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Entwicklung zum Schutz eines Leistungstransistors bei Kurzschluss

IP.com Disclosure Number: IPCOM000246304D
Publication Date: 2016-May-26
Document File: 5 page(s) / 1M

Publishing Venue

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Abstract

Bei Verwendung nur einer FET-Gruppe würde (Abb. 3) im Fehlerfall Kurzschluss/Verpolung auf der Powernetwork-Seite der Kurzschlussstrom trotz geöffnetem Relais und Schalter über die prinzipbedingte Bodydiode der Leistungsfets fließen. Dieser Strom würde in kurzer Zeit zu einer Überhitzung und damit Brandgefahr des Transistors und des gesamten Trennschalters führen. Mit der Messung der Spannung (Mikrocontroller) auf beiden Seiten des Trennschalters wird der kritische Fehlerfall (Kurzschluss/Verpolung) erkannt, und es werden in Abhängigkeit des Schaltzustands Maßnahmen zum Schutz der Transistorgruppe eingeleitet. Im Falle einer erkannten Überlastung (Temperaturmessung an der FET-Gruppe) durch zu hohen Strom im normalen Betriebszustand, wird das parallele Relais zugeschaltet (Abb. 4). Im Falle eines Kurzschlusses werden die FETs geöffnet und das Relais trägt den notwendigen Strom zum Auslösen der externen Sicherung (350A). Hierdurch wird der hohe Kurzschlussstrom, der sonst bei geöffnetem FET allein durch die Bodydiode fließen würde, vom Relais übernommen (Abb. 5).

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Entwicklung zum Schutz eines Leistungstransistors bei Kurzschluss
Gebiet der Erfindung

Die in (Abb. 1) dargestellte Anordnung zeigt den typischen Fall eines reverse-polarity geschützten Leistungstrennschalters zwischen zwei Fahrzeugbatterien.

Dabei sind zwei Gruppen von Leistungs-Feldeffekttransistoren antiseriell verschaltet. Im Falle einer Verpolung an einer Seite der Batterieanschlüsse fließt kein Kurzschlussstrom bei geöffneten FETs (Gatespannung relativ 0), da durch die antiparallele Verschaltung die Bodydioden in Sperrrichtung geschaltet sind. Nachteil:
Bei dieser Anordnung werden durch die antiparallele FET-Gruppe doppelte Kosten des Hauptbestandteils des Trennschalters erzeugt.

Abbildung 1 Standard Anordnung Reverse-Polarity Trennschalter


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In der voliegenden Entwicklung bestehen folgende zusätzliche Anforderungen:

1. Der Trennschalter muss auch im stromlosen Zustand eine Verbindung zwischen den Kontakten herstellen.

2. Bei Kaltstart muss ein Strom von 1300 A kurzzeitig und bis zu 200A dauerhaft geschaltet werden.

3. Bei Crank (Ampelstart) muss die Reaktionszeit der Trennung kleiner 20ms sein


4. Die Zyklenzahl über Fahrzeuglebensdauer muss größer 1.400 000 sein.

Anforderung 1 ist nicht allein mit Halbleitern, sondern nur mit einem "normally closed" oder "bistabilen" zusätzlichen Relais zu erreichen.

Anforderung 2 benötigt ebenfalls ein Leistungsrelais, da die ansonsten notwendige Anzahl der Transistoren ökonomisch nicht sinnvoll ist.

Anforderung 3 benötigt die Übernahme der Trennung durch Transistoren, da deren Reaktionszeit nahe Null gegenüber 40ms des Relais ist.

Anforderung 4 benötigt den Schutz des Relais vor Lichtbogen und damit Verschleiß durch parallel geschaltete Transistoren.

Darau...