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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Spannungsversorgungsvorrichtung,
insbesondere für
ein Kfz-Bordnetz, mit Schutzfunktion zum Schutz elektronischer Bauelemente
vor Überspannungen.
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Obwohl
auf beliebige Schaltungen anwendbar, werden die folgende Erfindung
sowie die ihr zugrundeliegende Problematik in bezug auf ein an Bord eines
Kraftfahrzeuges befindliches Bordnetz erläutert.
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Es
ist allgemein bekannt, dass bei induktiven Lasten, wie Spulen oder
dergleichen, direkt oder indirekt Überspannungen induziert werden.
Besonders schädigende Überspannungen
entstehen beispielsweise bei einem schlechten Kontakt oder einer
augenblicklichen Trennung der Batterie im Betrieb des Generators
(Load-Dump). Beispielsweise können
im Kraftfahrzeugbereich bei einer Versorgungsspannung von 12V Überspannungen
bis zu 80V in einem Zeitraum von 400 Millisekunden auftreten. Diese Transienten
können
verschiedene elektronische Schaltungen, beispielsweise integrierte
Schaltungen im Kraftfahrzeug zerstören, falls diese nicht wirksam gegen
solche Überspannungen
geschützt
sind.
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Es
besteht die Möglichkeit,
einer Zerstörung der
elektronischen Bauelemente durch Überspannungen des Bordnetzes
eines Kraftfahrzeuges dadurch entgegenzuwirken, dass die entsprechenden Bauelemente
jeweils entsprechend den maximal auftretenden Spannungsspitzen ausgelegt
werden. Dies ist allerdings äußerst kostenaufwendig
und nicht rentabel.
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Passive
Diodengleichrichter mit Zener-Dioden sind geeignet, vom Generator
erzeugte Überspannungen
auf einen gewünschten
Wert oberhalb der normal eingestellten Bordnetzspannung zu begrenzen.
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Als
nachteilig bei diesem Ansatz hat sich die Tatsache herausgestellt,
dass die Zener-Dioden-Begrenzungsspannung
einen großen
Toleranzbereich aufweist und erheblich von der an dem Bauelement anliegenden
Temperatur abhängig
ist. Denn eine thermische Belastung der Zener-Dioden führt zu einer
ansteigenden Sperrschichttemperatur und somit zu einer anwachsenden
Durchbruchsspannung der Diode im Betrieb. Bei einem Übergang
zu beispielsweise einer höheren
Kraftfahr zeug-Bordspannung, beispielsweise einer 42V-Spannung, wie
serienmäßig bereits
in Planung, werden somit diese Toleranz- und Temperaturabhängigkeiten
zu groß für eine sinnvolle
Anwendung.
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Die
DE 197 10 073 A1 beschreibt
eine Überspannungs-Schutzvorrichtung
zum Schutz elektrischer Anlagen vor Überspannungen, wobei die Anlage
ein von einem elektrischen Generator gespeistes Bordnetz und daran
angeschlossene elektrische Einrichtungen aufweist, mit einer Begrenzungseinrichtung,
deren Schwellwert oberhalb der Generatornennspannung liegt, wobei
an der Ausgangsseite des Generators parallel zum Bordnetz eine Einheit angeschlossen
ist, welche mindestens einen Leistungszweig parallel zum Bordnetz
mit mindestens zwei Widerstandskomponenten aufweist, wobei mindestens
eine Widerstandskomponente bei Überschreiten
der Begrenzungsschwelle im Sinne einer Widerstandsverminderung ansteuerbar
ist.
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Nachteilig
bei diesem Ansatz ist die Tatsache, dass durch die Klammerung der Load-Dump-Spannung
ausschließlich über ein
separates aktives Spannungsbegrenzungsmodul eine vollständige Trennung
der Gleichrichter- und Spannungsbegrenzungsfunktionen in verschiedenen
Baugruppen erfolgt, wodurch zur Pufferung der gesamten Load-Dump-Überschussleistung
dieses System sehr aufwendig und kostenintensiv ausgelegt werden muss.
Zusätzlich
kann ein Ausfall des Moduls, sei es durch den Ausfall einzelner
Modulkomponenten oder durch die Abtrennung einer seiner Anschlüsse an den Plus-
oder Minuspol, nicht im Normalbetrieb vorab erkannt werden. Somit
kann vor dem Eintreten einer Überspannung
das System nicht in einen sicheren Zustand überführt und das Risiko eines Ausfalls von
großen
Teilen der Bordelektronik im Überspannungsfall
verringert werden.
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Ein
weiterer Ansatz liegt darin, eine Load-Dump-Spannungsbegrenzung
dadurch zu erreichen, dass beim Auftreten der Lastabfall-Bedingung
alle drei Phasenanschlüsse
der Statorwicklungen des Generators über die oberen Schalttransistoren
eines Wechselrichters gemeinsam auf einen Ausgangskondensator kurzgeschlossen
werden. Somit wird die gesamte Überschussleistung
des Generators im Überspannungsfall
auf den Ausgangskondensator gespeist. Zur Gewährleistung einer ausreichend
geringen Ausgangsspannungswelligkeit im Normalbetrieb des Generators
ist der Ausgangskondensator vorzugsweise groß auszulegen. Somit führt die
auftretende Überschussleistung
nicht zu einer unzulässigen
Spannungsüberhöhung am
Generatorausgang.
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Allerdings
ist bei diesem Ansatz nachteilig, dass dieses System nur bei einem
ausreichend großen
Ausgangskondensator eingesetzt werden kann. Allerdings gehen die
Bestrebungen aus Kosten- und Platzgründen dahin, Generator- und
aktive Gleichrichter- bzw. Wechselrichtersysteme ohne große Ausgangskondensatoren
zu entwickeln. Eine Vergrößerung der
Ausgangskondensatoren ausschließlich zur
Pufferung der Load-Dump-Energie ist aus Kostengründen nicht sinnvoll.
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Aus
der
US-PS 5,245,500 ist
ein Spannungsversorgungssystem bekannt, bei dem die Generatorausgangsspannung
bzw. der Generatorstrom in üblicher
Weise gleichgerichtet wird und mit Hilfe einer eigenen Spannungsbegrenzungsschaltung
auf vorgebbare Spannungswerte begrenzt wird. Diese Spannungsbegrenzungsschaltung
umfasst wenigstens einen Transistor, der zwischen der Plus- und
der Minusseite des Gleichrichterausgangs liegt und mit Hilfe einer
Steuereinrichtung in vorgebbarer Weise betätigt wird und ist zusätzlich zu
den für
den normalen Generatorbetrieb benötigten Bauelementen eingefügt.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin,
eine Spannungsversorgungsvorrichtung zu schaffen, die für einen
normalen Betrieb ausgelegte Bauelemente vor Überspannungen der Netzspannung
eines Generators effektiver schützen
soll.
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VORTEILE DER
ERFINDUNG
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Die
erfindungsgemäße Spannungsversorgungsvorrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist gegenüber den bekannten Lösungsansätzen den
Vorteil auf, dass die im Normalbetrieb bereits benötigten Generatorkomponenten
sowohl zur Spannungsgleichrichtung bzw. -glättung im Normalbetrieb als
auch zur Spannungsbegrenzung im Load-Dump-Störfall genutzt werden können, und dass
trotzdem auch beispielsweise für
42V-Bordnetze eine ausreichend eng tolerierbare Load-Dump-Spannungsbegrenzung
möglich
ist.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin,
dass ein Generatorsystem, dessen integrierte Überspannungsbegrenzungsfähigkeit
für bestimmte
Belastungsfälle
nicht ausreichend leistungsfähig
ist, zwischen seinen Gleichspannungsausgangsanschlüssen mit
mindestens einer zusätzlichen
Energieabsorbereinrichtung zum Aufnehmen bestimmter Impulsenergien
versehen wird und diese Absorbereinrichtung mit mindestens einer
Signalleitung mit der Generatorsteuerelektronik verbunden ist.
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In
den Unteransprüchen
finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der
in Anspruch 1 angegebenen Schutzvorrichtung.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung erzeugt die Überwachungseinrichtung ein
Steuersignal, das die Größe des Absorberstroms
festlegt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Absorbereinrichtung
eine steuerbare Stromsenke auf.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Absorbereinrichtung
eine mit der steuerbaren Stromsenke verbundene Logiksteuereinheit
auf, welcher das Steuersignal zuführbar ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung sendet die Logiksteuereinheit
eine Zustandsinformation über
den an der Absorbereinrichtung auftretenden Absorberstrom an die Überwachungseinrichtung
für eine
Funktionsüberwachung.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Absorbereinrichtung
eine zusätzliche
Spannungsbegrenzungseinrichtung auf, welche mit der steuerbaren
Stromsenke verbunden ist. Diese dient als zusätzliche Sicherung, die beim
Ausfall bzw. einer Überlastung
der Spannungsbegrenzung im Gleich- bzw. Wechselrichter oder beim
Ausfall der Steuerungsfähigkeit
des Stromabsorbers eingreift und einen zusätzlichen Schutz zur Begrenzung
der Überspannungen
im Bordnetz darstellt. Vorzugsweise soll diese Begrenzung jedoch
in ihrem Wert derart hoch dimensioniert sein, dass sie bei einer
korrekten Funktion der Spannungsbegrenzung im Gleich- bzw. Wechselrichter
nicht zum Eingriff kommt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung gibt die Überwachungseinrichtung in vorbestimmten
zyklischen Abstän den
der Absorbereinrichtung einzustellende Stromwerte zur Funktionsüberprüfung vor.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung steuert die Überwachungseinrichtung beim Erfassen
eines negativen Funktionszustandes der Absorbereinrichtung die Spannungsquelle
in einen definierten Sicherheitszustand.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Steuersignal auf einer
Steuerleitung übertragbar,
die als bidirektionale 1-Draht-Steuerleitung ausgebildet ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Spannungsquelle als Drehstromgenerator
ausgebildet.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der im Generator integrierte
Spannungsbegrenzer als Teil einer Gleichrichtereinrichtung vorgesehen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung erfolgt die Aktivierung des Stromabsorbers dergestalt,
dass der von der Überwachungseinrichtung
vorgegebene einzustellende Stromwert abhängig vom erfassten Stromwert
des Generatorausgangs ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der im Generator integrierte
Spannungsbegrenzer ein Halbleiter-Bauelement, insbesondere eine Zener-Diode,
auf.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der im Generator integrierte
Spannungsbegrenzer einen Ausgangskondensator auf.
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ZEICHNUNGEN
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Die
einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Schutzvorrichtung
gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die
in der Figur dargestellte Spannungsversorgungsvorrichtung 1 ist
für ein
Kfz-Bordnetz entworfen und hat eine Schutzfunktion zum Schutz elektronischer
Bauelemente vor Überspannungen.
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Bezugszeichen 2 bezeichnet
einen üblichen Drehstromgenerator,
dessen drei Ausgangsleitungen mit einem Gleichrichter 3 verbunden
sind, der ebenfalls eine übliche
Spannungsbegrenzungseinrichtung aufweist, die einer Begrenzung des Überspannungswertes
zum Schutz der elektronischen Bauelemente eines mit den Ausgangsanschlüssen 7, 8 verbundenen,
zu schützenden
Bordnetzes dient.
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Vorzugsweise
besteht der Spannungsbegrenzer im Gleichrichter 3 aus bereits
im Bordnetz vorhandenen Komponenten, beispielsweise aus Gleichrichter-Zener-Dioden
im Falle eines passiven Gleichrichters oder einem Ausgangskondensator
im Falle eines aktiven Gleichrichters.
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Diese
Komponenten nehmen im Überspannungsfall
die Load-Dump-Energie
so weit wie möglich
auf und begrenzen die maximale Ausgangsspannung im Load-Dump-Fall.
Dabei sind diese Komponenten vorzugsweise entsprechend ihren Anforderungen
im Normalbetrieb auszulegen, d.h. eine Überdimensionierung aufgrund
von Überspannungsschutz-Anforderungen
erfolgt nicht.
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Der
Spannungsbegrenzer im Gleichrichter 3 ist mit einer Überwachungseinrichtung 5 verbunden, wobei
die Elektronik der Überwachungseinrichtung 5 im
Falle einer Überspannung
die in einem aktiven Gleich- bzw. Wechselrichter des Spannungsbegrenzers
zur Spannungsbegrenzung notwendigen Schaltzustände der entsprechenden Brückentransistoren aktiviert.
Somit gehen die entsprechenden Komponenten des Spannungsbegrenzers
von ihrem normalen Betrieb in einen Überspannungsschutz-Betrieb über bzw.
werden für
den Überspannungsschutz-Betrieb
aktiviert.
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In
jeder Begrenzungseinrichtung können auch
Wechselrichter mit passiver oder aktiver Überspannungsbegrenzung verwendet
werden.
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Der
Spannungsbegrenzer ist beispielsweise mit den drei Phasenanschlüssen der
Statorwicklungen des Generators 2 über die Schalttransistoren
eines Wechselrichters bzw. Gleichrichters verbunden.
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Die
Spannungsversorgungsvorrichtung 1 umfasst ferner eine Absorbereinrichtung 4,
die vorzugsweise über
die Ausgangsanschlüsse 7, 8 vom Gleichrichter 3 mit
Spannungsbegrenzer indirekt mit dem Generator 2 verbunden
ist. Die Absorbereinrichtung 4 dient einer Aufnahme bestimmter Überspannungsenergien
und umfasst daher eine steuerbare Stromsenke 41, z.B. in
Form eines Leistungstransistors.
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Die
Absorbereinrichtung 4 unterstützt zusätzlich die Überspannungsbegrenzung des
Gleichrichters 3, wobei die Absorbereinrichtung 4 in
ihrer Leistungsfähigkeit
vorzugsweise derart auszulegen ist, dass sie im ungünstigsten Überspannungs-Betriebszustand
einen solchen Laststrom bzw. eine solche Überspannungsenergie aufnehmen
kann, der bzw. die notwendig ist, um die Überspannungsbegrenzungsfunktion
des Gleich- bzw. Wechselrichters des Spannungsbegrenzers bzw. die
maximale Ausgangsspannung des Generators 2 im Überspannungsfall
unterhalb eines bestimmten kritischen Wertes halten zu können. Dadurch
wird die maximal zulässige
Bordnetzspannung nicht überschritten
und es treten keine Schädigungen
der elektrischen Komponenten des Bordnetzes und im Generator 2 aufgrund eines
zu hohen Spannungsimpulses auf.
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Die
Absorbereinrichtung 4 besitzt vorteilhaft eine interne
Logiksteuereinheit 40, welche ein von der Überwachungseinrichtung 5 auf
der Steuerleitung 6 übertragenes
Steuersig nal hinsichtlich Zeit und Höhe des Absorberstroms umsetzt
und die Stromsenke 41 entsprechend aufsteuert.
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Sie
sendet vorzugsweise ebenfalls eine Zustandsinformation über den
an der Absorbereinrichtung 4 auftretenden Strom zur Funktionsüberwachung
an die Überwachungseinrichtung 5 zurück. Dazu
wird der auftretende Strom an der Absorbereinrichtung 4 detektiert
und eine Statusmeldung über
die Steuerleitung 6 an die Überwachungseinrichtung 5 gesendet.
Die Steuerleitung 6 ist dabei vorzugsweise als zusätzliche
bidirektionale 1-Draht-Steuerleitung 6 ausgebildet.
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Die
Statusmeldung bzw. Zustandsinformation enthält z.B. Informationen darüber, ob
der Ausgangsstrom der Absorbereinrichtung 4 gemäß der entsprechenden
Vorgabe einen korrekten bzw. einen, beispielsweise aufgrund eines
Ausfalls der Leistungskomponenten oder aufgrund eines Abfalls der Leistungsanschlüsse der
Absorbereinrichtung 4, stark abweichenden Stromwert liefert.
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Die
Absorbereinrichtung 4 weist vorzugsweise eine zusätzliche
Spannungsbegrenzungseinrichtung 42 auf, die als zusätzliche
Sicherung zur Begrenzung der Überspannungen
im Bordnetz vorgesehen ist, falls beispielsweise die Spannungsbegrenzungen
im Gleich- bzw. Wechselrichter des Strombegrenzers im Gleichrichter 3 ausfallen
bzw. überlastet sind.
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Da
die Funktionalität
der Spannungsbegrenzungseinrichtung 42 schwer zu überprüfen ist
und nur zur Absicherung des Ausfalls von anderen Maßnahmen
zur Unterdrückung
von Load-Dump-Überspannungen
vorgesehen ist, ist sie derart zu dimensionieren, dass sie bei einer
korrekten Funktionalität der
Spannungsbegrenzung im Gleichrichter 3 und der übrigen Teile
der Absorbereinrichtung 4 nicht zum Einsatz kommt.
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Wie
oben bereits erwähnt
ist die Absorbereinrichtung 4 über die zusätzliche Steuerleitung 6 mit der Überwachungseinrichtung 5 verbunden,
welche wiederum entweder als Teil des Generators 2 ausgebildet
oder mit diesem zumindest verbunden ist. Die Überwachungseinrichtung 5 führt sämtliche
Steuer- und Überwachungsfunktionen
des Generator-Normalbetriebes aus. Dabei speichert die Überwachungseinrichtung 5 vorzugsweise
den jeweils aktuellen Wert des Generatorausgangsstromes bzw. einen
entsprechenden Korrelationswert, beispielsweise das Steuer-/Tastverhältnis des
Erregerstromes. Somit erfasst die Überwachungseinrichtung 5 den durch
eine Überspannung
verursachten Spannungsanstieg am Generatorausgang und schaltet die
im Gleichrichter 3 zur Spannungsbegrenzung notwendigen
Zustände
der entsprechenden Transistoren.
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Im
Falle einer detektierten Überspannung aktiviert
und steuert die Überwachungseinrichtung 5 die
Absorbereinrichtung 4 derart, dass diese zwischen den Ausgangsklemmen
des Gleichrichters 3 einen definierten Laststrom zieht
und somit eine definierte Überspannungsenergie
aufnimmt. Dabei wird vorzugsweise der Laststrom der Absorbereinrichtung 4 in
Abhängigkeit
des vor dem Eintreten der Überspannung
ab gespeicherten Generatorausgangsstromes von der Überwachungseinrichtung 5 vorgegeben
und für
eine vorbestimmte Zeit bzw. bis zum Unterschreiten einer definierten
Generatorausgangsspannung aufrecht erhalten. Somit wird die maximal zulässige Bordnetzspannung
nicht überschritten
und die Bauteile des Bordnetzes nicht durch Überspannungsspitzen geschädigt.
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Zur
Funktionsüberwachung
der Absorbereinrichtung 4 sendet die Überwachungseinrichtung 5 vorzugsweise
in zyklischen Abständen
ein Vorgabesignal eines einzuprägenden
Laststromes und überprüft die von
der Absorbereinrichtung 4 zurückgemeldete Statusinformation.
Im Falle einer negativen Statusinformation während eines solchen Testzyklusses kann
die Überwachungseinrichtung 5 die
Elektronik des Generators 2 in einen vorbestimmten Sicherheitszustand
steuern. Somit wird eine Schädigung der
Elektronik des Generators 2 auch im Falle eines Ausfalls
der Absorbereinrichtung 4 verhindert.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine leistungsfähige, sichere und kostengünstige Schutzvorrichtung
vor Überspannungen,
da die im Normalbetrieb bereits benötigten Generatorkomponenten
sowohl zur Spannungsgleichrichtung bzw. -glättung im Normalbetrieb als
auch zur Spannungsbegrenzung im Überspannungsbetrieb
genutzt werden.
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Dabei
ist eine applikationsabhängig
skalierbare und minimale Auslegung der zusätzlichen Leistungsabsorbereinrichtung
bezüglich
Volumen und Kosten möglich.
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Ferner
kann die Schutzvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung ebenso für
beispielsweise 42 V-Bordnetze verwendet werden, da eine ausreichend
eng tolerierte Überspannungs-Begrenzung möglich ist.
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Eine
zyklische Überprüfung der Überspannungs-Begrenzungskomponenten
zur Vermeidung von umfangreichen Folgeschäden ist ebenfalls möglich. Schließlich gewährleistet
die Schutzvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung auch beim Ausfall einer der beiden parallel aktivierbaren
Schutzelemente, einerseits der Begrenzungskomponenten des Gleichrichters 3 und
andererseits der Komponenten der Absorbereinrichtung 4,
einen zumeist ausreichenden Überspannungsschutz.