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Title:
REVERSE POLARITY PROTECTION CIRCUIT FOR THE ELECTRICAL SYSTEM OF A MOTOR VEHICLE AND ELECTRICAL SYSTEM OF A MOTOR VEHICLE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/041884
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a reverse polarity protection circuit (10) for the electrical system of a motor vehicle. The reverse polarity protection circuit (10) comprises a ground connection (20), a positive pole connection (22) and a semiconductor switch (30). The semiconductor switch (30) is designed having an inverse diode (32) and is connected in series to the positive pole connection (20) or to the ground connection (22). The reverse polarity protection circuit (10) also has a voltage source (40), which is connected to a control input (34) of the semiconductor switch (30). The voltage source (40) is installed so as to bring the semiconductor switch (30) to a conductive state via the control input (34) when the voltage potential of the ground connection (20) exceeds that of the positive pole connection (22). The invention further relates to an electrical system for a motor vehicle (60) comprising a reverse polarity protection circuit (10).

Inventors:
POPOV JORDAN (DE)
Application Number:
PCT/EP2015/070914
Publication Date:
March 24, 2016
Filing Date:
September 14, 2015
Export Citation:
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Assignee:
CONTINENTAL AUTOMOTIVE GMBH (DE)
International Classes:
H02H11/00; B60R16/00; H03K17/0814; H02H1/06
Foreign References:
US6426857B12002-07-30
US20140091384A12014-04-03
DE4137452A11993-05-19
DE3835662A11990-04-26
Other References:
None
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Claims:
Ansprüche

1. Verpolschutzschaltung (10) für ein Kraftfahrzeug- Bordnetz, wobei die Verpolschutzschaltung (10) aufweist: - einen Masseanschluss (20);

- einen Pluspolanschluss (22); und

- einen Halbleiterschalter (30), der mit einer Inversdi- ode (32) ausgestaltet ist und der seriell mit dem Plus¬ polanschluss (20) oder dem Masseanschluss (22) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die

Verpolschutzschaltung (10) ferner aufweist:

- eine Spannungsquelle (40), die mit einem Steuereingang (34) des Halbleiterschalters (30) verbunden ist, und die eingerichtet ist, über den Steuereingang (34) den Halb- leiterschalter (30) in einen leitenden Zustand zu versetzen, wenn das Spannungspotential des Masseanschlusses (20) über dem des Pluspolanschlusses (22) liegt.

2. Verpolschutzschaltung nach Anspruch 1, wobei die Span- nungsquelle (40) einen Spannungswandler (42) aufweist, der mit einem Eingang (44) ausgestattet ist, welcher mit dem Masseanschluss (20) und dem Pluspolanschluss (22) verbunden ist, wobei der Ausgang des Spannungswandlers (42) mit dem Steuereingang (34) des Halbleiterschalters (30) verbunden ist.

3. Verpolschutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Spannungswandler (42) eine eingangsseitige Ansteuerschaltung (48) aufweist, die Strom leitet, wenn das Spannungspotential des Masseanschlusses (20) über dem des Pluspolanschlusses (22) liegt, und ansonsten einen Stromfluss zum Spannungswandler (42) sperrt.

4. Verpolschutzschaltung nach Anspruch 3, wobei die An- Steuerschaltung (48) eine Diode aufweist oder einen mitgekoppelten MOSFET aufweist, insbesondere einen p- Kanal-MOSFE . Verpolschutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Spannungsquelle (40) einen Versor¬ gungseingang (45) aufweist, der mit dem Potential des Masseanschluss (20) und dem Potential des Pluspolan- schluss (22) verbunden ist, und die Spannungsquelle (40) einen Ausgang (47) aufweist, der mit dem Steuereingang (34) und einem weiteren Anschluss (36) des Halbleiterschalters (30) verbunden ist, wobei die Spannungsquelle (40) zwischen dem Versorgungseingang (45) und dem Ausgang (47) eine galvanische Trennung aufweist oder der Ausgang über ein galvanisches Trennglied (50) mit dem Halbleiterschalter (30) verbunden ist.

Verpolschutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Inversdiode (32) des Halbleiterschal¬ ters (30) eine Durchlassrichtung aufweist, die zum Plus- polanschluss (22) gerichtet ist.

Kraftfahrzeug-Bordnetz (60) mit einer

Verpolschutzschaltung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Last (70) seriell mit dem Halblei¬ terschalter (30) verbunden ist und die resultierende Se¬ rienschaltung aus Last (70) und Halbleiterschalter (30) zwischen den Masseanschluss (20) und den Pluspolan- schluss (22) geschaltet ist.

Kraftfahrzeug-Bordnetz nach Anspruch 7, wobei die Last (70), die insbesondere einen elektronischen Lastschalter (72) mit einer Inversdiode (74) aufweist, eine höhere Hochstromfestigkeit aufweist als die Inversdiode (32) des Halbleiterschalters (30) der Verpolschutzschaltung (10) .

9. Kraftfahrzeug-Bordnetz nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Last (70) als passiver oder gesteuerter Gleichrichter oder als Inverter ausgestaltet ist oder als Teil eines Gleichrichters oder Inverters vorliegt und eine Gleich¬ richterdiode oder einen Halbleiterschalter (72) mit einer Inversdiode (74) aufweist, wobei das Substrat des Halbleiterschalters (72) der Last über einen Wärmewider stand mit einer Wärmesenke verbunden ist, der kleiner ist als ein Wärmewiderstand, der das Substrat des Halb¬ leiterschalters (30) der Verpolschutzschaltung (10) mit einer Wärmesenke verbindet oder wobei die Gleichrichter diode der Last über einen Wärmewiderstand mit einer Wär mesenke verbunden ist, der kleiner ist als ein Wärmewiderstand, der das Substrat des Halbleiterschalters (30) der Verpolschutzschaltung (10) mit einer Wärmesenke ver bindet .

10. Kraftfahrzeug-Bordnetz nach Anspruch 9, wobei die In- versdiode (74) des Halbleiterschalters der Last (70) ei ne Durchlassrichtung aufweist, die zum Pluspolanschluss gerichtet ist.

Description:
Beschreibung

Verpolschutzschaltung für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz und Kraftfahrzeug-Bordnetz

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Fahrzeugelektronik und insbesondere das Gebiet der Schutzschaltungen für Bordnetze.

Falls versehentlich ein Kraftfahrzeug-Bordnetz mit einer ex- fernen Spannungsquelle mit umgekehrter Polung verbunden wird, fließen sehr hohe Ströme, die die Batterie und insbesondere Halbleiter im Leitungspfad des Kraftfahrzeug-Bordnetzes (im Weiteren: Bordnetz) zerstören können. Dies ist insbesondere der Fall, wenn sich im Bordnetz Synchrongleichrichter befin- den, deren Schalter mit MOSFETs aufgebaut sind. Es ist daher bei der Ausgestaltung von Bordnetzen darauf zu achten, dass vor allem teure Leistungs-Halbleiter beim versehentlichen An- schluss mit umgekehrter Polung ( "Verpolung" ) nicht geschädigt werden. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Herangehens- weise aufzuzeigen, mittels der Leistungs-Halbleiter in einem Bordnetz geschützt werden können, wenn eine externe Spannungsquelle mit umgekehrter Polung angeschlossen wird.

Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängi ¬ gen Ansprüche. Weitere Ausführungen ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche sowie mit den Merkmalen und Aus ¬ führungsformen, wie sie im Weiteren dargestellt sind.

Es wurde erkannt, dass bei einem Halbleiterschalter, der eine Inversdiode aufweist, diese auch bei offenem Schaltzustand des Halbleiters leitet, jedoch die Wärmeabfuhr der Inversdio ¬ de nicht ausreichend ist, um eine Überhitzung der Inversdiode und somit des Leistungs-Halbleiters zu vermeiden.

Als Inversdiode werden Dioden bezeichnet, die sich innerhalb des Aufbaus eines Transistors ergeben. Die Inversdiode wird auch als Substrat-Diode, Body-Diode oder parasitäre Substrat- Diode bezeichnet. Ferner wird als Inversdiode auch eine ex ¬ terne Inversdiode eines Transistors bezeichnet, die außerhalb des Substrats, in dem der Transistor aufgebaut ist, vorgese- hen sind.

Als Halbleiterschalter werden insbesondere Leistungshalblei ¬ terschalter bezeichnet, beispielsweise Halbleiter- Trennschalter. Es kommen als Halbleiterschalter insbesondere Transistoren wie MOSFETs, n-Kanal-MOSFETs oder IGBTs in Be ¬ tracht. Der Halbleiterschalter ist insbesondere als Trennschalter ausgeführt, d.h. als ein Schalter, der nicht ein Teil einer elektrischen/elektronischen Last ist, sondern zu dieser in Serie zu schalten ist, und das Bordnetz bzw. die Lasten innerhalb des Bordnetzes von der Batterie zu trennen bzw. um die Batterie abzutrennen.

Es wurde erkannt, dass bei offenem Halbleiterschalter der nur durch die Inversdiode fließende Strom diese zu stark erwärmen kann, da häufig der Wärmewiderstand zwischen einer Inversdio ¬ de und einer Wärmesenke größer ist als der Wärmewiderstand zwischen den schaltenden und stromführenden Bereichen des Halbleiterschalters (d.h. Source, Drain und/oder Kanalbereich bzw. Emitter, Kollektor oder pn- oder np-Übergänge, die an den Emitter oder an den Kollektor angrenzen) und einer Wärmesenke. Da somit die Kühlung der Inversdiode weniger stark ausgeprägt ist als die genannten schaltenden und stromführenden Bereichen des Halbleiterschalters, kann die Erwärmung der Inversdiode zu einer Schädigung des Halbleiterschalters füh- ren. Daher wird erfindungsgemäß der offene Halbleiterschalter in einen geschlossenen Schaltzustand gebracht, damit die schaltenden und stromführenden Bereiche des Transistors (d.h. das Transistorelement selbst, ohne Inversdiode) die Inversdi ¬ ode entlasten.

Es wird daher eine Verpolschutzschaltung für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz beschrieben. Die Verpolschutzschaltung weist einen Masseanschluss , einen Pluspolanschluss und einen Halb ¬ leiterschalter auf. Der Halbleiterschalter ist mit einer In- versdiode ausgestaltet. Ferner ist der Halbleiterschalter se ¬ riell mit dem Pluspolanschluss oder mit dem Masseanschluss verbunden . Die Verpolschutzschaltung kann ferner einen positiven Bordnetzanschluss aufweisen, wobei der Halbleiterschalter zwischen dem positiven Bordnetzanschluss (zum Anschluss des Bordnetzes bzw. des positiven Potentials des Bordnetzes) und dem Pluspolanschluss (etwa eine Klemme für den positiven Bat- teriepol) in Serie geschaltet ist. In diesem Fall ist der Halbleiterschalter dem Pluspolanschluss vorgeschaltet.

Der Halbleiterschalter der Verpolschutzschaltung könnte auch dem Masseanschluss vorgeschaltet sein. Der Halbleiterschalter wäre in diesem Fall zwischen dem Bordnetz-Masseanschluss (zum Anschluss des Bordnetzes bzw. des Massepotentials des Bord ¬ netzes) und den Masseanschluss (etwa eine Klemme für den ne ¬ gativen Batteriepol) in Serie geschaltet. In dem letztgenann ¬ ten Fall wäre der Halbleiterschalter dem Masseanschluss vor- geschaltet.

Der Bordnetz-Masseanschluss und der Masseanschluss können di ¬ rekt miteinander verbunden sein und das gleiche Potential aufweisen, insbesondere wenn der Halbleiteraschalter seriell mit dem Pluspolanschluss verbunden ist. Alternativ können der Pluspolanschluss und der positive Bordnetzanschluss direkt miteinander verbunden sein und das gleiche Potential aufwei ¬ sen, insbesondere wenn der Halbleiteraschalter seriell mit dem Masseanschluss verbunden ist.

Die Verpolschutzschaltung weist ferner eine Spannungsquelle auf, um den Halbleiterschalter im Verpolungsfall zu schalten (in einen leitenden Zustand) , wodurch die Inversdiode des Halbleiterschalters entlastet wird. Die Spannungsquelle ist mit einem Steuereingang des Halbleiterschalters verbunden.

Die Spannungsquelle ist eingerichtet, über den Steuereingang den Halbleiterschalter in einen leitenden Zustand zu versetzen, wenn das Spannungspotential des Masseanschlusses über dem des Pluspolanschlusses liegt bzw. wenn eine derartige Spannung angelegt wird. Hierzu ist die Spannungsquelle ausge ¬ staltet, ein Schaltsignal zu erzeugen, um dieses an den Steu ¬ ereingang des Halbleiterschalters anzulegen. Die Spannungsquelle kann eine autarke Spannungsquelle sein, etwa eine Batterie, ein Kondensator oder ähnliches, die gege ¬ benenfalls eingerichtet ist, an dem Masseanschluss und dem Pluspolanschluss aufgeladen zu werden. Vorzugsweise weist die Spannungsquelle einen Spannungswandler auf. Dieser ist mit einem Eingang ausgestattet, welcher mit dem Masseanschluss und dem Pluspolanschluss direkt oder indi ¬ rekt verbunden ist. Der Eingang ist derart geschaltet, dass er eine Spannung, die zwischen dem Masseanschluss und dem Pluspolanschluss anliegt, vollständig oder teilweise erhält. Der Ausgang des Spannungswandlers ist mit dem Steuereingang des Halbleiterschalters verbunden. Anstatt mit dem Massean ¬ schluss kann der Spannungswandler bzw. dessen Eingang mit dem Bordnetz-Masseanschluss direkt oder indirekt verbunden sein. Ferner kann der Spannungswandler bzw. dessen Eingang anstatt mit Pluspolanschluss mit dem positiven Bordnetzanschluss ver ¬ bunden sein.

Der Spannungswandler, der auch als DCDC-Wandler bezeichnet werden kann, kann ein induktiver oder kapazitiver Wandler sein, etwa als eine Ladungspumpe, ein Aufwärtswandler, ein Inverswandler, ein Sychronwandler oder kann allgemein mit einem oder mit mehreren Energiespeichern (Kondensatoren

und/oder Drosseln) ausgestaltet sein, die von einem Zerhacker angesteuert werden. Insbesondere ist die Spannung am Ausgang des Spannungswandlers hinsichtlich des Potentialniveaus ge ¬ genüber Masse (Masseanschluss oder Bordnetz-Masseanschluss ) bzw. gegenüber dem Pluspolanschluss oder dem positiven Bordnetzanschluss verschiebbar. Vorzugsweise ist der Spannungs- wandler ein Wandler mit galvanischer Trennung. Der Spannungswandler kann hierzu einen Transformator bzw. einen Übertrager umfassen. Der Spannungswandler kann als Sperrwandler,

Eintaktflusswandler, Gegentaktflusswandler, Resonanzwandler oder brückenloser PFC-Wandler ausgebildet sein oder kann eine entsprechende Schaltung umfassen.

Der Spannungswandler kann eingerichtet sein, ausschließlich im Falle der Verpolung, d.h. wenn an dem Masse- und dem Plus- polanschluss ein Spannungspotential angelegt wird, bei dem das Potential des Masseanschlusses über dem des Pluspolan ¬ schlusses liegt, über den Eingang Strom aufzunehmen und am Ausgang abzugeben, während am Eingang (und am Ausgang) kein Strom fließt, wenn keine Verpolung vorliegt. Der Spannungs ¬ wandler kann ferner einen Glättungs-Energiespeicher aufweisen, etwa einen Glättungskondensator, oder ein anderes Verzögerungsglied, mittels dem für eine vorbestimmte Zeitdauer der Ausgang des Spannungswandlers ein Schaltsignal (d.h. ein Schließ-Signal ) an den Halbleiterschalter anlegt, nachdem die Verpolung nicht mehr vorliegt. Dies dient insbesondere zur Vermeidung von schwingenden Zuständen.

Der Spannungswandler kann ferner eine eingangsseitige An- Steuerschaltung aufweisen, die Strom leitet, wenn das Spannungspotential des Masseanschlusses über dem des Pluspolan ¬ schlusses liegt oder wenn eine Spannung an diese Anschlüsse angelegt wird, die negativ ist. Die Ansteuerschaltung kann eingerichtet sein, ansonsten einen Stromfluss zum Spannungs- wandler zu sperren bzw. kein Schaltsignal zum Schließen des Halbleiterschalters abzugeben. Es kann alternativ vorgesehen sein, dass die Ansteuerschaltung Strom leitet, wenn die Spannung an Masse- und Pluspolanschluss negativ ist, und dass dieser Zustand fortbesteht, nachdem diese negative Spannung nicht mehr vorliegt (d.h. der Verpolungsfall nicht mehr vor ¬ liegt) . Dieser Zustand kann insbesondere aufgehoben werden durch ein Löschsignal oder dadurch, dass der Spannungswandler (zumindest temporär) keinen Strom am Eingang erhält. Die Ansteuerschaltung dient zur Aktivierung des Spannungswandlers. Anstatt einer eingangsseitigen Ansteuerschaltung kann auch eine Steuerschaltung verwendet werden, die (bezogen auf den Spannungswandler) ausgangsseitig im Spannungswandler angeordnet ist. Die Ansteuerschaltung kann eine Diode aufweisen. Alternativ oder in Kombination hiermit kann die Ansteuerschaltung einen mitgekoppelten MOSFET aufweisen, insbesondere einen p-Kanal- MOSFET. Der mitgekoppelte MOSFET ist eine Realisierungsform eines rückgekoppelten Schaltglieds, das auch aufgrund seiner Funktion als monostabile Kippstufe bezeichnet werden kann. Liegt an der derart ausgestalteten Ansteuerstufe eine negati ¬ ve Spannung an (oder ein anderes Signal das den Zustand einer Verpolung kennzeichnet) , so geht die Ansteuerschaltung in den leitenden Zustand über bzw. in einen Zustand, in dem der

Halbleiterschalter (mittels der restlichen Spannungsquelle) angesteuert wird, einen leitenden Zustand einzunehmen oder beizubehalten. Liegt an der Ansteuerstufe keine negative Spannung mehr an (als Folge des leitenden Zustands des Halb- leiterschalters ) , so bleibt die Ansteuerstufe in einem Zu ¬ stand, in dem diese den Halbleiterschalter (mittels der restlichen Spannungsquelle) ansteuert, einen leitenden Zustand aufrechtzuerhalten. Falls die Schaltung vollständig spannungslos ist (oder durch ein anderes Löschsignal) , wird die monostabile Kippstufe wieder zurückgesetzt in einen Zustand, in dem gemäß Ansteuerung der Halbleiterschalter mit dem Zustand „nicht leitend" vorliegt. Anstatt eines Löschsignals kann auch ein Zeitablauf ab dem Anlegen der negativen Spannung dazu führen, dass bei nicht mehr anliegender negativer Spannung der Halbleiterschalter vom leitenden Zustand in den nichtleitenden Zustand versetzt wird. Als leitender Zustand wird eine Stromleitung zwischen den Halbleiterabschnitten außerhalb der Inversdiode bezeichnet. Zur Realisierung eines entsprechenden Verzögerungsglieds kann ein Energiespeicher, etwa ein Kondensator, im Mitkopplungskreis der Ansteuerschal ¬ tung vorgesehen sein, insbesondere in Kombination mit einem Widerstand, um ein RC- oder LC-Glied auszubilden. Somit kann die Ansteuerschaltung eine Tiefpasscharakteristik bzw. eine zeitlich Integrierende Funktion aufweisen. Dadurch werden in- stabile bzw. schwingende Zustände des Halbleiterschalters ef ¬ fektiv vermieden.

Die Spannungsquelle kann einen Versorgungseingang aufweisen, der mit dem Potential des Masseanschluss und dem Potential des Pluspolanschlusses verbunden ist. Die Spannungsquelle wird über den Versorgungseingang (der vorzugsweise zweipolig ausgestaltet ist) mit elektrischer Energie versorgt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Spannungsquelle als Span- nungswandler (wie eingangs beschrieben) ausgestaltet ist und somit auf Versorgung angewiesen ist. Die Spannungsquelle weist ferner einen Ausgang auf, der mit dem Steuereingang und einem weiteren Anschluss des Halbleiterschalters verbunden ist. Über den Ausgang der Spannungsquelle wird ein Schaltsig- nal an den Halbleiterschalter übertragen. Der Steuereingang kann die Basis oder das Gate eines Transistors sein, der den Halbleiterschalter bildet. Der weitere Anschluss kann der Emitter oder die Source des Transistors sein, der den Halb ¬ leiterschalter ausbildet. Der weitere Anschluss dient dazu, für das Potential am Steuereingang ein weiteres Potential zu bilden, um zwischen den beiden Potentialen eine Spannung anlegen zu können, die das Steuersignal der Spannungsquelle wiedergibt . Die Spannungsquelle kann zwischen dem Versorgungseingang und dem Ausgang eine galvanische Trennung aufweisen und kann wie eingangs bemerkt mit einem Übertrager bzw. Transformator ausgestaltet sein. Ferner kann der Ausgang über ein galvanisches Trennglied (etwa ein Übertrager bzw. ein Transformator) mit dem Halbleiterschalter verbunden sein. Dies dient der Anpassung des Potentialniveaus zwischen Spannungsquelle und Halb ¬ eiterschalter, falls dies notwendig ist.

Die Spannungsquelle ist vorzugsweise für Versorgungsspannun- gen an dem Versorgungseingang ausgestaltet und ist insbesondere ausgelegt, bereits bei einer Versorgungsspannung von nicht mehr als 500, 600, 800 mV oder auch 1 V oder 1.2 V zu arbeiten. Diese Spannungswerte sind insbesondere die Be- triebs-Minimalspannungen der Spannungsquelle. Dadurch kann als Versorgungsspannung eine Spannung verwendet werden, die an einem pn-Übergang abfällt, insbesondere an einer mit dem Halbleiterschalter verbundenen Last, die etwa als Transistor mit Inversdiode ausgestaltet sein kann oder diese umfassen kann oder eine Diode ist. In diesem Fall fällt an dem ange- schlossenen Transistor bzw. an der Diode, der bzw. die als Last zu betrachten ist, lediglich die Durchlassspannung der zugehörigen Inversdiode ab, die etwa in dem genannten Bereich von 500 - 800 mV oder 1000 mV oder 1200 mV (oder ggf. auch außerhalb) liegen kann. Die Last wird in einem Anwendungsfall von einer Gleichrichterschaltung (als aktive Gleichrichterschaltung mit Transistoren, die eine Inversdiode aufweisen oder mit einer passiven Diode bzw. Gleichrichterdiode) gebil ¬ det, insbesondere von der Gleichstromseite bzw. Ausgangsseite der Gleichrichterschaltung, die etwa im Verpolungsfall Strom leitet (da dann die Inversdiode bzw. die Diode in Durchlass ¬ richtung angeschlossen ist) und daher als Last betrachtet wird. Die Spannungsquelle ist ausgestaltet, bereits mit einer Versorgungsspannung, die der Durchlassspannung des ange- schlossenen Transistors, zu arbeiten. Die Minimale Betriebs ¬ spannung kann unter den genannten Spannungswerten liegen. Der angeschlossene Transistor wird im Weiteren auch allgemeiner als elektronischer Lastschalter bezeichnet. Die Inversdiode des Halbleiterschalters weist vorzugsweise eine Durchlassrichtung auf, die zum Pluspolanschluss gerich ¬ tet ist. Dadurch kann der Halbleiterschalter (der insbesondere als MOSFET ausgebildet ist) in gewohnter Weise (etwa mit dem Drain-Anschluss an den Pluspolanschluss) mit dem Pluspol- anschluss verbunden sein.

Ferner wird ein Kraftfahrzeug-Bordnetz beschrieben, das mit einer Verpolschutzschaltung ausgestattet ist, wie sie hierin dargelegt ist. Eine Last ist seriell mit dem Halbleiterschal- ter verbunden. Die durch diese Verbindung resultierende Serienschaltung aus Last und Halbleiterschalter ist zwischen den Masseanschluss und den Pluspolanschluss geschaltet. Als Last wird beispielsweise ein Synchrongleichrichter (mit zu ¬ mindest einem aktiven Gleichrichtertransistor, der eine In- versiode aufweist) oder ein (passiver) Gleichrichter angesehen, insbesondere dessen Ausgangsseite bzw. die elektroni ¬ schen Schalter (Transistor mit Inversdiode oder Gleichrichterdiode) des Gleichrichters und allgemein einer Last. Als Last werden insbesondere elektronische Lastschalter bezeich- net, die im Verpolungsfall leitend sind (etwa über deren In ¬ versdiode oder Gleichrichterdiode) , so dass sich ein Strom- fluss ergibt. Die Last bzw. der mindestens eine Gleichrich ¬ tertransistor der die mindestens eine Gleichrichterdiode kann mit einer weiteren Komponente seriell verbunden sein, die im Verpolungsfall ebenso leitet, etwa eine Induktivität bzw. de ¬ ren Gleichstromwiderstand. Die Last ist nicht notwendigerwei ¬ se eine funktionelle Last, zu deren Betrieb Strom fließt. Die Last ist ebenso eine Last bzw. ein Verbraucher, die bzw. der auch im nicht funktionierende Fall einen Stromfluss erzeugt, insbesondere im Falle von Gleichrichterdiode, Gleichrichter ¬ transistoren oder Lastschaltern, die aufgrund ihrer Eigenschaften (etwa eine Inversdiode zwischen stromführenden Anschlüssen) auch im Verpolungsfall Strom leiten. Die Last weist daher insbesondere einen elektronischen Lastschalter mit einer Inversdiode oder auch mindestens eine Gleichrich ¬ terdiode auf.

Die Last und insbesondere die im Verpolungsfall stromführen- den Abschnitte oder Komponenten (etwa eine Inversdiode) weist eine höhere Hochstromfestigkeit auf als die Inversdiode des Halbleiterschalters .

Für die Inversdiode der Last bzw. für die Gleichrichterdiode gilt das hier für die Inversdiode des Halbleiterschalters Be ¬ schriebene. Die Last kann insbesondere einen Transistor um ¬ fassen, etwa einen MOSFET oder einen IGBT, wobei der Transistor eine Inversdiode aufweisen kann, deren Durchlassrichtung zum Pluspolanschluss weist. Alternativ kann die Last eine Di- ode, etwa eine Gleichrichterdiode umfassen, wie vorangehend beschrieben ist.

Die Last kann einen Halbleiterschalter wie die

Verpolschutzschaltung oder auch eine Diode aufweisen. Der Halbleiterschalter der Last (der insbesondere dem elektronischen Lastschalter entspricht) ist mit einer Inversdiode aus ¬ gestaltet, wie auch der Halbleiterschalter der

Verpolschutzschaltung mit einer Inversdiode ausgestaltet sein kann. Der Typ des Halbleiterschalters der Verpolschutzschaltung kann dem Typ des Halbleiterschalters der Last entsprechen.

Die Last kann als passiver oder als gesteuerter Gleichrichter (oder als Inverter) ausgestaltet sein. Das Substrat des Halb ¬ leiterschalters der Last ist über einen Wärmewiderstand mit einer Wärmesenke verbunden, der kleiner ist als ein Wärmewiderstand, der das Substrat des Halbleiterschalters mit einer Wärmesenke verbindet. Mit anderen Worten kann der Halbleiter- Schalter der Last eine bessere Kühlung bzw. Kühlanbindung als der Halbleiterschalter der Verpolschutzschaltung aufweisen. Im Folgenden ist auf eine Alternative zu der vorangehend be ¬ schriebenen Last dargestellt. Die Diode bzw. Gleichrichterdi ¬ ode bzw. dessen Substrat oder Halbleiterkörper der Last ist über einen Wärmewiderstand mit einer Wärmesenke verbunden, der kleiner ist als ein Wärmewiderstand, der das Substrat des Halbleiterschalters mit einer Wärmesenke verbindet. Mit ande ¬ ren Worten kann die Diode der Last eine bessere Kühlung bzw. Kühlanbindung als der Halbleiterschalter der

Verpolschutzschaltung aufweisen.

Die Inversdiode des Halbleiterschalters bzw. die (Gleichrich ¬ ter-) Diode der Last kann eine Durchlassrichtung aufweisen, die der Durchlassrichtung der Inversdiode der

Verpolschutzschaltung entspricht. Die Durchlassrichtung des Halbleiterschalters der Last ist vorzugsweise zum Pluspolan- schluss gerichtet. Die Diode der Last kann einer Gleichrich ¬ terschaltung angehören oder auch einer anderen Schaltung, etwa einem Inverter.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Die Figur 1 stellt in beispielhafter Weise ein Kraftfahrzeug- Bordnetz dar, das mit einem Verpolschutzschaltung ausgestat- tet ist.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnung Die Figur 1 zeigt ein Beispiel eines hier beschriebenen

Kraftfahrzeug-Bordnetzes 60 sowie einer hier beschriebene Verpolschutzschaltung 10. Das Kraftfahrzeug-Bordnetz 60 ist lediglich insoweit dargestellt, wie es zur Erläuterung der Erfindung erforderlich ist.

Die dargestellte Verpolschutzschaltung 10 für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz weist einen Masseanschluss 20, einen Pluspolanschluss 22 und einen Halbleiterschalter 30 auf. Der Halblei- terschalter 30 ist insbesondere ein Transistor, etwa ein

MOSFET. Der Halbleiterschalter 30 ist mit einer Inversdiode 32 ausgestattet, deren Durchlassrichtung zum Pluspolanschluss 20 weist. Der Halbleiterschalter 30 ist seriell mit dem Plus ¬ polanschluss 22 verbunden, kann jedoch auch seriell mit dem Masseanschluss 20 verbunden sein. Insbesondere einer der stromführenden Anschlüsse (Drain oder Source) ist mit dem Masse- oder Pluspolanschluss verbunden.

Die Verpolschutzschaltung 10 weist ferner eine Spannungsquel- le 40 auf. Diese kann autark sein, ist jedoch in dem dargestellten Beispiel über einen Versorgungsanschluss 45 mit den Potentialen der Masse- und des Pluspolanschlüssen verbunden, um von diesen elektrische Energie zum Betrieb der Spannungs ¬ quelle verbunden. In dem dargestellten Beispiel kann die Spannungsquelle 40 daher auch als Wandler (Gleichspannungs ¬ wandler) betrachtet werden. Die Spannungsquelle ist mit einem Steuereingang 34 des Halbleiterschalters 30 verbunden. Insbe ¬ sondere ein Ausgang 47 der Spannungsquelle, der sich auf der entgegengesetzten Seite des Versorgungsanschlusses 45 befin- det (bezogen auf die Spannungsquelle bzw. bezogen auf den

Gleichspannungswandler) ist mit dem Steuereingang 34 (Gate) des Halbleiterschalters verbunden. Der Halbleiterschalter 30 arbeitet als Trennschalter innerhalb des Bordnetzes 60. Der Halbleiterschalter 30 ist ein Leistungsschalter, der insbe- sondere für einen Nennbetriebsstrom (Drain-Source) von mehr als 50 A, 200 A oder 500 A ausgelegt ist.

Die Spannungsquelle 40 ist eingerichtet, über den Steuerein ¬ gang 34 den Halbleiterschalter 30 in einen leitenden Zustand (Drain-Source-Strecke leitend) zu versetzen, wenn der

Verpolungsfall auftritt (oder aufgetreten ist) bzw. wenn das

Spannungspotential des Masseanschlusses 20 über dem des Plus ¬ polanschlusses 22 liegt.

Die Spannungsquelle ist wie erwähnt mit einem Spannungswand ¬ ler 42 ausgestattet. Dieser weist einen Eingang 44 auf, der dem Versorgungsanschluss nachgeschaltet ist. Der Eingang 44 bzw. der Versorgungsanschluss 45 ist mit dem Masseanschluss 20 und dem Pluspolanschluss 22 verbunden (direkt oder indi ¬ rekt) . Der Ausgang 46 des Spannungswandlers 42 ist mit dem Steuereingang 34 des Halbleiterschalters 30 verbunden.

Der Spannungswandler weist eine eingangsseitige Ansteuer- Schaltung 48 auf, die Strom leitet, wenn das Spannungspotential des Masseanschlusses 20 über dem des Pluspolanschlusses 22 liegt, d.h. wenn der Verpolungsfall auftritt oder aufge ¬ treten ist. Ansonsten sperrt die Ansteuerschaltung 48 einen Stromfluss zum Spannungswandler 42. Auf diese Weise steuert die Ansteuerschaltung den Betrieb der Verpolschutzschaltung, so dass im Verpolungsfall die Spannungsquelle 40 versorgt wird und den Halbleiterschalter 30 in leitenden Zustand überführt oder hält. Es sind auch andere Steuermechanismen mög ¬ lich, etwa eine dauerhafte Versorgung der Spannungsquelle, wobei nur im Verpolungsfall die Spannungsquelle 40 den Steu ¬ ereingang 34 mit einem AN-Signal versorgt. Hierzu kann die Spannungsquelle einen Steuereingang aufweisen, über den der Verpolungsfall erkannt wird, um die Spannungsquelle 40 anzu ¬ steuern .

Die Ansteuerschaltung kann eine Diode aufweisen, deren Durchlassrichtung zur Spannungsquelle 40 weist. Alternativ oder zusätzlich kann die Ansteuerschaltung 40 einen mitgekoppelten MOSFET aufweisen, insbesondere einen p-Kanal-MOSFE . Allge- mein kann die Ansteuerschaltung 40 eine Kippschaltung aufweisen, die bei Eintritt des Verpolungsfalls den Schaltzustand (dauerhaft, jedoch rücksetzbar) ändert. Die Ansteuerschaltung 48 ist in der linken oberen Ecke detaillierter dargestellt und umfasst einen Mitkopplungspfad, der ein Verzögerungsglied (RC-Glied oder ähnlich) umfasst.

Der Versorgungseingang 45 der Spannungsquelle 40 ist mit dem Potential des Masseanschluss 20 und dem Potential des Plus- polanschluss 22 verbunden. Der Ausgang 47 der Spannungsquelle 40 ist mit dem Steuereingang 34 und einem weiteren Anschluss 36 des Halbleiterschalters 30 verbunden. Die Spannungsquelle 40 weist zwischen dem Versorgungseingang 45 und dem Ausgang 47 eine galvanische Trennung auf. Alternativ kann der Ausgang über ein galvanisches Trennglied 50 (als Alternative gestri ¬ chelt dargestellt) mit dem Halbleiterschalter 30 verbunden sein. Das Trennglied umfasst zwei magnetisch gekoppelte Wick ¬ lungen, die mit den unterschiedlichen Seiten der Spannungs- quelle 40 (d.h. mit dem Eingang 45 bzw. dem Ausgang 47 verbunden sind.

Die Inversdiode 32 des Halbleiterschalters 30 weist (herstel ¬ lungsbedingt) eine Durchlassrichtung auf, die zum Pluspolan- schluss 22 gerichtet ist.

Das Kraftfahrzeug-Bordnetz 60 der Figur 1 ist mit der vorangehend beschriebenen Verpolschutzschaltung 10 verbunden. Eine Last 70 ist seriell mit dem Halbleiterschalter 30 verbunden ist. Die dadurch resultierende Serienschaltung aus Last 70 und Halbleiterschalter 30 ist zwischen dem Masseanschluss 20 und dem Pluspolanschluss 22 geschaltet. Die Last 70 ist eine im Verpolungsfall leitende Komponente, insbesondere ein (wei ¬ tere) Leistungsschalter eines Synchrongleichrichters (nicht vollständig dargestellt) . Der Leistungsschalter, der die Last 70 darstellt, weist eine Inversdiode 74 auf, die parallel zu dem schaltenden Abschnitt 72 (d.h. Source, Drain, und der dazwischenliegende Kanalbereich) des Leistungsschalters 70 liegt. Die Inversdiode ergibt sich herstellungsbedingt im Substrat des Leistungsschalters (d.h. der Last 70) und stellt in einigen Betriebsarten keine Last dar, die für den Betrieb des Leistungsschalters eine Rolle spielt. Da im

Verpolungsfall dennoch Strom durch den Leistungsschalter (d.h. der Last 70) fließt, wird die Inversdiode 74 als (stromführende) Last bezeichnet. Die Last 70 ist ein Transis ¬ tor, insbesondere ein MOSFET. Als elektronischer Lastschalter 72 wird der Bereich des Transistors bezeichnet, der über ei ¬ nen Steuereingang gesteuert Strom führt, etwa der vorangehend genannte Abschnitt 72, d.h. Source, Drain, und der dazwi ¬ schenliegende Kanalbereich. Die Inversdiode 74 hat eine höhe ¬ re Hochstromfestigkeit als die Inversdiode 32, insbesondere aufgrund einer besseren Wärmeabführung. Anstatt der dargestellten Last 70 kann eine Diode vorgesehen sein, etwa die eines Gleichrichters, wobei die Diode wie die dargestellte

Diode 74 ausgerichtet und beschaltet ist, wobei kein elektro ¬ nischer Lastschalter 72 parallel geschaltet ist.

Die Last 70 ist als (passiver oder wie dargestellt) gesteuer- ter Gleichrichter oder als Inverter ausgestaltet, oder als Teil eines Gleichrichters oder Inverters. Die dargestellte Last 70 weist einen Halbleiterschalter 72 (Drain, Source und der dazwischenliegende Kanalbereich) mit einer Inversdiode 74, die sich insbesondere im gleichen Substrat wie der Halb- leiterschalter befindet. Das Substrat des Halbleiterschalters 72 der Last ist über einen Wärmewiderstand mit einer Wärme ¬ senke (nicht dargestellt) verbunden, der kleiner ist als ein Wärmewiderstand, der das Substrat des Halbleiterschalters 30 der Verpolschutzschaltung 10 mit einer Wärmesenke verbindet. Dadurch ist eine Erhitzung der Inversdiode 74 weniger kritisch (im Hinblick auf eine Schädigung des betreffenden Halbleiters) als eine Erhitzung der Inversdiode 32, wobei die Er ¬ hitzung sich durch Stromfluss durch diese Dioden ergibt. Wie erwähnt kann bei einem passiven Gleichrichter als Last die Gleichrichterdiode mit einer höheren Hitzebelastbarkeit aus ¬ gestattet sein als die Inversdiode 32. Die höhere Hitzebe ¬ lastbarkeit ergibt sich durch einen geringeren Wärmewiderstand zu einer Wärmesenke und/oder aus einer höheren Betriebstemperatur .

Die Inversdiode 74 des Halbleiterschalters der Last 70 weist eine Durchlassrichtung auf, die zum Pluspolanschluss gerich ¬ tet ist. Die hier genannten Durchlassrichtungen sind in umge- kehrter Richtung, falls die Schaltung 10 komplementär aufgebaut ist.

Die Spannungsquelle 10 kann als Sperrwandler aufgebaut sein, der neben einer Zerhackerschaltung (welche über den Eingang 45 bzw. 44 versorgt wird) einen (magnetischen) Übertrager aufweist, der den Eingang 45 von dem Ausgang 47 galvanisch trennt .

Bezugs zeichenliste

10 Verpolschutzschaltung

20 Masseanschluss

22 Pluspolanschluss

30 Halbleiterschalter (der Spannungsquelle)

32 Inversdiode

40 Spannungsquelle

34 Steuereingang (des Halbleiterschalters 30)

42 Spannungswandler

44 Eingang des Wandlers 42

45 Versorgungseingang der Spannungsquelle 40

46 Ausgang 46 des Spannungswandlers 42

47 Ausgang 47 der Spannungsquelle 40

48 eingangsseitige Ansteuerschaltung der Spannungsquelle 40 36 weiterer Anschluss 36 des Halbleiterschalters 30

50 alternatives galvanisches Trennglied

60 Kraftfahrzeug-Bordnetz

70 Last bzw. Leistungstransistor innerhalb des angeschlos ¬ senen Bordnetzes

72 elektronischer Lastschalter

74 Inversdiode der Last 70 (kann auch als Gleichrichterdio ¬ de eines passiven Gleichrichters vorgesehen sein)