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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerschaltung zur Steuerung eines Entladevorgangs einer Gate-Kapazität eines Halbleiterschalters, beispielsweise eines als elektronische Sicherung zur Unterbrechung eines Stromkreises eingesetzten Halbleiterschalters, insbesondere in einem Hochvolt-Gleichspannungsnetz, speziell eines Bordnetzes eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung Schaltungsvorrichtung zur Unterbrechung eines Stromkreises, insb. eines Hochvolt-Gleichspannungsnetzes, speziell eines Bordnetzes eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, mit einer genannten Steuerschaltung. Zudem betrifft die Erfindung ein Hochvolt-Gleichspannungsnetz, speziell ein Bordnetz eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, mit einer genannten Schaltungsvorrichtung. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines genannten Hochvolt-Gleichspannungsnetzes. Zuletzt betrifft die Erfindung Computerprogrammprodukt zum Durchführen des genannten Verfahrens.
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Schnell schaltende Halbleiterschalter, die insbesondere als MOSFET ausgebildet sind oder einen oder mehrere MOSFETs aufweisen, werden auf verschiedenen Gebieten eingesetzt. Beispielsweise können sie als elektronische Sicherungen von Hochvolt-Stromkreisen eingesetzt werden und im Falle eines Defekts den Stromkreis schnell unterbrechen.
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Im Falle eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs versorgt die Fahrzeugbatterie über das Hochvolt-Gleichspannungsnetz nicht nur den Antriebsmotor, sondern auch verschiedene weitere Stromverbraucher, beispielsweise einen Klimakompressor und/oder eine Servolenkung des Fahrzeugs.
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Stromführende Leitungen können dabei bis zu mehreren Metern lang sein. Es besteht die Gefahr, dass ein Kurzschluss im Bereich eines der Verbraucher den Betrieb des gesamten Fahrzeugs behindert. Es ist daher bekannt, einen Halbleiterschalter, beispielsweise einen MOSFET, als elektronische Sicherung einzusetzen, um den Stromkreis im Falle eines Kurzschlusses oder eines anderen Problems schnell unterbrechen zu können. Soll die Versorgung in einem Hochvolt-Gleichspannungsnetz, das heißt in einem Netz mit Betriebsspannungen von beispielsweise einigen 100 V, schnell getrennt werden, so ist die Reaktionszeit der elektronischen Sicherung größtenteils durch die Ausschaltzeit des MOSFETs bestimmt.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit für ein beschleunigtes Ausschalten eines Halbleiterschalters, insbesondere eines MOSFETs, anzugeben. Ferner soll ein Verfahren zum Betreiben eines Hochvolt-Gleichspannungsnetzes mit einer derartigen elektrischen Schaltung angegeben werden.
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Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Steuerschaltung zur Steuerung eines Entladevorgangs einer Gate-Kapazität eines ersten Halbleiterschalters T6 angegeben, aufweisend zumindest eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Gate-Steuersignals, um den ersten Halbleiterschalter T6 in einen Sperrbetrieb zu schalten, sowie einen zweiten Halbleiterschalter T4, dessen Gate-Anschluss mit dem Gate-Steuersignal (insb. indirekt, das heißt, mit einem von diesem Gate-Steuersignal abgeleiteten Steuersignal) ansteuerbar ist und dessen Source-Anschluss an einem Bezugspotential der Steuerschaltung elektrisch angeschlossen ist und dessen Drain-Anschluss mit einem zweiten Anschluss eines Kondensators C3 verbunden ist, wobei hier und im Folgenden unter dem Begriff „verbunden“ „elektrisch verbunden“ verstanden wird. Die Steuerschaltung umfasst ferner einen dritten Halbleiterschalter T5, dessen Drain-Anschluss mit einem Gate-Anschluss des ersten Halbleiterschalters verbunden ist und dessen Source-Anschluss mit einem ersten Anschluss des Kondensators C3 verbunden ist.
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Dabei kann das gemeinsame Bezugspotential der Steuerschaltung bspw. das Massepotential der Steuerschaltung sein.
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Die Schaltung umfasst damit neben dem (zu steuernden) ersten Halbleiterschalter T6 einen zweiten Halbleiterschalter T4, der durch das Gate-Steuersignal ansteuerbar ist und durch das Gate-Steuersignal angesteuert in einen eingeschalteten Zustand schaltet. Ferner umfasst die Schaltung einen Kondensator C3, der einen negativen Entladepuls für einen dritten (nachgeschalteten) Halbleiterschalter T5 erzeugt, wenn der zweite Halbleiterschalter T4 einschaltet, so dass der dritte Halbleiterschalter T5 ebenfalls einschaltet und damit das Gate des ersten Halbleiterschalters T6 ansteuert und den Entladevorgang der Gatekapazität dieses ersten Halbleiterschalters T6 einleitet.
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Die Erfindung ermöglicht es, eine Verzögerungszeit beim Ausschalten des ersten Halbleiterschalters T6 wesentlich zu reduzieren, beispielsweise von etwa 180 ns auf etwa 75 ns. Dies wird dadurch erreicht, dass mittels der elektrischen Schaltung verschiedene Vorgänge beim Abschalten des Halbleiterschalters voneinander entkoppelt bzw. getrennt voneinander behandelt werden, insbesondere die Entladung der Gate-Kapazitäten zur Verringerung der Verzögerungszeit sowie die Ladung der Drain-Gate-Kapazität zur Steuerung der Drain-Source-Spannungsflanke. Bislang war eine rasche Entladung der Gate-Kapazitäten fest mit der Anstiegsgeschwindigkeit der Drain-Source-Spannung des Halbleiterschalters verknüpft, die nicht zu hoch werden durfte und damit bereits eine gewisse Ausschaltverzögerung vorgab.
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Die erfindungsgemäße Steuerschaltung jedoch ermöglicht es, die Verzögerungszeit und die Steilheit der Spannungsflanke weitgehend unabhängig voneinander zu optimieren.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Steuerschaltung ferner einen dem Gateanschluss des ersten Halbleiterschalters (und insb. parallel zum dritten Halbleiterschalter) vorgeschalteten Gatewiderstand Rg auf. Dabei ist der Gatewiderstand Rg zwischen dem Drainanschluss des zweiten Halbleiterschalters T4 bzw. dem zweiten Anschluss des Kondensators C3 einerseits und dem Gateanschluss des ersten Halbleiterschalters T6 bzw. dem Drainanschluss des dritten Halbleiterschalters T5 anderseits elektrisch angeschlossen.
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Über den Gatewiderstand Rg können die Gate-Kapazitäten des ersten Halbleiterschalters weiter entladen werden, wenn der dritte Halbleiterschalter abgeschaltet und das Gate des ersten Halbleiterschalters von dem ersten Anschluss des Kondensators getrennt hat. Dies tritt ein, wenn die Gate-Kapazitäten des ersten Halbleiterschalters und gleichzeitig auch der Kondensator so weit entladen sind, dass die Spannung am ersten Anschluss des Kondensators so weit angestiegen ist, dass die Schaltschwelle des dritten Halbleiterschalters erreicht wird. Dieser schaltet dann ab und trennt das Gate des ersten Halbleiterschalters von dem ersten Anschluss des Kondensators, so dass über diesen Pfad kein Strom mehr fließt. Stattdessen übernimmt ab diesem Zeitpunkt der Gatewiderstand Rg die Entladung der Gate-Kapazitäten.
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Wenn der Gatewiderstand Rg verhältnismäßig hochohmig gewählt wird, beispielsweise der Gatewiderstand von Rg mindestens 20 Ohm, beispielsweise etwa 30 Ohm, beträgt, so kann die Anstiegsgeschwindigkeit der Drain-Source-Spannung des ersten Halbleiterschalters derart kontrolliert werden, dass sie unterhalb von Werten bleibt, bei denen der erste Halbleiterschalter zerstört werden könnte.
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Um die Entladung über den Gatewiderstand Rg noch besser kontrollieren zu können, ist gemäß einer Ausführungsform der Gatewiderstand Rg als ein variabler, über eine Steuer-/Regelungsschaltung ansteuerbarer Widerstand ausgeführt. In diesem Fall kann eine Steuerung/Regelung vorgesehen sein, den Gatewiderstand Rg derart steuert bzw. regelt, dass die Entladung der Gate-Kapazität möglichst schnell erfolgt, wobei gleichzeitig die Anstiegsgeschwindigkeit der Drain-Source-Spannung des ersten Halbleiterschalters in einem Bereich bleibt, der eine Zerstörung des Halbleiterschalters ausschließt.
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Dazu kann der Gatewiderstand Rg beispielsweise einen linear betreibbaren Halbleiterschalter aufweisen, der als spannungsgesteuerter Widerstand, wenn auch mit nichtlinearer Kennlinie, fungiert.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Steuerschaltung ferner einen weiteren Widerstand auf, der zwischen dem ersten Anschluss des Kondensators bzw. dem Sourceanschluss des dritten Halbleiterschalters einerseits und an dem Bezugspotential der Steuerschaltung andererseits elektrisch angeschlossen ist. Dieser weitere Widerstand dient als Lade-/Entladewiderstand des Kondensators. Über diesen Widerstand wird der Kondensator beim Ausschalten des ersten Halbleiterschalters zunächst geladen.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Steuerschaltung ferner einen Stromspiegel zur Bereitstellung eines verstärkten Signals aus dem Gate-Steuersignal auf, der zwischen der Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Gate-Steuersignals und dem Gateanschluss des zweiten Halbleiterschalters elektrisch angeschlossen ist bzw. signaleingangsseitig an dem Signalausgang der Schaltungsanordnung und signalausgangsseitig an dem Gateanschluss des zweiten Halbleiterschalters elektrisch angeschlossen ist. Beispielsweise kann der Stromspiegel bewirken, dass das Gate-Steuersignal, das als Logiksignal beim Ausschaltvorgang von 0 V auf beispielsweise 5 V springt und die Entladung der Gate-Kapazität einleitet, in einen Stromfluss aus einer 15 V-Versorgungsspannung umgewandelt und somit verstärkt wird.
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Der erste, der zweite und/oder der dritte Halbleiterschalter können insbesondere als MOSFETs („Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren“) ausgebildet sein.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Schaltungsvorrichtung zur Unterbrechung eines Stromkreises, insb. eines Hochvolt-Gleichspannungsnetzes mit zwei oder mehreren Netzzweigen, speziell eines Bordnetzes eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit zwei oder mehreren Bordnetzzweigen, angegeben.
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Die Schaltungsvorrichtung weist zumindest einen ersten Halbleiterschalter T6 zur Unterbrechung des Stromkreises, insb. zwischen zwei Netzzweigen des Hochvolt-Gleichspannungsnetzes bzw. zwischen zwei Bordnetzzweigen des Fahrzeug-Bordnetzes, sowie die zuvor beschriebene Steuerschaltung zur Steuerung des Entladevorgangs der Gate-Kapazität des ersten Halbleiterschalters.
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Die Schaltungsvorrichtung kann insbesondere Teil eines Hochvolt-Gleichspannungsnetzes sein, insbesondere eines Bordnetzes eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Hochvolt-Gleichspannungsnetz, insb. ein Bordnetz eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Das Netz weist mindestens zwei Netzzweige (bzw. Bordnetzzweige) und mindestens einen Stromkreis auf, der die zwei Netzzweige miteinander elektrisch verbindet. Das Netz weist ferner mindestens eine zuvor genannte Schaltungsvorrichtung auf, deren erster Halbleiterschalter T6 bzw. dessen Laststromstrecke in dem Stromkreis elektrisch angeschlossen ist. Die Schaltungsvorrichtung ist eingerichtet, durch gesteuertes Einschalten des ersten Halbleiterschalters einen Stromfluss durch den Stromkreis und somit zwischen den zwei Netzzweigen herzustellen und durch gesteuertes Ausschalten des ersten Halbleiterschalters den Stromfluss durch den Stromkreis zu unterbrechen.
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Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines zuvor beschriebenen Hochvolt-Gleichspannungsnetzes, insb. eines Bordnetzes eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, angegeben, das die zuvor genannte Schaltungsvorrichtung aufweist. Gemäß dem Verfahren wird der Stromkreis des Hochvolt-Gleichspannungsnetzes im Falle kritischer Betriebszustände, beispielsweise eines Kurzschlusses, im Hochvolt-Gleichspannungsnetz mittels des zumindest einen ersten Halbleiterschalters der Schaltungsvorrichtung bzw. durch ein gesteuertes Ausschalten des ersten Halbleiterschalters unterbrochen. Ferner wird durch Erzeugen eines Gate-Steuersignals zur Ansteuerung des zweiten Halbleiterschalters T4, ein Entladevorgang der Gate-Kapazität des ersten Halbleiterschalters T6 eingeleitet und gesteuert.
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Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der dritte Halbleiterschalter T5 bei Erreichen eines Schwellenwertes durch die Spannung (bzw. das Spannungspotenzial in Bezug auf das Bezugspotential der Steuerschaltung oder auf das Massepotential) am ersten Anschluss des Kondensators C3 abgeschaltet wird und die Gate-Kapazität des ersten Halbleiterschalters im Folgenden geregelt über den Widerstand Rg weiter entladen wird.
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Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt angegeben, aufweisend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das zuvor beschriebene Verfahren durchzuführen. Bei dem Computer kann es sich insbesondere um ein Steuergerät eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs handeln.
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Mit anderen Worten: Es wird ein Computerprogrammprodukt angegeben, das Befehle aufweist bzw. erstellt, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer oder eine vergleichbare Vorrichtung diesen bzw. diese veranlassen, das zuvor beschriebene Verfahren mithilfe der zuvor beschriebenen Schaltungsvorrichtung des zuvor beschriebenen Hochvolt-Gleichspannungsnetzes durchzuführen.
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Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielhaft beschrieben.
- 1 zeigt schematisch Elemente eines Bordnetzes eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, und
- 2 zeigt eine Steuerschaltung zur Steuerung eines Entladevorgangs einer Gate-Kapazität eines Halbleiterschalters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt schematisch Elemente eines Hochvolt-Gleichspannungsnetzes bzw. eines Hochvolt-Bordnetzes 1 eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, beispielsweise eines Hybridfahrzeugs oder eines rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugs. Das Bordnetz 1 umfasst zumindest einen elektrischen Antriebsmotor 2, der aus einer Fahrzeugbatterie 4 gespeist wird. Es können auch mehrere elektrische Antriebsmotoren vorgesehen sein.
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Neben dem zumindest einen elektrischen Antriebsmotor 2 können weitere elektrische Verbraucher 3 vorgesehen sein, von denen in 1 nur einer schematisch gezeigt ist, beispielsweise ein Klimakompressor des Fahrzeugs oder eine Servolenkung, die in 1 als Element des Bordnetzes 1 dargestellt werden, weil sie ebenfalls aus der Fahrzeugbatterie 4 gespeist werden.
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Das Bordnetz 1 umfasst ferner ein Sicherungssystem 5 mit Hauptschaltern 6 zum Trennen der Batterie 4 und eine Steuerschaltung 7 mit zumindest einem ersten Halbleiterschalter zum Trennen der weiteren elektrischen Verbraucher. Ferner umfasst das Bordnetz 1 einen als Inverter ausgebildeten Spannungswandler 8, der aus dem aus der Fahrzeugbatterie 4 gelieferten Gleichstrom einen Wechselstrom bzw. Drehstrom für den Antriebsmotor 2 zur Verfügung stellt. Darüber hinaus kann das Bordnetz 1 weitere Elemente umfassen, die in 1 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt sind.
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Das Sicherungssystem 5 des Bordnetzes 1 umfasst Leitungen 9 zur Versorgung des Antriebsmotors 2 sowie Leitungen 10 zur Versorgung weiterer elektrischer Verbraucher 3. Die Leitungen 9 und 10 sind Teil des Hochvolt-Gleichspannungsnetzes des Bordnetzes 1 und verbinden verschiedene Bordnetzzweige jeweils mit einigen der oben genannten unterschiedlichen Bordnetzkomponenten wie dem Antriebsmotor 2, der Fahrzeugbatterie 4, sowie der weiteren Verbraucher 3.
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Die Leitungen 10 zur Versorgung der elektrischen Verbraucher 3 können eine Länge von mehreren Metern aufweisen, unter anderem abhängig von der Art der zu versorgenden Verbraucher 3, die typischerweise an verschiedenen Positionen im Fahrzeug verteilt sind. Die Wahrscheinlichkeit eines Kurzschlusses in den Leitungen 10 ist somit deutlich größer als die Wahrscheinlichkeit eines Kurzschlusses in den Leitungen 9, die beispielsweise nur 0,5-1 m lang und zusätzlich besonders geschützt sind. Um im Falle eines Defekts in den Leitungen 10 oder an den Verbrauchern 3 einen Ausfall des gesamten Bordnetzes 1 und damit auch des Antriebsmotors 2 zu verhindern, ist in dem durch die Leitungen 10 gebildeten Stromkreis ein Sicherungselement in Form einer Schaltungsanordnung mit einer Steuerschaltung 7 und einem ersten Halbleiterschalter T6 vorgesehen, der bzw. dessen Laststromstrecke in einer der Leitung 10 elektrisch angeschlossen ist. Im normalen Betriebsfall ist der erste Halbleiterschalter T6 von der Schaltungsanordnung bzw. deren Steuerschaltung 7 gesteuert eingeschaltet und ermöglicht somit einen freien Stromfluss durch die Leitungen 10 und somit zwischen den Bordnetzzweigen des Bordnetzes 1, welche die Leitungen 10 miteinander elektrisch verbinden. Im Falle eines Defekts bzw. Kurzschlusses in den Leitungen 10 wird der erste Halbleiterschalter T6 von der Schaltungsanordnung bzw. deren Steuerschaltung 7 gesteuert ausgeschaltet und somit der Stromfluss durch die Leitungen 10 und somit zwischen den Bordnetzzweigen des Bordnetzes 1 wird unterbrochen.
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2 zeigt die Steuerschaltung 7 zur Unterbrechung eines Stromkreises gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die zumindest einen ersten Halbleiterschalter 11 bzw. T6 umfasst. 2 zeigt den ersten Halbleiterschalter 11, der in der gezeigten Ausführungsform durch einen oder zwei MOSFETs gebildet ist und einen Sourceanschluss 21, einen Drainanschluss 22 und einen Gateanschluss 20 aufweist. Er erlaubt eine schnelle Unterbrechung der Leitungen 10, falls kritische Spannungen oder Ströme auftreten.
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Eine derartige Steuerschaltung 7 kann für jeden einzelnen Verbraucher 3 vorgesehen sein oder alternativ für mehrere oder alle Verbraucher 3 gemeinsam.
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Im Falle eines Kurzschlusses oder Defekts ist es von großer Bedeutung, dass der Halbleiterschalter 11 schnell schaltet. Die Wirkungskette der durch den Halbleiterschalter 11 gebildeten elektronischen Sicherung besteht aus der Erfassung des Stromwertes, die beispielsweise 10 ns erfordern kann, dem Erfassen der Überstrombedingung, die weitere 20 ns erfordern kann, der Hardwarespeicherung der Fehlerbedingungen, die beispielsweise 10 ns erfordert, dem Umschalten des Steuersignals für den Halbleiterschalter 11, das beispielsweise 20 ns erfordern kann, sowie dem Ausschalten des Halbleiterschalters 11, das beispielsweise 180 ns erfordern kann. Somit ist ein wesentlicher Teil der gesamten Reaktionszeit der elektronischen Sicherung in der Ausschaltzeit des Halbleiterschalters 11 begründet. Mittels der Steuerschaltung 7 ist eine deutliche Reduktion, beispielsweise eine Halbierung, dieser Ausschaltzeit möglich.
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Die Verzögerungszeit beim Ausschalten des Halbleiterschalters 11 wird im Wesentlichen durch den Entladevorgang der Gate-Kapazitäten bestimmt, der mittels der Steuerschaltung 7 beschleunigt werden kann.
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Die Steuerschaltung 7 weist dazu mehrere Teile auf, deren Funktion weiter unten ausführlicher erläutert wird. Dazu gehören insbesondere eine Schaltungsanordnung 12 zur Erzeugung eines Gate-Steuersignals, wenn der erste Halbleiterschalter 11 in einen Sperrbetrieb schaltet.
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Ferner umfasst die Steuerschaltung 7 einen Stromspiegel 23 mit kapazitiver Stromüberhöhung, der die Halbleiterschalter T2, T3 sowie die Kapazitäten C1, C2 und gegebenenfalls weitere Elemente wie beispielweise die Widerstände R1, R2, R3, R4 umfasst.
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Ferner weist die Steuerschaltung 7 einen ebenfalls als MOSFET ausgebildeten zweiten Halbleiterschalter T4 auf, der einen Gateanschluss 13, einen Sourceanschluss 14 und einen Drainanschluss 16 aufweist.
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Ferner umfasst die Steuerschaltung 7 einen Kondensator C3 mit einem ersten Anschluss 15 und einen zweiten Anschluss 17 zum Erzeugen eines negativen Entladepulses. Der Gateanschluss 13 des zweiten Halbleiterschalters T4 ist mit dem mittels des Stromspiegels 23 verstärkten Gate-Steuersignal ansteuerbar. Der Sourceanschluss 14 des zweiten Halbleiterschalters T4 ist an einem gemeinsamen Bezugspotential der Steuerschaltung 7 elektrisch angeschlossen. Der Drainanschluss 16 des zweiten Halbleiterschalters T4 ist über Verbindungsknoten V2 und V4 mit dem zweiten Anschluss 17 des Kondensators C3 elektrisch verbunden. Das gemeinsame Bezugspotential der Steuerschaltung 7 kann dabei das Massepotential der Steuerschaltung 7 bzw. der Schaltungsvorrichtung sein.
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Die Steuerschaltung 7 umfasst ferner einen dritten Halbleiterschalter T5 mit einem Sourceanschluss 19, einem Drainanschluss 18 und einem Gateanschluss 24 zum Entkoppeln des negativen Ladepulses. Der Drainanschluss 18 des dritten Halbleiterschalters T5 ist über einen Verbindungsknoten V7 mit dem Gateanschluss 20 des ersten Halbleiterschalters 11 elektrisch verbunden und der Sourceanschluss 19 des dritten Halbleiterschalters T5 über einen weiteren Verbindungsknoten V5 mit dem ersten Anschluss 15 des Kondensators C3 elektrisch verbunden. Der Gateanschluss 24 des dritten Halbleiterschalters T5 ist an einem gemeinsamen Bezugspotential der Steuerschaltung 7 elektrisch angeschlossen, an dem auch der Sourceanschluss 21 des ersten Halbleiterschalters 11 elektrisch angeschlossen ist. Das gemeinsame Bezugspotential der Steuerschaltung 7 kann insb. das Massepotential der Steuerschaltung 7 sein.
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Ferner weist die Steuerschaltung 7 einen dem Gateanschluss 20 des ersten Halbleiterschalters 11 parallel zum dritten Halbleiterschalter T5 bzw. dessen Laststromstrecke vorgeschalteten Gate-Widerstand Rg zur Steuerung der Spannungsabschaltflanke auf, der somit zwischen den beiden Verbindungsknoten V4 und V7 elektrisch angeschlossen ist. Der Drainanschluss 18 des dritten Halbleiterschalters T5 ist über den Verbindungsknoten V7 mit dem Gate-Widerstand Rg und ferner über den Gate-Widerstand Rg mit dem zweiten Anschluss 17 des Kondensators C3 und dem Verbindungsknoten V2 elektrisch verbunden.
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Ferner ist der Drainanschluss 16 des zweiten Halbleiterschalters T4 mit dem Verbindungsknoten V2 verbunden, der über den Widerstand R5 an einer Strom-/Spannungsquelle 25 elektrisch angeschlossen ist. Die Verbindungsknoten V3, V6, V8, V10 und V11 liegen auf das gemeinsame Bezugspotential bzw. das Bezugspotential der Steuerschaltung 7. Der Verbindungsknoten V4 ist mit dem Verbindungsknoten V2 verbunden sowie mit dem Gatewiderstand Rg und dem zweiten Anschluss 17 des Kondensators C3, der Verbindungsknoten V5 mit dem ersten Anschluss 15 des Kondensators C3, mit dem Sourceanschluss 19 des dritten Halbleiterschalters T5 und dem Widerstand R6. Der Widerstand R6 ist zwischen die Verbindungsknoten V6 und V5 elektrisch angeschlossen.
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Der Verbindungsknoten V7 ist mit dem Gatewiderstand Rg und mit dem Drainanschluss 18 des dritten Halbleiterschalters T5 sowie mit dem Verbindungsknoten V9 elektrisch verbunden. Der Verbindungsknoten V8 ist mit dem Gateanschluss 24 des dritten Halbleiterschalters T5 elektrisch verbunden, der damit auf das gemeinsame Bezugspotential bzw. das Bezugspotential der Steuerschaltung 7 liegt. Der Verbindungsknoten V10 ist mit dem Sourceanschluss 21 des ersten Halbleiterschalters 11 verbunden, der damit ebenfalls auf das gemeinsame Bezugspotential bzw. das Bezugspotential der Steuerschaltung 7 liegt. Der Drainanschluss 22 des ersten Halbleiterschalters 11 ist mit dem Verbindungsknoten V12 verbunden, der wiederum mit dem Verbindungsknoten V13 verbunden ist. Ein Kondensator C4 ist zwischen den Verbindungsknoten V11 und V13 und somit parallel zum ersten Halbleiterschalter 11 elektrisch angeschlossen. Die Verbindungsknoten V11 und V13 entsprechen Spannungsabgriffen der Fahrzeugbatterie 4.
Im Falle eines Kurzschlusses oder anderen Defekts stellt die Schaltungsanordnung 12 ein Logiksignal bereit, das von 0 V auf 5 V springt und damit den Ausschaltvorgang des Halbleiterschalters 11 einleitet.
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Das Gate-Steuersignal lässt einen Strom von ca. 10 mA durch den Halbleiterschalter T2 des Stromspiegels 23 fließen, mit einer anfänglichen Überhöhung, bedingt durch den Ladevorgang des Kondensators C1. Der Stromspiegel T2, T3 wandelt dies in einen Stromfluss aus der 15 V-Strom-/Spannungsquelle 25 um. Die Widerstände R1 und R3 dienen dabei dem Toleranzausgleich der beiden Halbleiterschalter T2, T3. Zusätzlich wird der Strom aus dem Halbleiterschalter T3 durch den Kondensator C2 kurzfristig weiter angehoben, um die Gatekapazität des Halbleiterschalters T4 schnell aufzuladen. Der Stromspiegel 23 stellt somit am Verbindungsknoten V1 und dem mit ihm verbundenen Gateanschluss 13 des zweiten Halbleiterschalters T4 ein verstärktes Gate-Steuersignal zur Verfügung.
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Durch den Stromfluss aus T3 wird T4 eingeschaltet und seine Drainspannung fällt auf etwa 0 V. Das Potenzial des damit verbundenen zweiten Anschlusses 17 des Kondensators C3 fällt nun ebenfalls auf 0 V. Dadurch fällt das Potenzial des ersten Anschlusses 15 von C3 auf ca. -15 V. Das Potenzial des damit verbundenen dritten Halbleiterschalters T5 fällt ebenfalls auf ca. -15 V. Die Gate-Source-Spannung von T5 beträgt damit nun ca. 15 V, woraufhin T5 einschaltet.
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Dadurch wird der Gateanschluss 20 des ersten Halbleiterschalters 11 mit dem ersten Anschluss 15 von C3 verbunden und die Gatespannung fällt von 15 V auf ca. -15 V. Die Gate-Kapazitäten des ersten Halbleiterschalters 11 werden nun entladen, wobei gleichzeitig auch C3 entladen wird. Solange T4 ausgeschaltet ist, wird C3 über R5 und R6 nachgeladen.
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Dieser Vorgang ist ein erster Teilschritt des Ausschaltvorgangs des ersten Halbleiterschalters 11, während der Kanal des MOSFETs noch gesättigt ist. Der zweite Teilschritt, nämlich das Ausschalten des Kanals, schließt sich im Folgenden an:
- Durch die Entladung der Gate-Kapazitäten steigt die Spannung am ersten Anschluss 15 von C3 an. Dies verringert gleichzeitig die Gate-Drain-Spannung des dritten Halbleiterschalters T5. Sobald dessen Schaltschwelle erreicht ist, schaltet T5 wiederum ab und trennt den Gateanschluss 20 des ersten Halbleiterschalters 11 von dem ersten Anschluss 15 des Kondensators C3, sodass kein Strom mehr fließt.
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Ab diesem Zeitpunkt übernimmt der Widerstand Rg die Steuerung des Gatesignals, d.h. die Entladung der Gatekapazität des ersten Halbleiterschalters 11, und kontrolliert damit den zweiten Teilschritt des Entladevorgangs. Der erste Halbleiterschalter 11 arbeitet im Linearbetrieb und die Drain-Source-Spannung liegt im Bereich des Miller-Plateaus. Der erste Halbleiterschalter 11 arbeitet als Integrator.
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Rg ist hochohmig gewählt und beträgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel 30 Ohm. Somit kann Rg die Anstiegsgeschwindigkeit der Drain-Source-Spannung des ersten Halbleiterschalters 11 kontrollieren und auf einen Wert begrenzen, bei dem der erste Halbleiterschalter 11 keinen Schaden nimmt. Der parallel zum ersten Halbleiterschalter 11 geschaltete Kondensator C4 unterstützt und linearisiert dabei den Spannungsverlauf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bordnetz
- 2
- Antriebsmotor
- 3
- Verbraucher
- 4
- Fahrzeugbatterie
- 5
- Sicherungssystem
- 6
- Hauptschalter
- 7
- Steuerschaltung
- 8
- Spannungswandler
- 9
- Leitung
- 10
- Leitung
- 11, T6
- erster Halbleiterschalter
- 12
- Einrichtung
- 13
- Gateanschluss
- 14
- Sourceanschluss
- 15
- erster Anschluss
- 16
- Drainanschluss
- 17
- zweiter Anschluss
- 18
- Drainanschluss
- 19
- Sourceanschluss
- 20
- Gateanschluss
- 21
- Sourceanschluss
- 22
- Drainanschluss
- 23
- Stromspiegel
- 24
- Gateanschluss
- 25
- Strom-/Spannungsquelle
- T1, T2, T3
- Halbleiterschalter des Stromspiegels
- T4
- zweiter Halbleiterschalter
- T5
- dritter Halbleiterschalter
- R1, R2, R3, R4, R5, R6
- Widerstand
- Rg
- Gatewiderstand
- C1, C2, C3, C4
- Kondensator