WO2020188055A1 - Schaltvorrichtung, spannungsversorgungssystem, verfahren zum betreiben einer schaltvorrichtung und herstellverfahren - Google Patents

Schaltvorrichtung, spannungsversorgungssystem, verfahren zum betreiben einer schaltvorrichtung und herstellverfahren Download PDF

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WO2020188055A1
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Alexander Immel
Stefan Johann Hofinger
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Lisa Dräxlmaier GmbH
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    • B60L2270/20—Inrush current reduction, i.e. avoiding high currents when connecting the battery

Definitions

  • SWITCHING DEVICE POWER SUPPLY SYSTEM
  • METHOD OF OPERATING A SWITCHING DEVICE AND MANUFACTURING METHOD
  • the present invention relates to a switching device for a supply line for supplying electrical loads with electrical energy.
  • the present invention also relates to a corresponding voltage supply system
  • High power electric motors are installed.
  • supply networks e.g. Nominal voltages of several hundred volts can be provided and the electric motors can have outputs of several hundred kilowatts.
  • the voltage supply In particular in the event of a fault, for example if a short circuit is detected in the supply network, the voltage supply must be interrupted quickly and reliably. As each If the supply line in the vehicle electrical system has ohmic-inductive properties, the supply voltage may be switched off abruptly, but this can lead to high voltage peaks
  • One object of the invention is therefore to enable inductive loads to be switched off reliably using means that are as simple as possible in terms of construction.
  • a switching device for a supply line for supplying electrical loads with electrical energy has a power input, a
  • Power input and the power output is arranged, and which is designed to electrically couple the power input to the power output in a controlled manner, and a regulated resistor, which is arranged electrically in parallel with the controlled switching element and which is designed when the controlled switching element opens and voltage peaks occur between the power input and the
  • Power output to electrically connect the power input to the power output.
  • a voltage supply system for supplying electrical loads with electrical energy has an electrical energy source and one according to the invention
  • the power input of the switching device is coupled to a positive power output of the energy source, and wherein the power output of the switching device can be coupled to a positive load connection of the electrical loads.
  • a method for operating a switching device for a supply line for supplying electrical loads with electrical energy has the steps of activating a controlled switching element in the switching device which is electrically between a power input and a power output of the switching device is arranged, and which is designed to control the power input electrically with the
  • a regulated resistor which is arranged electrically in parallel with the controlled switching element, when the controlled switching element is opened and when
  • a manufacturing method for a switching device for switching in a supply line for supplying electrical loads with electrical energy has the steps of arranging a controlled switching element electrically between a power input and a power output of the switching device, which is designed to be controlled
  • the present invention is based on the knowledge that particularly in applications with inductive loads, high voltage peaks can occur when the loads are switched off.
  • the present invention provides a simple way of reducing voltage peaks that occur when a load is switched off.
  • the present invention provides the switching device which is used in a power supply system e.g. can be placed in the positive power path between the energy source and the load.
  • the switching device has a power input and a power output, between which a controlled switching element and a regulated resistance are arranged are.
  • the controlled switching element and the regulated resistor are arranged electrically parallel to one another.
  • the controlled switching element is used to switch the electrical power. It can therefore be closed and opened in a controlled manner. As already explained, high voltage peaks can occur particularly when the circuit is disconnected or opened with inductive loads. Under certain circumstances, these can damage the controlled switching element.
  • the regulated resistance is designed in such a way that it has a high resistance in normal operation, that is, in the static state of the controllable switching element, that is, there is no electrical connection between the power input of the switching device and the power output of the switching device.
  • the regulated resistance connects the power input of the switching device and the
  • the controllable resistor consequently reduces its resistance, so that a current can flow between the power input of the switching device and the power output of the switching device.
  • inductively stored energy is dissipated above the regulated resistance, i.e. at least partially converted into thermal energy.
  • the regulated resistance provides an electrical connection between the power input of the switching device and the power output of the switching device when a voltage spike has to be reduced. After the voltage peak has dissipated, the regulated resistance becomes high-resistance. As a result, a new voltage peak can build up and the controlled resistance can become low-resistance again. This process can be repeated several times until the stored energy has been completely dissipated.
  • Protective function - regulated resistance - the present invention provides a very simple way of switching off inductive loads.
  • the controlled switching element can be a semiconductor switch, in particular a MOSFET, or a parallel connection of at least two
  • MOSFETs are semiconductor components that are available in a wide variety of variants. MOSFETs are particularly well suited for switching tasks, as they can be switched power-free and enable very fast switching processes. Depending on the maximum power or maximum current across the switching device, a single MOSFET or a parallel connection of MOSFETs can be provided.
  • a MOSFET can also be used as a regulated resistor.
  • This operating mode is e.g. also called linear operation or linear mode.
  • MOSFET Parallel connection of MOSFETs the MOSFET with the lowest gate threshold voltage UGSth is the first to be put into linear mode and most of the losses are reduced via this. MOSFET technology ensures that the linear mode is further restricted in the use of parallel-connected MOSFETs. Many individual cells are connected in parallel in a package and the gate threshold voltage UGSth has a positive temperature coefficient. As a result, the cells can thermally drift apart and the MOSFET with the lowest gate threshold voltage UGSth is destroyed.
  • MOSFETs In the switching device, however, in particular in high-performance applications such as electric vehicles, several MOSFETs can be connected in parallel. This keeps the forward resistance, including RDSon, low and minimizes losses. Of the Semiconductor switch can consequently be used as an efficient power switch, but not to dissipate energy via the power MOSFETs.
  • the regulated resistance can be any suitable resistance.
  • the regulated resistance can be any suitable resistance.
  • a power input of the semiconductor switching element can be coupled to the power input of the switching device and a power output of the semiconductor switching element can be coupled to the power output of the switching device.
  • Such semiconductor switch elements can have disadvantages which make them appear less suitable as switches. For example, the switching speed of such semiconductor switch elements and their
  • IGBTs Semiconductor switching elements, e.g. IGBTs, have a very high current and voltage resistance.
  • the switching device can have a control input, wherein a switching input of the controlled switching element can be coupled to the control input via a first series resistor, and / or wherein a control input of the regulated resistor can be coupled to the control input via a second series resistor.
  • Control input of the regulated resistance ensures that the controlled
  • Switching element and the regulated resistor are always controlled synchronously and their control inputs are at defined signal levels.
  • the regulated resistance can be designed as an IGBT.
  • a Zener diode can be arranged in the reverse direction between the power input of the switching device and a control input of the IGBT.
  • an IGBT can be used as a regulated resistor.
  • Such a transistor combines the advantages of the bipolar transistor, namely a good one Forward behavior, a high reverse voltage, and robustness, and the advantages of a field effect transistor, namely the almost powerless control.
  • IGBTs have a bipolar structure. This enables significantly higher current densities and thus also higher pulse energies. Due to the technology used, IGBTs are therefore much more suitable for the
  • the Zener diode switches on until the Zener diode is conductive. If the Zener diode becomes conductive, a voltage is applied to the control input of the IGBT and the resistance of the power path of the IGBT drops. The load current commutates from the controlled switching element to the IGBT. The energy stored in the system by inductances ensures that the Zener diode is at the limit or in the transition between the conductive and blocked state. The IGBT thus also remains in a regulated state. In this state, the IGBT represents a voltage-controlled resistor, at whose load connections (collector - emitter path) an almost constant voltage, the Zener or Z voltage or
  • Breakdown voltage of the Zener diode plus gate-source voltage U G sm is applied and through which the load current flows.
  • this operating mode of a power semiconductor is referred to as linear mode or linear operation.
  • the IGBT remains in the conductive state until the Z voltage of the Zener diode is undershot. As a result, the IGBT loses its control and returns to the blocked state. The energy stored in the system then leads to renewed
  • the IGBT is in a regulated state.
  • the gate-source voltage regulates its conductivity in such a way that the product of the load current, which decreases almost linearly, and its forward resistance remains almost constant.
  • the Zener diode can be dimensioned in such a way that its breakdown voltage is below a maximum voltage permissible for the controlled switching element. If the electrical load is switched off, for example with very high instantaneous currents in the event of a short circuit, the energy stored in the system through inductances creates a steep voltage increase between the power input and the
  • Zener diode is chosen so that the value of the forward voltage remains below the permissible limit or below the permissible maximum voltage.
  • the switching device can have a damping element, in particular a series connection of a capacitance and a resistor, which is arranged between the power input of the switching device and the power output of the switching device.
  • the damping element is consequently arranged electrically in parallel with the controlled switching element and the controlled resistor.
  • the controlled switching element opens, the current commutates from the controlled switching element to the regulated resistor.
  • This current commutation process can take a certain amount of time, typically less than 100 ns, due to the, albeit small, inductances in the feed line to the regulated resistor and its input capacitance. To get an inadmissible
  • the damping element can be provided in parallel to the controlled switching element.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an exemplary embodiment of a switching device according to the present invention
  • Figure 2 is a block diagram of an embodiment of a
  • FIG. 3 is a block diagram of a further embodiment of a
  • FIG. 4 shows a flow diagram of an exemplary embodiment of a method according to the present invention.
  • FIG. 5 shows a flow diagram of an exemplary embodiment of a manufacturing method according to the present invention.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a switching device 100.
  • the switching device 100 can e.g. can be used in a supply line 150 for supplying electrical loads 151 with electrical energy.
  • the load 151 can be an electric motor in an electric vehicle.
  • the switching device 100 has a power input 101 and a power output 102.
  • the power input 101 can e.g. with an energy source such as a vehicle battery.
  • the power output 102 can e.g. with the input of the load, e.g. an electric motor in an electric vehicle.
  • the switching device 100 can e.g. be arranged in the positive voltage branch.
  • the vehicle ground can be used as a negative voltage branch.
  • a controlled switching element 103 is arranged between the power input 101 and the power output 102.
  • a regulated resistor 104 is arranged electrically in parallel with the controlled switching element 103, likewise between the power input 101 and the power output 102.
  • the controlled switching element 103 can electrically couple the power input 101 to the power output 102 in a controlled manner.
  • high voltage peaks can occur, especially when switching off inductive loads. Such voltage peaks can be so high, depending on the inductance and the currents, that they are controlled Switching element 103 can damage. Particularly in the case of an emergency shutdown during ongoing operation of the load 151, very high currents can be present in the system, which lead to corresponding voltage peaks.
  • the regulated resistor 104 is provided in order to intercept or divert such voltage peaks.
  • Power output 102, the regulated resistor 104 can electrically connect the power input 101 to the power output 102.
  • the regulated resistance 104 is high-resistance in normal operation, that is, in the static state of the controlled switching element 103 or during a current-free shutdown process, and there is no electrical connection between the power input 101 and the power output 102. It is understood that with such a
  • the blocking resistance of the regulated resistance 104 enables a very low current flow between power input 101 and power output 102. In this context, however, the lack of an electrical connection is mentioned here.
  • the controlled switching element 103 If the controlled switching element 103 is opened while a current is flowing through the controlled switching element 103, a voltage spike occurs due to the inductances present in the system. In this operating state, the volume resistance of the regulated resistance 104 is reduced and an electrical connection between the power input 101 and the power output 102 is established. The voltage peak or the energy stored in the inductances can thus be above the regulated
  • Remove resistance 104 Usually the energy is converted into thermal energy.
  • FIG. 2 shows a block diagram of a voltage supply system 210
  • Voltage supply system 210 has an energy source 211, which can be designed as a battery with an output voltage of 450 V, for example.
  • a load 251 is also provided.
  • a switching device 200 is provided between energy source 211 and load 251.
  • the inductances present in the system are shown as inductances 213, 214.
  • the switching device 200 is based on the switching device 100. Consequently, the
  • Switching device 200 has a controlled switching element 203 and a regulated resistor 204, which are electrically arranged between a power input 201 and a power output 202.
  • a control input 205 is also provided, which is coupled to a control device 212 of the voltage supply system 210.
  • the controlled switching element 203 has a MOSFET transistor 206, the power path of which is arranged electrically between the power input 201 and the power output 202.
  • the control input or gate connection of the MOSFET transistor 206 is coupled to the control input 205.
  • the regulated resistor 204 has an IGBT 207, the load path of which is likewise arranged electrically between the power input 201 and the power output 202.
  • the control input or gate connection of the IGBT 207 is also coupled to the control input 205.
  • a Zener diode 208 is arranged between the load input or collector connection of the IGBT 207 and the control input or gate connection of the IGBT 207 in the reverse direction.
  • a voltage spike that occurs across the switching device 200 ensures that the Zener diode 208 becomes conductive.
  • the control input of the IGBT 207 is consequently controlled by the Zener diode 208 and the IGBT 207 becomes conductive or the
  • the maximum dielectric strength of the power MOSFET 206 must not be exceeded.
  • the Zener diode 208 can consequently be selected such that the value of the clamping voltage across the power semiconductor 207 remains below its maximum permissible limit.
  • the current surge through the Zener diode 208 puts the IGBT 207 into the conductive state until the voltage drops below the Zener voltage. As a result, the IGBT 207 loses its control and goes back into the blocked state. The energy stored in the system leads then to the renewed voltage increase between power input 201 and
  • the IGBT 207 is in a regulated state or in a linear mode.
  • the conductivity of the IGBT 207 is regulated by the gate-source voltage in such a way that the product of the load current, which decreases linearly, and its ON resistance remains almost constant. This voltage drop across the IGBT corresponds to the sum of the Zener voltage of the Zener diode 208 and the gate-source voltage.
  • FIG. 3 shows a block diagram of a voltage supply system 310
  • Power supply system 310 is based on power supply system 210. Consequently, power supply system 310 comprises an energy source 311, e.g. can be designed as a battery with an output voltage of 450 V. A load 351 is also provided. A switching device 300 is provided between energy source 311 and load 351. The inductances present in the system are shown as inductances 313, 314.
  • the switching device 300 is based on the switching device 200. Consequently, the
  • Switching device 300 has a controlled switching element 303 and a regulated resistor 304, which are electrically arranged between the inductance 313 and the inductance 314.
  • the controlled switching element 303 has a parallel connection of three MOSFET transistors (not separately designated for the sake of clarity)
  • Power paths are arranged electrically between the inductance 313 and the inductance 314.
  • the control inputs or gate connections of the MOSFET transistors are coupled to the control device 312 via a first series resistor.
  • the regulated resistance 304 has an IGBT 307, the load path of which is likewise arranged electrically between the inductance 313 and the inductance 314.
  • the control input or gate connection of the IGBT 307 is likewise coupled to the control device 312 via a second series resistor 316. Furthermore, a Zener diode 308 is arranged between the load input or collector connection of the IGBT 307 and the control input or gate connection of the IGBT 307 in the reverse direction.
  • the controlled switching element 303 and the controlled resistor 304 are consequently activated by the control device 312 at the same time.
  • the three MOSFETs of the controlled switching element 303 are activated by the control device 312 via the first series resistor 315.
  • the IGBT 307 which is parallel to the MOSFETs, remains despite being controlled via the second
  • Series resistor 316 is de-energized because its collector-emitter saturation voltage UCE-Sat is significantly higher than the voltage drop across the entire RDS-On of the three MOSFETs.
  • a damping element 317 is also provided, which has a parallel connection of a capacitor 318 and a resistor 319.
  • FIGS. 1-3 For easier understanding, the reference numerals for FIGS. 1-3 are retained as references in the following description.
  • FIG. 4 shows a flow chart of an exemplary embodiment of a method for
  • a switching device 100, 200, 300 for a supply line 150, 250, 350 for supplying electrical loads 151, 251, 351 with electrical energy.
  • a controlled switching element 103, 203, 303 in the switching device 100, 200, 300 is activated, which is electrically arranged between a power input 101, 201 and a power output 102, 202 of the switching device 100, 200, 300.
  • the controlled switching element 103, 203, 303 is designed to electrically couple the power input 101, 201 in a controlled manner to the power output 102, 202 or to separate them from one another.
  • the power input 101, 201 and the power output 102, 202 are regulated by means of an electrical connection via a Resistor 104, 204, 304, which is arranged electrically in parallel with the controlled switching element 103, 203, 303, connected when when opening the controlled
  • FIG. 5 shows a flow chart of an exemplary embodiment of a manufacturing method for a switching device 100, 200, 300 for switching in a supply line 150, 250,
  • a regulated resistor 104, 204, 304 is electrically parallel to the controlled one
  • the regulated resistor 104, 204, 304 is designed to electrically connect the power input to the power output when the controlled switching element 103, 203, 303 opens and voltage peaks occur between the power input 101, 201 and the power output 102, 202.
  • the arrangement of a controlled switching element 103, 203, 303 can e.g. have to arrange a semiconductor switch, in particular a MOSFET 206, or a parallel connection of at least two semiconductor switches, in particular MOSFETs.
  • Arranging a controlled resistance 104, 204, 304 may further include a
  • Semiconductor switching element is coupled to the power input 101, 201 of the switching device 100, 200, 300 and wherein a power output 102, 202 of the semiconductor switching element is coupled to the power output 102, 202 of the switching device 100, 200, 300.
  • the switching device 100, 200, 300 can have a control input 205.
  • Switching input of the controlled switching element 103, 203, 303 can be coupled to the control input 205 via a first series resistor 315.
  • a control input of the Regulated resistor 104, 204, 304 can be coupled to control input 205 via a second series resistor 316.
  • a regulated resistance 104, 204, 304 e.g. an IGBT 207, 307 can be used.
  • Zener diode 208, 308 can also be arranged in the reverse direction.
  • the Zener diode 208, 308 can in particular be dimensioned such that its breakdown voltage is below a maximum voltage permissible for the controlled switching element 103, 203, 303.
  • a damping element 317 in particular a series connection of a capacitor 318 and a resistor 319, can be arranged between the power input 101, 201 of the switching device 100, 200, 300 and the power output 102, 202 of the switching device 100, 200, 300.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Schaltvorrichtung für eine Versorgungsleitung zur Versorgung elektrischer Lasten mit elektrischer Energie. Die Schaltvorrichtung weist auf einen Leistungseingang, einen Leistungsausgang, ein gesteuertes Schaltelement, welches elektrisch zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang angeordnet ist, und welches ausgebildet ist, gesteuert den Leistungseingang elektrisch mit dem Leistungsausgang zu koppeln, und einen geregelten Widerstand, welcher elektrisch parallel zu dem gesteuerten Schaltelement angeordnet ist und welcher ausgebildet ist, beim Öffnen des gesteuerten Schaltelements und Auftreten von Spannungsspitzen zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang den Leistungseingang mit dem Leistungsausgang elektrisch zu verbinden. Ferner offenbart die vorliegende Erfindung ein Spannungsversorgungssystem, ein Verfahren und ein Herstellverfahren.

Description

SCHALTVORRICHTUNG, SPANNUNGSVERSORGUNGSSYSTEM, VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER SCHALTVORRICHTUNG UND HERSTELLVERFAHREN
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung für eine Versorgungsleitung zur Versorgung elektrischer Lasten mit elektrischer Energie. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Spannungsversorgungssystem, ein entsprechendes
Verfahren zum Betreiben einer Schaltvorrichtung und ein entsprechendes Herstellverfahren.
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden hauptsächlich in Verbindung mit
Elektrofahrzeugen beschrieben. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung aber in jeder Anwendung eingesetzt werden kann, in welcher elektrische Lasten zuverlässig abgeschaltet werden müssen.
Bei modernen Fahrzeugen wird versucht, den Kraftstoffverbrauch und damit den Ausstoß schädlicher Gase zu reduzieren. Eine Möglichkeit dazu besteht darin, den
Verbrennungsmotor in dem Fahrzeug durch einen Elektromotor zu unterstützen bzw. den Verbrennungsmotor durch einen Elektromotor zu ersetzen.
In solchen Fahrzeugen müssen folglich stabile Versorgungsnetze für
Hochleistungselektromotoren installiert werden. In solchen Versorgungsnetzen können z.B. Nennspannungen von mehreren hundert Volt vorgesehen sein und die Elektromotoren können Leistungen von mehreren hundert Kilowatt aufweisen.
Insbesondere in Fehlerfällen, wenn z.B. ein Kurzschluss in dem Versorgungsnetz erkannt wird, muss die Spannungsversorgung schnell und zuverlässig unterbrochen werden. Da jede Versorgungsleitung im Bordnetz ohmisch-induktive Eigenschaften hat, kann ein abruptes Abschalten der Versorgungsspannung aber zu hohen Spannungsspitzen in dem
Versorgungsnetz führen.
Beschreibung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel ein sicheres Abschalten induktiver Lasten zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben. Insbesondere können die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein.
Eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung für eine Versorgungsleitung zur Versorgung elektrischer Lasten mit elektrischer Energie weist auf einen Leistungseingang, einen
Leistungsausgang, ein gesteuertes Schaltelement, welches elektrisch zwischen dem
Leistungseingang und dem Leistungsausgang angeordnet ist, und welches ausgebildet ist, gesteuert den Leistungseingang elektrisch mit dem Leistungsausgang zu koppeln, und einen geregelten Widerstand, welcher elektrisch parallel zu dem gesteuerten Schaltelement angeordnet ist und welcher ausgebildet ist, beim Öffnen des gesteuerten Schaltelements und Auftreten von Spannungsspitzen zwischen dem Leistungseingang und dem
Leistungsausgang den Leistungseingang mit dem Leistungsausgang elektrisch zu verbinden.
Ein Spannungsversorgungssystem zur Versorgung elektrischer Lasten mit elektrischer Energie weist auf eine elektrische Energiequelle, und eine erfindungsgemäße
Schaltvorrichtung, wobei der Leistungseingang der Schaltvorrichtung mit einem positiven Leistungsausgang der Energiequelle gekoppelt ist, und wobei der Leistungsausgang der Schaltvorrichtung mit einem positiven Lastanschluss der elektrischen Lasten koppelbar ist.
Ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltvorrichtung für eine Versorgungsleitung zur Versorgung elektrischer Lasten mit elektrischer Energie, weist auf die Schritte Ansteuern eines gesteuerten Schaltelements in der Schaltvorrichtung, welches elektrisch zwischen einem Leistungseingang und einem Leistungsausgang der Schaltvorrichtung angeordnet ist, und welches ausgebildet ist, gesteuert den Leistungseingang elektrisch mit dem
Leistungsausgang zu koppeln oder diese voneinander zu trennen, und Verbinden des Leistungseingangs und des Leistungsausgangs mittels einer elektrischen Verbindung über einen geregelten Widerstand, welcher elektrisch parallel zu dem gesteuerten Schaltelement angeordnet ist, beim Öffnen des gesteuerten Schaltelements und Auftreten von
Spannungsspitzen.
Ein Herstel Verfahren für eine Schaltvorrichtung zum Schalten in einer Versorgungsleitung zur Versorgung elektrischer Lasten mit elektrischer Energie, weist auf die Schritte Anordnen eines gesteuerten Schaltelements elektrisch zwischen einem Leistungseingang und einem Leistungsausgang der Schaltvorrichtung, welches ausgebildet ist, gesteuert den
Leistungseingang elektrisch mit dem Leistungsausgang zu koppeln, und Anordnen eines geregelten Wderstands elektrisch parallel zu dem gesteuerten Schaltelement welcher ausgebildet ist, beim Öffnen des gesteuerten Schaltelements und Auftreten von
Spannungsspitzen zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang den
Leistungseingang mit dem Leistungsausgang elektrisch zu verbinden.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass insbesondere in Anwendungen mit induktiven Lasten beim Abschalten der Lasten hohe Spannungsspitzen auftreten können.
Für den Einsatz bei mehreren hundert Volt, wie in Elektrofahrzeugen üblich, sind lediglich sehr aufwändige Schaltelemente bekannt, die ein sicheres Abschalten induktiver Lasten ermöglichen. Sogenannte RCD-Snubber erfordern einen großen Bauraum und sind sehr kostenintensiv. Der Einsatz von Freilaufdioden erfordert den Zugriff auf den negativen Leistungspfad, was in Stromverteilern oder Elektronischen Sicherungen üblicherweise nicht möglich ist, da hier keine negativen Leitungen mitgeführt werden.
Die vorliegende Erfindung dagegen stellt eine einfache Möglichkeit bereit, beim Abschalten einer Last entstehende Spannungsspitzen abzubauen. Dazu sieht die vorliegende Erfindung die Schaltvorrichtung vor, welche in einem Spannungsversorgungssystem z.B. in dem positiven Leistungspfad zwischen der Energiequelle und der Last angeordnet werden kann.
Die Schaltvorrichtung weist einen Leistungseingang und einen Leistungsausgang auf, zwischen denen ein gesteuertes Schaltelement und ein geregelter Wderstand angeordnet sind. Das gesteuerte Schaltelement und der geregelte Widerstand sind dabei elektrisch parallel zueinander angeordnet.
Das gesteuerte Schaltelement dient dabei dem Schalten der elektrischen Leistung. Es kann also gesteuert geschlossen und geöffnet werden. Wie bereits erläutert, können insbesondere beim Trennen oder Öffnen des Stromkreises mit induktiven Lasten hohe Spannungsspitzen auftreten. Diese können das gesteuerte Schaltelement unter Umständen schädigen.
Aus diesem Grund ist zusätzlich zu dem Schaltelement der geregelte Widerstand
vorgesehen. Der geregelte Wderstand ist dabei derart ausgeführt, dass er im Normalbetrieb, also im statischen Zustand des steuerbaren Schaltelements hochohmig ist, also keine elektrische Verbindung zwischen dem Leistungseingang der Schaltvorrichtung und dem Leistungsausgang der Schaltvorrichtung besteht. Bei statisch geöffnetem oder
geschlossenem steuerbaren Schaltelement ist die elektrische Verbindung zwischen dem Leistungseingang der Schaltvorrichtung und dem Leistungsausgang der Schaltvorrichtung über den geregelten Widerstand folglich unterbrochen, es fließt kein bzw. nur ein zu vernachlässigender Strom über den geregelten Widerstand.
Wrd allerdings das gesteuerte Schaltelement geöffnet und treten dabei Spannungsspitzen zwischen Leistungseingang und Leistungsausgang der Schaltvorrichtung auf, verbindet der geregelte Wderstand den Leistungseingang der Schaltvorrichtung und den
Leistungsausgang der Schaltvorrichtung elektrisch miteinander. Der regelbare Widerstand reduziert folglich seinen Wderstand, so dass ein Strom zwischen dem Leistungseingang der Schaltvorrichtung und dem Leistungsausgang der Schaltvorrichtung fließen kann.
Folglich wird induktiv gespeicherte Energie über dem geregelten Wderstand abgebaut, also zumindest teilweise in thermische Energie umgewandelt. Der geregelte Wderstand stellt eine elektrische Verbindung zwischen dem Leistungseingang der Schaltvorrichtung und dem Leistungsausgang der Schaltvorrichtung bereit, wenn eine Spannungsspitze abgebaut werden muss. Nachdem die Spannungsspitze abgebaut ist, wird der geregelte Wderstand hochohmig. Eine neue Spannungsspitze kann sich folglich aufbauen und der gesteuerte Wderstand wieder niederohmig werden. Dieser Vorgang kann sich mehrfach wiederholen, bis die gespeicherte Energie vollständig abgebaut wurde. Durch die Trennung der Schaltfunktion - gesteuertes Schaltelement - und der
Schutzfunktion - geregelter Widerstand - stellt die vorliegende Erfindung eine sehr einfache Möglichkeit bereit, induktive Lasten abzuschalten.
Weitere Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
In einer Ausführungsform kann das gesteuerte Schaltelement einen Halbleiterschalter, insbesondere einen MOSFET, oder eine Parallelschaltung von mindestens zwei
Halbleiterschaltern, insbesondere MOSFETs, aufweisen.
MOSFETs sind Halbleiterbauelemente, die in verschiedensten Varianten verfügbar sind. Insbesondere für Schaltaufgaben sind MOSFETs gut geeignet, da sie leistungsfrei geschaltet werden können und sehr schnelle Schaltvorgänge ermöglichen. Je nach maximaler Leistung bzw. maximalen Strom über der Schaltvorrichtung kann dabei ein einzelner MOSFET oder eine Parallelschaltung aus MOSFETs vorgesehen sein.
Ein MOSFET kann prinzipiell auch als geregelter Widerstand genutzt werden. Dieser Betriebsmodus wird z.B. auch Linearbetrieb oder Linearmode genannt. Seitens der
Halbleiterhersteller wird der Linearmode aber immer nur für ein einzelnes Bauteil empfohlen. Diese Einschränkung wird bedingt durch die Streuung der Bauteil Parametern, vor Allem die Streuung der Gate-Threshold-Spannung UGSth. Das bedeutet, dass bei einer
Parallelschaltung von MOSFETs der MOSFET mit der kleinsten Gate-Threshold-Spannung UGSth als erster in den Linearmode versetzt wird und die meisten Verluste über diesem abgebaut werden. Für die weitere Einsatzeinschränkung des Linearmodes bei parallel geschalteten MOSFETs sorgt die MOSFET-Technologie. Viele einzelne Zellen sind in einem Package parallelgeschaltet und die Gate-Threshold-Spannung UGSth weist einen positiven Temperaturkoeffizienten auf. Dadurch können die Zellen thermisch auseinanderdriften und der MOSFET mit der kleinsten Gate-Threshold-Spannung UGSth wird zerstört.
In der Schaltvorrichtung können aber, insbesondere in Hochleistungsanwendungen wie Elektrofahrzeugen, mehrere MOSFETs parallelgeschaltet werden. Dadurch wird der Durchlasswiderstand, auch RDSon, klein gehalten und Verluste minimiert. Der Halbleiterschalter kann folglich als effizienter Leistungsschalter nicht aber zum Energieabbau über die Leistungs-MOSFETs genutzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann der geregelte Widerstand ein
Halbleiterschaltelement aufweisen. Ein Leistungseingang des Halbleiterschaltelements kann mit dem Leistungseingang der Schaltvorrichtung gekoppelt sein und ein Leistungsausgang des Halbleiterschaltelements kann mit dem Leistungsausgang der Schaltvorrichtung gekoppelt sein.
Andere Halbleiterschaltelemente als MOSFETs, können vorteilhaft als geregelte
Wderstände eingesetzt werden. Solche Halbleiterschalterelemente können Nachteile aufweisen, die sie als Schalter weniger geeignet erscheinen lassen. Beispielsweise kann die Schaltgeschwindigkeit solcher Halbleiterschalterelemente geringer sein und deren
Durchlasswiderstand kann höher sein, als bei MOSFETs. Allerdings können solche
Halbleiterschaltelemente, wie z.B. IGBTs, eine sehr hohe Strom- und Spannungsfestigkeit aufweisen.
In noch einer Ausführungsform kann die Schaltvorrichtung einen Steuereingang aufweisen, wobei ein Schalteingang des gesteuerten Schaltelements über einen ersten Vorwiderstand mit dem Steuereingang gekoppelt sein kann, und/oder wobei ein Steuereingang des geregelten Wderstands über einen zweiten Vorwiderstand mit dem Steuereingang gekoppelt sein kann.
Durch die Verbindung des Steuereingangs des gesteuerten Schaltelements und des
Steuereingangs des geregelten Wderstands ist sichergestellt, dass das gesteuerte
Schaltelement und der geregelte Widerstand immer synchron angesteuert werden und deren Steuereingänge auf definierten Signalpegeln liegen.
In einer Ausführungsform kann der geregelte Wderstand als ein IGBT ausgebildet sein. Zwischen dem Leistungseingang der Schaltvorrichtung und einem Steuereingang des IGBT kann eine Z-Diode in Sperrrichtung angeordnet sein.
We oben bereits angedeutet, kann als geregelter Widerstand ein IGBT genutzt werden. Ein solcher vereint in sich die Vorteile des Bipolartransistors, nämlich ein gutes Durchlassverhalten, eine hohe Sperrspannung, und Robustheit, und die Vorteile eines Feldeffekttransistors, nämlich die nahezu leistungslose Ansteuerung. IGBTs haben einen bipolaren Aufbau. Dieser ermöglicht deutlich höhere Stromdichten und somit auch höhere Pulsenergien. Technologiebedingt eignen sich IGBTs daher deutlich besser für den
Linearmode als MOSFETs. Ein einzelner IGBT kann folglich bereits ausreichen, um ein gesteuertes Schaltelement mit einer Parallelschaltung mehrerer MOSFETs abzusichern.
Beim Abschalten der Last, also beim Öffnen des gesteuerten Schaltelements, steigt die Spannung zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang der
Schaltvorrichtung an, bis die Z-Diode leitend wird. Wird die Z-Diode leitend, liegt eine Spannung an dem Steuereingang des IGBT an und der Wderstand des Leistungspfads des IGBT sinkt. Der Laststrom kommutiert vom gesteuerten Schaltelement auf den IGBT. Die im System durch Induktivitäten gespeicherte Energie sorgt dafür, dass sich die Z-Diode an der Grenze bzw. im Übergang zwischen dem leitenden und gesperrten Zustand befindet. Somit bleibt auch der IGBT in einem geregelten Zustand. Der IGBT stellt in diesem Zustand einen spannungsgesteuerten Wderstand dar, an dessen Lastanschlüssen (Kollektor - Emitter Strecke) eine nahezu konstante Spannung, die Zener- oder Z-Spannung bzw.
Durchbruchspannung der Z-Diode plus Gate-Source-Spannung ÜGs m, anliegt und über den der Laststrom fließt. We oben ausgeführt, wird diese Betriebsart eines Leistungshalbleiters als Linearmode oder Linearbetrieb bezeichnet.
Der IGBT bleibt in dem leitenden Zustand, bis die Z-Spannung der Z-Diode unterschritten wird. Dadurch verliert der IGBT seine Ansteuerung und geht wieder in den gesperrten Zustand über. Die im System gespeicherte Energie führt daraufhin zum erneuten
Spannungsanstieg zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang der Schaltvorrichtung, bis die Z-Diode und der IGBT wieder leitend werden. Dieser Vorgang dauert solange, bis die gespeicherte Energie abgebaut ist. Der IGBT befindet sich dabei in einem geregelten Zustand. Durch die Gate-Source-Spannung wird seine Leitfähigkeit so geregelt, dass das Produkt aus dem Laststrom, der nahezu linear abnimmt, und seinem Durchlasswiderstand nahezu konstant bleibt.
In noch einer Ausführungsform kann die Z-Diode derart dimensioniert sein, dass ihre Durchbruchsspannung unterhalb einer für das gesteuerte Schaltelement zulässigen Maximalspannung liegt. Kommt es zur Abschaltung der elektrischen Last z.B. mit sehr hohen Momentanströmen im Fall eines Kurzschlusses, so entsteht durch die im System durch Induktivitäten gespeicherte Energie ein steiler Spannungsanstieg zwischen dem Leistungseingang und dem
Leistungsausgang der Schaltvorrichtung. Dabei darf allerdings die maximale
Spannungsfestigkeit der Leistungs-MOSFETs nicht überschritten werden. Aus diesem Grund wird die Z-Diode so gewählt, dass der Wert der Durchlassspannung unterhalb der zulässigen Grenze bzw. unterhalb der zulässigen Maximalspannung bleibt.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Schaltvorrichtung ein Dämpfungselement aufweisen, insbesondere eine Reihenschaltung aus einer Kapazität und einem Widerstand, welches zwischen dem Leistungseingang der Schaltvorrichtung und dem Leistungsausgang der Schaltvorrichtung angeordnet ist.
Das Dämpfungselement ist folglich elektrisch parallel zu dem gesteuerten Schaltelement und dem geregelten Widerstand angeordnet. Beim Öffnen des gesteuerten Schaltelements kommutiert der Strom von dem gesteuerten Schaltelement zu dem geregelten Widerstand. Dieser Stromkommutierungsvorgang kann auf Grund der, wenn auch geringen, Induktivitäten in der Zuleitung zu dem geregelten Widerstand und seiner Eingangskapazität eine gewisse Zeit, typischerweise unter 100 ns, dauern. Um in dieser Zeit einen unzulässigen
Spannungsanstieg an dem und damit eine Zerstörung des gesteuerten Schaltelements zu verhindern, kann das Dämpfungselement parallel zu dem gesteuerten Schaltelement vorgesehen werden.
Kurze Figurenbeschreibung
Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines
Spannungsversorgungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung; Figur 3 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels eines
Spannungsversorgungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 4 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Figur 5 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Herstellverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Detaillierte Beschreibung
Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltvorrichtung 100. Die Schaltvorrichtung 100 kann z.B. in einer Versorgungsleitung 150 zur Versorgung elektrischer Lasten 151 mit elektrischer Energie eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Last 151 ein Elektromotor in einem Elektrofahrzeug sein.
Die Schaltvorrichtung 100 weist einen Leistungseingang 101 und einen Leistungsausgang 102 auf. Der Leistungseingang 101 kann z.B. mit einer Energiequelle, wie z.B. einer Fahrzeugbatterie, gekoppelt werden. Der Leistungsausgang 102 kann z.B. mit dem Eingang der Last, also z.B. eines Elektromotors in einem Elektrofahrzeug, gekoppelt werden. Die Schaltvorrichtung 100 kann dabei z.B. in dem positiven Spannungszweig angeordnet werden. Die Fahrzeugmasse kann als negativer Spannungszweig genutzt werden.
Zwischen dem Leistungseingang 101 und dem Leistungsausgang 102 ist ein gesteuertes Schaltelement 103 angeordnet. Ein geregelter Widerstand 104 ist elektrisch parallel zu dem gesteuerten Schaltelement 103 ebenfalls zwischen dem Leistungseingang 101 und dem Leistungsausgang 102 angeordnet.
Das gesteuerte Schaltelement 103 kann gesteuert den Leistungseingang 101 elektrisch mit dem Leistungsausgang 102 koppeln. We oben bereits erläutert, können insbesondere beim Abschalten induktiver Lasten hohe Spannungsspitzen auftreten. Solche Spannungsspitzen können je nach Induktivität und auftretenden Strömen so hoch sein, dass sie das gesteuerte Schaltelement 103 schädigen können. Insbesondere bei einer Notabschaltung im laufenden Betrieb der Last 151 können sehr hohe Ströme in dem System vorhanden sein, die zu entsprechenden Spannungsspitzen führen.
Um solche Spannungsspitzen abzufangen bzw. abzuleiten, ist der geregelte Widerstand 104 vorgesehen. Beim Öffnen des gesteuerten Schaltelements 103 und bei gleichzeitigem Auftreten von Spannungsspitzen zwischen dem Leistungseingang 101 und dem
Leistungsausgang 102 kann der geregelte Wderstand 104 den Leistungseingang 101 mit dem Leistungsausgang 102 elektrisch verbinden.
Dies bedeutet, dass der geregelte Wderstand 104 im Normalbetrieb, also im statischen Zustand des gesteuerten Schaltelements 103 bzw. bei einem stromfreien Abschaltvorgang hochohmig ist und keine elektrische Verbindung zwischen dem Leistungseingang 101 und dem Leistungsausgang 102 besteht. Es versteht sich, dass bei einem solchen
„hochohmigen“ geregelten Wderstand 104 der Sperrwiderstand des geregelten Widerstands 104 einen sehr geringen Stromfluss zwischen Leistungseingang 101 und Leistungsausgang 102 ermöglicht. In diesem Zusammenhang wird hier dennoch von dem Fehlen einer elektrischen Verbindung gesprochen.
Wrd das gesteuerte Schaltelement 103 geöffnet, während ein Strom durch das gesteuerte Schaltelement 103 fließt, entsteht auf Grund der im System vorhandenen Induktivitäten eine Spannungsspitze. In diesem Betriebszustand wird der Durchgangswiderstand des geregelten Wderstands 104 gesenkt und eine elektrische Verbindung zwischen dem Leistungseingang 101 und dem Leistungsausgang 102 entsteht. Die Spannungsspitze bzw. die in den Induktivitäten gespeicherte Energie kann sich damit über dem geregelten
Wderstand 104 abbauen. Üblicherweise wird die Energie damit in thermische Energie gewandelt.
Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Spannungsversorgungssystems 210. Das
Spannungsversorgungssystems 210 weist eine Energiequelle 211 auf, die z.B. als Batterie mit einer Ausgangsspannung von 450 V ausgebildet sein kann. Ferner ist eine Last 251 vorgesehen. Zwischen Energiequelle 211 und Last 251 ist eine Schaltvorrichtung 200 vorgesehen. Die in dem System vorhandenen Induktivitäten sind als Induktivitäten 213, 214 dargestellt. Die Schaltvorrichtung 200 basiert auf der Schaltvorrichtung 100. Folglich weist die
Schaltvorrichtung 200 ein gesteuertes Schaltelement 203 und einen geregelten Widerstand 204 auf, die elektrisch zwischen einem Leistungseingang 201 und einem Leistungsausgang 202 angeordnet sind. Ferner ist ein Steuereingang 205 vorgesehen, welcher mit einer Steuervorrichtung 212 des Spannungsversorgungssystems 210 gekoppelt ist.
Das gesteuerte Schaltelement 203 weist einen MOSFET-Transistor 206 auf, dessen Leistungspfad elektrisch zwischen dem Leistungseingang 201 und dem Leistungsausgang 202 angeordnet ist. Der Steuereingang bzw. Gate-Anschluss des MOSFET-Transistors 206 ist mit dem Steuereingang 205 gekoppelt. Der geregelte Widerstand 204 weist einen IGBT 207 auf, dessen Lastpfad ebenfalls elektrisch zwischen dem Leistungseingang 201 und dem Leistungsausgang 202 angeordnet ist. Der Steuereingang bzw. Gate-Anschluss des IGBT 207 ist ebenfalls mit dem Steuereingang 205 gekoppelt. Ferner ist eine Z-Diode 208 zwischen dem Lasteingang bzw. Kollektoranschluss des IGBT 207 und dem Steuereingang bzw. Gate-Anschluss des IGBT 207 in Sperrrichtung angeordnet.
Bei dieser Anordnung sorgt eine Spannungsspitze, welche über der Schaltvorrichtung 200 entsteht, dafür, dass die Z-Diode 208 leitend wird. Der Steuereingang des IGBT 207 wird folglich durch die Z-Diode 208 angesteuert und der IGBT 207 wird leitend bzw. der
Widerstand des Leistungspfads des IGBT 207 wird gesenkt.
Kommt es beispielsweise zur plötzlichen Abschaltung des Laststromes, z.B. im Fall eines detektierten Kurzschlusses im System, so entsteht durch die im System in der Induktivität gespeicherte Energie nach der Formel E = 1/2*L*(lmax)2 ein steiler Spannungsanstieg bzw. eine Spannungsspitze zwischen Leistungseingang 201 und Leistungsausgang 202. Die maximale Spannungsfestigkeit des Leistungs-MOSFET 206 darf aber nicht überschritten werden.
Die Z-Diode 208 kann folglich derart gewählt werden, dass der Wert der Klemmspannung über dem Leistungshalbleiter 207 unterhalb seiner maximal zulässigen Grenze bleibt. Durch den Stromstoß durch die Z-Diode 208 wird der IGBT 207 in den leitenden Zustand versetzt, bis die Z-Spannung unterschritten wird. Dadurch verliert der IGBT 207 seine Ansteuerung und geht wieder in den gesperrten Zustand. Die im System gespeicherte Energie führt daraufhin zum erneuten Spannungsanstieg zwischen Leistungseingang 201 und
Leistungsausgang 202, bis die Z-Diode 208 und der IGBT 207 wieder leitend werden. Dieser Vorgang widerholt sich, bis die gespeicherte Energie abgebaut ist. Wie oben bereits erläutert, befindet sich der IGBT 207 dabei in einem geregelten Zustand bzw. in einem Linearmode. Durch die Gate-Source-Spannung wird die Leitfähigkeit des IGBT 207 derart geregelt, dass das Produkt aus dem Laststrom, der linear abnimmt, und seinem ON- Wderstand nahezu konstant bleibt. Diese über dem IGBT abfallende Spannung entspricht der Summe aus der Z-Spannung der Z-Diode 208 und der Gate-Source-Spannung.
Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Spannungsversorgungssystems 310. Das
Spannungsversorgungssystem 310 basiert auf dem Spannungsversorgungssystems 210. Folglich weist das Spannungsversorgungssystem 310 eine Energiequelle 311 auf, die z.B. als Batterie mit einer Ausgangsspannung von 450 V ausgebildet sein kann. Ferner ist eine Last 351 vorgesehen. Zwischen Energiequelle 311 und Last 351 ist eine Schaltvorrichtung 300 vorgesehen. Die in dem System vorhandenen Induktivitäten sind als Induktivitäten 313, 314 dargestellt.
Die Schaltvorrichtung 300 basiert auf der Schaltvorrichtung 200. Folglich weist die
Schaltvorrichtung 300 ein gesteuertes Schaltelement 303 und einen geregelten Widerstand 304 auf, die elektrisch zwischen der Induktivität 313 und der Induktivität 314 angeordnet sind. Das gesteuerte Schaltelement 303 weist eine Parallelschaltung aus drei MOSFET- Transistoren (der Übersichtlichkeit halber nicht separat bezeichnet) auf, deren
Leistungspfade elektrisch zwischen der Induktivität 313 und der Induktivität 314 angeordnet sind. Der Steuereingänge bzw. Gate-Anschlüsse der MOSFET-Transistoren sind über einen ersten Vorwiderstand mit der Steuervorrichtung 312 gekoppelt.
Der geregelte Wderstand 304 weist einen IGBT 307 auf, dessen Lastpfad ebenfalls elektrisch zwischen der Induktivität 313 und der Induktivität 314 angeordnet ist. Der
Steuereingang bzw. Gate-Anschluss des IGBT 307 ist über einen zweiten Vorwiderstand 316 ebenfalls mit der Steuervorrichtung 312 gekoppelt. Ferner ist eine Z-Diode 308 zwischen dem Lasteingang bzw. Kollektoranschluss des IGBT 307 und dem Steuereingang bzw. Gate- Anschluss des IGBT 307 in Sperrrichtung angeordnet. Bei der Anordnung der Figur 3 werden folglich das gesteuerte Schaltelement 303 und der geregelte Widerstand 304 gleichzeitig von der Steuervorrichtung 312 angesteuert. Im statischen Fall werden die drei MOSFETs des gesteuerten Schaltelements 303 von der Steuervorrichtung 312 über den ersten Vorwiderstand 315 angesteuert. Der parallel zu den MOSFETs liegende IGBT 307 bleibt trotz seiner Ansteuerung über den zweiten
Vorwiderstand 316 stromlos, da seine Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung UCE-Sat deutlich höher ist, als der Spannungsabfall über dem gesamten RDS-On der drei MOSFETs.
Erst beim Entstehen der Spannungsspitzen zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang des Schaltelements 303, infolge des Abschalten des Laststromes, die höher als die Z-Spannung der Z-Diode 308 sind, erfolgt eine Ansteuerung des IGBT 307, wie oben bereits erläutert.
Um beim Abschalten einer Last die Übernahmeverzerrungen während der
Kommutierungsphase des Stroms von dem gesteuerten Schaltelement 303 zu dem geregelten Wderstand 304 zu eliminieren, ist ferner ein Dämpfungselement 317 vorgesehen, welches eine Parallelschaltung aus einer Kapazität 318 und einem Wderstand 319 aufweist.
Zum leichteren Verständnis werden in der folgenden Beschreibung die Bezugszeichen zu den Figuren 1-3 als Referenz beibehalten.
Figur 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum
Betreiben einer Schaltvorrichtung 100, 200, 300 für eine Versorgungsleitung 150, 250, 350 zur Versorgung elektrischer Lasten 151 , 251 , 351 mit elektrischer Energie.
In einem ersten Schritt S1 des Ansteuerns wird ein gesteuertes Schaltelement 103, 203, 303 in der Schaltvorrichtung 100, 200, 300 angesteuert, welches elektrisch zwischen einem Leistungseingang 101 , 201 und einem Leistungsausgang 102, 202 der Schaltvorrichtung 100, 200, 300 angeordnet ist. Das gesteuerte Schaltelement 103, 203, 303 ist ausgebildet, gesteuert den Leistungseingang 101 , 201 elektrisch mit dem Leistungsausgang 102, 202 zu koppeln oder diese voneinander zu trennen.
In einem zweiten Schritt S2 des Verbindens werden der Leistungseingang 101 , 201 und der Leistungsausgang 102, 202 mittels einer elektrischen Verbindung über einen geregelten Widerstand 104, 204, 304, welcher elektrisch parallel zu dem gesteuerten Schaltelement 103, 203, 303 angeordnet ist, verbunden, wenn beim Öffnen des gesteuerten
Schaltelements 103, 203, 303 Spannungsspitzen auftreten.
Es versteht sich, dass das Verfahren analog zu bzw. entsprechend der Ausführungsformen der Schaltvorrichtung weitergebildet werden kann.
Figur 5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Herstellverfahrens für eine Schaltvorrichtung 100, 200, 300 zum Schalten in einer Versorgungsleitung 150, 250,
350 zur Versorgung elektrischer Lasten 151 , 251 , 351 mit elektrischer Energie.
In einem ersten Schritt S21 des Anordnens wird ein gesteuertes Schaltelement 103, 203,
303 elektrisch zwischen einem Leistungseingang 101 , 201 und einem Leistungsausgang
102, 202 der Schaltvorrichtung 100, 200, 300 angeordnet. Das gesteuerte Schaltelement
103, 203, 303 ist ausgebildet, gesteuert den Leistungseingang 101 , 201 elektrisch mit dem Leistungsausgang 102, 202 zu koppeln. In einem zweiten Schritt S22 des Anordnens wird ein geregelter Widerstand 104, 204, 304 elektrisch parallel zu dem gesteuerten
Schaltelement 103, 203, 303 angeordnet. Der geregelte Widerstand 104, 204, 304 ist ausgebildet, beim Öffnen des gesteuerten Schaltelements 103, 203, 303 und Auftreten von Spannungsspitzen zwischen dem Leistungseingang 101 , 201 und dem Leistungsausgang 102, 202 den Leistungseingang mit dem Leistungsausgang elektrisch zu verbinden.
Das Anordnen eines gesteuerten Schaltelements 103, 203, 303 kann z.B. aufweisen, einen Halbleiterschalter, insbesondere einen MOSFET 206, oder eine Parallelschaltung von mindestens zwei Halbleiterschaltern, insbesondere MOSFETs, anzuordnen. Das Anordnen eines geregelten Wderstands 104, 204, 304 kann ferner aufweisen, ein
Halbleiterschaltelement anzuordnen, wobei ein Leistungseingang 101 , 201 des
Halbleiterschaltelements mit dem Leistungseingang 101 , 201 der Schaltvorrichtung 100, 200, 300 gekoppelt wird und wobei ein Leistungsausgang 102, 202 des Halbleiterschaltelements mit dem Leistungsausgang 102, 202 der Schaltvorrichtung 100, 200, 300 gekoppelt wird.
Die Schaltvorrichtung 100, 200, 300 kann einen Steuereingang 205 aufweist. Ein
Schalteingang des gesteuerten Schaltelements 103, 203, 303 kann über einen ersten Vorwiderstand 315 mit dem Steuereingang 205 gekoppelt werden. Ein Steuereingang des geregelten Widerstands 104, 204, 304 kann über einen zweiten Vorwiderstand 316 mit dem Steuereingang 205 gekoppelt werden.
Als geregelter Wderstand 104, 204, 304 kann z.B. ein IGBT 207, 307 genutzt werden.
Zwischen dem Leistungseingang 101 , 201 der Schaltvorrichtung 100, 200, 300 und einem Steuereingang des IGBT 207, 307 kann ferner eine Z-Diode 208, 308 in Sperrrichtung angeordnet werden. Die Z-Diode 208, 308 kann insbesondere derart dimensioniert werden, dass ihre Durchbruchsspannung unterhalb einer für das gesteuerte Schaltelement 103, 203, 303 zulässigen Maximalspannung liegt.
Schließlich kann ein Dämpfungselement 317, insbesondere eine Reihenschaltung aus einer Kapazität 318 und einem Widerstand 319, zwischen dem Leistungseingang 101 , 201 der Schaltvorrichtung 100, 200, 300 und dem Leistungsausgang 102, 202 der Schaltvorrichtung 100, 200, 300 angeordnet werden.
Da es sich bei der vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren um Ausführungsbeispiele handelt, können sie in üblicher weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind die mechanischen Anordnungen und die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente zueinander lediglich beispielhaft.
BEZUGSZEICHENLISTE
100, 200, 300 Schaltvorrichtung
101 , 201 Leistungseingang
102, 202 Leistungsausgang
103, 203, 303 gesteuertes Schaltelement
104, 204, 304 geregelter Widerstand
205 Steuereingang
206 MOSFET
207, 307 IGBT
208, 308 Z-Diode
210, 310 Spannungsversorgungssystem 211 , 311 Energiequelle
212, 312 Steuervorrichtung
213, 214, 313, 314 Induktivität
315, 316 Widerstand
317 Dämpfungselement
318 Kapazität
319 Widerstand
150, 250, 350 Versorgungsleitung
151 , 251 , 351 Last
S1 , S2, S21 , S22 Verfahrensschritt

Claims

ANSPRÜCHE
1. Schaltvorrichtung (100, 200, 300) für eine Versorgungsleitung (150, 250, 350) zur Versorgung elektrischer Lasten (151 , 251 , 351) mit elektrischer Energie, mit: einem Leistungseingang (101 , 201), einem Leistungsausgang (102, 202), einem gesteuerten Schaltelement (103, 203, 303), welches elektrisch zwischen dem
Leistungseingang (101 , 201) und dem Leistungsausgang (102, 202) angeordnet ist, und welches ausgebildet ist, gesteuert den Leistungseingang (101 , 201) elektrisch mit dem Leistungsausgang (102, 202) zu koppeln, und einem geregelten Widerstand (104, 204, 304), welcher elektrisch parallel zu dem
gesteuerten Schaltelement (103, 203, 303) angeordnet ist und welcher ausgebildet ist, beim Öffnen des gesteuerten Schaltelements (103, 203, 303) und Auftreten von
Spannungsspitzen zwischen dem Leistungseingang (101 , 201) und dem Leistungsausgang (102, 202) den Leistungseingang (101 , 201) mit dem Leistungsausgang (102, 202) elektrisch zu verbinden.
2. Schaltvorrichtung (100, 200, 300) nach Anspruch 1 , wobei das gesteuerte
Schaltelement (103, 203, 303) einen Halbleiterschalter, insbesondere einen MOSFET (206), oder eine Parallelschaltung von mindestens zwei Halbleiterschaltern, insbesondere
MOSFETs, aufweist.
3. Schaltvorrichtung (100, 200, 300) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der geregelte Widerstand (104, 204, 304) ein Halbleiterschaltelement aufweist, wobei ein Leistungseingang (101 , 201) des Halbleiterschaltelements mit dem Leistungseingang (101 , 201) der Schaltvorrichtung (100, 200, 300) gekoppelt ist und wobei ein Leistungsausgang (102, 202) des Halbleiterschaltelements mit dem Leistungsausgang (102, 202) der
Schaltvorrichtung (100, 200, 300) gekoppelt ist.
4. Schaltvorrichtung (100, 200, 300) nach einem der vorherigen Ansprüche, aufweisend einen Steuereingang (205), wobei ein Schalteingang des gesteuerten Schaltelements (103, 203, 303) über einen ersten Vorwiderstand (315) mit dem Steuereingang (205) gekoppelt ist, und/oder wobei ein Steuereingang des geregelten Widerstands (104, 204, 304) über einen zweiten Vorwiderstand (316) mit dem Steuereingang (205) gekoppelt ist.
5. Schaltvorrichtung (100, 200, 300) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der geregelte Wderstand (104, 204, 304) als ein IGBT (207, 307) ausgebildet ist, und wobei zwischen dem Leistungseingang (101 , 201) der Schaltvorrichtung (100, 200, 300) und einem Steuereingang des IGBT (207, 307) eine Z-Diode (208, 308) in Sperrrichtung angeordnet ist.
6. Schaltvorrichtung (100, 200, 300) nach Anspruch 5, wobei die Z-Diode (208, 308) derart dimensioniert ist, dass ihre Durchbruchsspannung unterhalb einer für das gesteuerte Schaltelement (103, 203, 303) zulässigen Maximalspannung liegt.
7. Schaltvorrichtung (100, 200, 300) nach einem der vorherigen Ansprüche, aufweisend ein Dämpfungselement (317), insbesondere eine Reihenschaltung aus einer Kapazität (318) und einem Widerstand (319), welches zwischen dem Leistungseingang (101 , 201) der Schaltvorrichtung (100, 200, 300) und dem Leistungsausgang (102, 202) der
Schaltvorrichtung (100, 200, 300) angeordnet ist.
8. Spannungsversorgungssystem (210, 310) zur Versorgung elektrischer Lasten (151 , 251 , 351) mit elektrischer Energie, aufweisend: eine elektrische Energiequelle (211 , 311), eine Schaltvorrichtung (100, 200, 300) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Leistungseingang (101 , 201) der Schaltvorrichtung (100, 200, 300) mit einem positiven Leistungsausgang (102, 202) der Energiequelle (211 , 311) gekoppelt ist, und wobei der Leistungsausgang (102, 202) der Schaltvorrichtung (100, 200, 300) mit einem positiven Lastanschluss der elektrischen Lasten koppelbar ist.
9. Verfahren zum Betreiben einer Schaltvorrichtung (100, 200, 300) für eine
Versorgungsleitung (150, 250, 350) zur Versorgung elektrischer Lasten (151 , 251 , 351) mit elektrischer Energie, aufweisend die Schritte:
Ansteuern (S1) eines gesteuerten Schaltelements (103, 203, 303) in der Schaltvorrichtung (100, 200, 300), welches elektrisch zwischen einem Leistungseingang (101 , 201) und einem Leistungsausgang (102, 202) der Schaltvorrichtung (100, 200, 300) angeordnet ist, und welches ausgebildet ist, gesteuert den Leistungseingang (101 , 201) elektrisch mit dem Leistungsausgang (102, 202) zu koppeln oder diese voneinander zu trennen, und
Verbinden (S2) des Leistungseingangs (101 , 201) und des Leistungsausgangs (102, 202) mittels einer elektrischen Verbindung über einen geregelten Widerstand (104, 204, 304), welcher elektrisch parallel zu dem gesteuerten Schaltelement (103, 203, 303) angeordnet ist, beim Öffnen des gesteuerten Schaltelements (103, 203, 303) und Auftreten von
Spannungsspitzen.
10. Herstellverfahren für eine Schaltvorrichtung (100, 200, 300) zum Schalten in einer Versorgungsleitung (150, 250, 350) zur Versorgung elektrischer Lasten (151 , 251 , 351) mit elektrischer Energie, aufweisend die Schritte:
Anordnen (S21) eines gesteuerten Schaltelements (103, 203, 303) elektrisch zwischen einem Leistungseingang (101 , 201) und einem Leistungsausgang (102, 202) der
Schaltvorrichtung (100, 200, 300), welches ausgebildet ist, gesteuert den Leistungseingang (101 , 201) elektrisch mit dem Leistungsausgang (102, 202) zu koppeln, und
Anordnen (S22) eines geregelten Wderstands (104, 204, 304) elektrisch parallel zu dem gesteuerten Schaltelement (103, 203, 303) welcher ausgebildet ist, beim Öffnen des gesteuerten Schaltelements (103, 203, 303) und Auftreten von Spannungsspitzen zwischen dem Leistungseingang (101 , 201) und dem Leistungsausgang (102, 202) den Leistungseingang mit dem Leistungsausgang elektrisch zu verbinden.
11. Herstellverfahren nach Anspruch 10, wobei das Anordnen eines gesteuerten
Schaltelements (103, 203, 303) aufweist, einen Halbleiterschalter, insbesondere einen MOSFET (206), oder eine Parallelschaltung von mindestens zwei Halbleiterschaltern, insbesondere MOSFETs, anzuordnen; und/oder wobei das Anordnen eines geregelten Widerstands (104, 204, 304) aufweist, ein
Halbleiterschaltelement anzuordnen, wobei ein Leistungseingang (101 , 201) des
Halbleiterschaltelements mit dem Leistungseingang (101 , 201) der Schaltvorrichtung (100, 200, 300) gekoppelt wird und wobei ein Leistungsausgang (102, 202) des
Halbleiterschaltelements mit dem Leistungsausgang (102, 202) der Schaltvorrichtung (100, 200, 300) gekoppelt wird.
12. Herstellverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 10 und 11 , wobei die Schaltvorrichtung (100, 200, 300) einen Steuereingang (205) aufweist, wobei ein
Schalteingang des gesteuerten Schaltelements (103, 203, 303) über einen ersten
Vorwiderstand (315) mit dem Steuereingang (205) gekoppelt wird, und/oder wobei ein Steuereingang des geregelten Wderstands (104, 204, 304) über einen zweiten
Vorwiderstand (316) mit dem Steuereingang (205) gekoppelt wird.
13. Herstellverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei als geregelter Wderstand (104, 204, 304) ein IGBT (207, 307) angeordnet wird, und wobei zwischen dem Leistungseingang (101 , 201) der Schaltvorrichtung (100, 200, 300) und einem Steuereingang des IGBT (207, 307) eine Z-Diode (208, 308) in Sperrrichtung angeordnet wird.
14. Herstellverfahren nach Anspruch 13, wobei die Z-Diode (208, 308) derart
dimensioniert wird, dass ihre Durchbruchsspannung unterhalb einer für das gesteuerte Schaltelement (103, 203, 303) zulässigen Maximalspannung liegt.
15. Herstellverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 10 bis 14, wobei ein
Dämpfungselement (317), insbesondere eine Reihenschaltung aus einer Kapazität (318) und einem Wderstand (319), zwischen dem Leistungseingang (101 , 201) der Schaltvorrichtung (100, 200, 300) und dem Leistungsausgang (102, 202) der Schaltvorrichtung (100, 200, 300) angeordnet wird.
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