zwischenkreiskondensators 140 erforderliche Entladungsstrom 210 nur für die Temperatur 25°C des Leistungshalblei ters zuverlässig erreicht ist; für den Fall, dass der Leistungshalbleiter eine Tempera- tus von -25°C hat, ist die konstante Gate-Spannung Uge zu niedrig, während für die Temperatur 150°C des Leistungshalbleiters die konstante Gate-Spannung Uge zu hoch ist.
Figur 2 verdeutlicht somit das Problem am Beispiel der zuverlässigen Ansteuerung der Entladungseinheit 145 am Beispiel eines Leistungshalbleiters als Entladungsein heit bei einer variablen Temperatur, welche den größten Einfluss auf den Entlade strom hat. Figur 2 zeigt somit die Problematik des nicht-kontrollierbaren Entladestro- mes lc bei einer konstanten Gate-Spannung (Uge,konst) einer Entladungseinheit 145 in der Form eines Leistungshalbleiters in Abhängigkeit der Temperatur.
In dem in der Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird, mit anderen Worten ausgedrückt, die konstante Gate-Spannung (Uge,konst) für eine Temperatur von 25°C so eingestellt, dass der gewünschte Entladestrom lc fließt. Wird der Halbleiter jedoch zu heiß (T=150°C), fließt bei der gleichen angelegten Gate-Spannung ein zu hoher Entladestrom über den bzw. die Halbleiter der Entladungseinheit 145, wodurch diese geschädigt oder zerstört werden können. Für tiefe Temperaturen (T=-40°C) kann die Problematik auftreten, dass die Gate-Spannung nicht ausreicht, um den Elektronen kanal des Halbleiters als Entladungseinheit 145 zu öffnen und es fließt kein Entlade strom lc. Diese Problematik führt dazu, dass eine aktive Entladung über die Leis tungshalbleiter als Entladungseinheit 145 nicht genutzt werden konnte.
Um diesem Problem der parameterabhängigen Gate-Spannung für einen konstanten und kontrollierten Entladestrom zu begegnen, wird gemäß einem Ausführungsbei spiel hier ein neues Ansteuerverfahren vorgeschlagen. Dabei werden die Entla dungseinheit 145, die hier beispilshaft als Halbleiter ausgebildet ist, nicht mit einer konstanten Gate-Spannung, sondern mit einer veränderlichen Ansteuerspannung wie beispielsweise einer Gatespannungsrampe angesteuert.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verlaufs 300 der Ansteuerspan nung, wie sie gemäß einem Ausführungsbeispiel des hier vorgestellten Ansatzes dem Ansteuereingang 160 der Entladungseinheit 145 beaufschlagt werden kann. Hierbei ist auf der Abszisse des in der Figur 3 dargestellten Diagramms die Zeit t und auf der Ordinate die Gate-Spannung Uge aufgetragen. Erkennbar ist der linear bzw. monoton oder gar streng monoton ansteigende Verlauf der Gate-Spannung Uge für zunehmend spätere Zeitpunkte t, wobei der Zeitpunkt im Urpsung einem Zeitpunkt der Aktivierung des Entladungsvorgangs, beispielsweise ansprechend auf das Feh lersignal 170 entspricht. Die Gate-Spannung Uge wird somit als veränderliche An steuerspannung bzw. Gatespanngungsramte dem Ansteuereingang 160 aufgeprägt. Die Verwendung einer solchen veränderlichen Gate-Spannung Uge als dem Ansteu ereingang 160 beaufschlagten Ansteuerspannung, beispielweise in der Form der Ga tespannungsrampe gemäß einem Ausführungsbeispiel des hier vorgestellen Ansat zes, ermöglicht dabei, die Ansteuerspannung in Abhängigkeit der Zeit mit einem festeingestellten Gradienten zu erhöhen, sodass nach und nach alle relevanten Ga te-Spannungen Uge durchlaufen werden. Diese Ansteuerung führt dazu, dass am Halbleiter als der Entladungseinheit 145, unabhängig von seiner Temperatur und an deren Parametern, auf jeden Fall irgendwann die Gate-Spannung Uge anliegt, die zum Öffnen des Elektronenkanals und dem Fließen des optimalen Entladestroms lc durch die Entladungseinheit 145 als dem Halbleiter führt, sodass hierdurch der Zwi schenkreiskondensator 145 entladen werden kann .
Figur 4 zeigt das Diagramm entsprechend dem Diagramm aus Figur 2, wobei nun jedoch erkennbar ist, dass durch die veränderliche Gate-Spannung Uge ein optimaler Arbeitspunkt bzw. eine optimale Gate-Spannung auf einer der Kennlinien 200 unab hängig von der aktuellen Temperatur des Halbleiters als Entladungseinheit 145 er reicht wird, der zum Öffnen der Entladungsheit 145 in der Form eines Halbleiters führt, sodass der Zwischenkreiskondensator 130 zuverlässig und schnell entladen werden kann. In der Figur 4 ist somit eine optimale Ansteuerung des Halbleiters als Entladungseinheit 145 durch die beispielhafte veränderliche Gatespannungsrampe als dem Ansteuereingang 160 einzuprägende Ansteuerspannung dargestellt. Für jede Temperatur des Halbleiters als Entladungseinheit 145 wird somit der gewünsch te bzw. erforderliche Entladestrom 210 schnell und zuverlässig erreicht.
Mit der Steigung der Rampe kann eingestellt werden, wie schnell der Elektronenka nal des als Entladungseinheit 145 verwendeten Halbleiters geöffnet werden soll und somit wie dynamisch der Entladevorgang des Zwischenkreiskondensators 140 vor genommen werden soll.
Figur 5 zeigt eine mögliche Schaltungstopologie 500, die zur einfachen und kosten günstigen Realisierung des hier vorgestellten Ansatzes verwendet werden kann. Die Schaltungstopologie 500 kann hierbei als ein Schaltungskonzept zur Erzeugung der veränderlichen Ansteuerspannung, beispielsweise als Gatespannungsramp, ver- standen werden. Die Realisierung der Ansteuerspannung bzw. Gatespannungsram pe kann jedoch auch durch andere Möglichkeiten erfolgen, beispielsweise durch eine numerische bzw. digitale Ansteuerung von entsprechenen Spannungsquellen. Die in der Figur 5 dargestellte Schaltungsstruktur 500 bietet jedoch eine sehr einfache Rea lisierungsmöglichkeit des hier vorgeschlagenen Ansatzes.
Die Ansteuerschaltung bzw. Ansteuereinheit 150 des Halbleiters (als Entladungsein heit 145) wird dabei um vier weitere Bauteile ergänzt, nämlich den ersten Schalter S1 , den zweiten Schalter S2, eine Kapazität CAD und einen Widerstand RAD, wobei beispielsweise die beiden Schalter S1 und S2 in Abhängigkeit von dem Fehlersignal 170 unter Vermittlung einer Schaltersteuereinheit 510 geschlossen oder geöffnet werden können. Hierbei wird als Entladungseinheit 145 beispielsweise ein Halbleiter oder Leistungshalbleiter (hier beispielhaft ein MOSFET-Lesitungstransistor) verwen det, der auch ein Teil des Wechselrichters 130, beispielsweise einer Brückenschal tung des Wechselrichters 130 zur Wandlung der Gleichspannung UB in eine Wech selspannung zum Betriebb des Anstriebsmotors 120 sein kann.
Im normal schaltenden Betrieb (d. h., wenn kein Fehlerfall vorliegt) ist erste Schalter S1 geschlossen und zweite Schalter S2 geöffnet. Da der Widerstand RAD SO gewählt wird, dass er viel größer (beispielsweise um den Faktor 10) als der Gatewiderstand Rg ist, wird durch die Parallelschaltung von RAD und Rg das Schaltverhalten des Halb leiters als Entladungseinheit 145 nicht beeinflusst. Durch den geöffneten zweiten Schalter S2 ist die Kapazität CAD nicht wirksam. Soll der Zwischenkreis 125 bzw. der Zwischenkreiskondensator 140 entladen werden, so wird dies beispielsweise durch das Fehlersignal 170 eingeleitet und die Schaltersteuereinheit 510 steuert eine Spannungsquelle an, um eine Steuerspannung Us auf eine positive Steuerspannung zu schalten, wobei der erste Schalter S1 geöffnet und zweite Schalter S2 geschlos sen wird. Da die Kapazität von CAD günstigerweise viel größer (beispielsweise um den Faktor 10) ist als die Gate-Source-Kapazität des Halbleiters als Entladungsein heit 145, wird die Spannung der Gate-Source-Kapazität sofort der Spannung der Ka pazität CAD angeglichen (beispielsweise durch einen typischen Sprung von -5V auf 0V). Der weitere Verlauf der Gate-Spannung Uge ist durch das Aufladen des RC- Zeitglieds bestehend aus RAD und CAD bestimmt, wodurch die gewünschte Gate- spannungsrampe Uge, beispielsweise entsprechend der Darstellung aus der Figur 4 erreicht wird.
Figur 6 zeigt ein Diagramm unterschiedlicher, auf den Ordinaten links (Spannungen Uce, Uge und Strom lc) und rechts (Verlustleistung bzw. Verlustenergie) des Dia gramms aufgetragener elektrischer Größen über die auf der Abszisse aufgetragenen Zeit t zum vertieften Verständnis der Funktion der Schaltung aus der Figur 5. Hierbei wird das Entladekonzept des hier vorgestellten Ansatzes anhand von Messergebnis sen und einem Funktionsnachweis des hier vorgestellten ansteuerintegrierten, akti ven Entladekonzepts dargestellt.
Zum Zeitpunkt t=0s wird die Entladeschaltung aktiviert, wodurch die Gate-Spannung (Kennlinie 600) zum Zeitpunkt Os auf den Wert 0V springt. Anschließend wird die Ga tespannungsrampe eingeprägt. Im Bereich 610 beginnt sich der Kanal des als Entla dungseinheit 145 wirkenden Halbleiters zu öffnen und es fließt ein kontrollierter Ent ladestrom (Kennline 620), der maximal 1A beträgt. Die Spannung des Zwischenkrei ses Uce (Kennlinie 630) sinkt durch den Entladestrom lc innerhalb eines Entladungs zeitintervalls td von 0.7s von 800V auf 0V. Hierbei wird eine Verlustleistung pioss von 500W bei iner Verlustenergie eioss von 200 J abgebaut.
Ein wichtiger Aspekt des hier vorgestellten Ansatzes kann darin gesehen werden, dass die Ansteuerung der Entladungseinheit (dier hier als Halbleiter realisiert ist) über eine veränderliche Ansteuerspannung, wie beispielsweise eine Gatespannungs rampe, zum Auslösen einer aktiven Entladung des Zwischenkreiskondensators 140 erreicht werden kann. Die veränderliche Ansteruspannung bzw. Rampe kann dabei durch unterschiedliche Varianten, wie beispielsweise ein RC-Glied mit angelegter Spannung oder einer definierten Stromquelle, erzeugt werden. Der große Vorteil ei nes solchen Ausführungsbeispiels ist, dass somit alle Entladungseinheitstypen wie beispielsweise günstigerweise zu verwendende Halbleitertypen (Si-IGBTs, Si- MOSFETs und SiC-MOSFETs) in vielen relevanten Spannungsklassen (650V,
1200V, 1700V) genutzt werden können, um eine redundante, ansteuerintegrierte, aktive Entladeschaltung entsprechend dem hier vorgeschlagenen Konzept zu reali sieren. Figur 7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels als Verfahren 700 zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators mittels einer Variante einer hier vorge stellten Vorrichtung, wobei das Verfahren 700 den Schritt 710 des Beaufschlagens des Ansteuereingangs der Entladungseinheit mit einer Ansteuerspannung aufweist, wobei das Beaufschlagen derart erfolgt, dass die Ansteuerspannung während eines Entladungsvorgangs oder zum Start eines Entladungsvorgangs des Zwischenkreis kondensators verändert wird.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur bei spielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausfüh rungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer ande ren als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ers ten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
Bezuqszeichen
100 Fahrzeug
105 Vorrichtung zur Entladung
110 Energiespeicher
115 Energieversorgungssystem
120 Antriebsmotor
125 Zwischenkreis
130 Wechselrichter
135 Antriebsenergieversorgungssystems
140 Zwischenkreiskondensator
145 Entladungseinheit
150 Ansteuereinheit
155 Anschlussklemmen
160 Ansteuereingang
165 Fehlererkennungseinheit
170 Fehlerssignal
200, 200a, 200b, 200c Kennlinien
210 Entladungsstrom
300 Verlauf der Ansteuerspannung
500 Schaltungstopologie
510 Schaltersteuereinheit
51 erster Schalter
52 zweiter Schalter
CAD Kapazität
RAD Widerstand
600 Kennlinie
610 Kennlinie
620 Kennlinie Kennline Verfahren zur Entladung eines Zwischen kreiskondensators Schritt des Beaufschlagens

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung (105) zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators (140), wobei die Vorrichtung (105) die folgenden Merkmale umfasst:
- eine Entladungseinheit (145) zum Entladen des Zwischenkreiskondensators (140), wobei die Entladungseinheit (145) zwischen zwei Anschlussklemmen (155) des Zwi schenkreiskondensators (140) schaltbar oder geschaltet ist, wobei eine Entladung des Zwischenkreiskondensators (140) durch eine an einem Ansteuereingang (160) der Entladungseinheit (145) angelegte Ansteuerspannung (Uge) steuerbar ist; und
- eine Ansteuereinheit (150), die zum Beaufschlagen des Ansteuereingangs (160) der Entladungseinheit (145) mit der Ansteuerspannung (Uge) ausgebildet ist, wobei die Ansteuereinheit (150) ferner ausgebildet ist, um die Ansteuerspannung (Uge) während eines Entladungsvorgangs oder zum Start eines Entladungsvorgangs des Zwischenkreiskondensators (125) zu verändern.
2. Vorrichtung (105) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteu ereinheit (150) ausgebildet ist, um die Ansteuerspannung (Uge) von einem niedrigen Spannungspegel zu einem hohen Spannungspegel zu verändern.
3. Vorrichtung (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Ansteuereinheit (150) ausgebildet ist, um die Ansteuerspan nung (Uge) gleichmäßig, linear und/oder monoton, insbesondere streng monoton zu verändern.
4. Vorrichtung (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Ansteuereinheit (150) ein RC-Glied aufweist, um einen Span nungspegel der Ansteuerspannung (Uge) zu ermitteln.
5. Vorrichtung (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Ansteuereinheit (150) ausgebildet ist, um bei einem Beginn oder für einen Beginn des Entladungsvorgangs einen Spannungssprung der Ansteu erspannung (Uge) zu bewirken und/oder nach einem Ende des Entladungsvorgangs einen Spannungssprung der Ansteuerspannung (Uge) zu bewirken.
6. Vorrichtung (105) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Ansteuer einheit (150) ausgebildet ist, um bei einem Beginn des Entladungsvorgangs die An steuerspannung (Uge) auf einen Pegel von 0 Volt zu setzen, insbesondere ausge hend von einem minimalsten Wert, der vor einem Beginn des Entladungsvorgangs am Ansteuereingang (160) der Entladungseinheit (150) angelegen hat und/oder wo bei die Ansteuereinheit (150) ausgebildet ist, um nach einem Ende des Entladungs vorgangs die Ansteuerspannung (Uge) auf einen minimalen Wert zu setzen, insbe sondere ausgehend von einem maximalen Wert, der an einem Ende des Entla dungsvorgangs am Ansteuereingang (160) der Entladungseinheit (150) angelegen hat.
7. Vorrichtung (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Entladungseinheit (145) als ein Halbleiterschalter, insbeson dere ein Leistungshalbleiterschalter ausgebildet ist.
8. Vorrichtung (105) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Entla dungseinheit (145) als ein Transistor, insbesondere ein MOSFET-Transistor, oder ein IGBT ausgebildet ist.
9. Vorrichtung (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Ansteuereinheit (150) ausgebildet ist, um die Ansteuerspan nung (Uge) in Abhängigkeit von einer Temperatur (T) der Entladungseinheit (145) o- der einer Komponente der Entladungseinheit (145) zu bestimmen.
10. Vorrichtung (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Ansteuereinheit (150) zumindest zwei Widerstände (RAD, Rg) aufweist, wobei einer der Widerstände (Rg) mittels eines ersten Schalters (S1) mit dem anderen (RAD) der Widerstände parallelschaltbar in mit dem Ansteuereingang
(160) der Entladungseinheit (145) gekoppelt oder koppelbar ist und/oder wobei die Ansteuereinheit (150) eine Kapazität (CAD) aufweist, die zwischen den Ansteuerein gang (160) der Entladungseinheit (145) und einen Anschluss (155) des Zwischen kreiskondensators (140) schaltbar oder geschaltet ist, insbesondere wobei die Kapa zität (CAD) einen zweiten Schalter (S2) aufweist, um eine Parallelschaltung der Kapa- zität (CAD) zwischen dem Ansteuereingang (160) und dem Anschluss (155) des Zwi schenkreiskondensators (140) zu bewirken.
1 1 . Zwischenkreis (125) zur Übertragung einer elektrischen Energie aus einer Ener giequelle (1 10) an einen Aktor (120), wobei der Zwischenkreis (125) einen Zwischen kreiskondensator (140) und eine mit dem Zwischenkreiskondensator (140) gekoppel te Vorrichtung (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche aufweist, insbe sondere wobei die Vorrichtung (105) zumindest eine Komponente (145) nutzt, die ferner von einem mit dem Zwischenkreis (125) zusammengeschalteten Wechselrich ter (130) genutzt wird.
12. Verfahren (700) zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators (140) mittels einer Vorrichtung (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 10, wobei das Verfahren (700) den folgenden Schritt aufweist:
- Beaufschlagen (710) des Ansteuereingangs (160) der Entladungseinheit (145) mit einer Ansteuerspannung (Uge), wobei das Beaufschlagen derart erfolgt, dass die An steuerspannung (Uge) während eines Entladungsvorgangs oder zum Start eines Ent ladungsvorgangs des Zwischenkreiskondensators (140) verändert wird.
13. Steuergerät (510), das eingerichtet ist, um den Schritt (710) des Verfahrens (700) gemäß Anspruch 12 in einer entsprechenden Einheit auszuführen
und/oder anzusteuern.
14. Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, den Schritt (710) des Verfah rens (700) gemäß Anspruch 12 in einer entsprechenden Einheit auszuführen und/oder anzusteuern.
15. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 14 gespeichert ist.
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