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1. WO2020114696 - DEVICE AND METHOD FOR DISCHARGING A DC LINK CAPACITOR

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Vorrichtung und Verfahren zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators gemäß den Hauptansprüchen.

Ein Zwischenkreiskondensator in einem leistungselektronischen Antriebsstrang sollte in einem vorliegenden Fehlerfall aus Sicherheitsgründen kontrolliert entladen werden können. Dazu wird nach beispielsweise eine permanent anliegende, passive Entla dung durch hochohmige Widerstände oder eine redundante, aktive Entladeschaltung eingesetzt. Die aktive Entladeschaltung kann beispielsweise mehrere Leistungswi derständen, welche die Energie des Zwischenkreiskondensators aufnehmen, und/oder einem Hochspannungshalbleiterschalter umfassen, welcher die Lastwider stände mit dem Zwischenkreiskondensator im Bedarfsfall zusammenschaltet. Diese Technologie kann beispielsweise für Systeme bis 400V genutzt werden.

Für 800V-Systeme besteht die Problematik, dass der Hochspannungshalbleiterschal ter und die Lastwiderstände signifikant größer werden, da der Zwischenkreiskonden sator bei gleicher Kapazität die vierfache Energie enthält.

Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Vorrich tung sowie ein verbessertes Verfahren zum Entladen eines Zwischenkreiskondensa tors gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Es wird eine Vorrichtung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators vorgestellt, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale umfasst:

- eine Entladungseinheit zum Entladen des Zwischenkreiskondensators, wobei die Entladungseinheit zwischen zwei Anschlussklemmen des Zwischenkreiskondensa tors schaltbar oder geschaltet ist, wobei eine Entladung des Zwischenkreiskondensa tors durch eine an einem Ansteuereingang der Entladungseinheit angelegte Ansteu erspannung steuerbar ist; und

- eine Ansteuereinheit, die zum Beaufschlagen des Ansteuereingangs der Entla dungseinheit mit der Ansteuerspannung ausgebildet ist, wobei die Ansteuereinheit ferner ausgebildet ist, um die Ansteuerspannung während eines Entladungsvorgangs oder zum Start eines Entladungsvorgangs des Zwischenkreiskondensators zu verän dern.

Unter einer Entladungseinheit kann beispielsweise eine Einheit oder ein Element verstanden werden, welches einen Stromfluss, ansprechend auf ein Ansteuersignal, ermöglicht, um den Zwischenkreiskondensator in einem Entladungsvorgang zu ent laden. Beispielsweise kann die Entladungseinheit ein Halbleiterbauelement, insbe sondere aus dem Bereich der Leistungselektronik sein. Unter einer Ansteuereinheit kann eine Einheit, insbesondere eine elektronische Einheit, verstanden werden, die die Ansteuerspannung entsprechend einer vorbestimmten Vorschrift oder Schal-tungstolpologie erzeugt. Die Ansteuerspannung kann beispielsweise numerisch oder schaltungstechnisch generiert werden. Beispielsweise kann als die Entladungseinheit eine Komponente oder ein Element eines Wechselrichters verwendet werden.

Der hier vorgeschlagene Ansatz basiert auf der Erkenntnis, dass eine Entladungs einheit, beispielsweise in Abhängigkeit von einer aktuellen Temperatur, ein unter schiedliches Durchschaltverhalten aufweisen kann, sodass durch die Beaufschla gung des Ansteuereingangs der Entladungseinheit mit einer veränderbaren Ansteu erspannung zuverlässig ein Arbeitspunkt der Entladungseinheit angesteuert wird, bei dem auch eine sichere Entladung des Zwischenkreiskondensators erreicht wird. Der hier vorgestellte Ansatz bietet den Vorteil, mit technisch einfachen und kostengünsti gen Mitteln den Zwischenkreiskondensator in unterschiedlichen Einsatzszenarien sicher entladen zu können, ansprechend auf das Ansteuersignal bzw. die Ansteuer spannung.

Der hier vorgestellte Ansatz bietet somit eine Lösung, wie die redundante, aktive Ent ladung gemäß einer Ausführungsform durch ein geeignetes Ansteuern von Halb leiterschaltern als Entladungseinheit beispielsweise als Teil des Wechselrichters rea lisiert werden kann. Entsprechende Lastwiderstände und ein dazugehöriger Hoch spannungslastwiderstand können dadurch eingespart werden. Der/die Leistungs halbleiter als Ausführungsform der Entladungseinheit wird/werden dazu beispielswei- se im Linearbereich betrieben und auf diese Weise ein definierter Widerstand und Entladestrom für die Entladung des Zwischenkreiskondensators eingestellt.

Gemäß einem Aspekt des hier vorgestellten Ansatzes wird somit ermöglicht, ein be sonders einfaches und funktionales Ansteuerverfahren für Leistungshalbleiter als Ausführugnsform einer Entladungseinheit zu realisieren, um eine aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators kontrolliert durchzuführen. Es wird daher gemäß einer Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes ein neuartiges Ansteuerver fahren der Entladungseinheit, beispielsweise in der Form eines Leistungshalbleiters, vorgeschlagen, um die Funktion einer redundanten, aktiven Entladung des Zwi schenkreiskondensators in die Ansteuerung integrieren zu können.

Gemäß einer besonders günstigen Ausführungsform kann die Ansteuereinheit aus gebildet sein, um die Ansteuerspannung von einem niedrigen Spannungspegel zu einem hohen Spannungspegel zu verändern. Auf diese Weise lässt sich vorteilhaft die Entladungseinheit derart anzusteuern, dass der Zwischenkreiskondensator mög lichst schnell und sicher über die Entladungseinheit entladen wird.

Auch kann gemäß einer weiteren Ausführungsform die Ansteuereinheit ausgebildet sein, um die Ansteuerspannung gleichmäßig, linear und/oder monoton, insbesondere streng monoton zu verändern. Auf diese Weise kann beispielsweise sichergestellt werden, dass die Entladungseinheit in einem optimalen Spannungsbereich der An steuerspannung hinreichend lange angesteuert wird, sodass der Zwischenkreiskon densator zuverlässig und schnell entladen werden kann. Zugleich lässt sich eine sol che Ansteuerspannung technisch einfach und effizient bereitstellen.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der die Ansteuereinheit ein RC-Glied aufweist, um einen Spannungspegel der Ansteuerspannung zu ermitteln. Eine solche Ausführungsform ist schaltungstech nisch sehr einfach realisierbar.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes kann die Ansteuereinheit ausgebildet sein, um bei einem oder für einen Beginn des Entla- dungsvorgangs einen Spannungssprung der Ansteuerspannung zu bewirken und/oder nach einem Ende des Entladungsvorgangs einen Spannungssprung der Ansteuerspannung zu bewirken. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, die Entladungseinheit derart anzusteuern, dass vor dem gewünschten Beginn des Entla dungsvorgangs keine versehentliche Entladung des Zwischenkreiskondensators er folgt und/oder nach der Beendigung des Entladungsvorgangs die Entladungseinheit wieder schnell in einen Zustand gebracht werden kann, in welchem der Zwischen kreiskondensator wieder aufgeladen werden kann.

In diesem Zusammenhang ist eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes besonders vorteilhaft, bei der die Ansteuereinheit ausgebildet ist, um bei einem Be ginn des Entladungsvorgangs die Ansteuerspannung auf einen Pegel von 0 Volt zu setzen, insbesondere ausgehend von einem minimalsten Wert, der vor einem Beginn des Entladungsvorgangs am Ansteuereingang der Entladungseinheit angelegen hat und/oder wobei die Ansteuereinheit ausgebildet ist, um nach einem Ende des Entla dungsvorgangs die Ansteuerspannung auf einen minimalen Wert zu setzen, insbe sondere ausgehend von einem maximalen Wert, der an einem Ende des Entla dungsvorgangs am Ansteuereingang der Entladungseinheit angelegen hat. Auf diese Weise kann die Entladungseinheit derart angesteuert werden, dass eine möglichst große Sicherheit der Entladung des Zwischenkreiskondensators zu gewünschten Entladungszeitpunkten bzw. Entladungszeitintervallen erfolgt, während zu den ande ren Zeitpunkten bzw. Zeitintervallen eine Entladung des Zwischenkreiskondensators möglichst zuverlässig vermieden werden kann.

Auch kann gemäß einer anderen Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansat zes die Entladungseinheit als ein Halbleiterschalter, insbesondere ein Leistungshalb leiterschalter ausgebildet sein. Auf diese Weise lässt sich eine sehr schnelle und ein fache Ansteuerung der Entladung des Zwischenkreiskondensators realisieren. Zu gleich kann dieser Halbleiterschalter beispielsweise Teil eines Wechselrichters des Zwischenkreises sein, sodass bereits zu verwendende Komponenten des Zwischen kreises für eine zusätzliche Funktionalität genutzt werden können und hierdurch zu sätzliche, separate Komponenten eingespart werden können, wodurch sich der hier vorgestellte Ansatz sehr kostengünstig implementieren lässt. Besonders günstig

kann auch der Halbleiterschalter in einem linearen (Kennlinien-) Bereich betrieben werden, wodurch die technischen Funktionen des Halbleiterschalters möglichst effi zient für den Entladungsvorgang des Zwischenkreises genutzt werden können, bei spielsweise zur Umwandlung der in den Zwischenkreiskondensator gespeicherten elektrischen Energie in thermische Energie.

Auch kann gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes die Entladungseinheit als ein Transistor, insbesondere ein MOSFET -Transistor, oder ein IGBT ausgebildet sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil einer be sonders schnellen und zuverlässigen Ansteuerungsmöglichkeit der Entladungsein heit bzw. der Entladung des Zwischenkreiskondensators, wobei beispielsweise wie der eine Komponente des Zwischen kreises für die weitere Funktion als Entladungs einheit verwendet werden kann, wodurch sich Herstellungskosten für die Implemen tierung des hier vorgestellten Ansatzes reduzieren lassen.

Auch kann in einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes die Ansteuereinheit ausgebildet sein, um die Ansteuerspannung in Abhängigkeit von ei ner Temperatur der Entladungseinheit oder einer Komponente der Entladungseinheit zu bestimmen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, einen optimalen Ar beitspunkt der Entladungseinheit möglichst schnell passenden Ansteuerspannung anzusteuern, sodass der Zwischenkreiskondensator möglichst schnell entladen wer den kann.

Besonders einfach und kostengünstig lässt sich der hier vorgeschlagene Ansatz im plementieren, wenn eine Schaltungstopologie verwendet wird, bei der die Ansteuer einheit zumindest zwei Widerstände aufweist, wobei einer der Widerstände mittels eines ersten Schalters mit dem anderen der Widerstände parallelschaltbar oder mit dem Ansteuereingang der Entladungseinheit gekoppelt oder koppelbar ist und/oder wobei die Ansteuereinheit eine Kapazität aufweist, die zwischen den Ansteuerein gang der Entladungseinheit und einen Anschluss des Zwischenkreiskondensators schaltbar oder geschaltet ist, insbesondere wobei die Kapazität einen zweiten Schal ter aufweist, um eine Parallelschaltung der Kapazität zwischen dem Ansteuereingang und dem Anschluss des Zwischenkreiskondensators zu bewirken. Eine solche Aus- führungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil, mit technisch einfa chen Mitteln die gewünschte Veränderung der Ansteuerspannung während des Ent ladungsvorgangs oder zum Einleiten des Entladungsvorgangs bereitstellen zu kön nen.

Besonders effizient lässt sich eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen An satzes in einem Zwischenkreis zur Übertragung einer elektrischen Energie aus einer Energiequelle an einen Aktor einsetzen, wobei der Zwischenkreis einen Zwischen kreiskondensator und eine mit dem Zwischenkreiskondensotor gekoppelte Vorrich tung gemäß einer hier vorgestellten Variante aufweist, insbesondere wobei die Vor richtung zumindest eine Komponente (mit-) nutzt, die ferner von einem mit dem Zwi schenkreiskondensator zusammengeschalteten Wechselrichter genutzt wird . Die von dem Wechselrichter genutzte Komponente kann heribei als die Entladungseinheit der Vorrichtung genutzt werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, den Zwischenkreiskondensator effizient, schnell und zuverlässig durch die Vorrichtung entladen zu können.

Von Vorteil ist ferner eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes als Verfahren zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators mittels einer Variante einer hier vorgestellten Vorrichtung, wobei das Verfahren den folgenden Schritt auf weist:

- Beaufschlagen des Ansteuereingangs der Entladungseinheit mit einer Ansteuer spannung, wobei das Beaufschlagen derart erfolgt, dass die Ansteuerspannung wäh rend oder für einen Beginn eines Entladungsvorgangs des Zwischenkreiskondensa tors verändert wird.

Auch durch eine solche Ausführungsform lassen sich die Vorteile des hier vorgestell ten Ansatzes schnell und effizient realisieren.

Günstig ist weiterhin eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes als Steu ergerät, das eingerichtet ist, um den Schritt einer Varianten eines hier vorgestellten Verfahrens in einer entsprechenden Einheit auszuführen und/oder anzusteuern.

Ein Steuergerät kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispiels weise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine oder mehrere geeignete Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Vorrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnitt stellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben an deren Softwaremodulen vorhanden sind.

Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf ei nem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplatten speicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchfüh rung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät ausgeführt wird.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, in welchem eine Vorrichtung zur Entladung eines Zwisdchenkreiskondensators gemäß einem Ausführungsbeispiel eingesetzt werden kann;

Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung des Aussteuerverhaltens eines Leistungshalb leiters als Entladungseinheit;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Verlaufs der Ansteuerspannung;

Fig. 4 ein Diagramm entsprechend dem Diagramm aus Figur 2, wobei nun jedoch erkennbar ist, dass durch die veränderliche Gate-Spannung ein optimaler Arbeits punkt bzw. eine optimale Gate-Spannung auf einer Kennlinie erreicht wird;

Fig. 5 eine mögliche Schaltungstopologie, die zur einfachen und kostengünstigen Realisierung des hier vorgestellten Ansatzes verwendet werden kann;

Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung unterschiedlicher elektrischer Größen über die Zeit zum vertieften Verständnis der Funktion der Schaltung aus der Figur 5; und Fig. 7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorlie genden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 100, in welchem eine Vorrichtung 105 zur Entladung eines Zwisdchenkreiskondensators gemäß einem Ausführungsbeispiel eingesetzt werden kann. Das Fahrzeug 100 ist beispielsweise als Hybrid- oder Elektrofahrzeug ausgestaltet. Das Fahrzeug 100 wird von einer Bat terie bzw. einem Akkumulator als Energiespeicher 1 10 mit elektrischer Energie ver sorgt, der beispielsweise eine Spannung UB von 400 Volt oder, bei neueren Fahr zeugen, auch 800 Volt in ein Energieversorgungssystem 1 15 des Fahrzeugs 100 einspeist. Um nun einen Antriebsmotor 120 des Fahrzeugs 100 mit dieser Energie aus dem Energiespeicher 1 10 betreiben zu können, ist oftmals ein Zwischenkreis 125 mit einem Wechselrichter 130 erforderlich, um beispielsweise aus der als Gleichspannung von der Energiequelle 110 auf das Energieversorgungssystem 1 15 des Fahrzeugs 100 eingespeisten Energie eine Wechselspannung, insbesondere eine mehrphasige Wechselspannung in einem Antriebsenergieversorgungssystem 135 zum Betreiben des Antriebsmotors 120 zu generieren. Hierzu kann der Wechsel richter 130 ein oder mehrere in der Figur 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte Brückenschaltungen aufweisen, um aus der Gleichspannung UB aus dem Energieversorgungssystem 115 die geeignete Wechselspannung zur Einspri-sung in das Antriebsenergieversorgungssystem 135 zu ermitteln.

Um nun Schwankungen der Spannung UB im Energieversorgungssystem 1 15 bei wechselnder Last des Antriebsmotors 120 zu vermeiden oder zu glätten, ist ein Zwi schenkreiskondensator 140 vorgesehen. Dieser Zwischenkreiskondensator 140 ist dabei meist derart ausgelegt, dass er eine teilweise große Energiemenge aufnehmen kann, um die entsprechenden Schwankungen der Spannung UB im Energieversor-

gungssystem 115 abzufangen. Tritt nun allerdings ein Fehlerfall im elektrischen Sys tem des Fahrzeugs 100, beispielsweise ein Kurzschluss oder ein elektrischer Defekt auf, kann es aus Sicherheitsgründen erforderlich sein, den Zwischenkreiskondensa tor 140 möglichst schnell zu entladen, um beispielsweise die Brandgefahr des Fahr zeugs 100 oder die Gefahr eines elektrischen Schlags für Insassen des Fahrzeugs 100 durch die eventuell noch im Zwischenkreiskondensator 140 befindliche hohe elektrische Spannung zu minimieren. Hierzu wird meist eine entsprechende Schutz schaltung verwendet, wie sich die hier vorgestellte Vorrichtung 105 zur Entladung des Zwischenkreiskondensators 140 darstellt.

Die Vorrichtung 105 zur Entladung des Zwischenkreiskondensators 140 weist hierbei eine Entladungseinheit 145 sowie eine Ansteuereinheit 150 auf. Die Entladungsein heit 145 kann hierbei beispielsweise zwischen Anschlussklemmen 155 des Zwi schenkreiskondensators 140 geschaltet sein, wobei eine Entladung des Zwischen kreiskondensators 140 durch die Entladungseinheit 145 mittels einer an einem An steuereingang 160 angelegte Ansteuerspannung steuerbar ist. Die Ansteuereinheit 150 ist ausgebildet, um den Ansteuereingang 160 der Entladungseinheit 145 mit der Ansteuerspannung zu beaufschlagen, wobei die Ansteuereinheit 150 die Anstrei cherspannung derart bereitstellt, dass die Ansteuerspannung während des Entla dungsvorgangs oder für eine Entladung (d. h. zu einem Starten der Entladung) des Zwischenkreiskondensators 140 verändert wird.

Um eine Entladung des Zwischenkreiskondensators 140 einzuleiten, kann beispiels weise ansprechend auf einen von einer Fehlererkennungseinheit 165 erkannten und mittels eines Fehlerssignals 170 an die Anstreuereinheit 150 übermittelten Fehlers, beispielsweise eines Defekts im elektrischen System des Fahrzeugs 100, in der An steuereinheit 150 die entsprechende Ansteuerspannung Uge generiert und dem An steuereingang 160 der Entladungseinheit 145 beaufschlagt werden, wie dies nach folgend noch näher beschrieben ist.

Wird nun als Entladungseinheit 145 ein Leistungshalbleiter verwendet, beispielswei se der ein Teil des Wechselrichters 130 oder einer Brückenschaltung des Wechsel richters 130 ist, kann ein Problem imn Bezug auf ein kontrolliertes Ansteuern dieses Leistungshalbleiters auftreten, damit dieser anstelle seines nominellen Stromes (eini ge Hundert Ampere) nur einen sehr kleinen Strom (einige Hundert Milliampere) führt. Dazu sollte die Gate-Spannung Uge dieses Leistungshalbleiters (d. h., der Spannung zwischen dem Gate und dem Source-Anschluss des als Entladungseinheit 145 ver wendeten Leistungshalbleiters), welche den Stromfluss I im Leistungshalbleiter ein stellt, auf einen bestimmten konstanten Wert (Uge,konst) eingestellt werden. Da für ei nen gewünschten, kontrolliert niedrigen Entladestrom die dafür notwendige Gate-Spannung Uge von vielen Parameteren wie Temperatur und Herstellungstoleranzen abhängt, ist die aktive Entladung durch das Anlegen einer zuvor fest definierten Ga te-Spannung Uge nicht möglich.

Figur 2 zeigt ein Diagramm zur Darstellung des Aussteuerverhaltens eines Leis tungshalbleiters als Entladungseinheit 145, in welchem auf der Abszisse die Gate-Spannung Uge und auf der Ordinate der durch den Leistungshalbleiter fließende Strom lc aufgetragen ist. Ferner sind drei Kennlinien 200 in das Diagramm eingetra gen, wobei eine erste 200a der Kennlinien 200 den Stromfluss lc in Abhängigkeit der Gate-Spannung Uge bei einer Temperatur von 150°C des Leistungshalbleiters, eine zweite 200b der Kennlinien 200 den Stromfluss lc in Abhängigkeit der Gate-Spannung Uge bei einer Temperatur von 25°C des Leistungshalbleiters und eine drit te 200c der Kennlinien 200 den Stromfluss lc in Abhängigkeit der Gate-Spannung Uge bei einer Temperatur von -40°C des Leistungshalbleiters abbildet. Aus der Figur 2 wird hierbei erkennbar, dass der zur Entladung des Zwischenkreiskondensators 140 erforderliche Entladungsstrom 210 nur für die Temperatur 25°C des Leistungshalblei ters zuverlässig erreicht ist; für den Fall, dass der Leistungshalbleiter eine Tempera-tus von -25°C hat, ist die konstante Gate-Spannung Uge zu niedrig, während für die Temperatur 150°C des Leistungshalbleiters die konstante Gate-Spannung Uge zu hoch ist.

Figur 2 verdeutlicht somit das Problem am Beispiel der zuverlässigen Ansteuerung der Entladungseinheit 145 am Beispiel eines Leistungshalbleiters als Entladungsein heit bei einer variablen Temperatur, welche den größten Einfluss auf den Entlade strom hat. Figur 2 zeigt somit die Problematik des nicht-kontrollierbaren Entladestro- mes lc bei einer konstanten Gate-Spannung (Uge,konst) einer Entladungseinheit 145 in der Form eines Leistungshalbleiters in Abhängigkeit der Temperatur.

In dem in der Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird, mit anderen Worten ausgedrückt, die konstante Gate-Spannung (Uge,konst) für eine Temperatur von 25°C so eingestellt, dass der gewünschte Entladestrom lc fließt. Wird der Halbleiter jedoch zu heiß (T=150°C), fließt bei der gleichen angelegten Gate-Spannung ein zu hoher Entladestrom über den bzw. die Halbleiter der Entladungseinheit 145, wodurch diese geschädigt oder zerstört werden können. Für tiefe Temperaturen (T=-40°C) kann die Problematik auftreten, dass die Gate-Spannung nicht ausreicht, um den Elektronen kanal des Halbleiters als Entladungseinheit 145 zu öffnen und es fließt kein Entlade strom lc. Diese Problematik führt dazu, dass eine aktive Entladung über die Leis tungshalbleiter als Entladungseinheit 145 nicht genutzt werden konnte.

Um diesem Problem der parameterabhängigen Gate-Spannung für einen konstanten und kontrollierten Entladestrom zu begegnen, wird gemäß einem Ausführungsbei spiel hier ein neues Ansteuerverfahren vorgeschlagen. Dabei werden die Entla dungseinheit 145, die hier beispilshaft als Halbleiter ausgebildet ist, nicht mit einer konstanten Gate-Spannung, sondern mit einer veränderlichen Ansteuerspannung wie beispielsweise einer Gatespannungsrampe angesteuert.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verlaufs 300 der Ansteuerspan nung, wie sie gemäß einem Ausführungsbeispiel des hier vorgestellten Ansatzes dem Ansteuereingang 160 der Entladungseinheit 145 beaufschlagt werden kann. Hierbei ist auf der Abszisse des in der Figur 3 dargestellten Diagramms die Zeit t und auf der Ordinate die Gate-Spannung Uge aufgetragen. Erkennbar ist der linear bzw. monoton oder gar streng monoton ansteigende Verlauf der Gate-Spannung Uge für zunehmend spätere Zeitpunkte t, wobei der Zeitpunkt im Urpsung einem Zeitpunkt der Aktivierung des Entladungsvorgangs, beispielsweise ansprechend auf das Feh lersignal 170 entspricht. Die Gate-Spannung Uge wird somit als veränderliche An steuerspannung bzw. Gatespanngungsramte dem Ansteuereingang 160 aufgeprägt.

Die Verwendung einer solchen veränderlichen Gate-Spannung Uge als dem Ansteu ereingang 160 beaufschlagten Ansteuerspannung, beispielweise in der Form der Ga tespannungsrampe gemäß einem Ausführungsbeispiel des hier vorgestellen Ansat zes, ermöglicht dabei, die Ansteuerspannung in Abhängigkeit der Zeit mit einem festeingestellten Gradienten zu erhöhen, sodass nach und nach alle relevanten Ga te-Spannungen Uge durchlaufen werden. Diese Ansteuerung führt dazu, dass am Halbleiter als der Entladungseinheit 145, unabhängig von seiner Temperatur und an deren Parametern, auf jeden Fall irgendwann die Gate-Spannung Uge anliegt, die zum Öffnen des Elektronenkanals und dem Fließen des optimalen Entladestroms lc durch die Entladungseinheit 145 als dem Halbleiter führt, sodass hierdurch der Zwi schenkreiskondensator 145 entladen werden kann .

Figur 4 zeigt das Diagramm entsprechend dem Diagramm aus Figur 2, wobei nun jedoch erkennbar ist, dass durch die veränderliche Gate-Spannung Uge ein optimaler Arbeitspunkt bzw. eine optimale Gate-Spannung auf einer der Kennlinien 200 unab hängig von der aktuellen Temperatur des Halbleiters als Entladungseinheit 145 er reicht wird, der zum Öffnen der Entladungsheit 145 in der Form eines Halbleiters führt, sodass der Zwischenkreiskondensator 130 zuverlässig und schnell entladen werden kann. In der Figur 4 ist somit eine optimale Ansteuerung des Halbleiters als Entladungseinheit 145 durch die beispielhafte veränderliche Gatespannungsrampe als dem Ansteuereingang 160 einzuprägende Ansteuerspannung dargestellt. Für jede Temperatur des Halbleiters als Entladungseinheit 145 wird somit der gewünsch te bzw. erforderliche Entladestrom 210 schnell und zuverlässig erreicht.

Mit der Steigung der Rampe kann eingestellt werden, wie schnell der Elektronenka nal des als Entladungseinheit 145 verwendeten Halbleiters geöffnet werden soll und somit wie dynamisch der Entladevorgang des Zwischenkreiskondensators 140 vor genommen werden soll.

Figur 5 zeigt eine mögliche Schaltungstopologie 500, die zur einfachen und kosten günstigen Realisierung des hier vorgestellten Ansatzes verwendet werden kann. Die Schaltungstopologie 500 kann hierbei als ein Schaltungskonzept zur Erzeugung der veränderlichen Ansteuerspannung, beispielsweise als Gatespannungsramp, ver-

standen werden. Die Realisierung der Ansteuerspannung bzw. Gatespannungsram pe kann jedoch auch durch andere Möglichkeiten erfolgen, beispielsweise durch eine numerische bzw. digitale Ansteuerung von entsprechenen Spannungsquellen. Die in der Figur 5 dargestellte Schaltungsstruktur 500 bietet jedoch eine sehr einfache Rea lisierungsmöglichkeit des hier vorgeschlagenen Ansatzes.

Die Ansteuerschaltung bzw. Ansteuereinheit 150 des Halbleiters (als Entladungsein heit 145) wird dabei um vier weitere Bauteile ergänzt, nämlich den ersten Schalter S1 , den zweiten Schalter S2, eine Kapazität CAD und einen Widerstand RAD, wobei beispielsweise die beiden Schalter S1 und S2 in Abhängigkeit von dem Fehlersignal 170 unter Vermittlung einer Schaltersteuereinheit 510 geschlossen oder geöffnet werden können. Hierbei wird als Entladungseinheit 145 beispielsweise ein Halbleiter oder Leistungshalbleiter (hier beispielhaft ein MOSFET-Lesitungstransistor) verwen det, der auch ein Teil des Wechselrichters 130, beispielsweise einer Brückenschal tung des Wechselrichters 130 zur Wandlung der Gleichspannung UB in eine Wech selspannung zum Betriebb des Anstriebsmotors 120 sein kann.

Im normal schaltenden Betrieb (d. h., wenn kein Fehlerfall vorliegt) ist erste Schalter S1 geschlossen und zweite Schalter S2 geöffnet. Da der Widerstand RAD SO gewählt wird, dass er viel größer (beispielsweise um den Faktor 10) als der Gatewiderstand Rg ist, wird durch die Parallelschaltung von RAD und Rg das Schaltverhalten des Halb leiters als Entladungseinheit 145 nicht beeinflusst. Durch den geöffneten zweiten Schalter S2 ist die Kapazität CAD nicht wirksam. Soll der Zwischenkreis 125 bzw. der Zwischenkreiskondensator 140 entladen werden, so wird dies beispielsweise durch das Fehlersignal 170 eingeleitet und die Schaltersteuereinheit 510 steuert eine Spannungsquelle an, um eine Steuerspannung Us auf eine positive Steuerspannung zu schalten, wobei der erste Schalter S1 geöffnet und zweite Schalter S2 geschlos sen wird. Da die Kapazität von CAD günstigerweise viel größer (beispielsweise um den Faktor 10) ist als die Gate-Source-Kapazität des Halbleiters als Entladungsein heit 145, wird die Spannung der Gate-Source-Kapazität sofort der Spannung der Ka pazität CAD angeglichen (beispielsweise durch einen typischen Sprung von -5V auf 0V). Der weitere Verlauf der Gate-Spannung Uge ist durch das Aufladen des RC-Zeitglieds bestehend aus RAD und CAD bestimmt, wodurch die gewünschte Gate-

spannungsrampe Uge, beispielsweise entsprechend der Darstellung aus der Figur 4 erreicht wird.

Figur 6 zeigt ein Diagramm unterschiedlicher, auf den Ordinaten links (Spannungen Uce, Uge und Strom lc) und rechts (Verlustleistung bzw. Verlustenergie) des Dia gramms aufgetragener elektrischer Größen über die auf der Abszisse aufgetragenen Zeit t zum vertieften Verständnis der Funktion der Schaltung aus der Figur 5. Hierbei wird das Entladekonzept des hier vorgestellten Ansatzes anhand von Messergebnis sen und einem Funktionsnachweis des hier vorgestellten ansteuerintegrierten, akti ven Entladekonzepts dargestellt.

Zum Zeitpunkt t=0s wird die Entladeschaltung aktiviert, wodurch die Gate-Spannung (Kennlinie 600) zum Zeitpunkt Os auf den Wert 0V springt. Anschließend wird die Ga tespannungsrampe eingeprägt. Im Bereich 610 beginnt sich der Kanal des als Entla dungseinheit 145 wirkenden Halbleiters zu öffnen und es fließt ein kontrollierter Ent ladestrom (Kennline 620), der maximal 1A beträgt. Die Spannung des Zwischenkrei ses Uce (Kennlinie 630) sinkt durch den Entladestrom lc innerhalb eines Entladungs zeitintervalls td von 0.7s von 800V auf 0V. Hierbei wird eine Verlustleistung pioss von 500W bei iner Verlustenergie eioss von 200 J abgebaut.

Ein wichtiger Aspekt des hier vorgestellten Ansatzes kann darin gesehen werden, dass die Ansteuerung der Entladungseinheit (dier hier als Halbleiter realisiert ist) über eine veränderliche Ansteuerspannung, wie beispielsweise eine Gatespannungs rampe, zum Auslösen einer aktiven Entladung des Zwischenkreiskondensators 140 erreicht werden kann. Die veränderliche Ansteruspannung bzw. Rampe kann dabei durch unterschiedliche Varianten, wie beispielsweise ein RC-Glied mit angelegter Spannung oder einer definierten Stromquelle, erzeugt werden. Der große Vorteil ei nes solchen Ausführungsbeispiels ist, dass somit alle Entladungseinheitstypen wie beispielsweise günstigerweise zu verwendende Halbleitertypen (Si-IGBTs, Si-MOSFETs und SiC-MOSFETs) in vielen relevanten Spannungsklassen (650V,

1200V, 1700V) genutzt werden können, um eine redundante, ansteuerintegrierte, aktive Entladeschaltung entsprechend dem hier vorgeschlagenen Konzept zu reali sieren.

Figur 7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels als Verfahren 700 zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators mittels einer Variante einer hier vorge stellten Vorrichtung, wobei das Verfahren 700 den Schritt 710 des Beaufschlagens des Ansteuereingangs der Entladungseinheit mit einer Ansteuerspannung aufweist, wobei das Beaufschlagen derart erfolgt, dass die Ansteuerspannung während eines Entladungsvorgangs oder zum Start eines Entladungsvorgangs des Zwischenkreis kondensators verändert wird.

Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur bei spielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausfüh rungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.

Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer ande ren als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.

Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ers ten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Bezuqszeichen

100 Fahrzeug

105 Vorrichtung zur Entladung

110 Energiespeicher

115 Energieversorgungssystem

120 Antriebsmotor

125 Zwischenkreis

130 Wechselrichter

135 Antriebsenergieversorgungssystems

140 Zwischenkreiskondensator

145 Entladungseinheit

150 Ansteuereinheit

155 Anschlussklemmen

160 Ansteuereingang

165 Fehlererkennungseinheit

170 Fehlerssignal

200, 200a, 200b, 200c Kennlinien

210 Entladungsstrom

300 Verlauf der Ansteuerspannung

500 Schaltungstopologie

510 Schaltersteuereinheit

51 erster Schalter

52 zweiter Schalter

CAD Kapazität

RAD Widerstand

600 Kennlinie

610 Kennlinie

620 Kennlinie

Kennline

Verfahren zur Entladung eines Zwischen kreiskondensators Schritt des Beaufschlagens