WO2024115240A1 - Control circuit for controlling a discharge process of a gate capacitor, method for operating a high-voltage direct current network - Google Patents

Control circuit for controlling a discharge process of a gate capacitor, method for operating a high-voltage direct current network Download PDF

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WO2024115240A1
WO2024115240A1 PCT/EP2023/082770 EP2023082770W WO2024115240A1 WO 2024115240 A1 WO2024115240 A1 WO 2024115240A1 EP 2023082770 W EP2023082770 W EP 2023082770W WO 2024115240 A1 WO2024115240 A1 WO 2024115240A1
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semiconductor switch
gate
circuit
terminal
control circuit
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PCT/EP2023/082770
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Stephan Bolz
Reinhard FRUTH
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Vitesco Technologies GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/16—Modifications for eliminating interference voltages or currents
    • H03K17/161—Modifications for eliminating interference voltages or currents in field-effect transistor switches
    • H03K17/162—Modifications for eliminating interference voltages or currents in field-effect transistor switches without feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/163—Soft switching
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/0072—Low side switches, i.e. the lower potential [DC] or neutral wire [AC] being directly connected to the switch and not via the load

Definitions

  • Control circuit for controlling a discharge process of a gate capacitance, method for operating a high-voltage direct current network
  • the present invention relates to a control circuit for controlling a discharge process of a gate capacitance of a semiconductor switch, for example a semiconductor switch used as an electronic fuse for interrupting a circuit, in particular in a high-voltage direct current network, specifically an on-board network of an electrically driven vehicle.
  • the invention also relates to a circuit device for interrupting a circuit, in particular a high-voltage direct current network, specifically an on-board network of an electrically driven vehicle, with a control circuit.
  • the invention also relates to a high-voltage direct current network, specifically an on-board network of an electrically driven vehicle, with a circuit device.
  • the invention also relates to a method for operating a high-voltage direct current network.
  • the invention relates to a computer program product for carrying out the method.
  • Fast-switching semiconductor switches which are particularly designed as MOSFETs or have one or more MOSFETs, are used in various fields. For example, they can be used as electronic fuses for high-voltage circuits and can quickly interrupt the circuit in the event of a defect.
  • the vehicle battery supplies not only the drive motor but also various other power consumers, such as an air conditioning compressor and/or the vehicle's power steering, via the high-voltage direct current network.
  • Live cables can be up to several meters long. There is a risk that a short circuit in the area of one of the consumers could Operation of the entire vehicle is hindered. It is therefore known to use a semiconductor switch, for example a MOSFET, as an electronic fuse in order to be able to quickly interrupt the circuit in the event of a short circuit or another problem. If the supply in a high-voltage direct current network, i.e. in a network with operating voltages of, for example, several 100 V, is to be quickly disconnected, the reaction time of the electronic fuse is largely determined by the switch-off time of the MOSFET.
  • a semiconductor switch for example a MOSFET
  • a control circuit for controlling a discharge process of a gate capacitance of a first semiconductor switch T6, comprising at least one circuit arrangement for generating a gate control signal in order to switch the first semiconductor switch T6 into blocking mode, and a second semiconductor switch T4, the gate terminal of which can be controlled with the gate control signal (in particular indirectly, i.e. with a control signal derived from this gate control signal) and the source terminal of which is electrically connected to a reference potential of the control circuit and the drain terminal of which is connected to a second terminal of a capacitor C3, wherein here and in the following the term "connected” is understood to mean "electrically connected”.
  • the control circuit further comprises a third semiconductor switch T5, the drain terminal of which is connected to a gate terminal of the first semiconductor switch and whose source terminal is connected to a first terminal of the capacitor C3.
  • the common reference potential of the control circuit can, for example, be the ground potential of the control circuit.
  • the circuit therefore comprises a second semiconductor switch T4 which can be controlled by the gate control signal and switches to an on state when controlled by the gate control signal.
  • the circuit also comprises a capacitor C3 which generates a negative discharge pulse for a third (downstream) semiconductor switch T5 when the second semiconductor switch T4 switches on, so that the third semiconductor switch T5 also switches on and thus controls the gate of the first semiconductor switch T6 and initiates the discharge process of the gate capacitance of this first semiconductor switch T6.
  • the invention makes it possible to significantly reduce the delay time when switching off the first semiconductor switch T6, for example from approximately 180 ns to approximately 75 ns. This is achieved by using the electrical circuit to decouple or treat different processes when switching off the semiconductor switch separately, in particular the discharge of the gate capacitances to reduce the delay time and the charging of the drain-gate capacitance to control the drain-source voltage edge. Until now, a rapid discharge of the gate capacitances was firmly linked to the rate of rise of the drain-source voltage of the semiconductor switch, which was not allowed to be too high and thus already specified a certain switch-off delay.
  • control circuit makes it possible to optimize the delay time and the steepness of the voltage edge largely independently of each other.
  • control circuit further comprises a gate resistor Rg connected upstream of the gate terminal of the first semiconductor switch (and in particular parallel to the third semiconductor switch).
  • the gate resistor Rg is electrically connected between the drain terminal of the second semiconductor switch T4 or the second terminal of the capacitor C3 on the one hand and the gate terminal of the first semiconductor switch T6 or the drain terminal of the third semiconductor switch T5 on the other hand.
  • the gate capacitances of the first semiconductor switch can be further discharged via the gate resistor Rg when the third semiconductor switch has switched off and the gate of the first semiconductor switch has been separated from the first terminal of the capacitor. This occurs when the gate capacitances of the first semiconductor switch and the capacitor have been discharged to such an extent that the voltage at the first terminal of the capacitor has risen to such an extent that the switching threshold of the third semiconductor switch is reached. This then switches off and separates the gate of the first semiconductor switch from the first terminal of the capacitor, so that no more current flows through this path. Instead, from this point on, the gate resistor Rg takes over the discharge of the gate capacitances.
  • the gate resistance Rg is chosen to be relatively high-resistance, for example the gate resistance of Rg is at least 20 ohms, for example about 30 ohms, the rate of rise of the drain-source voltage of the first semiconductor switch can be controlled such that it remains below values at which the first semiconductor switch could be destroyed.
  • the gate resistor Rg is designed as a variable resistor that can be controlled via a control/regulation circuit.
  • a control/regulation system can be provided that controls or regulates the gate resistor Rg in such a way that the discharge of the gate capacitance takes place as quickly as possible, while at the same time the rate of rise of the Drain-source voltage of the first semiconductor switch remains in a range that excludes destruction of the semiconductor switch.
  • the gate resistor Rg can, for example, comprise a linearly operable semiconductor switch which functions as a voltage-controlled resistor, albeit with a non-linear characteristic.
  • control circuit further comprises a further resistor which is electrically connected between the first terminal of the capacitor or the source terminal of the third semiconductor switch on the one hand and to the reference potential of the control circuit on the other hand.
  • This further resistor serves as a charging/discharging resistor of the capacitor. The capacitor is initially charged via this resistor when the first semiconductor switch is switched off.
  • the control circuit further comprises a current mirror for providing an amplified signal from the gate control signal, which is electrically connected between the circuit arrangement for generating a gate control signal and the gate terminal of the second semiconductor switch or is electrically connected on the signal input side to the signal output of the circuit arrangement and on the signal output side to the gate terminal of the second semiconductor switch.
  • the current mirror can cause the gate control signal, which jumps as a logic signal from 0 V to 5 V, for example, during the switch-off process and initiates the discharge of the gate capacitance, to be converted into a current flow from a 15 V supply voltage and thus amplified.
  • the first, the second and/or the third semiconductor switch can in particular be designed as MOSFETs (“metal oxide semiconductor field effect transistors”).
  • a circuit device for interrupting an electric circuit in particular a high-voltage direct voltage network with two or more network branches, especially an on-board network of an electrically powered vehicle with two or more on-board network branches.
  • the circuit device has at least one first semiconductor switch T6 for interrupting the circuit, in particular between two network branches of the high-voltage direct current network or between two on-board network branches of the vehicle on-board network, as well as the previously described control circuit for controlling the discharge process of the gate capacitance of the first semiconductor switch.
  • the circuit device can in particular be part of a high-voltage direct current network, in particular an on-board network of an electrically powered motor vehicle.
  • a high-voltage direct current network is provided, in particular an on-board network of an electrically powered motor vehicle.
  • the network has at least two network branches (or on-board network branches) and at least one circuit that electrically connects the two network branches to one another.
  • the network also has at least one previously mentioned circuit device, the first semiconductor switch T6 or the load current path of which is electrically connected in the circuit.
  • the circuit device is designed to establish a current flow through the circuit and thus between the two network branches by controlled switching on of the first semiconductor switch and to interrupt the current flow through the circuit by controlled switching off of the first semiconductor switch.
  • a method for operating a high-voltage direct current network described above, in particular an on-board network of an electrically powered motor vehicle, which has the aforementioned circuit device.
  • the circuit of the high-voltage direct current network is interrupted in the event of critical operating conditions, for example a short circuit, in the high-voltage direct current network by means of the at least one first semiconductor switch of the circuit device or by a controlled switching off of the first semiconductor switch.
  • a gate control signal for controlling the second semiconductor switch T4 By generating a gate control signal for controlling the second semiconductor switch T4, a discharge process of the gate capacitance of the first semiconductor switch T6 is initiated and controlled.
  • the third semiconductor switch T5 is switched off when a threshold value is reached by the voltage (or the voltage potential in relation to the reference potential of the control circuit or to the ground potential) at the first terminal of the capacitor C3 and the gate capacitance of the first semiconductor switch is subsequently further discharged in a controlled manner via the resistor Rg.
  • a computer program product comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause the computer to carry out the method described above.
  • the computer can in particular be a control unit of an electrically powered vehicle.
  • a computer program product which has or creates instructions which, when the program is executed by a computer or a comparable device, cause the computer or a comparable device to carry out the method described above using the
  • Figure 1 shows schematically elements of an electrical system of an electrically powered vehicle
  • Figure 2 shows a control circuit for controlling a discharge process of a gate capacitance of a semiconductor switch according to an embodiment of the invention.
  • Figure 1 shows schematically elements of a high-voltage direct current network or a high-voltage on-board network 1 of an electrically powered vehicle, for example a hybrid vehicle or a purely electrically powered vehicle.
  • the on-board network 1 comprises at least one electric drive motor 2, which is fed from a vehicle battery 4. Several electric drive motors can also be provided.
  • further electrical consumers 3 can be provided, of which only one is shown schematically in Figure 1, for example an air conditioning compressor of the vehicle or a power steering system, which are shown in Figure 1 as an element of the on-board network 1 because they are also fed from the vehicle battery 4.
  • the on-board network 1 further comprises a safety system 5 with main switches 6 for disconnecting the battery 4 and a control circuit 7 with at least one first semiconductor switch for disconnecting the other electrical consumers.
  • the on-board network 1 further comprises a voltage converter 8 designed as an inverter, which provides an alternating current or three-phase current for the drive motor 2 from the direct current supplied by the vehicle battery 4.
  • the on-board network 1 can comprise further elements which are not shown in Figure 1 for the sake of clarity.
  • the safety system 5 of the on-board network 1 comprises lines 9 for supplying the drive motor 2 as well as lines 10 for supplying other electrical consumers 3.
  • the lines 9 and 10 are part of the high-voltage direct current network of the on-board network 1 and connect various on-board network branches to some of the above-mentioned different on-board network components such as the drive motor 2, the vehicle battery 4, and the other consumers 3.
  • the lines 10 for supplying the electrical consumers 3 can have a
  • a short circuit in the lines 10 is therefore significantly greater than the probability of a short circuit in the lines 9, which are, for example, only 0.5-1 m long and are also specially protected.
  • a fuse element in the form of a circuit arrangement with a control circuit 7 and a first semiconductor switch T6 is provided in the circuit formed by the lines 10, which or whose load current path is electrically connected in one of the lines 10.
  • the first semiconductor switch T6 is switched on under the control of the circuit arrangement or its control circuit 7 and thus enables a free flow of current through the lines 10 and thus between the on-board network branches of the on-board network 1, which electrically connect the lines 10 to one another. In the event of a defect or short circuit in the lines
  • the first semiconductor switch T6 is switched off under the control of the circuit arrangement or its control circuit 7 and thus the flow of current through the lines 10 and thus between the on-board network branches of the on-board network 1 is interrupted.
  • Figure 2 shows the control circuit 7 for interrupting a circuit according to an embodiment of the invention, which has at least one first semiconductor switch
  • Figure 2 shows the first semiconductor switch 11, which in the embodiment shown is formed by one or two MOSFETs and has a source terminal 21, a drain terminal 22 and a gate terminal 20. It allows a rapid interruption of the lines 10 if critical voltages or currents occur.
  • Such a control circuit 7 can be provided for each individual consumer 3 or alternatively for several or all consumers 3 together.
  • Semiconductor switch 11 switches quickly.
  • the chain of effects of the The electronic fuse formed by the semiconductor switch 11 consists of detecting the current value, which may require 10 ns, for example, detecting the overcurrent condition, which may require a further 20 ns, storing the fault conditions in hardware, which may require 10 ns, switching the control signal for the semiconductor switch 11, which may require 20 ns, for example, and switching off the semiconductor switch 11, which may require 180 ns, for example.
  • a significant part of the total reaction time of the electronic fuse is therefore based on the switch-off time of the semiconductor switch 11.
  • the control circuit 7 By means of the control circuit 7, a significant reduction, for example halving, of this switch-off time is possible.
  • the delay time when switching off the semiconductor switch 11 is essentially determined by the discharge process of the gate capacitances, which can be accelerated by means of the control circuit 7.
  • the control circuit 7 has several parts, the function of which is explained in more detail below. These include in particular a circuit arrangement 12 for generating a gate control signal when the first semiconductor switch 11 switches to a blocking mode.
  • control circuit 7 comprises a current mirror 23 with capacitive current increase, which comprises the semiconductor switches T2, T3 as well as the capacitors C1, C2 and optionally further elements such as the resistors R1, R2, R3, R4.
  • control circuit 7 has a second semiconductor switch T4, which is also designed as a MOSFET and has a gate terminal 13, a source terminal 14 and a drain terminal 16.
  • control circuit 7 comprises a capacitor C3 with a first terminal 15 and a second terminal 17 for generating a negative discharge pulse.
  • the gate terminal 13 of the second semiconductor switch T4 is connected to the gate control signal amplified by means of the current mirror 23.
  • the source connection 14 of the second semiconductor switch T4 is electrically connected to a common reference potential of the control circuit 7.
  • the drain connection 16 of the second semiconductor switch T4 is electrically connected to the second connection 17 of the capacitor C3 via connection nodes V2 and V4.
  • the common reference potential of the control circuit 7 can be the ground potential of the control circuit 7 or the circuit device.
  • the control circuit 7 further comprises a third semiconductor switch T5 with a source terminal 19, a drain terminal 18 and a gate terminal 24 for decoupling the negative charging pulse.
  • the drain terminal 18 of the third semiconductor switch T5 is electrically connected to the gate terminal 20 of the first semiconductor switch 11 via a connection node V7 and the source terminal 19 of the third semiconductor switch T5 is electrically connected to the first terminal 15 of the capacitor C3 via a further connection node V5.
  • the gate terminal 24 of the third semiconductor switch T5 is electrically connected to a common reference potential of the control circuit 7, to which the source terminal 21 of the first semiconductor switch 11 is also electrically connected.
  • the common reference potential of the control circuit 7 can in particular be the ground potential of the control circuit 7.
  • control circuit 7 has a gate resistor Rg connected upstream of the gate terminal 20 of the first semiconductor switch 11 in parallel with the third semiconductor switch T5 or its load current path for controlling the voltage switch-off edge, which is thus electrically connected between the two connection nodes V4 and V7.
  • the drain terminal 18 of the third semiconductor switch T5 is electrically connected via the connection node V7 to the gate resistor Rg and further via the gate resistor Rg to the second terminal 17 of the capacitor C3 and the connection node V2.
  • drain terminal 16 of the second semiconductor switch T4 is connected to the drain terminal 16 of the second semiconductor switch T4
  • Connection node V2 which is connected via resistor R5 to a Current/voltage source 25 is electrically connected.
  • the connection nodes V3, V6, V8, V10 and V11 are at the common reference potential or the reference potential of the control circuit 7.
  • the connection node V4 is connected to the connection node V2 and to the gate resistor Rg and the second terminal 17 of the capacitor C3, the connection node V5 to the first terminal 15 of the capacitor C3, to the source terminal 19 of the third semiconductor switch T5 and to the resistor R6.
  • the resistor R6 is electrically connected between the connection nodes V6 and V5.
  • connection node V7 is electrically connected to the gate resistor Rg and to the drain connection 18 of the third semiconductor switch T5 as well as to the connection node V9.
  • the connection node V8 is electrically connected to the gate connection 24 of the third semiconductor switch T5, which is thus connected to the common reference potential or the reference potential of the control circuit 7.
  • the connection node V10 is connected to the source connection 21 of the first semiconductor switch 11, which is thus also connected to the common reference potential or the reference potential of the control circuit 7.
  • the drain connection 22 of the first semiconductor switch 11 is connected to the connection node V12, which in turn is connected to the connection node V13.
  • a capacitor C4 is electrically connected between the connection nodes V11 and V13 and thus parallel to the first semiconductor switch 11.
  • the connection nodes V11 and V13 correspond to voltage taps of the vehicle battery 4.
  • the circuit arrangement 12 provides a logic signal that jumps from 0 V to 5 V and thus initiates the switch-off process of the semiconductor switch 11.
  • the gate control signal allows a current of approximately 10 mA to flow through the semiconductor switch T2 of the current mirror 23, with an initial increase due to the charging process of the capacitor C1.
  • the current mirror T2, T3 converts this into a current flow from the 15 V current/voltage source 25.
  • the resistors R1 and R3 serve to compensate for the tolerances of the two semiconductor switches T2, T3.
  • the current from the semiconductor switch T3 is briefly increased further by the capacitor C2 in order to quickly charge the gate capacitance of the semiconductor switch T4.
  • the current mirror 23 thus provides an amplified gate control signal at the connection node V1 and the gate terminal 13 of the second semiconductor switch T4 connected to it.
  • T3 The current flow from T3 turns on T4 and its drain voltage drops to approximately 0 V.
  • the potential of the second terminal 17 of the capacitor C3 connected to it now also drops to 0 V.
  • the potential of the first terminal 15 of C3 drops to approximately -15 V.
  • the potential of the third semiconductor switch T5 connected to it also drops to approximately -15 V.
  • the gate-source voltage of T5 is now approximately 15 V, whereupon T5 turns on.
  • the gate terminal 20 of the first semiconductor switch 11 is connected to the first terminal 15 of C3 and the gate voltage drops from 15 V to approximately -15 V.
  • the gate capacitances of the first semiconductor switch 11 are now discharged, while C3 is also discharged at the same time. As long as T4 is switched off, C3 is recharged via R5 and R6.
  • This process is a first sub-step of the switch-off process of the first semiconductor switch 11 while the channel of the MOSFET is still saturated.
  • the second sub-step namely the switch-off of the channel, follows as follows:
  • the resistor Rg takes over the control of the gate signal, ie the discharge of the gate capacitance of the first semiconductor switch 11, and thus controls the second sub-step of the discharge process.
  • the first Semiconductor switch 11 operates in linear mode and the drain-source voltage is in the range of the Miller plateau.
  • the first semiconductor switch 11 operates as an integrator.
  • Rg is selected to be high-impedance and is 30 ohms in the embodiment shown. Rg can thus control the rate of rise of the drain-source voltage of the first semiconductor switch 11 and limit it to a value at which the first semiconductor switch 11 is not damaged.
  • the capacitor C4 connected in parallel to the first semiconductor switch 11 supports and linearizes the voltage curve.

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Abstract

The invention relates to a control circuit (7) for controlling a discharge process of a gate capacitor of a first semiconductor switch (11 or T6), comprising at least: - a circuit arrangement (12) for generating a gate control signal in order to switch the first semiconductor switch (11 or T6) to a cut-off operation; - a second semiconductor switch (T4), the gate electrode (13) of which can be controlled via the gate control signal, the source electrode (14) of which is connected to a reference potential of the control circuit (7), and the drain electrode (16) of which is connected to a second terminal (17) of a capacitor (C3); - a third semiconductor switch (T5), the drain electrode (18) of which is connected to a gate electrode (20) of the first semiconductor switch (11 or T6), and the source electrode (19) of which is connected to a first terminal (15) of the capacitor (C3). The invention also relates to: a circuit device for interrupting an electric circuit, in particular a high-voltage direct-current network, comprising said control circuit; a high-voltage direct-current network comprising said circuit device; a method for operating said high-voltage direct-current network; and a computer program product for executing said method.

Description

Beschreibung Description
Steuerschaltung zur Steuerung eines Entladevorgangs einer Gate-Kapazität, Verfahren zum Betreiben eines Hochvolt-Gleichspannungsnetzes Control circuit for controlling a discharge process of a gate capacitance, method for operating a high-voltage direct current network
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. The present invention relates to a control circuit for controlling a discharge process of a gate capacitance of a semiconductor switch, for example a semiconductor switch used as an electronic fuse for interrupting a circuit, in particular in a high-voltage direct current network, specifically an on-board network of an electrically driven vehicle. The invention also relates to a circuit device for interrupting a circuit, in particular a high-voltage direct current network, specifically an on-board network of an electrically driven vehicle, with a control circuit. The invention also relates to a high-voltage direct current network, specifically an on-board network of an electrically driven vehicle, with a circuit device. The invention also relates to a method for operating a high-voltage direct current network. Finally, the invention relates to a computer program product for carrying out the method.
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. Fast-switching semiconductor switches, which are particularly designed as MOSFETs or have one or more MOSFETs, are used in various fields. For example, they can be used as electronic fuses for high-voltage circuits and can quickly interrupt the circuit in the event of a defect.
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. In the case of an electrically powered vehicle, the vehicle battery supplies not only the drive motor but also various other power consumers, such as an air conditioning compressor and/or the vehicle's power steering, via the high-voltage direct current network.
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. Live cables can be up to several meters long. There is a risk that a short circuit in the area of one of the consumers could Operation of the entire vehicle is hindered. It is therefore known to use a semiconductor switch, for example a MOSFET, as an electronic fuse in order to be able to quickly interrupt the circuit in the event of a short circuit or another problem. If the supply in a high-voltage direct current network, i.e. in a network with operating voltages of, for example, several 100 V, is to be quickly disconnected, the reaction time of the electronic fuse is largely determined by the switch-off time of the MOSFET.
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. It is therefore the object of the present invention to provide a possibility for accelerated switching off of a semiconductor switch, in particular a MOSFET. Furthermore, a method for operating a high-voltage direct current network with such an electrical circuit is to be specified.
Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. This object is achieved by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments and further developments are the subject matter of the subclaims.
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. According to a first aspect of the invention, a control circuit is provided for controlling a discharge process of a gate capacitance of a first semiconductor switch T6, comprising at least one circuit arrangement for generating a gate control signal in order to switch the first semiconductor switch T6 into blocking mode, and a second semiconductor switch T4, the gate terminal of which can be controlled with the gate control signal (in particular indirectly, i.e. with a control signal derived from this gate control signal) and the source terminal of which is electrically connected to a reference potential of the control circuit and the drain terminal of which is connected to a second terminal of a capacitor C3, wherein here and in the following the term "connected" is understood to mean "electrically connected". The control circuit further comprises a third semiconductor switch T5, the drain terminal of which is connected to a gate terminal of the first semiconductor switch and whose source terminal is connected to a first terminal of the capacitor C3.
Dabei kann das gemeinsame Bezugspotential der Steuerschaltung bspw. das Massepotential der Steuerschaltung sein. The common reference potential of the control circuit can, for example, be the ground potential of the control circuit.
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. In addition to the first semiconductor switch T6 (which is to be controlled), the circuit therefore comprises a second semiconductor switch T4 which can be controlled by the gate control signal and switches to an on state when controlled by the gate control signal. The circuit also comprises a capacitor C3 which generates a negative discharge pulse for a third (downstream) semiconductor switch T5 when the second semiconductor switch T4 switches on, so that the third semiconductor switch T5 also switches on and thus controls the gate of the first semiconductor switch T6 and initiates the discharge process of the gate capacitance of this first semiconductor switch T6.
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. The invention makes it possible to significantly reduce the delay time when switching off the first semiconductor switch T6, for example from approximately 180 ns to approximately 75 ns. This is achieved by using the electrical circuit to decouple or treat different processes when switching off the semiconductor switch separately, in particular the discharge of the gate capacitances to reduce the delay time and the charging of the drain-gate capacitance to control the drain-source voltage edge. Until now, a rapid discharge of the gate capacitances was firmly linked to the rate of rise of the drain-source voltage of the semiconductor switch, which was not allowed to be too high and thus already specified a certain switch-off delay.
Die erfindungsgemäße Steuerschaltung jedoch ermöglicht es, die Verzögerungszeit und die Steilheit der Spannungsflanke weitgehend unabhängig voneinander zu optimieren. 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. However, the control circuit according to the invention makes it possible to optimize the delay time and the steepness of the voltage edge largely independently of each other. According to one embodiment, the control circuit further comprises a gate resistor Rg connected upstream of the gate terminal of the first semiconductor switch (and in particular parallel to the third semiconductor switch). The gate resistor Rg is electrically connected between the drain terminal of the second semiconductor switch T4 or the second terminal of the capacitor C3 on the one hand and the gate terminal of the first semiconductor switch T6 or the drain terminal of the third semiconductor switch T5 on the other hand.
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. The gate capacitances of the first semiconductor switch can be further discharged via the gate resistor Rg when the third semiconductor switch has switched off and the gate of the first semiconductor switch has been separated from the first terminal of the capacitor. This occurs when the gate capacitances of the first semiconductor switch and the capacitor have been discharged to such an extent that the voltage at the first terminal of the capacitor has risen to such an extent that the switching threshold of the third semiconductor switch is reached. This then switches off and separates the gate of the first semiconductor switch from the first terminal of the capacitor, so that no more current flows through this path. Instead, from this point on, the gate resistor Rg takes over the discharge of the gate capacitances.
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. If the gate resistance Rg is chosen to be relatively high-resistance, for example the gate resistance of Rg is at least 20 ohms, for example about 30 ohms, the rate of rise of the drain-source voltage of the first semiconductor switch can be controlled such that it remains below values at which the first semiconductor switch could be destroyed.
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-ZRegelungsschaltung 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. In order to be able to control the discharge via the gate resistor Rg even better, according to one embodiment the gate resistor Rg is designed as a variable resistor that can be controlled via a control/regulation circuit. In this case, a control/regulation system can be provided that controls or regulates the gate resistor Rg in such a way that the discharge of the gate capacitance takes place as quickly as possible, while at the same time the rate of rise of the Drain-source voltage of the first semiconductor switch remains in a range that excludes destruction of the semiconductor switch.
Dazu kann der Gatewiderstand Rg beispielsweise einen linear betreibbaren Halbleiterschalter aufweisen, der als spannungsgesteuerter Widerstand, wenn auch mit nichtlinearer Kennlinie, fungiert. For this purpose, the gate resistor Rg can, for example, comprise a linearly operable semiconductor switch which functions as a voltage-controlled resistor, albeit with a non-linear characteristic.
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. According to one embodiment, the control circuit further comprises a further resistor which is electrically connected between the first terminal of the capacitor or the source terminal of the third semiconductor switch on the one hand and to the reference potential of the control circuit on the other hand. This further resistor serves as a charging/discharging resistor of the capacitor. The capacitor is initially charged via this resistor when the first semiconductor switch is switched off.
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. According to one embodiment, the control circuit further comprises a current mirror for providing an amplified signal from the gate control signal, which is electrically connected between the circuit arrangement for generating a gate control signal and the gate terminal of the second semiconductor switch or is electrically connected on the signal input side to the signal output of the circuit arrangement and on the signal output side to the gate terminal of the second semiconductor switch. For example, the current mirror can cause the gate control signal, which jumps as a logic signal from 0 V to 5 V, for example, during the switch-off process and initiates the discharge of the gate capacitance, to be converted into a current flow from a 15 V supply voltage and thus amplified.
Der erste, der zweite und/oder der dritte Halbleiterschalter können insbesondere als MOSFETs („Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren“) ausgebildet sein. The first, the second and/or the third semiconductor switch can in particular be designed as MOSFETs (“metal oxide semiconductor field effect transistors”).
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. According to a second aspect of the invention, a circuit device for interrupting an electric circuit, in particular a high-voltage direct voltage network with two or more network branches, especially an on-board network of an electrically powered vehicle with two or more on-board network branches.
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. The circuit device has at least one first semiconductor switch T6 for interrupting the circuit, in particular between two network branches of the high-voltage direct current network or between two on-board network branches of the vehicle on-board network, as well as the previously described control circuit for controlling the discharge process of the gate capacitance of the first semiconductor switch.
Die Schaltungsvorrichtung kann insbesondere Teil eines Hochvolt-Gleichspannungsnetzes sein, insbesondere eines Bordnetzes eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs. The circuit device can in particular be part of a high-voltage direct current network, in particular an on-board network of an electrically powered motor vehicle.
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 Laststrom strecke 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. According to a third aspect of the invention, a high-voltage direct current network is provided, in particular an on-board network of an electrically powered motor vehicle. The network has at least two network branches (or on-board network branches) and at least one circuit that electrically connects the two network branches to one another. The network also has at least one previously mentioned circuit device, the first semiconductor switch T6 or the load current path of which is electrically connected in the circuit. The circuit device is designed to establish a current flow through the circuit and thus between the two network branches by controlled switching on of the first semiconductor switch and to interrupt the current flow through the circuit by controlled switching off of the first semiconductor switch.
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. According to a fourth aspect of the invention, a method is provided for operating a high-voltage direct current network described above, in particular an on-board network of an electrically powered motor vehicle, which has the aforementioned circuit device. According to the method, the circuit of the high-voltage direct current network is interrupted in the event of critical operating conditions, for example a short circuit, in the high-voltage direct current network by means of the at least one first semiconductor switch of the circuit device or by a controlled switching off of the first semiconductor switch. Furthermore By generating a gate control signal for controlling the second semiconductor switch T4, a discharge process of the gate capacitance of the first semiconductor switch T6 is initiated and controlled.
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. In particular, it is provided that the third semiconductor switch T5 is switched off when a threshold value is reached by the voltage (or the voltage potential in relation to the reference potential of the control circuit or to the ground potential) at the first terminal of the capacitor C3 and the gate capacitance of the first semiconductor switch is subsequently further discharged in a controlled manner via the resistor Rg.
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. According to a fifth aspect of the invention, a computer program product is specified, comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause the computer to carry out the method described above. The computer can in particular be a control unit of an electrically powered vehicle.
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 beschriebenenIn other words, a computer program product is specified which has or creates instructions which, when the program is executed by a computer or a comparable device, cause the computer or a comparable device to carry out the method described above using the
Schaltungsvorrichtung des zuvor beschriebenen Hochvolt-Gleichspannungsnetzes durchzuführen. switching device of the high-voltage direct current network described above.
Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Embodiments of the invention are described below by way of example with reference to schematic drawings.
Figur 1 zeigt schematisch Elemente eines Bordnetzes eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, und Figure 1 shows schematically elements of an electrical system of an electrically powered vehicle, and
Figur 2 zeigt eine Steuerschaltung zur Steuerung eines Entladevorgangs einer Gate-Kapazität eines Halbleiterschalters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Figur 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. Figure 2 shows a control circuit for controlling a discharge process of a gate capacitance of a semiconductor switch according to an embodiment of the invention. Figure 1 shows schematically elements of a high-voltage direct current network or a high-voltage on-board network 1 of an electrically powered vehicle, for example a hybrid vehicle or a purely electrically powered vehicle. The on-board network 1 comprises at least one electric drive motor 2, which is fed from a vehicle battery 4. Several electric drive motors can also be provided.
Neben dem zumindest einen elektrischen Antriebsmotor 2 können weitere elektrische Verbraucher 3 vorgesehen sein, von denen in Figur 1 nur einer schematisch gezeigt ist, beispielsweise ein Klimakompressor des Fahrzeugs oder eine Servolenkung, die in Figur 1 als Element des Bordnetzes 1 dargestellt werden, weil sie ebenfalls aus der Fahrzeugbatterie 4 gespeist werden. In addition to the at least one electric drive motor 2, further electrical consumers 3 can be provided, of which only one is shown schematically in Figure 1, for example an air conditioning compressor of the vehicle or a power steering system, which are shown in Figure 1 as an element of the on-board network 1 because they are also fed from the vehicle battery 4.
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 Figur 1 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt sind. The on-board network 1 further comprises a safety system 5 with main switches 6 for disconnecting the battery 4 and a control circuit 7 with at least one first semiconductor switch for disconnecting the other electrical consumers. The on-board network 1 further comprises a voltage converter 8 designed as an inverter, which provides an alternating current or three-phase current for the drive motor 2 from the direct current supplied by the vehicle battery 4. In addition, the on-board network 1 can comprise further elements which are not shown in Figure 1 for the sake of clarity.
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. The safety system 5 of the on-board network 1 comprises lines 9 for supplying the drive motor 2 as well as lines 10 for supplying other electrical consumers 3. The lines 9 and 10 are part of the high-voltage direct current network of the on-board network 1 and connect various on-board network branches to some of the above-mentioned different on-board network components such as the drive motor 2, the vehicle battery 4, and the other consumers 3.
Die Leitungen 10 zur Versorgung der elektrischen Verbraucher 3 können eineThe lines 10 for supplying the electrical consumers 3 can have a
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 Laststrom strecke 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 Leitungenlength of several meters, depending on the type of supplying consumers 3, which are typically distributed at different positions in the vehicle. The probability of a short circuit in the lines 10 is therefore significantly greater than the probability of a short circuit in the lines 9, which are, for example, only 0.5-1 m long and are also specially protected. In order to prevent a failure of the entire on-board network 1 and thus also of the drive motor 2 in the event of a defect in the lines 10 or in the consumers 3, a fuse element in the form of a circuit arrangement with a control circuit 7 and a first semiconductor switch T6 is provided in the circuit formed by the lines 10, which or whose load current path is electrically connected in one of the lines 10. In normal operation, the first semiconductor switch T6 is switched on under the control of the circuit arrangement or its control circuit 7 and thus enables a free flow of current through the lines 10 and thus between the on-board network branches of the on-board network 1, which electrically connect the lines 10 to one another. In the event of a defect or short circuit in the lines
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. 10, the first semiconductor switch T6 is switched off under the control of the circuit arrangement or its control circuit 7 and thus the flow of current through the lines 10 and thus between the on-board network branches of the on-board network 1 is interrupted.
Figur 2 zeigt die Steuerschaltung 7 zur Unterbrechung eines Stromkreises gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die zumindest einen ersten HalbleiterschalterFigure 2 shows the control circuit 7 for interrupting a circuit according to an embodiment of the invention, which has at least one first semiconductor switch
11 bzw. T6 umfasst. Figur 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. 11 or T6. Figure 2 shows the first semiconductor switch 11, which in the embodiment shown is formed by one or two MOSFETs and has a source terminal 21, a drain terminal 22 and a gate terminal 20. It allows a rapid interruption of the lines 10 if critical voltages or currents occur.
Eine derartige Steuerschaltung 7 kann für jeden einzelnen Verbraucher 3 vorgesehen sein oder alternativ für mehrere oder alle Verbraucher 3 gemeinsam. Such a control circuit 7 can be provided for each individual consumer 3 or alternatively for several or all consumers 3 together.
Im Falle eines Kurzschlusses oder Defekts ist es von großer Bedeutung, dass derIn the event of a short circuit or defect, it is of great importance that the
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. Semiconductor switch 11 switches quickly. The chain of effects of the The electronic fuse formed by the semiconductor switch 11 consists of detecting the current value, which may require 10 ns, for example, detecting the overcurrent condition, which may require a further 20 ns, storing the fault conditions in hardware, which may require 10 ns, switching the control signal for the semiconductor switch 11, which may require 20 ns, for example, and switching off the semiconductor switch 11, which may require 180 ns, for example. A significant part of the total reaction time of the electronic fuse is therefore based on the switch-off time of the semiconductor switch 11. By means of the control circuit 7, a significant reduction, for example halving, of this switch-off time is possible.
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. The delay time when switching off the semiconductor switch 11 is essentially determined by the discharge process of the gate capacitances, which can be accelerated by means of the control circuit 7.
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. The control circuit 7 has several parts, the function of which is explained in more detail below. These include in particular a circuit arrangement 12 for generating a gate control signal when the first semiconductor switch 11 switches to a blocking mode.
Ferner umfasst die Steuerschaltung 7 einen Stromspiegel 23 mit kapazitiver Stromüberhöhung, der die Halbleiterschalter T2, T3 sowie die Kapazitäten C1 , 02 und gegebenenfalls weitere Elemente wie beispielweise die Widerstände R1 , R2, R3, R4 umfasst. Furthermore, the control circuit 7 comprises a current mirror 23 with capacitive current increase, which comprises the semiconductor switches T2, T3 as well as the capacitors C1, C2 and optionally further elements such as the resistors R1, R2, R3, R4.
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. Furthermore, the control circuit 7 has a second semiconductor switch T4, which is also designed as a MOSFET and has a gate terminal 13, a source terminal 14 and a drain terminal 16.
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. Furthermore, the control circuit 7 comprises a capacitor C3 with a first terminal 15 and a second terminal 17 for generating a negative discharge pulse. The gate terminal 13 of the second semiconductor switch T4 is connected to the gate control signal amplified by means of the current mirror 23. The source connection 14 of the second semiconductor switch T4 is electrically connected to a common reference potential of the control circuit 7. The drain connection 16 of the second semiconductor switch T4 is electrically connected to the second connection 17 of the capacitor C3 via connection nodes V2 and V4. The common reference potential of the control circuit 7 can be the ground potential of the control circuit 7 or the circuit device.
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. The control circuit 7 further comprises a third semiconductor switch T5 with a source terminal 19, a drain terminal 18 and a gate terminal 24 for decoupling the negative charging pulse. The drain terminal 18 of the third semiconductor switch T5 is electrically connected to the gate terminal 20 of the first semiconductor switch 11 via a connection node V7 and the source terminal 19 of the third semiconductor switch T5 is electrically connected to the first terminal 15 of the capacitor C3 via a further connection node V5. The gate terminal 24 of the third semiconductor switch T5 is electrically connected to a common reference potential of the control circuit 7, to which the source terminal 21 of the first semiconductor switch 11 is also electrically connected. The common reference potential of the control circuit 7 can in particular be the ground potential of the control circuit 7.
Ferner weist die Steuerschaltung 7 einen dem Gateanschluss 20 des ersten Halbleiterschalters 11 parallel zum dritten Halbleiterschalter T5 bzw. dessen Laststrom strecke 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. Furthermore, the control circuit 7 has a gate resistor Rg connected upstream of the gate terminal 20 of the first semiconductor switch 11 in parallel with the third semiconductor switch T5 or its load current path for controlling the voltage switch-off edge, which is thus electrically connected between the two connection nodes V4 and V7. The drain terminal 18 of the third semiconductor switch T5 is electrically connected via the connection node V7 to the gate resistor Rg and further via the gate resistor Rg to the second terminal 17 of the capacitor C3 and the connection node V2.
Ferner ist der Drainanschluss 16 des zweiten Halbleiterschalters T4 mit demFurthermore, the drain terminal 16 of the second semiconductor switch T4 is connected to the
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. Connection node V2, which is connected via resistor R5 to a Current/voltage source 25 is electrically connected. The connection nodes V3, V6, V8, V10 and V11 are at the common reference potential or the reference potential of the control circuit 7. The connection node V4 is connected to the connection node V2 and to the gate resistor Rg and the second terminal 17 of the capacitor C3, the connection node V5 to the first terminal 15 of the capacitor C3, to the source terminal 19 of the third semiconductor switch T5 and to the resistor R6. The resistor R6 is electrically connected between the connection nodes V6 and V5.
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. The connection node V7 is electrically connected to the gate resistor Rg and to the drain connection 18 of the third semiconductor switch T5 as well as to the connection node V9. The connection node V8 is electrically connected to the gate connection 24 of the third semiconductor switch T5, which is thus connected to the common reference potential or the reference potential of the control circuit 7. The connection node V10 is connected to the source connection 21 of the first semiconductor switch 11, which is thus also connected to the common reference potential or the reference potential of the control circuit 7. The drain connection 22 of the first semiconductor switch 11 is connected to the connection node V12, which in turn is connected to the connection node V13. A capacitor C4 is electrically connected between the connection nodes V11 and V13 and thus parallel to the first semiconductor switch 11. The connection nodes V11 and V13 correspond to voltage taps of the vehicle battery 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. In the event of a short circuit or other defect, the circuit arrangement 12 provides a logic signal that jumps from 0 V to 5 V and thus initiates the switch-off process of the semiconductor switch 11.
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. The gate control signal allows a current of approximately 10 mA to flow through the semiconductor switch T2 of the current mirror 23, with an initial increase due to the charging process of the capacitor C1. The current mirror T2, T3 converts this into a current flow from the 15 V current/voltage source 25. The resistors R1 and R3 serve to compensate for the tolerances of the two semiconductor switches T2, T3. In addition, the current from the semiconductor switch T3 is briefly increased further by the capacitor C2 in order to quickly charge the gate capacitance of the semiconductor switch T4. The current mirror 23 thus provides an amplified gate control signal at the connection node V1 and the gate terminal 13 of the second semiconductor switch T4 connected to it.
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. The current flow from T3 turns on T4 and its drain voltage drops to approximately 0 V. The potential of the second terminal 17 of the capacitor C3 connected to it now also drops to 0 V. As a result, the potential of the first terminal 15 of C3 drops to approximately -15 V. The potential of the third semiconductor switch T5 connected to it also drops to approximately -15 V. The gate-source voltage of T5 is now approximately 15 V, whereupon T5 turns on.
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. As a result, the gate terminal 20 of the first semiconductor switch 11 is connected to the first terminal 15 of C3 and the gate voltage drops from 15 V to approximately -15 V. The gate capacitances of the first semiconductor switch 11 are now discharged, while C3 is also discharged at the same time. As long as T4 is switched off, C3 is recharged via R5 and R6.
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: This process is a first sub-step of the switch-off process of the first semiconductor switch 11 while the channel of the MOSFET is still saturated. The second sub-step, namely the switch-off of the channel, follows as follows:
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. As a result of the discharge of the gate capacitances, the voltage at the first terminal 15 of C3 increases. This simultaneously reduces the gate-drain voltage of the third semiconductor switch T5. As soon as its switching threshold is reached, T5 switches off again and separates the gate terminal 20 of the first semiconductor switch 11 from the first terminal 15 of the capacitor C3, so that no more current flows.
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. 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. From this point on, the resistor Rg takes over the control of the gate signal, ie the discharge of the gate capacitance of the first semiconductor switch 11, and thus controls the second sub-step of the discharge process. The first Semiconductor switch 11 operates in linear mode and the drain-source voltage is in the range of the Miller plateau. The first semiconductor switch 11 operates as an integrator. Rg is selected to be high-impedance and is 30 ohms in the embodiment shown. Rg can thus control the rate of rise of the drain-source voltage of the first semiconductor switch 11 and limit it to a value at which the first semiconductor switch 11 is not damaged. The capacitor C4 connected in parallel to the first semiconductor switch 11 supports and linearizes the voltage curve.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
1 Bordnetz 1 on-board network
2 Antriebsmotor 2 Drive motor
3 Verbraucher 3 Consumers
4 Fahrzeugbatterie 4 Vehicle battery
5 Sicherungssystem 5 Security system
6 Hauptschalter 6 Main switch
7 Steuerschaltung 7 Control circuit
8 Spannungswandler 8 Voltage converter
9 Leitung 9 Management
10 Leitung 10 Line
11 , T6 erster Halbleiterschalter 11 , T6 first semiconductor switch
12 Einrichtung 12 Furnishing
13 Gateanschluss 13 Gate connection
14 Sourceanschluss 14 Source connection
15 erster Anschluss 15 first connection
16 Drainanschluss 16 Drain connection
17 zweiter Anschluss 17 second connection
18 Drainanschluss 18 Drain connection
19 Sourceanschluss 19 Source connection
20 Gateanschluss 20 Gate connection
21 Sourceanschluss 21 Source connection
22 Drainanschluss 22 Drain connection
23 Stromspiegel 23 Current mirror
24 Gateanschluss 24 Gate connection
25 Strom-/Spannungsquelle 25 Current/voltage source
T1 , T2, T3 Halbleiterschalter des StromspiegelsT1, T2, T3 semiconductor switches of the current mirror
T4 zweiter Halbleiterschalter T4 second semiconductor switch
T5 dritter Halbleiterschalter T5 third semiconductor switch
R1 , R2, R3, R4, R5, R6 Widerstand R1 , R2, R3, R4, R5, R6 resistance
Rg Gatewiderstand Rg Gate resistance
C1 , C2, C3, C4 Kondensator C1, C2, C3, C4 capacitor

Claims

Patentansprüche Patent claims
1 . Steuerschaltung (7) zur Steuerung eines Entladevorgangs einer Gate-Kapazität eines ersten Halbleiterschalters (11 bzw. T6), aufweisend zumindest, 1 . Control circuit (7) for controlling a discharge process of a gate capacitance of a first semiconductor switch (11 or T6), comprising at least
- eine Schaltungsanordnung (12) zur Erzeugung eines Gate-Steuersignals, um den ersten Halbleiterschalter (11 bzw. T6) in einen Sperrbetrieb zu schalten; - a circuit arrangement (12) for generating a gate control signal in order to switch the first semiconductor switch (11 or T6) into a blocking mode;
- einen zweiten Halbleiterschalter (T4), dessen Gateanschluss (13) mit dem Gate-Steuersignal ansteuerbar ist und dessen Sourceanschluss (14) mit einem Bezugspotential der Steuerschaltung (7) verbunden ist und dessen Drainanschluss (16) mit einem zweiten Anschluss (17) eines Kondensators (C3) verbunden ist;- a second semiconductor switch (T4), the gate terminal (13) of which can be controlled with the gate control signal and the source terminal (14) of which is connected to a reference potential of the control circuit (7) and the drain terminal (16) of which is connected to a second terminal (17) of a capacitor (C3);
- einen dritten Halbleiterschalter (T5), dessen Drainanschluss (18) mit einem Gateanschluss (20) des ersten Halbleiterschalters (11 bzw. T6) verbunden ist und dessen Sourceanschluss (19) mit einem ersten Anschluss (15) des Kondensators (C3) verbunden ist. - a third semiconductor switch (T5), whose drain terminal (18) is connected to a gate terminal (20) of the first semiconductor switch (11 or T6) and whose source terminal (19) is connected to a first terminal (15) of the capacitor (C3).
2. Steuerschaltung (7) nach Anspruch 1 , die ferner einen dem Gateanschluss (20) des ersten Halbleiterschalters (11 bzw. T6) vorgeschalteten Gate-Widerstand (Rg) aufweist, der zwischen dem Drainanschluss (16) des zweiten Halbleiterschalters (T4) bzw. dem zweiten Anschluss (17) des Kondensators (C3) einerseits und dem Gateanschluss (20) des ersten Halbleiterschalters (11 bzw. T6) bzw. dem Drainanschluss (18) des dritten Halbleiterschalters (T5) anderseits elektrisch angeschlossen ist. 2. Control circuit (7) according to claim 1, which further comprises a gate resistor (Rg) connected upstream of the gate terminal (20) of the first semiconductor switch (11 or T6) and which is electrically connected between the drain terminal (16) of the second semiconductor switch (T4) or the second terminal (17) of the capacitor (C3) on the one hand and the gate terminal (20) of the first semiconductor switch (11 or T6) or the drain terminal (18) of the third semiconductor switch (T5) on the other hand.
3. Steuerschaltung (7) nach Anspruch 2, wobei der Gate -Widerstand (Rg) einen elektrischen Widerstand von mindestens 20 Ohm aufweist. 3. Control circuit (7) according to claim 2, wherein the gate resistor (Rg) has an electrical resistance of at least 20 ohms.
4. Steuerschaltung (7) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Gate -Widerstand (Rg) variabel und über eine Steuerschaltung ansteuerbar ist. 4. Control circuit (7) according to claim 2 or 3, wherein the gate resistance (Rg) is variable and can be controlled via a control circuit.
5. Steuerschaltung (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die ferner einen weiteren Widerstand (R6) aufweist, der zwischen dem ersten Anschluss (15) des Kondensators (C3) bzw. dem Sourceanschluss (19) des dritten Halbleiterschalters (T5) einerseits und dem Bezugspotential der Steuerschaltung (7) andererseits elektrisch angeschlossen ist. 5. Control circuit (7) according to one of claims 1 to 4, which further comprises a further resistor (R6) which is connected between the first terminal (15) of the capacitor (C3) and the source terminal (19) of the third semiconductor switch (T5) on the one hand and the reference potential of the control circuit (7) on the other hand.
6. Steuerschaltung (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die ferner einen Stromspiegel (23) zur Bereitstellung eines verstärkten Signals aus dem Gate-Steuersignal aufweist, der zwischen der Schaltungsanordnung (12) zur Erzeugung eines Gate-Steuersignals und dem Gateanschluss (13) des zweiten Halbleiterschalters (T4) elektrisch angeschlossen ist. 6. Control circuit (7) according to one of claims 1 to 5, further comprising a current mirror (23) for providing an amplified signal from the gate control signal, which is electrically connected between the circuit arrangement (12) for generating a gate control signal and the gate terminal (13) of the second semiconductor switch (T4).
7. Steuerschaltung (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der erste, der zweite und der dritte Halbleiterschalter (11 bzw. T6, T4, T5) als MOSFETS ausgebildet sind. 7. Control circuit (7) according to one of claims 1 to 6, wherein the first, the second and the third semiconductor switches (11 or T6, T4, T5) are designed as MOSFETs.
8. Schaltungsvorrichtung zur Unterbrechung eines Stromkreises, aufweisend zumindest einen ersten Halbleiterschalter (11 bzw. T6) zur Unterbrechung des Stromkreises, der im Stromkreis elektrisch angeschlossen ist und eine Steuerschaltung (7) nach einem der vorangehenden Ansprüche, die eingerichtet ist, den Entladevorgang der Gate-Kapazität des ersten Halbleiterschalters (11 bzw. T6) zu steuern. 8. Circuit device for interrupting an electrical circuit, comprising at least one first semiconductor switch (11 or T6) for interrupting the electrical circuit, which is electrically connected in the electrical circuit and a control circuit (7) according to one of the preceding claims, which is designed to control the discharge process of the gate capacitance of the first semiconductor switch (11 or T6).
9. Hochvolt-Gleichspannungsnetz (1 ), aufweisend, 9. High-voltage direct current network (1 ), comprising,
- mindestens zwei Netzzweigen, - at least two network branches,
- mindestens einen Stromkreis, der die zwei Netzzweige miteinander elektrisch verbindet, - at least one circuit that electrically connects the two network branches,
- mindestens eine Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 8, deren erster Halbleiterschalter (11 bzw. T6) in dem Stromkreis elektrisch angeschlossen ist, wobei die Schaltungsvorrichtung eingerichtet ist, durch gesteuertes Einschalten des ersten Halbleiterschalters (11 bzw. T6) einen Stromfluss durch den Stromkreis herzustellen und durch gesteuertes Ausschalten des ersten Halbleiterschalters (11 bzw. T6) den Stromfluss durch den Stromkreis zu unterbrechen. - at least one circuit device according to claim 8, whose first semiconductor switch (11 or T6) is electrically connected in the circuit, wherein the circuit device is designed to establish a current flow through the circuit by controlled switching on of the first semiconductor switch (11 or T6) and to interrupt the current flow through the circuit by controlled switching off of the first semiconductor switch (11 or T6).
10. Hochvolt-Gleichspannungsnetz (1 ) nach Anspruch 9, das als Bordnetz eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. 10. High-voltage direct current network (1) according to claim 9, which is designed as an on-board network of an electrically powered motor vehicle.
11. Verfahren zum Betreiben eines Hochvolt-Gleichspannungsnetzes (1 ) nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Verfahren folgendes umfasst: 11. A method for operating a high-voltage direct current network (1) according to claim 9 or 10, wherein the method comprises:
- Unterbrechen des Stromkreises des Hochvolt-Gleichspannungsnetzes (1 ) mittels des zumindest einen Halbleiterschalters (11 bzw. T6) der Schaltungsvorrichtung im Falle kritischer Betriebszustände im Hochvolt-Gleichspannungsnetz (1 ); - interrupting the circuit of the high-voltage direct current network (1) by means of the at least one semiconductor switch (11 or T6) of the switching device in the event of critical operating conditions in the high-voltage direct current network (1);
- Erzeugen eines Gate-Steuersignals zur Ansteuerung des zweiten Halbleiterschalters (T4) der Schaltungsvorrichtung, um einen Entladevorgang der Gate-Kapazität des ersten Halbleiterschalters (11 bzw. T6) zu steuern. - Generating a gate control signal for controlling the second semiconductor switch (T4) of the circuit device in order to control a discharge process of the gate capacitance of the first semiconductor switch (11 or T6).
12. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei der dritte Halbleiterschalter (T5) bei Erreichen eines Schwellenwertes der Spannung am ersten Anschluss (15) des Kondensators (C3) abgeschaltet wird und der Entladevorgang der Gate-Kapazität des ersten Halbleiterschalters (11 bzw. T6) geregelt über den Gate-Widerstand (Rg) fortgesetzt wird. 12. The method according to claim 11, wherein the third semiconductor switch (T5) is switched off when a threshold value of the voltage at the first terminal (15) of the capacitor (C3) is reached and the discharge process of the gate capacitance of the first semiconductor switch (11 or T6) is continued in a controlled manner via the gate resistor (Rg).
13. Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach Anspruch 11 oder 12 mithilfe der Schaltungsvorrichtung des Hochvolt-Gleichspannungsnetzes (1 ) nach Anspruch 9 oder 10 durchzuführen. 13. Computer program product, comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause the computer to carry out the method according to claim 11 or 12 using the circuit device of the high-voltage direct current network (1) according to claim 9 or 10.
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