DE102019205801A1 - Disconnector - Google Patents

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Abstract

Trennschalter, der dazu eingerichtet ist, eine bidirektionale Klemmung zu ermöglichen, mit einem ersten Strompfad (56) und einem zweiten Strompfad, (58) wobei in dem ersten Strompfad (56) eine erste Trennschalterelementgruppe und eine zweite Trennschalterelementgruppe angeordnet sind und in dem zweiten Strompfad (58) eine dritte Trennschalterelementgruppe und eine vierte Trennschalterelementgruppe angeordnet sind, wobei jede Trennschalterelementgruppe anzusteuern ist.Disconnector, which is designed to enable bidirectional clamping, with a first current path (56) and a second current path, (58) wherein a first circuit breaker element group and a second circuit breaker element group are arranged in the first current path (56) and in the second current path (58) a third circuit breaker element group and a fourth circuit breaker element group are arranged, each circuit breaker element group is to be controlled.

Description

Die Erfindung betrifft einen Trennschalter mit bidirektionaler Klemmung, der insbesondere in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zum Einsatz kommt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Überprüfen eines Trennschalter, insbesondere eines Trennschalters der hierin beschriebenen Art.The invention relates to a circuit breaker with bidirectional clamping, which is used in particular in an on-board network of a motor vehicle. The invention further relates to a method for checking a circuit breaker, in particular a circuit breaker of the type described herein.

Stand der TechnikState of the art

Unter einem Bordnetz ist im automotiven Einsatz die Gesamtheit aller elektrischen Komponenten in einem Kraftfahrzeug zu verstehen. Somit sind davon sowohl elektrische Verbraucher als auch Versorgungsquellen, wie bspw. Generatoren oder elektrische Speicher, z. B. Batterien, umfasst. Im Kraftfahrzeug ist darauf zu achten, dass elektrische Energie so verfügbar ist, dass das Kraftfahrzeug jederzeit gestartet werden kann und während des Betriebs eine ausreichende Stromversorgung sichergestellt ist. Aber auch im abgestellten Zustand sollen elektrische Verbraucher noch für einen angemessenen Zeitraum betreibbar sein, ohne dass ein nachfolgender Start beeinträchtigt wird.In automotive use, an on-board network is understood to mean the entirety of all electrical components in a motor vehicle. Thus, both electrical consumers and supply sources, such as. Generators or electrical storage, z. B. Batteries includes. In the motor vehicle, care must be taken that electrical energy is available in such a way that the motor vehicle can be started at any time and that a sufficient power supply is ensured during operation. However, even when switched off, electrical consumers should still be operable for a reasonable period of time without a subsequent start being impaired.

In Kraftfahrzeugen mit elektrisch unterstützten oder rein elektrisch ausgeführten, sicherheitsrelevanten Funktionen, wie bspw. die Lenkung oder Bremse, bestehen hohe Anforderungen an die Verfügbarkeit dieser Funktionen während der Fahrt. Unter Berücksichtigung der funktionalen Sicherheit nach ISO 26262 können solche Funktionen mit einer Verfügbarkeit nach Einstufung ASIL C oder D klassifiziert sein.In motor vehicles with electrically assisted or purely electrically executed, safety-relevant functions, such as, for example, the steering or brakes, there are high demands on the availability of these functions while driving. Taking into account the functional safety according to ISO 26262, such functions can be classified with an availability according to classification ASIL C or D.

ASIL (Automotive Safety Integrity Level) ist eine Schlüsselkomponente der ISO 26262. Der ASIL-Level wird jeweils zu Beginn eines Entwicklungsprozesses bestimmt. Hierzu werden die Systemfunktionen analysiert und in Bezug zu möglichen Risiken gestellt. ASIL-A hat die geringste Risikostufe, ASIL-D die höchste Risikostufe.ASIL (Automotive Safety Integrity Level) is a key component of ISO 26262. The ASIL level is determined at the beginning of a development process. For this purpose, the system functions are analyzed and related to possible risks. ASIL-A has the lowest risk level, ASIL-D the highest risk level.

In Abhängigkeit von der Versorgungsarchitektur des Bordnetzes erfordert dies eine elektrische Trenneinrichtung zur Entkopplung von hochzuverlässigen Teilversorgungsnetzen, bspw. ASIL C oder D, hier genannt KI. 30_1, und herkömmlichen Teilversorgungsnetzen, Einstufung z. B. QM, hier genannt KI. 30_0. QM ist eine Einstufung unterhalb von ASIL A und bedeutet, dass nur herkömmliche Qualitätsmaßnahmen vorgenommen werden. Im Falle von Kurzschlüssen oder Überströmen im Bordnetzteil KI. 30_0 wird dieser vom hochzuverlässigen Bordnetzteil KI. 30_1 über einen Trennschalter abgetrennt, um Funktionen, wie bspw. die Lenkung oder die Bremse, mit einer Versorgung aus KI. 30_1 ungestört aufrecht zu erhalten. Das Sicherheitsziel für den Trennschalter lautet hier „sicher Trennen“.Depending on the supply architecture of the on-board network, this requires an electrical isolating device for decoupling from highly reliable sub-supply networks, for example ASIL C or D, here called KI. 30_1, and conventional partial supply networks, classification z. B. QM, here called KI. 30_0. QM is a classification below ASIL A and means that only conventional quality measures are carried out. In the event of short circuits or overcurrents in the on-board power supply unit KI. 30_0 this is done by the highly reliable on-board power supply unit KI. 30_1 separated by a circuit breaker to provide functions, such as the steering or the brake, with a supply from KI. 30_1 to be maintained undisturbed. The safety goal for the disconnector here is "safe disconnection".

Die Druckschrift DE 10 2008 043 402 A1 beschreibt ein Verfahren zum Schutz von an ein Bordnetz angeschlossenen Einrichtungen vor einer Überspannung, bei dem vorgesehen ist, die Überspannung einer energievernichtenden Last zuzuführen, die die Überspannung abbaut. Die energievernichtende Last kann bspw. als Starter ausgebildet sein.The pamphlet DE 10 2008 043 402 A1 describes a method for protecting devices connected to an on-board network against overvoltage, in which it is provided that the overvoltage is fed to an energy-destroying load that reduces the overvoltage. The energy-destroying load can, for example, be designed as a starter.

Aus der Druckschrift DE 10 2014 201 581 A1 ist ein Verfahren zum Trennen eines Bordnetzes von einem Gleichspannungswandler bekannt. Bei dem Verfahren ist vorgesehen, eine Versorgungsspannung mit einem Gleichspannungswandler in eine Bordnetzspannung umzurichten, eine Sperrspannung an zumindest einem der Halbleitergleichrichterelemente zu ermitteln und einen Trennschalter zum Abkoppeln des Bordnetzes vom Gleichspannungswandler in Abhängigkeit von dem Wert der ermittelten Sperrspannung anzusteuern.From the pamphlet DE 10 2014 201 581 A1 a method for disconnecting an on-board electrical system from a DC voltage converter is known. The method provides for converting a supply voltage with a DC voltage converter into an on-board network voltage, determining a blocking voltage on at least one of the semiconductor rectifier elements and controlling a disconnector for decoupling the on-board network from the DC voltage converter depending on the value of the blocking voltage determined.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vor diesem Hintergrund werden ein Trennschalter nach Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.Against this background, a circuit breaker according to claim 1 and a method with the features of claim 8 are presented. Embodiments emerge from the dependent claims and the description.

Der vorgestellte Trennschalter mit bidirektionaler Klemmung weist einen ersten Strompfad und einen zweiten Strompfad auf, wobei in dem ersten Strompfad eine erste Trennschalterelementgruppe und eine zweite Trennschalterelementgruppe angeordnet sind und in dem zweiten Strompfad eine dritte Trennschalterelementgruppe und eine vierte Trennschalterelementgruppe angeordnet sind. Dabei ist jede der Trennschalterelementgruppen in Ausgestaltung getrennt bzw. gesondert anzusteuern. Dies bedeutet, dass jede Trennschalterelementgruppe unabhängig von den anderen Trennschalterelementgruppen angesteuert werden kann. Grundsätzlich ist es ausreichend, eine gemeinsame Ansteuerung jedes Pfades vorzusehen.The presented circuit breaker with bidirectional clamping has a first current path and a second current path, a first circuit breaker element group and a second circuit breaker element group being arranged in the first current path and a third circuit breaker element group and a fourth circuit breaker element group being arranged in the second current path. Each of the disconnector element groups is to be controlled separately or separately in its configuration. This means that each disconnector element group can be controlled independently of the other disconnector element groups. Basically, it is sufficient to provide a common control for each path.

Von Bedeutung ist, dass die Trennschalterelementgruppen, die typischerweise eine Reihe von Trennschalterelementen, wie bspw. Halbleiterschalter, z. B. MOSFETs, aufweisen, so zueinander angeordnet sind, dass ein Sperren eines Stromflusses in beide Richtungen ermöglicht ist.It is important that the disconnector element groups, typically a series of disconnector elements, such as semiconductor switches, e.g. B. MOSFETs have, are arranged to each other that blocking a current flow is possible in both directions.

Es wird somit eine vereinfachte Struktur des Trennschalters mit Klemmelementen, wie bspw. Freilaufdioden und Zenerdiode, vorgestellt, die bei einer Abschaltung in beiden Stromrichtungen wirkt und daher nur einmal erforderlich ist. Daneben soll eine Diagnose der Trennschalterelemente auf Sperrfähigkeit zu Beginn eines Fahrzyklus oder sogar im Betrieb durchgeführt werden können.A simplified structure of the disconnector with clamping elements, such as, for example, freewheeling diodes and Zener diodes, is thus presented, which acts in both directions of current when switched off and is therefore only required once. In addition, it should be possible to diagnose the disconnector elements for blocking capability at the beginning of a driving cycle or even during operation.

Dabei ist in Ausgestaltung die Aufteilung des Trennschalters in zwei parallele Strompfade mit Gruppen von Trennschalterelementen, wie bspw. MOSFET-Gruppen, vorgesehen, die ohnehin zur Führung des Gesamtstromes erforderlich sind. Durch Vertauschung der MOSFET-Anordnung in beiden Gruppen ergibt sich die Möglichkeit, zum einen eine gemeinsame Überspannungsklemmung für beide Stromrichtungen vorzusehen und zum anderen einen gemeinsamen Freilaufpfad bereitzustellen.In one embodiment, the disconnector is divided into two parallel current paths with groups of disconnector elements, such as MOSFET groups, which are required in any case to conduct the total current. By interchanging the MOSFET arrangement in both groups, it is possible, on the one hand, to provide a common overvoltage clamp for both current directions and, on the other hand, to provide a common freewheeling path.

Weiterhin kann auch im Betrieb jeweils eine MOSFET-Gruppe kurzzeitig ausgeschaltet werden, um die Elemente zu überprüfen.Furthermore, one MOSFET group can also be switched off briefly during operation in order to check the elements.

Das vorgestellte Verfahren zum Überprüfen eines Trennschalters kann insbesondere mit einem Trennschalter der hierin beschriebenen Art durchgeführt werden. Dieses Verfahren kann auch als ein Verfahren zum Durchführen einer Diagnose bei einem Trennschalter, bei dem in mindestens einen Strompfad eine erste Trennschalterelementgruppe und eine zweite Trennschalterelementgruppe vorgesehen sind, bezeichnet werden. Dabei wird ein Widerstand zwischen den beiden Trennschalterelementgruppen geschaltet und anschließend das Potential zwischen den beiden Trennschalterelementgruppen überwacht. Alternativ kann auch eine Stromquelle oder eine Stromsenke verwendet werden. Kann das Potential mit dem Widerstand nicht angehoben, im Falle eines Pullup-Widerstands, oder gesenkt, im Falle eines Pulldown-Widerstands, werden, so ist zumindest eines der Trennschalterelemente defekt.The method presented for checking a circuit breaker can in particular be carried out with a circuit breaker of the type described herein. This method can also be referred to as a method for carrying out a diagnosis in a circuit breaker in which a first circuit breaker element group and a second circuit breaker element group are provided in at least one current path. A resistor is connected between the two disconnector element groups and the potential between the two disconnector element groups is then monitored. Alternatively, a current source or a current sink can also be used. If the potential cannot be increased with the resistor, in the case of a pull-up resistor, or decreased in the case of a pull-down resistor, then at least one of the disconnector elements is defective.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den jeweiligen Zeichnungen.Further advantages and embodiments of the invention emerge from the description and the respective drawings.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified, but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.

FigurenlisteFigure list

  • 1 zeigt eine Ausführung eines Trennschalters. 1 shows an embodiment of a circuit breaker.
  • 2 zeigt eine Ausführung des vorgestellten Trennschalters. 2 shows an embodiment of the presented circuit breaker.
  • 3 zeigt den Trennschalter aus 3 mit einer Veranschaulichung der Stromflüsse. 3 shows the circuit breaker off 3 with an illustration of the current flows.
  • 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des vorgestellten Trennschalters. 4th shows a further embodiment of the presented circuit breaker.

Ausführungsformen der Erfindung.Embodiments of the invention.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.The invention is shown schematically on the basis of embodiments in the drawings and is described in detail below with reference to the drawings.

1 zeigt eine Ausführung eines Trennschalters, der insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist und der auf einem Trennschalter basiert, der zum Schutz von hochzuverlässigen Teilbordnetzen bislang eingesetzt wird. Die Darstellung zeigt den Trennschalter 10, der zwischen einem herkömmlichen Bordnetz, das hier durch eine Klemme KI. 30_0 12 dargestellt ist und eine QM-Einstufung hat, und einem sicherheitsrelevanten Bordnetz, das hier durch eine Klemme KI. 30_1 14 dargestellt ist und eine Energiequelle, wie bspw. eine Batterie umfasst, angeordnet. Sicherheitsrelevante Verbraucher, wie bspw. eine Lenkung oder eine Bremse, sind an Kl. 30_1 14 angeschlossen. 1 shows an embodiment of a circuit breaker, generally designated by the reference number 10 and which is based on a circuit breaker that has been used to protect highly reliable sub-board networks. The illustration shows the circuit breaker 10 , the between a conventional on-board network, which is here by a terminal KI. 30_0 12 is shown and has a QM classification, and a safety-relevant electrical system, which is here by a terminal KI. 30_1 14 is shown and an energy source, such as. A battery, is arranged. Safety-relevant consumers, such as a steering system or a brake, are connected to terminal 30_1 14.

Die Darstellung weist als Trennschalterelementgruppen eine erste Transistorengruppe T1 20 und eine zweite Transistorengruppe T2 22 auf, die in einer back-to-back-Anordnung zueinander angeordnet sind. Die Darstellung zeigt auch jeweils die Body-Dioden der Transistoren der beiden Transistorengruppen 20 und 22. Zum Ansteuern der ersten Transitorengruppe T1 20 sind erste Gate-Treiber 24 und zum Ansteuern der zweiten Transistorengruppe 22 sind zweite Gate-Treiber 26 vorgesehen. Weiterhin sind zur Spannungsbegrenzung parallel zu der ersten Transistorengruppe T1 20 eine erste Zenerdiode D1 28 und parallel zu der zweiten Transistorengruppe T2 22 eine zweite Zenerdiode 30 vorgesehen.The illustration shows a first group of transistors T1 as disconnector element groups 20th and a second group of transistors T2 22nd which are arranged in a back-to-back arrangement to one another. The illustration also shows the body diodes of the transistors of the two transistor groups 20th and 22nd . To control the first group of transistors T1 20th are first gate drivers 24 and for driving the second group of transistors 22nd are second gate drivers 26th intended. In addition, T1 are parallel to the first group of transistors for voltage limitation 20th a first zener diode D1 28 and in parallel with the second group of transistors T2 22nd a second zener diode 30th intended.

Der Trennschalter 10 kann in beide Richtungen sperren. Besteht an der Klemme Kl. 30_0 12 ein Kurzschluss, kann der Stromfluss mittels der ersten Transistorengruppe T1 20 unterbunden werden. Ein Stromfluss in die Gegenrichtung kann mittels der zweiten Transistorengruppe T2 22 unterbunden werden, um die Body-Dioden in der ersten Transistorengruppe T1 20 gegen unkontrollierten Stromfluss zu schützen.The circuit breaker 10 can lock in both directions. If there is a short circuit at terminal Kl. 30_0 12, the current can flow by means of the first group of transistors T1 20th be prevented. A current flow in the opposite direction can be achieved by means of the second group of transistors T2 22nd be prevented to the body diodes in the first transistor group T1 20th to protect against uncontrolled current flow.

Zu beachten ist, dass die Überspannungsklemmung mit den Zenerdioden D1/D2 28/30 nicht massebezogen ist und daher ungewollte Überspannungen in Abhängigkeit des Versorgungsspannungniveaus erzeugen kann.It should be noted that the overvoltage clamping with the Zener diodes D1 / D2 28 / 30th is not referenced to ground and can therefore generate unwanted overvoltages depending on the supply voltage level.

Durch eine Überspannungsklemmung wird die beim Abschalten der MOSFETs entstehende Überspannung begrenzt und damit werden die MOSFETs und die angeschlossenen Verbraucher vor schädlichen Spannungen geschützt. Durch eine Klemmung bzw. einen Freilauf wird beim Abschalten der MOSFETs eine entstehende negative Spannung begrenzt und es werden die MOSFETs bzw. Verbraucher geschützt.An overvoltage clamp limits the overvoltage that occurs when the MOSFETs are switched off, thus protecting the MOSFETs and the connected loads from harmful voltages. A negative voltage is generated when the MOSFETs are switched off due to clamping or freewheeling limited and the MOSFETs or consumers are protected.

Die Darstellung zeigt weiterhin einen Pullup-Widerstand 40, der eine Diagnose bzw. ein Überprüfen der Transistoren der Gruppen 20 und 22, die als Schalter dienen und bspw. als MOSFETs ausgebildet sind, ermöglicht.The illustration also shows a pull-up resistor 40 , a diagnosis or a check of the transistors of the groups 20th and 22nd , which serve as switches and are, for example, designed as MOSFETs.

Komponenten 42 und 44 dienen der Spannungsmessung am Knoten, wobei grundsätzlich nur eine der beiden Komponenten 42, 44 hierfür erforderlich ist. Komponente 46 dient der Strommessung, die z. B. ein Trennen des Schalters bei Überstrom auslösen kann.Components 42 and 44 are used to measure the voltage at the node, with only one of the two components 42 , 44 is required for this. component 46 is used for current measurement, the z. B. can trigger disconnection of the switch in the event of overcurrent.

Eine Diagnose durch Abschalten im Betrieb durch Abschalten der Transistoren bzw. MOSFETs und Messung der Trennfähigkeit ist jedoch nicht möglich, da hierbei der Hauptstrompfad unterbrochen wird.A diagnosis by switching off during operation by switching off the transistors or MOSFETs and measuring the separation capability is not possible, however, since the main current path is interrupted in this case.

2 zeigt eine Ausführung des vorgestellten Trennschalters, die insgesamt mit der Bezugsziffer 50 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt eine Klemme KI.30_0 52 und eine Klemme KI.30_1 54, zwischen denen der Trennschalter 50 angeordnet ist. Der Trennschalter 50 ist wiederum in zwei parallele Strompfade 56 und 58 unterteilt. Im ersten Strompfad 56 sind als Trennschalterelementgruppen eine erste Transistorgruppe T1 60 und eine zweite Transistorgruppe T2 62 vorgesehen. Entsprechend sind im zweiten Strompfad 58 als Trennschalterelementgruppen eine dritte Transistorgruppe T3 64 und eine vierte Transistorgruppe T4 66 vorgesehen. Die erste Transistorgruppe T1 60 und die zweite Transistorgruppe T2 62 sind in einer front-to-front-Anordnung zueinander vorgesehen. Die dritte Transistorgruppe T3 64 und die vierte Transistorgruppe T4 66 sind in einer back-to-back-Anordnung zueinander vorgesehen. 2 shows an embodiment of the presented disconnector, denoted overall by the reference number 50 is designated. The illustration shows a terminal KI.30_0 52 and a terminal KI.30_1 54 , between which the circuit breaker 50 is arranged. The circuit breaker 50 is in turn in two parallel current paths 56 and 58 divided. In the first current path 56 are a first transistor group T1 as disconnector element groups 60 and a second transistor group T2 62 intended. Correspondingly are in the second current path 58 a third transistor group T3 as disconnector element groups 64 and a fourth transistor group T4 66 intended. The first transistor group T1 60 and the second transistor group T2 62 are provided in a front-to-front arrangement to one another. The third group of transistors T3 64 and the fourth transistor group T4 66 are provided in a back-to-back arrangement to one another.

Zwischen der ersten Transistorgruppe T1 60 und der zweiten Transistorgruppe T2 62 sind eine Zenerdiode D1 70 zum Schutz vor Überspannungen und ein Pullup-Widerstand 72 angeschlossen. Zwischen der dritten Transistorgruppe T3 64 und der vierten Transistorgruppe T4 66 sind eine Freilaufdiode D2 74, die zum Begrenzen der Spannung dient, und ein Pulldown-Widerstand 76 angeschlossen. Der Pullup-Widerstand 72 ermöglicht eine Überprüfung der Trennschalterelemente in T1 60 und T2 62 sowie eine Überprüfung der Funktion der Zenerdiode D1 70. Der Pulldown-Widerstand 76 ermöglicht eine Überprüfung der Trennschalterelemente in T3 64 und T4 66 sowie eine Überprüfung der Funktion der Freilaufdiode 74.Between the first transistor group T1 60 and the second transistor group T2 62 are a zener diode D1 70 for protection against overvoltages and a pull-up resistor 72 connected. Between the third transistor group T3 64 and the fourth transistor group T4 66 are a freewheeling diode D2 74 , which is used to limit the voltage, and a pull-down resistor 76 connected. The pull-up resistor 72 enables the circuit breaker elements in T1 60 and T2 62 to be checked and the function of the Zener diode D1 to be checked 70 . The pulldown resistor 76 enables the circuit breaker elements in T3 64 and T4 66 to be checked and the function of the freewheeling diode to be checked 74 .

Die Klemmung bei dem gezeigten Trennschalter 50 kann massebezogen erfolgen und setzt unabhängig von der momentanen Versorgungsspannung ein. Die Klemmspannung ist dabei nicht vom Niveau der Potentiale KI. 30_0/_1 52/54 abhängig.The clamping at the disconnector shown 50 can be carried out with reference to ground and starts regardless of the current supply voltage. The clamping voltage is not at the level of the potentials KI. 30_0 / _1 52/54 depending.

Wird der Trennschalter 50 geöffnet und die in den Zuleitungsinduktivitäten gespeicherte Energie abgebaut, so sind die Klemmelemente D1 70 und D2 74 in beide Stromrichtungen wirksam. Die Zenerdiode D1 70 begrenzt bei einem Stromfluss in den Trennschaltern 50 durch die Body-Diode von T1 60 oder T2 62 Überspannungen. Anstelle der Zenerdiode D1 70 kann die Klemmung allgemein als Klemmschaltung für positive Überspannungen realisiert sein. Die Freilaufdiode D2 74 stellt einen Freilaufpfad für Ströme aus dem Trennschalter 50 durch die Body-Dioden von T3 64 und T4 66 bereit und kann mittels einer Diode oder einer Schaltung mit Diodenfunktion realisiert werden.Will the disconnector 50 opened and the energy stored in the feed line inductances dissipated, the clamping elements D1 70 and D2 74 effective in both current directions. The zener diode D1 70 limited when there is a current flow in the disconnectors 50 due to the body diode of T1 60 or T2 62 overvoltages. Instead of the Zener diode D1 70 the clamping can generally be implemented as a clamping circuit for positive overvoltages. The freewheeling diode D2 74 provides a free-wheeling path for currents from the circuit breaker 50 through the body diodes of T3 64 and T4 66 and can be implemented by means of a diode or a circuit with diode function.

Durch eine Aufteilung des Strompfads in die beiden Strompfade 56, 58 durch T1/T2 (60/62) und T3/T4 (64/66) entsteht die Möglichkeit der Diagnose im Betrieb. Hierzu wird ein Teilpfad zur Diagnose abgeschaltet, während der andere Pfad für eine kurze Zeit den gesamten Strom übernimmt.By dividing the current path into the two current paths 56 , 58 with T1 / T2 (60/62) and T3 / T4 (64/66) the possibility of diagnosis arises during operation. For this purpose, a partial path is switched off for diagnosis, while the other path takes over the entire current for a short time.

Die Darstellung zeigt weiterhin ein Netz ProtGND 80, das eine verpolgeschützte Masse darstellt, falls in mindestens einem der beiden Bordnetze eine Verpolungsmöglichkeit mit auftretenden negativen Spannungen besteht.The illustration also shows a network ProtGND 80, which represents a ground with reverse polarity protection if there is a possibility of polarity reversal with negative voltages occurring in at least one of the two vehicle electrical systems.

Komponente 90 dient der Messung des Drain-Source-Spannungsabfalls der MOSFETs. Komponente 92 dient der Strommessung durch den Shunt.component 90 is used to measure the drain-source voltage drop of the MOSFETs. component 92 is used to measure the current through the shunt.

3 zeigt den Trennschalter 50 aus 2, wobei ein Beispiel des Stromflusses bei der Abschaltung eines hohen Stromes von KI. 30_1 nach KI. 30_0 mit Klemmvorgängen aufgrund der Zuleitungsinduktivitäten kenntlich gemacht ist. 3 shows the circuit breaker 50 out 2 , with an example of the current flow when switching off a high current from KI. 30_1 according to KI. 30_0 is marked with clamping processes due to the lead inductance.

Das Diagnosekonzept ist wie folgt:

  • Die Diagnose eines Pfads T1/T2 60/62 oder T3/T4 64/66 sowie der Klemmstrukturen kann nur im abgeschalteten Zustand des Pfads erfolgen.
  • T1/T2 60/62 werden durch Anlegen einer positiven Spannung über den Pullup-Widerstand 72 nach V auf Sperrfähigkeit geprüft. Hierbei sollte V deutlich oberhalb von Kl. 30_0 52 und KI. 30_1 54 liegen. Die Diagnosespannung wird nach oben durch die Zenerspannung von D1 70 begrenzt. Damit ist die Sperrfähigkeit der MOSFETs und gleichzeitig die Funktionsfähigkeit von D1 70 überprüfbar.
The diagnostic concept is as follows:
  • The diagnosis of a path T1 / T2 60/62 or T3 / T4 64/66 as well as the terminal structures can only be carried out when the path is switched off.
  • T1 / T2 60/62 are activated by applying a positive voltage across the pull-up resistor 72 Checked for blocking capability according to V. Here V should be well above Kl. 30_0 52 and KI. 30_1 54 lie. The upper limit of the diagnostic voltage is the Zener voltage of D1 70. This enables the blocking capability of the MOSFETs and, at the same time, the functionality of D1 70 to be checked.

Analog können T3 64 und T4 66 durch Anlegen einer negativen Spannung über den Pulldown-Widerstand 76 nach V auf Sperrfähigkeit überprüft werden. Eine Begrenzung der Diagnosespannung durch D2 74 auf ca. 0,7..1,0 V unterhalb von ProtGND 80 zeigt auch die Leitfähigkeit von D2 74 an.Similarly, T3 64 and T4 66 can be switched on by applying a negative voltage via the pull-down resistance 76 must be checked for blocking capability according to V. Limiting the diagnostic voltage by D2 74 to approx. 0.7..1.0 V below ProtGND 80 also indicates the conductivity of D2 74.

Eine Diagnose auf Leitfähigkeit der MOSFETs ist für ein Sicherheitsziel „sicher Trennen“ nicht erforderlich, kann aber durch Plausibilisierung des Drain-Source-Spannungsabfalls bei bekanntem Strom erfolgen. Mit Unterbrechung ausgefallene MOSFETs erhöhen dabei den Drain-Source-Spannungsabfall. Für diese Funktion sind die Elemente 90 und 92 erforderlich.A diagnosis of the conductivity of the MOSFETs is not required for a "safe disconnection" safety goal, but can be carried out by checking the plausibility of the drain-source voltage drop when the current is known. MOSFETs that have failed intermittently increase the drain-source voltage drop. For this function are the elements 90 and 92 required.

Die Klemmelemente D1 70 und D2 74 sind stellvertretend gezeichnet und können in der Anwendung mehrere Elemente in Serie oder Schalter enthalten. Dies kann insbesondere aufgrund der ASIL-Einstufung und Vermeidung von Einfachfehlern sowie Diagnoseanforderungen notwendig sein.The clamping elements D1 70 and D2 74 are drawn as a representative and can contain several elements in series or switches in the application. This can be necessary in particular due to the ASIL classification and avoidance of single errors as well as diagnostic requirements.

4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Trennschalters 100 mit zwei redundanten Trennelementen. Die Darstellung zeigt eine Klemme KI.30_0 102 und eine Klemme KI.30_1 104, zwischen denen der Trennschalter 100 angeordnet ist. Der Trennschalter 100 ist wiederum in zwei parallele Strompfade 106 und 108 unterteilt. Im ersten Strompfad 106 sind als Trennschalterelementgruppen eine erste Transistorgruppe T1 110 und eine zweite Transistorgruppe T2 112 vorgesehen. Entsprechend sind im zweiten Strompfad 108 als Trennschalterelementgruppen eine dritte Transistorgruppe T3 114 und eine vierte Transistorgruppe T4 116 vorgesehen. 4th shows a further embodiment of the circuit breaker 100 with two redundant separating elements. The illustration shows a terminal KI.30_0 102 and a terminal KI.30_1 104, between which the disconnector 100 is arranged. The circuit breaker 100 is in turn in two parallel current paths 106 and 108 divided. In the first current path 106 are a first transistor group T1 as disconnector element groups 110 and a second transistor group T2 112 intended. Correspondingly are in the second current path 108 a third transistor group T3 as disconnector element groups 114 and a fourth transistor group T4 116 intended.

Zusätzlich ist in dem ersten Strompfad 106 eine fünfte Transistorgruppe T5 120 und im zweiten Strompfad 108 eine sechste Transistorgruppe T6 122 vorgesehen. Weiterhin zeigt die Darstellung einen Pullup-Widerstand 130, eine Zenerdiode D1 132, einen ersten Widerstand R1 134, einen zweiten Widerstand R2 136, einen Pulldown-Widerstand 140, eine Freilaufdiode 142, einen dritten Widerstand R3 144 und einen vierten Widerstand R4 146.In addition, is in the first current path 106 a fifth transistor group T5 120 and in the second rung 108 a sixth group of transistors T6 122 intended. The illustration also shows a pull-up resistor 130 , a zener diode D1 132 , a first resistor R1 134 , a second resistor R2 136 , a pull-down resistor 140 , a freewheeling diode 142 , a third resistor R3 144 and a fourth resistor R4 146 .

Je nach Anforderungen an die Kennzahlen der Metriken zur funktionalen Sicherheit kann eine redundante Ausführung der Trennelemente notwendig sein. In der Topologie äußert sich dies durch die zusätzlichen MOSFETs T5 120 und T6 122. Durch Einfügen der MOSFETs T5 120 und T6 122 stehen nun jeweils zwei MOSFET-Gruppen zum Abschalten eines Stromflusses von KI. 30_1 nach KI. 30_0 redundant zur Verfügung, nämlich T1 110 / T5 120 und T4 116 /T6 122. Ein Kurzschluss in einer der MOSFET-Gruppen führt also noch nicht als Einzelfehler zum Verlust der Sicherheitsrelevanten Trennfunktion.Depending on the requirements for the key figures of the metrics for functional safety, a redundant design of the separating elements may be necessary. In the topology, this is expressed by the additional MOSFETs T5 120 and T6 122 . By inserting the MOSFETs T5 120 and T6 122 there are now two MOSFET groups for switching off a current flow from KI. 30_1 according to KI. 30_0 is available redundantly, namely T1 110 / T5 120 and T4 116 / T6 122. A short circuit in one of the MOSFET groups does not lead as a single fault to the loss of the safety-relevant isolating function.

Um auch hier die Diagnose aller relevanten MOSFETs durchführen zu können, wurde das Diagnosenetzwerk aus R1..R4 ergänzt. Werden diese Widerstände z. B. mit gleichen Werten ausgeführt, ergibt sich im Diagnosezustand, d. h. Schalter im Pfad AUS, am neuen Meßpunkt zwischen T1/T5 und T4/T6 jeweils die halbe Differenzspannung der Prüfspannung über T1/T5 und T4/T6. Damit kann auch die Trennfähigkeit der zusätzlichen redundanten MOSFETs in Sperrrichtung überprüft werden. Das Diagnosenetzwerk kann grundsätzlich durch eine Spannungsmesseinrichtung gegeben sein.In order to be able to carry out the diagnosis of all relevant MOSFETs here too, the diagnosis network from R1..R4 has been added. Are these resistances z. B. executed with the same values, results in the diagnostic state, i. H. Switch in the OFF path, at the new measuring point between T1 / T5 and T4 / T6 half the differential voltage of the test voltage across T1 / T5 and T4 / T6. This also enables the ability of the additional redundant MOSFETs to be isolated in the reverse direction. The diagnosis network can in principle be given by a voltage measuring device.

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Claims (10)

Trennschalter, der dazu eingerichtet ist, eine bidirektionale Klemmung zu ermöglichen, mit einem ersten Strompfad (56, 106) und einem zweiten Strompfad, (58, 108) wobei in dem ersten Strompfad (56, 106) eine erste Trennschalterelementgruppe und eine zweite Trennschalterelementgruppe angeordnet sind und in dem zweiten Strompfad (58, 108) eine dritte Trennschalterelementgruppe und eine vierte Trennschalterelementgruppe angeordnet sind, wobei jede Trennschalterelementgruppe anzusteuern ist.Disconnector which is set up to enable bidirectional clamping, with a first current path (56, 106) and a second current path, (58, 108) wherein a first disconnector element group and a second disconnector element group are arranged in the first current path (56, 106) and a third circuit breaker element group and a fourth circuit breaker element group are arranged in the second current path (58, 108), each circuit breaker element group being to be controlled. Trennschalter nach Anspruch 1, bei dem in den beiden Strompfaden (56, 58, 106, 108) zusätzliche Trennschalterelemente vorgesehen sind.Disconnector after Claim 1 , in which additional circuit breaker elements are provided in the two current paths (56, 58, 106, 108). Trennschalter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in dem ersten Strompfad (56, 106) zwischen den beiden Trennschalterelementgruppen ein Pullup-Widerstand (40, 72, 130) und in dem zweiten Strompfad (58, 108) zwischen den beiden Trennschalterelementgruppen ein Pulldown-Widerstand (76, 140) geschaltet ist, die dazu dienen, die jeweiligen Trennschalterelemente zu überprüfen.Disconnector after Claim 1 or 2 , in which a pull-up resistor (40, 72, 130) in the first current path (56, 106) between the two disconnector element groups and a pull-down resistor (76, 140) in the second current path (58, 108) between the two disconnector element groups is switched, which serve to check the respective circuit breaker elements. Trennschalter nach Anspruch 2 und 3, bei dem jedem Strompfad (56, 58, 106, 108) zusätzlich ein Diagnosenetzwerk zugeordnet ist.Disconnector after Claim 2 and 3 , in which each current path (56, 58, 106, 108) is additionally assigned a diagnostic network. Trennschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem im ersten Strompfad (56, 106) zwischen den beiden Trennschalterelementgruppen eine Zenerdiode (70,132) geschaltet ist.Disconnector after one of the Claims 1 to 4th , in which a Zener diode (70, 132) is connected in the first current path (56, 106) between the two disconnector element groups. Trennschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem im zweiten Strompfad (58, 108) zwischen den beiden Trennschalterelementgruppen eine Freilaufdiode (74, 142) geschaltet ist.Disconnector after one of the Claims 1 to 5 , in which a freewheeling diode (74, 142) is connected in the second current path (58, 108) between the two disconnector element groups. Trennschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem als Trennschalterelemente MOSFETs vorgesehen sind, die jeweils über Gate-Treiber (24, 26) anzusteuern sind.Disconnector after one of the Claims 1 to 6 , in which MOSFETs are provided as isolating switch elements, which are each to be controlled via gate drivers (24, 26). Verfahren zur Überprüfung eines Trennschalters (10, 50, 100), bei dem in mindestens einem Strompfad (56, 58, 106, 108) eine erste Trennschalterelementgruppe und eine zweite Trennschalterelementgruppe vorgesehen sind, wobei ein Widerstand zwischen den beiden Trennschalterelementgruppen geschaltet wird und anschließend das Potential zwischen den beiden Trennschalterelementgruppen überwacht wird.Method for checking a circuit breaker (10, 50, 100), in which a first circuit breaker element group and a second circuit breaker element group are provided in at least one current path (56, 58, 106, 108), a resistor being connected between the two circuit breaker element groups and then the Potential between the two disconnector element groups is monitored. Verfahren nach Anspruch 8, das zur Diagnose eines Trennschalters (10, 50, 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchgeführt wird.Procedure according to Claim 8 , which is used to diagnose a circuit breaker (10, 50, 100) according to one of the Claims 1 to 7th is carried out. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, das während eines Betriebs des Trennschalters (10, 50, 100) durchgeführt wird.Procedure according to Claim 8 or 9 that is carried out during an operation of the circuit breaker (10, 50, 100).
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