WO2018073029A1 - Schaltungsanordnung zur vorladung einer zwischenkreiskapazität eines hochvolt-bordnetzes - Google Patents

Schaltungsanordnung zur vorladung einer zwischenkreiskapazität eines hochvolt-bordnetzes Download PDF

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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • Circuit arrangement for precharging a DC link capacity of a
  • the present invention relates to a circuit arrangement for precharging a DC link capacity of a high-voltage vehicle electrical system.
  • the present invention relates to a few connections
  • Circuit arrangement by means of which the switching times of a high-voltage MOSFET used for charging the DC link capacitance can be reduced.
  • the electrification of passenger transport is currently progressing rapidly.
  • In order to generate the necessary power at 12V very high currents are required, which would require copper cable with a practically meaningless cross-section, usually compared to 12-volt on-board networks significantly increased voltage level (eg 400 volts) is used.
  • the link capacity provides power between an energy store (e.g., a fuel cell) and one or more electric motors used as a traction machine (s). Traction machines are often designed in three phases.
  • a ground-side contactor is first closed, the DC link capacitance is charged to approx. 99% by means of a limited current and only then the positive contactor is closed. In this way, wear and losses as well as functional impairments of the positive contactor can be reduced or avoided.
  • a high-voltage MOSFET is usually used.
  • the high-voltage MOSFET In order to keep the losses and the heat development even within the high-voltage MOSFET low, the high-voltage MOSFET must be very quickly the electrical connection with the lowest possible electrical
  • US 2015/0256014 A1 discloses a circuit arrangement for switching a pre-charging current for a high-voltage vehicle electrical system.
  • a battery control unit first a ground contactor, then an insulated gate transistor for
  • the shutdown ie the time between deactivation by the microcontroller and the actual opening of the HV-Mosfets
  • the shutdown ie the time between deactivation by the microcontroller and the actual opening of the HV-Mosfets
  • Control signal / PWM signal the energy from the driver stage is reduced as quickly as possible, the Mosfet opens and thus the safe state is reached.
  • the first circuit assembly includes a first input terminal and a second input terminal.
  • the first For example, the input terminal may be configured to be electrically connected to a first output terminal of a converter of the parent circuit, which will be discussed below, while the second input terminal of the first circuit package is configured to be electrically connected to the second secondary output terminal of the converter.
  • a first and a second switched-on switch as well as a voltage-switched switch are as well
  • Voltage threshold value transmitter with current limiter designed as a zener diode, for example
  • An output terminal forms the output of the first circuit package.
  • Input terminal are each a first terminal of the first switched-current switch, the voltage-switched switch, the
  • the respective first terminals form, seen electrically, a node which coincides with the first input terminal.
  • a second terminal of the first switched-current switch and theresschwellwertgebers with current limiter are connected to a control input of the second switched-current switch.
  • a first terminal of the second switched-current switch and a second terminal of the ohmic resistance are connected to a control input of the voltage-switched switch.
  • the second terminal of the second switched-on switch is connected to the negative terminal of the converter, while a second terminal of the voltage-connected
  • Output terminal can be connected to a gate of the high-voltage MOSFET.
  • An electrical energy store (eg in the manner of an additional capacity) may be between the first input terminal and the second
  • This capacity can be assigned to the driver stage and / or the converter of the higher-level circuit board. In their function for the first circuit assembly this represents
  • This will be a second Circuit assembly as optional preferred supplement (eg, also as part of the driver stage of the circuit) proposed.
  • This comprises a third input terminal, a first energy store with passive discharge, a first and second switch, a second output terminal, a third and a fourth output terminal, a second ohmic
  • the first energy store is connected to a first terminal on the third input terminal, in other words electrically connected. He is set up, one
  • a first terminal of the first switch and a second terminal of the third ohmic resistor are electrically connected to a control terminal of the second switch. In other words, their connections form a common node.
  • First terminals of the second and third ohmic resistors are connected to the second output terminal, while a second terminal of the second ohmic resistor and a first terminal of the second switch coincide with each other.
  • Second ports of the first and second switches are on the fourth
  • the third output terminal is the first one
  • This circuit ensures a discharge of the DC link capacitance via a parallel to the additional capacitance arranged ohmic resistance.
  • the first energy storage of the second circuit assembly is discharged by the passive discharge, whereby the first switch opens. This closes the second switch, whereby an additional discharge of the additional capacitance is carried out via the second ohmic resistance.
  • the second switched-on switch of the first circuit assembly and the first switched-on switch and the voltage-switched switch of the first circuit assembly open. As a result, the high-voltage MOSFET opens and no pre-charging current flows into the DC link capacitance.
  • a diode between a source terminal of the high-voltage MOSFET and a negative terminal of a HV battery can be arranged.
  • the direction of the diode is directed towards the negative terminal of the HV battery.
  • an ohmic resistance may be provided to limit the charging current.
  • the Diode, which realizes a polarity reversal protection, and the ohmic resistance for current limitation can be arranged in series with the DC link capacitance.
  • transformers can be provided in the converter of the circuit arrangement, the primary windings are fed parallel to each other from the linear regulator.
  • the secondary windings in contrast, can be connected in series, so that the secondary voltages of the secondary windings add up.
  • three or more transformers in the converter according to the invention can be arranged in a corresponding manner, wherein the secondary voltages all add up.
  • the first circuit assembly in particular the second
  • Integrated circuit assembly in a circuit arrangement for pre-charging a DC link capacity of a high-voltage electrical system.
  • Circuitry may be provided and configured for use in an electrically powered vehicle. It comprises a linear regulator, which is set up, a vehicle electrical system voltage of a conventional
  • a 12 volt DC voltage can be reduced to a 7 volt DC voltage.
  • a converter is configured to convert the lower voltage electrical energy to an increased voltage and to supply the first and second circuit assemblies presented above which are galvanically connected to the high voltage MOSFET.
  • the converter may comprise one or more transformers, but at least several secondary windings. Thus, the converter can cause an efficient increase in voltage.
  • the first circuit assembly and the second circuit assembly may be part of a driver stage which is electrically connected to the secondary side of the converter.
  • Driver stage is set up to control the high-voltage MOSFET for switching (switching on / off) of the DC link capacitance.
  • the high-voltage MOSFET is set up to pre-charge the DC bus capacitance after closing a low-side contactor (eg to approx. 99%).
  • the linear regulator provides a lower voltage, which remains stable even in the event of a faulty vehicle electrical system, and thus feeds the converter, which in turn feeds through Pulse width modulated (PWM) signal is controlled.
  • PWM Pulse width modulated
  • Power transmission can be provided by a DC-DC converter with galvanic isolation.
  • a single-ended flux converter is preferably provided, whose coil in the secondary circuit by a resistor in the
  • the parallel connection of two transformers in the primary circuit and the serial connection of the transformers in the secondary circuit lead to a doubled voltage in the secondary circuit and to an increase in the number of units of the transformer in the overall system, which can still be used in other modules.
  • the energy storage is done by
  • Capacitors This allows a very fast connection of the high-voltage MOSFET, since the energy for switching the same is stored in capacitors and the preferably constructed of transistors built-circuit for fast switching operations qualified. After switching off the pre-charging current of the high-voltage MOSFET is switched off with a very short delay, so quickly the safe state is reached.
  • the precharge relay can be eliminated by use of the present invention. This saves costs, installation space and mass.
  • FIG. 3 shows a generic structure of an invention
  • FIG. 4 shows a generic structure of a first circuit assembly for switching the high-voltage MOSFET according to a further exemplary embodiment of the present invention
  • Figure 5 shows a generic construction of a second circuit assembly for switching off the high-voltage MOSFET according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 shows a circuit diagram of a circuit arrangement according to a
  • Figure 1 shows a greatly simplified abstraction of a structure according to the invention, in which the circuit arrangement 1 as a "black box" for
  • Control of a HV MOSFET 7 is used. Only a single input signal feeds the circuit arrangement. 1 Only a single output signal is output from the circuit arrangement 1 to the HV MOSFET 7. Accordingly, only a drive signal controls the
  • the circuit arrangement 1 provides a galvanic isolation of the drive with respect to the power devices.
  • the connection can be made within hundreds of nanoseconds, the switch-off within microseconds, which greatly reduces switching losses and excessive temperatures.
  • Figure 2 shows an embodiment of an inventive
  • Circuit arrangement 1 which via a supply voltage 24 (12-volt Vehicle electrical system) fed and controlled by a microcontroller 16.
  • the elements enclosed by a solid line linear regulator 4, converter 5, driver stage 6, drive signal 13 and MOSFET 17 represent the functional units of the circuit arrangement 1.
  • the MOSFET 17 is connected to the electrical ground 18.
  • the driver stage 6 is connected to the gate of a
  • High-voltage MOSFETs 7 whose drain terminal is fed via an HV battery 19.
  • the gate terminal of the HV MOSFET 7 is connected to the
  • the source terminal is connected to a series arrangement of a diode 8, an ohmic resistor 10 (current limiting resistor) and the DC link capacitance 2 with the
  • the high-voltage vehicle electrical system 3 is delimited by a dashed line with respect to the circuit arrangement 1.
  • Figure 3 shows a generic construction of a DC-DC converter, as it can be used in the circuit arrangement 1 according to Figure 1 or 2.
  • the power supply 4 feeds the converter 5, by means of which the
  • a diode 22 prevents discharge of the capacitor C1 via the secondary side of the converter 5.
  • Duty cycle of 20% is controlled.
  • the converter 5 is also connected to the final magnetization 15.
  • PWM signal 13 about 20% of the operating time
  • the current flows through the converter 5 and is limited by R1. During this time will - as at
  • FIG. 4 shows a generic structure of a first circuit module 1 1 for
  • the HV MOSFET is linked on the output side to the voltage-switched switch T3
  • Switch T1 is via the output terminal of the illustrated first
  • Figure 5 shows an embodiment of a second circuit assembly 12, which in a driver stage 6 of an embodiment of a
  • Delay can cause.
  • a small energy store with passive discharge 21 ensures that a first switch T4 is activated.
  • a first terminal of the first switch T4 is electrically connected to a second terminal of a third ohmic resistor R4 and to a control terminal of the second switch T5.
  • a first terminal of the third ohmic resistor R4 and a second ohmic resistor R2 are connected to a second output terminal.
  • a second terminal of the second ohmic resistor R2 and a first terminal of the second switch T5 are electrically connected to each other.
  • the ohmic resistor R2 can quickly discharge the capacitor C1 and thus lead to an acceleration of the turn-off behavior of the high-voltage MOSFET (not shown), which is connected to a circuit assembly arranged beyond the capacitor C1 (see FIG. 4).
  • FIG. 6 shows a circuit-related possibility for realizing a circuit arrangement 1 according to the invention, in which all the assemblies contained in the figures discussed above are represented and illustrated with exemplary contents for circuit-technical realization.
  • the components themselves are known in the art, which is why a detailed circuit-related possibility for realizing a circuit arrangement 1 according to the invention.
  • the circuit arrangement 1 serves to activate a precharging process of a (not shown) DC link capacitance, which can be connected on the output side to the HV MOSFET 7 and the diode 8. This procedure is after the
  • the rise time of the gate-source voltage of the HV MOSFET 7 must be limited to below 600 nanoseconds in order to limit the switching losses occurring sufficiently.
  • the gate-source voltage of the HV MOSFET 7 is controlled by the converter 14.
  • the converter 14 with the converter 5 ensures galvanic isolation between the low-voltage side and the high-voltage side.
  • the linear regulator 4 is arranged to generate a stabilized output voltage, which provides the power supply for the illustrated circuit arrangement 1.
  • the converter 14 is driven by a PWM signal PRCHRG_CTRL.
  • the input signal source 13 represents the activation of the switch 17. If the
  • Signal ABE_HTO_LEVEL 2 of the input signal source 13 has a high voltage (high level), the PWM signal activates or deactivates the switch 17.
  • the switch 17 When the switch 17 is closed, a current flows through the parallel arranged transformers (primary side). This current is parallel to each other in the example (where also a single
  • Resistor R flows and the voltage-switched switch T3 also closes. This is followed by activation of the first switched-on switch T1, whereby the base-emitter voltage at the second switched-on switch T2 is stabilized. In this case, the second switched-current switch T2 goes into saturation and, accordingly, also the voltage-switched switch T3. This results in a large current from the capacitor C1, which immediately charges the gate capacitance of the HV MOSFET 7. This leads to a rapid turn-on of the HV MOSFET.
  • Discharge resistor R7 The capacitance C2 is slowly discharged through the ohmic resistor R5.
  • the capacitance C3 is discharged through the ohmic resistor R3, whereupon the first switch T4 opens. This leads to a high

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schalten eines Hochvolt-MOSFETs (7) zur Vorladung einer Zwischenkreis-Kapazität eines Hochvolt-Bordnetzes mit einer ersten Schaltungsbaugruppe (11) mittels welcher die Schaltzeiten eines zum Laden der Zwischenkreiskapazitat verwendeten Hochvolt-MOSFETs verringert werden können.

Description

Beschreibung Titel
Schaltungsanordnung zur Vorladung einer Zwischenkreiskapazität eines
Hochvolt-Bordnetzes
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Vorladung einer Zwischenkreis-Kapazität eines Hochvolt-Bordnetzes. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine mit wenigen Anschlüssen auskommende
Schaltungsanordnung, mittels welcher die Schaltzeiten eines zum Laden der Zwischenkreiskapazität verwendeten Hochvolt-MOSFETs verringert werden können.
Die Elektrifizierung des Personenindividualverkehrs schreitet derzeit rasch voran. Um die notwendige Leistung zu generieren (bei 12V sind sehr hohe Ströme erforderlich, was Kupferkabel mit einem praktisch nicht sinnvollen Querschnitt erfordern würde), wird üblicherweise eine gegenüber 12-Volt-Bord netzen deutlich erhöhte Spannungslage (z. B. 400 Volt) verwendet. Die Zwischenkreiskapazität vermittelt Energie zwischen einem Energiespeicher (z.B. einer Brennstoffzelle) und einem oder mehreren Elektromotoren, welche/r als Traktionsmaschine/n verwendet werden. Traktionsmaschinen werden häufig dreiphasig ausgeführt. Wenn das Hochvolt-Bordnetz in Betrieb genommen wird, wird zunächst ein masseseitiges Schütz geschlossen, die Zwischenkreiskapazität mittels eines limitierten Stroms auf ca. 99 % geladen und erst anschließend das positive Schütz geschlossen. Auf diese Weise können Verschleiß und Verluste sowie Funktionsbeeinträchtigungen des positiven Schützes verringert bzw. vermieden werden.
Für das Vorladen der Zwischenkreiskapazität wird üblicherweise ein Hochvolt- MOSFET verwendet. Um die Verluste und die Hitzeentwicklung auch innerhalb des Hochvolt-MOSFETs gering zu halten, muss der Hochvolt-MOSFET sehr schnell die elektrische Verbindung mit möglichst geringem elektrischem
Widerstand herstellen. Schaltzeiten von unter 600 Nanosekunden sind wünschenswert. Die Hauptaufgabe des üblicherweise verwendeten Hochvolt- MOSFETs besteht darin, den Vorladestrom zu leiten und zu schalten. Um nach dem Abschalten des Vorladestroms möglichst schnell in einen sicheren Zustand zu gelangen, muss der Abschaltvorgang besonders schnell ausgeführt werden.
US 2015/0256014 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung zum Schalten eines Vorladestroms für ein Hochvoltbordnetz. In einem Batteriesteuergerät werden zunächst ein Masseschütz, dann ein Transistor mit isoliertem Gate zur
Ansteuerung eines Hochvolt-MOSFETs geschlossen, um die
Zwischenkreiskapazität auf 99 % zu laden. Über einen externen
Vorladewiderstand wird der Vorladestrom hierbei begrenzt. Anschließend wird das positive Batterieschütz geschlossen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hochvolt-MOSFET zum Vorladen einer Zwischenkreiskapazität rasch schließen und öffnen zu können. Hierbei soll nach Möglichkeit nur ein Ansteuersignal erforderlich sein, welches die Energieübertragung kontrolliert und den Hochvolt-MOSFET
aktiviert/deaktiviert. Das Zuschalten des Hochvolt-MOSFETs (Zeit für den
Schaltvorgang des HV-Mosfets) sollte innerhalb von Nanosekunden, das Abschalten (also die Zeit zwischen Deaktivierung seitens des Mikrocontrollers und dem tatsächlichen Öffnen des HV-Mosfets) bevorzugt innerhalb von Mikrosekunden erfolgen.
Mit einem schnellen Zuschalten ist gemeint, dass die Gate-Source Kapazität möglichst schnell geladen wird - also die Energie für den HV-MOSFET bereit steht. Mit Abschalten ist gemeint, dass nach der Deaktivierung des
Steuersignals/PWM-Signals die Energie aus der Treiberstufe möglichst schnell abgebaut wird, der Mosfet sich öffnet und damit der sichere Zustand erreicht wird.
Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Schaltungsanordnung mit einer ersten Schaltungsbaugruppe gelöst, welche zum Einschalten des Hochvolt-MOSFETs bzw. zum Vorladen der
Zwischenkreiskapazität eingerichtet ist. Die erste Schaltungsbaugruppe umfasst eine erste Eingangsklemme und eine zweite Eingangsklemme. Die erste Eingangsklemme kann z.B. eingerichtet sein, mit einer ersten Ausgangsklemme eines Wandlers der übergeordneten Schaltungsanordnung, auf weiche weiter unten eingegangen wird, elektrisch verbunden zu werden, während die zweite Eingangsklemme der ersten Schaltungsbaugruppe eingerichtet ist, mit der zweiten sekundärseitigen Ausgangsklemme des Wandlers elektrisch verbunden zu werden. Ein erster und ein zweiter stromgeschalteter Schalter sowie ein spannungsgeschalteter Schalter sind ebenso wie ein
Spannungsschwellwertgeber mit Strombegrenzer (z. B. als Zenerdiode ausgestaltet) und ein ohmscher Widerstand vorgesehen. Eine Ausgangsklemme bildet den Ausgang der ersten Schaltungsbaugruppe. An der ersten
Eingangsklemme sind jeweils ein erster Anschluss des ersten stromgeschalteten Schalters, des spannungsgeschalteten Schalters, des
Spannungsschwellwertgebers mit Strombegrenzer und des ohmschen
Widerstandes angeschlossen. Die jeweiligen ersten Anschlüsse bilden elektrisch gesehen einen Knotenpunkt, welcher mit der ersten Eingangsklemme zusammenfällt. Jeweils ein zweiter Anschluss des ersten stromgeschalteten Schalters und des Spannungsschwellwertgebers mit Strombegrenzer sind an einen Steuereingang des zweiten stromgeschalteten Schalters angeschlossen. An einen Steuereingang des spannungsgeschalteten Schalters sind ein erster Anschluss des zweiten stromgeschalteten Schalters und ein zweiter Anschluss des ohmschen Widerstandes angeschlossen. Der zweite Anschluss des zweiten stromgeschalteten Schalters ist mit dem negativen Anschluss des Wandlers verbunden, während ein zweiter Anschluss des spannungsgeschalteten
Schalters einerseits mit der Ausgangsklemme und andererseits mit einem Steuereingang des ersten stromgeschalteten Schalters zusammenfällt. Die
Ausgangsklemme kann mit einem Gate des Hochvolt-MOSFETs verbunden werden. Ein elektrischer Energiespeicher (z. B. nach Art einer zusätzlichen Kapazität) kann zwischen der ersten Eingangsklemme und der zweiten
Eingangsklemme angeschlossen sein. Diese Kapazität kann der Treiberstufe und/oder dem Wandler der übergeordneten Schaltungsbaugruppe zugeordnet werden. In ihrer Funktion für die erste Schaltungsbaugruppe stellt diese
Kapazität die Energiereserve zum Verkürzen des Zuschaltverhaltens bereit.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Zum Abschalten des HV-MOSFETs ist es vorteilhaft, die auf dem Kondensator gespeicherte Energie rasch abzubauen. Hierzu wird eine zweite Schaltungsbaugruppe als optional bevorzugte Ergänzung (z.B. ebenfalls als Bestandteil der Treiberstufe der Schaltungsanordnung) vorgeschlagen. Diese umfasst eine dritte Eingangsklemme, einen ersten Energiespeicher mit passiver Entladung, einen ersten und zweiten Schalter, eine zweite Ausgangsklemme, eine dritte und eine vierte Ausgangsklemme, einen zweiten ohmschen
Widerstand und einen dritten ohmschen Widerstand. Der erste Energiespeicher ist mit einem ersten Anschluss an der dritten Eingangsklemme angeschlossen, mit anderen Worten elektrisch verbunden. Er ist eingerichtet, einen
Steuereingang des ersten Schalters mit elektrischer Energie zu versorgen. Ein erster Anschluss des ersten Schalters und ein zweiter Anschluss des dritten ohmschen Widerstandes sind mit einem Steueranschluss des zweiten Schalters elektrisch verbunden. Anders ausgedrückt bilden ihre Anschlüsse einen gemeinsamen Knotenpunkt. Erste Anschlüsse des zweiten und des dritten ohmschen Widerstandes sind mit der zweiten Ausgangsklemme verbunden, während ein zweiter Anschluss des zweiten ohmschen Widerstandes und ein erster Anschluss des zweiten Schalters miteinander zusammenfallen. Zweite Anschlüsse des ersten und zweiten Schalters liegen auf der vierten
Ausgangsklemme. Die dritte Ausgangsklemme ist mit der ersten
Eingangsklemme elektrisch verbunden und die vierte Ausgangsklemme ist mit der zweiten Eingangsklemme elektrisch verbunden. Diese Schaltung sorgt für eine Entladung der Zwischenkreiskapazität über einen parallel zur zusätzlichen Kapazität angeordneten ohmschen Widerstand. Der erste Energiespeicher der zweiten Schaltungsbaugruppe wird durch die passive Entladung entladen, wodurch sich der erste Schalter öffnet. Hierdurch schließt der zweite Schalter, wodurch eine zusätzliche Entladung der zusätzlichen Kapazität über den zweiten ohmschen Widerstand ausgeführt wird. Der zweite stromgeschaltete Schalter der ersten Schaltungsbaugruppe sowie der erste stromgeschaltete Schalter und der spannungsgeschaltete Schalter der ersten Schaltungsbaugruppe öffnen. Im Ergebnis öffnet der Hochvolt-MOSFET und es fließt kein Vorladestrom mehr in die Zwischenkreiskapazität.
Weiter bevorzugt kann eine Diode zwischen einem Source-Anschluss des Hochvolt-MOSFETs und einem Minuspol einer HV-Batterie angeordnet werden. Die Flussrichtung der Diode ist in Richtung des Minuspols der HV-Batterie gerichtet. Dies schließt nicht aus, dass weitere Elemente in Reihe zur Diode mit dem Minuspol der HV-Batterie verbunden sind. Beispielsweise kann ein ohmscher Widerstand zur Begrenzung des Ladestroms vorgesehen sein. Die Diode, welche einen Verpolschutz realisiert, und der ohmsche Widerstand zur Stromlimitierung können in Reihe zu der Zwischenkreiskapazität angeordnet sein. Um die ausgangsseitige Spannung, welche der Wandler der Treiberstufe zur
Verfügung stellt, zu erhöhen, können zwei Transformatoren im Wandler der Schaltungsanordnung vorgesehen werden, deren Primärwicklungen parallel zueinander vom Linearregler gespeist werden. Die Sekundärwicklungen hingegen können in Reihe geschaltet sein, sodass sich die Sekundärspannungen der Sekundärwicklungen addieren. Je nach Spannungsbedarf können auch drei oder mehr Transformatoren im erfindungsgemäßen Wandler in entsprechender Weise angeordnet werden, wobei sich die Sekundärspannungen sämtlich addieren. Bevorzugt ist die erste Schaltungsbaugruppe, insbesondere auch die zweite
Schaltungsbaugruppe in eine Schaltungsanordnung zur Vorladung einer Zwischenkreis-Kapazität eines Hochvolt-Bordnetzes integriert. Die
Schaltungsanordnung kann für die Verwendung in einem elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittel vorgesehen und ausgestaltet sein. Sie umfasst einen Linearregler, welcher eingerichtet ist, eine Bordnetzspannung einer üblichen
(niedrigen) Höhe auf eine noch niedrigere Spannung herabzusetzen.
Beispielsweise kann eine 12-Volt-Gleichspannung auf eine 7-Volt- Gleichspannung herabgesetzt werden. Ein Wandler ist eingerichtet, die elektrische Energie der niedrigeren Spannung auf eine erhöhte Spannung zu wandeln und die erste und die zweite oben vorgestellte Schaltungsbaugruppe zu versorgen, welche galvanisch mit dem Hochvolt-MOSFET verbunden sind. Der Wandler kann einen Transformator oder mehrere Transformatoren, zumindest jedoch mehrere Sekundärwicklungen, umfassen. So kann der Wandler eine effiziente Spannungssteigerung bewirken. Die erste Schaltungsbaugruppe und die zweite Schaltungsbaugruppe können Bestandteil einer Treiberstufe sein, welche sekundärseitig mit dem Wandler elektrisch verbunden ist. Die
Treiberstufe ist eingerichtet, den Hochvolt-MOSFET zur Schaltung (Ein- /Ausschalten) der Zwischenkreiskapazität anzusteuern. Der Hochvolt-MOSFET ist seinerseits eingerichtet, die Zwischenkreis-Kapazität nach dem Schließen eines masseseitigen Schützes vorzuladen (z. B. auf ca. 99 %). Der Linearregler stellt eine niedrigere Spannung zur Verfügung, welche auch bei einem gestörten Bordnetz stabil bleibt und speist damit den Wandler, welcher wiederum durch ein Pulsweiten-moduliertes (PWM)-Signal gesteuert wird. Auf diese Weise wird eine effiziente Topologie zum Laden einer Zwischenkreiskapazitat vorgeschlagen, welche mit wenig äußeren elektrischen Anschlüssen auskommt. Überdies werden die Verluste und der Verschleiß im Hochvolt-MOSFET gering gehalten.
Mit der Schaltungsanordnung der vorliegenden Erfindung kann eine
Energieübertragung durch einen Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung bereitgestellt werden. Hierzu wird bevorzugt ein Eintaktflusswandler vorgesehen, dessen Spule im Sekundärkreis durch einen Widerstand im
Primärkreis ersetzt wurde. Auf diese Weise können Kosten eingespart werden.
Die parallele Verschaltung zweier Transformatoren im Primärkreis und die serielle Verschaltung der Transformatoren im Sekundärkreis führen zu einer verdoppelten Spannung im Sekundärkreis und zu einer Stückzahlerhöhung des Transformators im Gesamtsystem, welcher noch in anderen Modulen verwendet werden kann. Im Sekundärkreis erfolgt die Energiespeicherung durch
Kondensatoren. Dies ermöglicht ein sehr schnelles Zuschalten des Hochvolt- MOSFETs, da die Energie zum Schalten desselben in Kondensatoren gespeichert wird und dem bevorzugt aus Transistoren aufgebauten Regelkreis für schnelle Schaltvorgänge qualifiziert. Nach Abschalten des Vorladestroms wird der Hochvolt-MOSFET mit sehr kurzer Verzögerung abgeschaltet, sodass schnell der sichere Zustand erreicht wird.
Während im Stand der Technik ein Vorlade-Relais in Verbindung mit einem Vorladewiderstand zur Vorladung der Zwischenkreiskapazität verwendet werden, kann das Vorlade-Relais durch Verwendung der vorliegenden Erfindung entfallen. Dies spart Kosten, Bauraum und Masse.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist: ein stark vereinfachtes Strukturdiagramm veranschaulichend den prinzipiellen Signalfluss durch eine Schaltungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Figur 2 eine schaltungstechnische Übersicht über ein
Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Figur 3 einen generischen Aufbau eines erfindungsgemäß
verwendbaren Gleichspannungswandlers;
Figur 4 einen generischen Aufbau einer ersten Schaltungsbaugruppe zum Schalten des Hochvolt-MOSFETs gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Figur 5 einen generischen Aufbau einer zweiten Schaltungsbaugruppe zum Abschalten des Hochvolt-MOSFETs gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Figur 6 einen Schaltplan einer Schaltungsanordnung gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei Bauelemente entsprechend den vorstehend diskutierten Ausführungsbeispielen gruppiert dargestellt sind.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine stark vereinfachte Abstraktion eines erfindungsgemäßen Aufbaus, bei welchem die Schaltungsanordnung 1 als "Blackbox" zur
Ansteuerung eines HV-MOSFETs 7 verwendet wird. Lediglich ein einziges Eingangssignal speist die Schaltungsanordnung 1 . Lediglich ein einziges Ausgangssignal wird von der Schaltungsanordnung 1 an den HV-MOSFET 7 ausgegeben. Entsprechend kontrolliert nur ein Ansteuersignal die
Energieübertragung an den HV-MOSFET 7. Dasselbe Ansteuersignal aktiviert und deaktiviert den HV-MOSFET 7. Die Schaltungsanordnung 1 sorgt für eine galvanische Isolierung der Ansteuerung gegenüber den Leistungsbauelementen. Das Zuschalten kann innerhalb von hunderten Nanosekunden, das Abschalten innerhalb von Mikrosekunden erfolgen, wodurch Schaltverluste und exzessive Temperaturen stark verringert werden.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung 1 , welche über eine Versorgungsspannung 24 (12-Volt- Bordnetz) gespeist und von einem MikroController 16 angesteuert wird. Die mit einer durchgezogenen Linie umrahmten Elemente Linearregler 4, Wandler 5, Treiberstufe 6, Ansteuersignal 13 und -MOSFET 17 stellen die funktionalen Einheiten der Schaltungsanordnung 1 dar. Der -MOSFET 17 ist mit der elektrischen Masse 18 verbunden. Die Treiberstufe 6 ist mit dem Gate eines
Hochvolt-MOSFETs 7 verbunden, dessen Drain-Anschluss über eine HV-Batterie 19 gespeist wird. Der Gate-Anschluss des HV-MOSFETs 7 ist mit der
anspruchsgemäßen Ausgangsklemme verbunden. Der Source-Anschluss ist mit einer Reihenschaltung aus einer Diode 8, einem ohmschen Widerstand 10 (Strombegrenzungswiderstand) und der Zwischenkreiskapazität 2 mit dem
Minuspol der HV-Batterie 19 verbunden. Das Hochvolt-Bordnetz 3 ist durch eine gestrichelte Linie gegenüber der Schaltungsanordnung 1 abgegrenzt.
Figur 3 zeigt einen generischen Aufbau eines Gleichspannungswandlers, wie er in der Schaltungsanordnung 1 gemäß Figur 1 oder 2 verwendet werden kann.
Die Spannungsversorgung 4 speist den Wandler 5, mittels dessen die
herabgesetzte Bordnetzspannung galvanisch getrennt auf die zusätzliche Kapazität C1 übertragen werden kann. Eine Diode 22 verhindert ein Entladen der Kapazität C1 über die sekundäre Seite des Wandlers 5. Die Ansteuerung des Wandlers 5 erfolgt über einen ohmschen Widerstand R1 und einen MOSFET 17, wobei der MOSFET 17 über ein PWM-Signal 13 von 500 kHz und einem
Tastverhältnis von 20 % angesteuert wird. Primärseitig ist der Wandler 5 zudem mit der Endmagnetisierung 15 verbunden. Während also der MOSFET 17 durch PWM-Signal 13 angesteuert wird (ca. 20% der Betriebsdauer), fließt der Strom über den Wandler 5 und wird durch R1 begrenzt. In dieser Zeit wird - wie beim
Eintaktflusswandler - die Kapazität C1 geladen. In der restlichen Zeit (ca. 80% der Betriebsdauer) wird der Kern entmagnetisiert. Auf der Sekundärseite sperrt die Diode um ein Entladen von C1 zu verhindern. Figur 4 zeigt einen generischen Aufbau einer ersten Schaltungsbaugruppe 1 1 zur
Beschleunigung des Zuschaltverhaltens des HV-MOSFETs. Der HV-MOSFET ist ausgangsseitig mit dem spannungsgeschalteten Schalter T3 verknüpft
(vorliegend jedoch nicht dargestellt). Eingangsseitig sind ein
Spannungsschwellwertgeber D1 mit einem Strombegrenzer sowie ein erster stromgeschalteter Schalter T1 und ein ohmscher Widerstand R1 mit der ersten
Eingangsklemme verknüpft. Hier ist auch ein erster Anschluss des
spannungsgeschalteten Schalters T3 angeschlossen. Zweite Anschlüsse des Spannungsschwellwertgebers D1 sowie des ersten stromgeschalteten Schalters T1 an einen Steuereingang des zweiten stromgeschalteten Schalters T2 angeschlossen. Dessen Ausgang ist mit einem zweiten Anschluss des ohmschen Widerstandes R1 sowie mit einem Steueranschluss des spannungsgeschalteten Schalters T3 verbunden. Die Ansteuerung des ersten stromgeschalteten
Schalters T1 erfolgt über die Ausgangsklemme der dargestellten ersten
Schaltungsbaugruppe. Um die (vorliegend nicht dargestellte) Kapazität, welche den Energiespeicher zur Beschleunigung des Schaltvorgangs darstellt, im Bedarfsfall rasch zu entladen und damit den HV-MOSFET mit kurzer
Verzögerung abzuschalten, wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel einer zweiten Schaltungsbaugruppe dargestellt.
Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer zweiten Schaltungsbaugruppe 12, welche in einer Treiberstufe 6 eines Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Anordnung für ein Abschalten des HV-MOSFETs mit kurzer
Verzögerung sorgen kann. Eingangsseitig sorgt ein kleiner Energiespeicher mit passiver Entladung 21 für eine Ansteuerung eines ersten Schalters T4. Ein erster Anschluss des ersten Schalters T4 ist mit einem zweiten Anschluss eines dritten ohmschen Widerstandes R4 sowie mit einem Steueranschluss des zweiten Schalters T5 elektrisch verbunden. Jeweils ein erster Anschluss des dritten ohmschen Widerstandes R4 und eines zweiten ohmschen Widerstandes R2 sind mit einer zweiten Ausgangsklemme verbunden. Ein zweiter Anschluss des zweiten ohmschen Widerstandes R2 und ein erster Anschluss des zweiten Schalters T5 sind elektrisch miteinander verbunden. Auf diese Weise kann der ohmsche Widerstand R2 bei geschlossenen Schaltern T4, T5 die Kapazität C1 rasch entladen und somit zu einer Beschleunigung des Abschaltverhaltens des (nicht dargestellten) Hochvolt-MOSFETs führen, welcher an eine jenseits der Kapazität C1 angeordnete Schaltungsbaugruppe (siehe Figur 4) zur
Beschleunigung des Zuschaltverhaltens angeschlossen ist.
Figur 6 zeigt eine schaltungstechnische Möglichkeit zur Realisierung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 , in welcher sämtliche in den vorstehend diskutierten Figuren enthaltene Baugruppen dargestellt und mit beispielhaften Inhalten zur schaltungstechnischen Realisierung dargestellt sind. Die Bauteile selbst sind dem Fachmann bekannt, weshalb auf eine detaillierte
Erläuterung verzichtet werden kann. Die Schaltungsanordnung 1 dient der Aktivierung eines Vorladeprozesses einer (nicht dargestellten) Zwischenkreiskapazität, welche ausgangsseitig an den HV-MOSFET 7 und die Diode 8 angeschlossen werden kann. Dieses Verfahren wird nach dem
Schließen des negativen Haupt-Relais jedoch vor dem Schließen des positiven Haupt-Relais ausgeführt. Der Ladestrom, der durch den HV-MOSFET 7 geschaltet wird, wird durch einen (ebenfalls nicht dargestellten) ohmschen
Reihenwiderstand begrenzt. Die Anstiegszeit der Gate-Source-Spannung des HV-MOSFETs 7 muss auf unter 600Nanosekunden begrenzt werden, um die auftretenden Schaltverluste hinreichend zu begrenzen. Die Gate-Source- Spannung des HV-MOSFETs 7 wird durch den Konverter 14 gesteuert. Zudem sorgt der Konverter 14 mit dem Wandler 5 für eine galvanische Isolation zwischen der Niedervolt- und der Hochvolt-Seite. Der Linearregler 4 ist eingerichtet, eine stabilisierte Ausgabespannung zu erzeugen, welche die Leistungsversorgung für die dargestellte Schaltungsanordnung 1 bereitstellt. Der Konverter 14 wird durch ein PWM-Signal PRCHRG_CTRL angesteuert. Die Eingabesignalquelle 13 stellt die Ansteuerung des Schalters 17 dar. Wenn das
Signal ABE_HTO_LEVEL 2 der Eingabesignalquelle 13 eine hohe Spannung (High-Pegel) aufweist, aktiviert bzw. deaktiviert das PWM-Signal den Schalter 17. Wenn der Schalter 17 geschlossen wird, fließt ein Strom durch die parallel zueinander angeordneten Transformatoren (Primärseite). Dieser Strom wird durch die im Beispiel parallel zueinander (wobei auch ein einzelner
Leistungswiderstand verwendet werden könnte) angeordneten ohmschen Widerstände R8 begrenzt. Der magnetische Fluss durch den Wandler 5 erhöht sich mit dem Primärstrom, wodurch magnetische Energie im Wandler 5 gespeichert wird. Durch die serielle Verbindung der sekundärseitigen Spulen des Wandlers 5 ist die Spannung hier doppelt so hoch wie auf der Primärseite. Die
Energie des Wandlers 5 wird auf die Sekundärseite übertragen, im Ansprechen worauf ein Strom durch die Diodenpaare 22, 23 fließt. Wenn sich der Schalter 17 öffnet, wird der Strom und damit die im Wandler 5 verbliebene Energie durch die Endmagnetisierungsbaugruppe 15 und ihre Freilaufdioden getrieben. Dies resultiert in einer negativen Spannung auf der Sekundärseite. Ein
entsprechender Stromfluss auf der Sekundärseite wird jedoch durch die Dioden 22 und 23 blockiert.
Beim Einschalten des HV-MOSFETs 7 wird ein Strom vom Konverter 14 zur Verfügung gestellt, dessen Energie über den Wandler 5 die Kapazitäten C1 und
C3 lädt, wobei der ohmsche Widerstand R6 den Stromfluss in den Kondensator C3 begrenzt. Dies bewirkt, dass der erste Schalter T4 schließt (wobei der ohmsche Widerstand R4 den Strom begrenzt) und der zweite Schalter T5 öffnet. Die Kapazität C1 (mit Selbstentladung über den ohmschen Widerstand R7), welche den Hauptenergiespeicher der Treiberstufe 6 darstellt, wird mit jedem Schaltvorgang des PWM-Signals auf der Primärseite geladen. Sobald die Durchbruchspannung der Diode D1 erreicht ist, wird die Kapazität C2 des zweiten stromgeschalteten Schalters T2 geladen. Daraufhin schließt der zweite stromgeschaltete Schalter T2, woraufhin ein Strom durch den ohmschen
Widerstand R fließt und der spannungsgeschaltete Schalter T3 ebenfalls schließt. Hierauf folgt die Aktivierung des ersten stromgeschalteten Schalters T1 , wodurch die Basis-Emitterspannung am zweiten stromgeschalteten Schalter T2 sich stabilisiert. Dabei geht der zweite stromgeschaltete Schalter T2 in die Sättigung und dementsprechend auch der spannungsgeschaltete Schalter T3. Dies führt zu einem großen Strom aus der Kapazität C1 , welcher unverzüglich die Gate-Kapazität des HV-MOSFETs 7 lädt. Dies führt zu einem raschen Einschalten des HV-MOSFETs.
Beim Abschalten wird die Kapazität C1 langsam durch den ohmschen
Widerstand R7 entladen. Die Kapazität C2 wird langsam durch den ohmschen Widerstand R5 entladen. Die Kapazität C3 wird durch den ohmschen Widerstand R3 entladen, woraufhin der erste Schalter T4 öffnet. Dies führt zu einem hohen
Potential an der Basis des zweiten Schalters T5. Sobald der zweite Schalter T5 schließt, wird die Kapazität C1 durch die parallelen niederohmigen (könnte auch ein einzelner Leistungswiderstand sein) Widerstände R2 entladen. Die Basis- Emitterspannung am zweiten stromgeschalteten Schalter T2 fällt ab, woraufhin der erste stromgeschaltete Schalter T1 , der zweite stromgeschaltete Schalter T2 und der spannungsgeschaltete Schalter T3 öffnen. Daraufhin öffnet der HV- MOSFET 7 und es fließt kein weiterer Vorladestrom in die
Zwischenkreiskapazität.

Claims

Ansprüche
1 . Schaltungsanordnung zum Schalten eines Hochvolt-MOSFETs (7) zur
Vorladung einer Zwischenkreis-Kapazität (2) eines Hochvolt-Bordnetzes (3) mit einer ersten Schaltungsbaugruppe, wobei die erste
Schaltungsbaugruppe umfasst:
eine erste Eingangsklemme,
eine zweite Eingangsklemme,
einen ersten stromgeschalteten Schalter (T1 ),
einen zweiten stromgeschalteten Schalter (T2),
- einen spannungsgeschalteten Schalter (T3),
einen Spannungsschwellwertgeber (D1 ) mit Strombegrenzer, und einen ohmschen Widerstand (R1 ), und
eine Ausgangsklemme, wobei
jeweils ein erster Anschluss des
- ersten stromgeschalteten Schalters (T1 ),
- spannungsgeschalteten Schalters (T3),
- Spannungsschwellwertgebers (D1 ) mit Strombegrenzer, und
- des ohmschen Widerstandes (R1 )
an die ersten Eingangsklemme angeschlossen ist,
- jeweils ein zweiter Anschluss
- des ersten stromgeschalteten Schalters (T1 ), und
- des Spannungsschwellwertgebers (D1 ) mit Strombegrenzer,
an einen Steuereingang des zweiten stromgeschalteten Schalters (T2) angeschlossen ist,
- ein erster Anschluss des zweiten stromgeschalteten Schalters (T2) und ein zweiter Anschluss des ohmschen Widerstandes (R1 ) mit einem
Steuereingang des spannungsgeschalteten Schalters (T3) verbunden sind, ein zweiter Anschluss des zweiten stromgeschalteten Schalters (T2) mit einer elektrischen Masse verbunden ist,
- ein zweiter Anschluss des spannungsgeschalteten Schalters (T3) einerseits mit der Ausgangsklemme und andererseits mit einem Steuereingang des ersten stromgeschalteten Schalters (T1 ) verbunden sind.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , wobei die Ausgangsklemme mit einem Gate des Hochvolt-MOSFETs verbunden ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen der ersten Eingangsklemme und der zweiten Eingangsklemme weiter eine Kapazität (C1 ) und/oder ein zweiter ohmscher Widerstand (R7) angeschlossen sind.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend eine zweite Schaltungsbaugruppe (12) wobei die zweite Schaltungsbaugruppe umfasst:
eine dritte Eingangsklemme,
einen ersten Energiespeicher (C3) mit passiver Entladung (R3), einen ersten Schalter (T4),
einen zweiten Schalter (T5),
eine zweite Ausgangsklemme,
eine dritte und eine vierte Ausgangsklemme,
einen zweiten ohmschen Widerstand (R2) und
einen dritten ohmschen Widerstand (R4), wobei
der ersten Energiespeicher (C3) mit einem ersten Anschluss an der dritten
Eingangsklemme angeschlossen und eingerichtet ist, einen Steuereingang des ersten Schalters (T4) mit Energie zu versorgen,
ein erster Anschluss des ersten Schalters (T4) und ein zweiter Anschluss des dritten ohmschen Widerstandes (R4) mit einem Steueranschluss des zweiten Schalters (T5) verbunden sind,
jeweils ein erster Anschluss
- des zweiten ohmschen Widerstandes (R2) und
- des dritten ohmschen Widerstandes (R4) mit der zweiten
Ausgangsklemme verbunden sind,
ein zweiter Anschluss des zweiten ohmschen Widerstandes (R2) und ein erster Anschluss des zweiten Schalters (T5) miteinander verbunden sind, jeweils ein zweiter Anschluss
- des ersten Schalters (T4) und
- des zweiten Schalters (T5) mit der vierten Ausgangsklemme verbunden sind,
die dritte Ausgangsklemme mit der ersten Eingangsklemme und die vierte Ausgangsklemme mit der zweiten Eingangsklemme verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend
einen Linearregler (4),
einen Wandler (5), und
einen Hochvolt-MOSFET (7), wobei
der Linearregler (4) eingerichtet ist, eine 12V-Batteriespannung auf eine niedrigere Spannung herabzusetzen, und
der Wandler (5) eingerichtet ist, elektrische Energie der niedrigeren Spannung zum Ansteuern der Treiberstufe (6) in eine erhöhte Spannung zu wandeln und eine galvanische Trennung vorzunehmen.
Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend
eine Diode (8), welche zwischen einem Source-Anschluss des Hochvolt- MOSFETs (7) und einem Minuspol einer HV-Batterie, welche zum Laden der Zwischenkreis-Kapazität (2) vorgesehen ist, in Flussrichtung zum Minuspol gerichtet angeordnet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, wobei die Diode (8) in Reihe mit der Zwischenkreis-Kapazität (2) angeordnet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, weiter umfassend einen ohmschen Widerstand (10) in Reihe zur Diode (8).
Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend
ein negatives Schütz und
ein positives Schütz, wobei der Wandler (5) weiter eingerichtet ist, den Hochvolt-MOSFET (7) nach einem Schließen des negativen Schützes und vor einem Schließen des positiven Schützes zum Schließen des Hochvolt- MOSFETs (7) zu schließen.
10. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wandler (5) zwei primärseitig parallel und sekundärseitig in Reihe geschaltete Transformatoren aufweist.
1 1 . Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schaltungsanordnung (1 ) eingerichtet ist, den Wandler mittels eines PWM- Signals anzusteuern.
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