Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung für eine Versorgungsleitung zur Versorgung elektrischer Lasten mit elektrischer Energie. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Spannungsversorgungssystem, ein entsprechendes

Verfahren zum Betreiben einer Schaltvorrichtung und ein entsprechendes Herstellverfahren.

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden hauptsächlich in Verbindung mit

Elektrofahrzeugen beschrieben. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung aber in jeder Anwendung eingesetzt werden kann, in welcher elektrische Lasten zuverlässig abgeschaltet werden müssen.

Bei modernen Fahrzeugen wird versucht, den Kraftstoffverbrauch und damit den Ausstoß schädlicher Gase zu reduzieren. Eine Möglichkeit dazu besteht darin, den

Verbrennungsmotor in dem Fahrzeug durch einen Elektromotor zu unterstützen bzw. den Verbrennungsmotor durch einen Elektromotor zu ersetzen.

In solchen Fahrzeugen müssen folglich stabile Versorgungsnetze für

Hochleistungselektromotoren installiert werden. In solchen Versorgungsnetzen können z.B. Nennspannungen von mehreren hundert Volt vorgesehen sein und die Elektromotoren können Leistungen von mehreren hundert Kilowatt aufweisen.

Insbesondere in Fehlerfällen, wenn z.B. ein Kurzschluss in dem Versorgungsnetz erkannt wird, muss die Spannungsversorgung schnell und zuverlässig unterbrochen werden. Da jede Versorgungsleitung im Bordnetz ohmisch-induktive Eigenschaften hat, kann ein abruptes Abschalten der Versorgungsspannung aber zu hohen Spannungsspitzen in dem

Versorgungsnetz führen.

Beschreibung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel ein sicheres Abschalten induktiver Lasten zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben. Insbesondere können die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein.

Eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung für eine Versorgungsleitung zur Versorgung elektrischer Lasten mit elektrischer Energie weist auf einen Leistungseingang, einen

Leistungsausgang, ein gesteuertes Schaltelement, welches elektrisch zwischen dem

Leistungseingang und dem Leistungsausgang angeordnet ist, und welches ausgebildet ist, gesteuert den Leistungseingang elektrisch mit dem Leistungsausgang zu koppeln, und einen geregelten Widerstand, welcher elektrisch parallel zu dem gesteuerten Schaltelement angeordnet ist und welcher ausgebildet ist, beim Öffnen des gesteuerten Schaltelements und Auftreten von Spannungsspitzen zwischen dem Leistungseingang und dem

Leistungsausgang den Leistungseingang mit dem Leistungsausgang elektrisch zu verbinden.

Ein Spannungsversorgungssystem zur Versorgung elektrischer Lasten mit elektrischer Energie weist auf eine elektrische Energiequelle, und eine erfindungsgemäße

Schaltvorrichtung, wobei der Leistungseingang der Schaltvorrichtung mit einem positiven Leistungsausgang der Energiequelle gekoppelt ist, und wobei der Leistungsausgang der Schaltvorrichtung mit einem positiven Lastanschluss der elektrischen Lasten koppelbar ist.

Ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltvorrichtung für eine Versorgungsleitung zur Versorgung elektrischer Lasten mit elektrischer Energie, weist auf die Schritte Ansteuern eines gesteuerten Schaltelements in der Schaltvorrichtung, welches elektrisch zwischen einem Leistungseingang und einem Leistungsausgang der Schaltvorrichtung angeordnet ist, und welches ausgebildet ist, gesteuert den Leistungseingang elektrisch mit dem

Leistungsausgang zu koppeln oder diese voneinander zu trennen, und Verbinden des Leistungseingangs und des Leistungsausgangs mittels einer elektrischen Verbindung über einen geregelten Widerstand, welcher elektrisch parallel zu dem gesteuerten Schaltelement angeordnet ist, beim Öffnen des gesteuerten Schaltelements und Auftreten von

Spannungsspitzen.

Ein Herstel Verfahren für eine Schaltvorrichtung zum Schalten in einer Versorgungsleitung zur Versorgung elektrischer Lasten mit elektrischer Energie, weist auf die Schritte Anordnen eines gesteuerten Schaltelements elektrisch zwischen einem Leistungseingang und einem Leistungsausgang der Schaltvorrichtung, welches ausgebildet ist, gesteuert den

Leistungseingang elektrisch mit dem Leistungsausgang zu koppeln, und Anordnen eines geregelten Wderstands elektrisch parallel zu dem gesteuerten Schaltelement welcher ausgebildet ist, beim Öffnen des gesteuerten Schaltelements und Auftreten von

Spannungsspitzen zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang den

Leistungseingang mit dem Leistungsausgang elektrisch zu verbinden.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass insbesondere in Anwendungen mit induktiven Lasten beim Abschalten der Lasten hohe Spannungsspitzen auftreten können.

Für den Einsatz bei mehreren hundert Volt, wie in Elektrofahrzeugen üblich, sind lediglich sehr aufwändige Schaltelemente bekannt, die ein sicheres Abschalten induktiver Lasten ermöglichen. Sogenannte RCD-Snubber erfordern einen großen Bauraum und sind sehr kostenintensiv. Der Einsatz von Freilaufdioden erfordert den Zugriff auf den negativen Leistungspfad, was in Stromverteilern oder Elektronischen Sicherungen üblicherweise nicht möglich ist, da hier keine negativen Leitungen mitgeführt werden.

Die vorliegende Erfindung dagegen stellt eine einfache Möglichkeit bereit, beim Abschalten einer Last entstehende Spannungsspitzen abzubauen. Dazu sieht die vorliegende Erfindung die Schaltvorrichtung vor, welche in einem Spannungsversorgungssystem z.B. in dem positiven Leistungspfad zwischen der Energiequelle und der Last angeordnet werden kann.

Die Schaltvorrichtung weist einen Leistungseingang und einen Leistungsausgang auf, zwischen denen ein gesteuertes Schaltelement und ein geregelter Wderstand angeordnet sind. Das gesteuerte Schaltelement und der geregelte Widerstand sind dabei elektrisch parallel zueinander angeordnet.

Das gesteuerte Schaltelement dient dabei dem Schalten der elektrischen Leistung. Es kann also gesteuert geschlossen und geöffnet werden. Wie bereits erläutert, können insbesondere beim Trennen oder Öffnen des Stromkreises mit induktiven Lasten hohe Spannungsspitzen auftreten. Diese können das gesteuerte Schaltelement unter Umständen schädigen.

Aus diesem Grund ist zusätzlich zu dem Schaltelement der geregelte Widerstand

vorgesehen. Der geregelte Wderstand ist dabei derart ausgeführt, dass er im Normalbetrieb, also im statischen Zustand des steuerbaren Schaltelements hochohmig ist, also keine elektrische Verbindung zwischen dem Leistungseingang der Schaltvorrichtung und dem Leistungsausgang der Schaltvorrichtung besteht. Bei statisch geöffnetem oder

geschlossenem steuerbaren Schaltelement ist die elektrische Verbindung zwischen dem Leistungseingang der Schaltvorrichtung und dem Leistungsausgang der Schaltvorrichtung über den geregelten Widerstand folglich unterbrochen, es fließt kein bzw. nur ein zu vernachlässigender Strom über den geregelten Widerstand.

Wrd allerdings das gesteuerte Schaltelement geöffnet und treten dabei Spannungsspitzen zwischen Leistungseingang und Leistungsausgang der Schaltvorrichtung auf, verbindet der geregelte Wderstand den Leistungseingang der Schaltvorrichtung und den

Leistungsausgang der Schaltvorrichtung elektrisch miteinander. Der regelbare Widerstand reduziert folglich seinen Wderstand, so dass ein Strom zwischen dem Leistungseingang der Schaltvorrichtung und dem Leistungsausgang der Schaltvorrichtung fließen kann.

Folglich wird induktiv gespeicherte Energie über dem geregelten Wderstand abgebaut, also zumindest teilweise in thermische Energie umgewandelt. Der geregelte Wderstand stellt eine elektrische Verbindung zwischen dem Leistungseingang der Schaltvorrichtung und dem Leistungsausgang der Schaltvorrichtung bereit, wenn eine Spannungsspitze abgebaut werden muss. Nachdem die Spannungsspitze abgebaut ist, wird der geregelte Wderstand hochohmig. Eine neue Spannungsspitze kann sich folglich aufbauen und der gesteuerte Wderstand wieder niederohmig werden. Dieser Vorgang kann sich mehrfach wiederholen, bis die gespeicherte Energie vollständig abgebaut wurde. Durch die Trennung der Schaltfunktion - gesteuertes Schaltelement - und der

Schutzfunktion - geregelter Widerstand - stellt die vorliegende Erfindung eine sehr einfache Möglichkeit bereit, induktive Lasten abzuschalten.

Weitere Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.

In einer Ausführungsform kann das gesteuerte Schaltelement einen Halbleiterschalter, insbesondere einen MOSFET, oder eine Parallelschaltung von mindestens zwei

Halbleiterschaltern, insbesondere MOSFETs, aufweisen.

MOSFETs sind Halbleiterbauelemente, die in verschiedensten Varianten verfügbar sind. Insbesondere für Schaltaufgaben sind MOSFETs gut geeignet, da sie leistungsfrei geschaltet werden können und sehr schnelle Schaltvorgänge ermöglichen. Je nach maximaler Leistung bzw. maximalen Strom über der Schaltvorrichtung kann dabei ein einzelner MOSFET oder eine Parallelschaltung aus MOSFETs vorgesehen sein.

Ein MOSFET kann prinzipiell auch als geregelter Widerstand genutzt werden. Dieser Betriebsmodus wird z.B. auch Linearbetrieb oder Linearmode genannt. Seitens der

Halbleiterhersteller wird der Linearmode aber immer nur für ein einzelnes Bauteil empfohlen. Diese Einschränkung wird bedingt durch die Streuung der Bauteil Parametern, vor Allem die Streuung der Gate-Threshold-Spannung UGSth. Das bedeutet, dass bei einer

Parallelschaltung von MOSFETs der MOSFET mit der kleinsten Gate-Threshold-Spannung UGSth als erster in den Linearmode versetzt wird und die meisten Verluste über diesem abgebaut werden. Für die weitere Einsatzeinschränkung des Linearmodes bei parallel geschalteten MOSFETs sorgt die MOSFET-Technologie. Viele einzelne Zellen sind in einem Package parallelgeschaltet und die Gate-Threshold-Spannung UGSth weist einen positiven Temperaturkoeffizienten auf. Dadurch können die Zellen thermisch auseinanderdriften und der MOSFET mit der kleinsten Gate-Threshold-Spannung UGSth wird zerstört.

In der Schaltvorrichtung können aber, insbesondere in Hochleistungsanwendungen wie Elektrofahrzeugen, mehrere MOSFETs parallelgeschaltet werden. Dadurch wird der Durchlasswiderstand, auch RDSon, klein gehalten und Verluste minimiert. Der Halbleiterschalter kann folglich als effizienter Leistungsschalter nicht aber zum Energieabbau über die Leistungs-MOSFETs genutzt werden.

In einer weiteren Ausführungsform kann der geregelte Widerstand ein

Halbleiterschaltelement aufweisen. Ein Leistungseingang des Halbleiterschaltelements kann mit dem Leistungseingang der Schaltvorrichtung gekoppelt sein und ein Leistungsausgang des Halbleiterschaltelements kann mit dem Leistungsausgang der Schaltvorrichtung gekoppelt sein.

Andere Halbleiterschaltelemente als MOSFETs, können vorteilhaft als geregelte

Wderstände eingesetzt werden. Solche Halbleiterschalterelemente können Nachteile aufweisen, die sie als Schalter weniger geeignet erscheinen lassen. Beispielsweise kann die Schaltgeschwindigkeit solcher Halbleiterschalterelemente geringer sein und deren

Durchlasswiderstand kann höher sein, als bei MOSFETs. Allerdings können solche

Halbleiterschaltelemente, wie z.B. IGBTs, eine sehr hohe Strom- und Spannungsfestigkeit aufweisen.

In noch einer Ausführungsform kann die Schaltvorrichtung einen Steuereingang aufweisen, wobei ein Schalteingang des gesteuerten Schaltelements über einen ersten Vorwiderstand mit dem Steuereingang gekoppelt sein kann, und/oder wobei ein Steuereingang des geregelten Wderstands über einen zweiten Vorwiderstand mit dem Steuereingang gekoppelt sein kann.

Durch die Verbindung des Steuereingangs des gesteuerten Schaltelements und des

Steuereingangs des geregelten Wderstands ist sichergestellt, dass das gesteuerte

Schaltelement und der geregelte Widerstand immer synchron angesteuert werden und deren Steuereingänge auf definierten Signalpegeln liegen.

In einer Ausführungsform kann der geregelte Wderstand als ein IGBT ausgebildet sein. Zwischen dem Leistungseingang der Schaltvorrichtung und einem Steuereingang des IGBT kann eine Z-Diode in Sperrrichtung angeordnet sein.

We oben bereits angedeutet, kann als geregelter Widerstand ein IGBT genutzt werden. Ein solcher vereint in sich die Vorteile des Bipolartransistors, nämlich ein gutes Durchlassverhalten, eine hohe Sperrspannung, und Robustheit, und die Vorteile eines Feldeffekttransistors, nämlich die nahezu leistungslose Ansteuerung. IGBTs haben einen bipolaren Aufbau. Dieser ermöglicht deutlich höhere Stromdichten und somit auch höhere Pulsenergien. Technologiebedingt eignen sich IGBTs daher deutlich besser für den

Linearmode als MOSFETs. Ein einzelner IGBT kann folglich bereits ausreichen, um ein gesteuertes Schaltelement mit einer Parallelschaltung mehrerer MOSFETs abzusichern.

Beim Abschalten der Last, also beim Öffnen des gesteuerten Schaltelements, steigt die Spannung zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang der

Schaltvorrichtung an, bis die Z-Diode leitend wird. Wird die Z-Diode leitend, liegt eine Spannung an dem Steuereingang des IGBT an und der Wderstand des Leistungspfads des IGBT sinkt. Der Laststrom kommutiert vom gesteuerten Schaltelement auf den IGBT. Die im System durch Induktivitäten gespeicherte Energie sorgt dafür, dass sich die Z-Diode an der Grenze bzw. im Übergang zwischen dem leitenden und gesperrten Zustand befindet. Somit bleibt auch der IGBT in einem geregelten Zustand. Der IGBT stellt in diesem Zustand einen spannungsgesteuerten Wderstand dar, an dessen Lastanschlüssen (Kollektor - Emitter Strecke) eine nahezu konstante Spannung, die Zener- oder Z-Spannung bzw.

Durchbruchspannung der Z-Diode plus Gate-Source-Spannung Ü _G s m, anliegt und über den der Laststrom fließt. We oben ausgeführt, wird diese Betriebsart eines Leistungshalbleiters als Linearmode oder Linearbetrieb bezeichnet.

Der IGBT bleibt in dem leitenden Zustand, bis die Z-Spannung der Z-Diode unterschritten wird. Dadurch verliert der IGBT seine Ansteuerung und geht wieder in den gesperrten Zustand über. Die im System gespeicherte Energie führt daraufhin zum erneuten

Spannungsanstieg zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang der Schaltvorrichtung, bis die Z-Diode und der IGBT wieder leitend werden. Dieser Vorgang dauert solange, bis die gespeicherte Energie abgebaut ist. Der IGBT befindet sich dabei in einem geregelten Zustand. Durch die Gate-Source-Spannung wird seine Leitfähigkeit so geregelt, dass das Produkt aus dem Laststrom, der nahezu linear abnimmt, und seinem Durchlasswiderstand nahezu konstant bleibt.

In noch einer Ausführungsform kann die Z-Diode derart dimensioniert sein, dass ihre Durchbruchsspannung unterhalb einer für das gesteuerte Schaltelement zulässigen Maximalspannung liegt. Kommt es zur Abschaltung der elektrischen Last z.B. mit sehr hohen Momentanströmen im Fall eines Kurzschlusses, so entsteht durch die im System durch Induktivitäten gespeicherte Energie ein steiler Spannungsanstieg zwischen dem Leistungseingang und dem

Leistungsausgang der Schaltvorrichtung. Dabei darf allerdings die maximale

Spannungsfestigkeit der Leistungs-MOSFETs nicht überschritten werden. Aus diesem Grund wird die Z-Diode so gewählt, dass der Wert der Durchlassspannung unterhalb der zulässigen Grenze bzw. unterhalb der zulässigen Maximalspannung bleibt.

In einer weiteren Ausführungsform kann die Schaltvorrichtung ein Dämpfungselement aufweisen, insbesondere eine Reihenschaltung aus einer Kapazität und einem Widerstand, welches zwischen dem Leistungseingang der Schaltvorrichtung und dem Leistungsausgang der Schaltvorrichtung angeordnet ist.

Das Dämpfungselement ist folglich elektrisch parallel zu dem gesteuerten Schaltelement und dem geregelten Widerstand angeordnet. Beim Öffnen des gesteuerten Schaltelements kommutiert der Strom von dem gesteuerten Schaltelement zu dem geregelten Widerstand. Dieser Stromkommutierungsvorgang kann auf Grund der, wenn auch geringen, Induktivitäten in der Zuleitung zu dem geregelten Widerstand und seiner Eingangskapazität eine gewisse Zeit, typischerweise unter 100 ns, dauern. Um in dieser Zeit einen unzulässigen

Spannungsanstieg an dem und damit eine Zerstörung des gesteuerten Schaltelements zu verhindern, kann das Dämpfungselement parallel zu dem gesteuerten Schaltelement vorgesehen werden.

Kurze Figurenbeschreibung

Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Figur 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines

Spannungsversorgungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung; Figur 3 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels eines

Spannungsversorgungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;

Figur 4 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Figur 5 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Herstellverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.

Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Detaillierte Beschreibung

Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltvorrichtung 100. Die Schaltvorrichtung 100 kann z.B. in einer Versorgungsleitung 150 zur Versorgung elektrischer Lasten 151 mit elektrischer Energie eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Last 151 ein Elektromotor in einem Elektrofahrzeug sein.

Die Schaltvorrichtung 100 weist einen Leistungseingang 101 und einen Leistungsausgang 102 auf. Der Leistungseingang 101 kann z.B. mit einer Energiequelle, wie z.B. einer Fahrzeugbatterie, gekoppelt werden. Der Leistungsausgang 102 kann z.B. mit dem Eingang der Last, also z.B. eines Elektromotors in einem Elektrofahrzeug, gekoppelt werden. Die Schaltvorrichtung 100 kann dabei z.B. in dem positiven Spannungszweig angeordnet werden. Die Fahrzeugmasse kann als negativer Spannungszweig genutzt werden.

Zwischen dem Leistungseingang 101 und dem Leistungsausgang 102 ist ein gesteuertes Schaltelement 103 angeordnet. Ein geregelter Widerstand 104 ist elektrisch parallel zu dem gesteuerten Schaltelement 103 ebenfalls zwischen dem Leistungseingang 101 und dem Leistungsausgang 102 angeordnet.

Das gesteuerte Schaltelement 103 kann gesteuert den Leistungseingang 101 elektrisch mit dem Leistungsausgang 102 koppeln. We oben bereits erläutert, können insbesondere beim Abschalten induktiver Lasten hohe Spannungsspitzen auftreten. Solche Spannungsspitzen können je nach Induktivität und auftretenden Strömen so hoch sein, dass sie das gesteuerte Schaltelement 103 schädigen können. Insbesondere bei einer Notabschaltung im laufenden Betrieb der Last 151 können sehr hohe Ströme in dem System vorhanden sein, die zu entsprechenden Spannungsspitzen führen.

Um solche Spannungsspitzen abzufangen bzw. abzuleiten, ist der geregelte Widerstand 104 vorgesehen. Beim Öffnen des gesteuerten Schaltelements 103 und bei gleichzeitigem Auftreten von Spannungsspitzen zwischen dem Leistungseingang 101 und dem

Leistungsausgang 102 kann der geregelte Wderstand 104 den Leistungseingang 101 mit dem Leistungsausgang 102 elektrisch verbinden.

Dies bedeutet, dass der geregelte Wderstand 104 im Normalbetrieb, also im statischen Zustand des gesteuerten Schaltelements 103 bzw. bei einem stromfreien Abschaltvorgang hochohmig ist und keine elektrische Verbindung zwischen dem Leistungseingang 101 und dem Leistungsausgang 102 besteht. Es versteht sich, dass bei einem solchen

„hochohmigen“ geregelten Wderstand 104 der Sperrwiderstand des geregelten Widerstands 104 einen sehr geringen Stromfluss zwischen Leistungseingang 101 und Leistungsausgang 102 ermöglicht. In diesem Zusammenhang wird hier dennoch von dem Fehlen einer elektrischen Verbindung gesprochen.

Wrd das gesteuerte Schaltelement 103 geöffnet, während ein Strom durch das gesteuerte Schaltelement 103 fließt, entsteht auf Grund der im System vorhandenen Induktivitäten eine Spannungsspitze. In diesem Betriebszustand wird der Durchgangswiderstand des geregelten Wderstands 104 gesenkt und eine elektrische Verbindung zwischen dem Leistungseingang 101 und dem Leistungsausgang 102 entsteht. Die Spannungsspitze bzw. die in den Induktivitäten gespeicherte Energie kann sich damit über dem geregelten

Wderstand 104 abbauen. Üblicherweise wird die Energie damit in thermische Energie gewandelt.

Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Spannungsversorgungssystems 210. Das

Spannungsversorgungssystems 210 weist eine Energiequelle 211 auf, die z.B. als Batterie mit einer Ausgangsspannung von 450 V ausgebildet sein kann. Ferner ist eine Last 251 vorgesehen. Zwischen Energiequelle 211 und Last 251 ist eine Schaltvorrichtung 200 vorgesehen. Die in dem System vorhandenen Induktivitäten sind als Induktivitäten 213, 214 dargestellt. Die Schaltvorrichtung 200 basiert auf der Schaltvorrichtung 100. Folglich weist die

Schaltvorrichtung 200 ein gesteuertes Schaltelement 203 und einen geregelten Widerstand 204 auf, die elektrisch zwischen einem Leistungseingang 201 und einem Leistungsausgang 202 angeordnet sind. Ferner ist ein Steuereingang 205 vorgesehen, welcher mit einer Steuervorrichtung 212 des Spannungsversorgungssystems 210 gekoppelt ist.

Das gesteuerte Schaltelement 203 weist einen MOSFET-Transistor 206 auf, dessen Leistungspfad elektrisch zwischen dem Leistungseingang 201 und dem Leistungsausgang 202 angeordnet ist. Der Steuereingang bzw. Gate-Anschluss des MOSFET-Transistors 206 ist mit dem Steuereingang 205 gekoppelt. Der geregelte Widerstand 204 weist einen IGBT 207 auf, dessen Lastpfad ebenfalls elektrisch zwischen dem Leistungseingang 201 und dem Leistungsausgang 202 angeordnet ist. Der Steuereingang bzw. Gate-Anschluss des IGBT 207 ist ebenfalls mit dem Steuereingang 205 gekoppelt. Ferner ist eine Z-Diode 208 zwischen dem Lasteingang bzw. Kollektoranschluss des IGBT 207 und dem Steuereingang bzw. Gate-Anschluss des IGBT 207 in Sperrrichtung angeordnet.

Bei dieser Anordnung sorgt eine Spannungsspitze, welche über der Schaltvorrichtung 200 entsteht, dafür, dass die Z-Diode 208 leitend wird. Der Steuereingang des IGBT 207 wird folglich durch die Z-Diode 208 angesteuert und der IGBT 207 wird leitend bzw. der

Widerstand des Leistungspfads des IGBT 207 wird gesenkt.

Kommt es beispielsweise zur plötzlichen Abschaltung des Laststromes, z.B. im Fall eines detektierten Kurzschlusses im System, so entsteht durch die im System in der Induktivität gespeicherte Energie nach der Formel E = 1/2*L*(lmax) ² ein steiler Spannungsanstieg bzw. eine Spannungsspitze zwischen Leistungseingang 201 und Leistungsausgang 202. Die maximale Spannungsfestigkeit des Leistungs-MOSFET 206 darf aber nicht überschritten werden.

Die Z-Diode 208 kann folglich derart gewählt werden, dass der Wert der Klemmspannung über dem Leistungshalbleiter 207 unterhalb seiner maximal zulässigen Grenze bleibt. Durch den Stromstoß durch die Z-Diode 208 wird der IGBT 207 in den leitenden Zustand versetzt, bis die Z-Spannung unterschritten wird. Dadurch verliert der IGBT 207 seine Ansteuerung und geht wieder in den gesperrten Zustand. Die im System gespeicherte Energie führt daraufhin zum erneuten Spannungsanstieg zwischen Leistungseingang 201 und

Leistungsausgang 202, bis die Z-Diode 208 und der IGBT 207 wieder leitend werden. Dieser Vorgang widerholt sich, bis die gespeicherte Energie abgebaut ist. Wie oben bereits erläutert, befindet sich der IGBT 207 dabei in einem geregelten Zustand bzw. in einem Linearmode. Durch die Gate-Source-Spannung wird die Leitfähigkeit des IGBT 207 derart geregelt, dass das Produkt aus dem Laststrom, der linear abnimmt, und seinem ON- Wderstand nahezu konstant bleibt. Diese über dem IGBT abfallende Spannung entspricht der Summe aus der Z-Spannung der Z-Diode 208 und der Gate-Source-Spannung.

Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Spannungsversorgungssystems 310. Das

Spannungsversorgungssystem 310 basiert auf dem Spannungsversorgungssystems 210. Folglich weist das Spannungsversorgungssystem 310 eine Energiequelle 311 auf, die z.B. als Batterie mit einer Ausgangsspannung von 450 V ausgebildet sein kann. Ferner ist eine Last 351 vorgesehen. Zwischen Energiequelle 311 und Last 351 ist eine Schaltvorrichtung 300 vorgesehen. Die in dem System vorhandenen Induktivitäten sind als Induktivitäten 313, 314 dargestellt.

Die Schaltvorrichtung 300 basiert auf der Schaltvorrichtung 200. Folglich weist die

Schaltvorrichtung 300 ein gesteuertes Schaltelement 303 und einen geregelten Widerstand 304 auf, die elektrisch zwischen der Induktivität 313 und der Induktivität 314 angeordnet sind. Das gesteuerte Schaltelement 303 weist eine Parallelschaltung aus drei MOSFET- Transistoren (der Übersichtlichkeit halber nicht separat bezeichnet) auf, deren

Leistungspfade elektrisch zwischen der Induktivität 313 und der Induktivität 314 angeordnet sind. Der Steuereingänge bzw. Gate-Anschlüsse der MOSFET-Transistoren sind über einen ersten Vorwiderstand mit der Steuervorrichtung 312 gekoppelt.

Der geregelte Wderstand 304 weist einen IGBT 307 auf, dessen Lastpfad ebenfalls elektrisch zwischen der Induktivität 313 und der Induktivität 314 angeordnet ist. Der

Steuereingang bzw. Gate-Anschluss des IGBT 307 ist über einen zweiten Vorwiderstand 316 ebenfalls mit der Steuervorrichtung 312 gekoppelt. Ferner ist eine Z-Diode 308 zwischen dem Lasteingang bzw. Kollektoranschluss des IGBT 307 und dem Steuereingang bzw. Gate- Anschluss des IGBT 307 in Sperrrichtung angeordnet. Bei der Anordnung der Figur 3 werden folglich das gesteuerte Schaltelement 303 und der geregelte Widerstand 304 gleichzeitig von der Steuervorrichtung 312 angesteuert. Im statischen Fall werden die drei MOSFETs des gesteuerten Schaltelements 303 von der Steuervorrichtung 312 über den ersten Vorwiderstand 315 angesteuert. Der parallel zu den MOSFETs liegende IGBT 307 bleibt trotz seiner Ansteuerung über den zweiten

Vorwiderstand 316 stromlos, da seine Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung UCE-Sat deutlich höher ist, als der Spannungsabfall über dem gesamten RDS-On der drei MOSFETs.

Erst beim Entstehen der Spannungsspitzen zwischen dem Leistungseingang und dem Leistungsausgang des Schaltelements 303, infolge des Abschalten des Laststromes, die höher als die Z-Spannung der Z-Diode 308 sind, erfolgt eine Ansteuerung des IGBT 307, wie oben bereits erläutert.

Um beim Abschalten einer Last die Übernahmeverzerrungen während der

Kommutierungsphase des Stroms von dem gesteuerten Schaltelement 303 zu dem geregelten Wderstand 304 zu eliminieren, ist ferner ein Dämpfungselement 317 vorgesehen, welches eine Parallelschaltung aus einer Kapazität 318 und einem Wderstand 319 aufweist.

Zum leichteren Verständnis werden in der folgenden Beschreibung die Bezugszeichen zu den Figuren 1-3 als Referenz beibehalten.

Figur 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum

Betreiben einer Schaltvorrichtung 100, 200, 300 für eine Versorgungsleitung 150, 250, 350 zur Versorgung elektrischer Lasten 151 , 251 , 351 mit elektrischer Energie.

In einem ersten Schritt S1 des Ansteuerns wird ein gesteuertes Schaltelement 103, 203, 303 in der Schaltvorrichtung 100, 200, 300 angesteuert, welches elektrisch zwischen einem Leistungseingang 101 , 201 und einem Leistungsausgang 102, 202 der Schaltvorrichtung 100, 200, 300 angeordnet ist. Das gesteuerte Schaltelement 103, 203, 303 ist ausgebildet, gesteuert den Leistungseingang 101 , 201 elektrisch mit dem Leistungsausgang 102, 202 zu koppeln oder diese voneinander zu trennen.

In einem zweiten Schritt S2 des Verbindens werden der Leistungseingang 101 , 201 und der Leistungsausgang 102, 202 mittels einer elektrischen Verbindung über einen geregelten Widerstand 104, 204, 304, welcher elektrisch parallel zu dem gesteuerten Schaltelement 103, 203, 303 angeordnet ist, verbunden, wenn beim Öffnen des gesteuerten

Schaltelements 103, 203, 303 Spannungsspitzen auftreten.

Es versteht sich, dass das Verfahren analog zu bzw. entsprechend der Ausführungsformen der Schaltvorrichtung weitergebildet werden kann.

Figur 5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Herstellverfahrens für eine Schaltvorrichtung 100, 200, 300 zum Schalten in einer Versorgungsleitung 150, 250,

350 zur Versorgung elektrischer Lasten 151 , 251 , 351 mit elektrischer Energie.

In einem ersten Schritt S21 des Anordnens wird ein gesteuertes Schaltelement 103, 203,

303 elektrisch zwischen einem Leistungseingang 101 , 201 und einem Leistungsausgang

102, 202 der Schaltvorrichtung 100, 200, 300 angeordnet. Das gesteuerte Schaltelement

103, 203, 303 ist ausgebildet, gesteuert den Leistungseingang 101 , 201 elektrisch mit dem Leistungsausgang 102, 202 zu koppeln. In einem zweiten Schritt S22 des Anordnens wird ein geregelter Widerstand 104, 204, 304 elektrisch parallel zu dem gesteuerten

Schaltelement 103, 203, 303 angeordnet. Der geregelte Widerstand 104, 204, 304 ist ausgebildet, beim Öffnen des gesteuerten Schaltelements 103, 203, 303 und Auftreten von Spannungsspitzen zwischen dem Leistungseingang 101 , 201 und dem Leistungsausgang 102, 202 den Leistungseingang mit dem Leistungsausgang elektrisch zu verbinden.

Das Anordnen eines gesteuerten Schaltelements 103, 203, 303 kann z.B. aufweisen, einen Halbleiterschalter, insbesondere einen MOSFET 206, oder eine Parallelschaltung von mindestens zwei Halbleiterschaltern, insbesondere MOSFETs, anzuordnen. Das Anordnen eines geregelten Wderstands 104, 204, 304 kann ferner aufweisen, ein

Halbleiterschaltelement anzuordnen, wobei ein Leistungseingang 101 , 201 des

Halbleiterschaltelements mit dem Leistungseingang 101 , 201 der Schaltvorrichtung 100, 200, 300 gekoppelt wird und wobei ein Leistungsausgang 102, 202 des Halbleiterschaltelements mit dem Leistungsausgang 102, 202 der Schaltvorrichtung 100, 200, 300 gekoppelt wird.

Die Schaltvorrichtung 100, 200, 300 kann einen Steuereingang 205 aufweist. Ein

Schalteingang des gesteuerten Schaltelements 103, 203, 303 kann über einen ersten Vorwiderstand 315 mit dem Steuereingang 205 gekoppelt werden. Ein Steuereingang des geregelten Widerstands 104, 204, 304 kann über einen zweiten Vorwiderstand 316 mit dem Steuereingang 205 gekoppelt werden.

Als geregelter Wderstand 104, 204, 304 kann z.B. ein IGBT 207, 307 genutzt werden.

Zwischen dem Leistungseingang 101 , 201 der Schaltvorrichtung 100, 200, 300 und einem Steuereingang des IGBT 207, 307 kann ferner eine Z-Diode 208, 308 in Sperrrichtung angeordnet werden. Die Z-Diode 208, 308 kann insbesondere derart dimensioniert werden, dass ihre Durchbruchsspannung unterhalb einer für das gesteuerte Schaltelement 103, 203, 303 zulässigen Maximalspannung liegt.

Schließlich kann ein Dämpfungselement 317, insbesondere eine Reihenschaltung aus einer Kapazität 318 und einem Widerstand 319, zwischen dem Leistungseingang 101 , 201 der Schaltvorrichtung 100, 200, 300 und dem Leistungsausgang 102, 202 der Schaltvorrichtung 100, 200, 300 angeordnet werden.

Da es sich bei der vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren um Ausführungsbeispiele handelt, können sie in üblicher weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind die mechanischen Anordnungen und die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente zueinander lediglich beispielhaft.

BEZUGSZEICHENLISTE

100, 200, 300 Schaltvorrichtung

101 , 201 Leistungseingang

102, 202 Leistungsausgang

103, 203, 303 gesteuertes Schaltelement

104, 204, 304 geregelter Widerstand

205 Steuereingang

206 MOSFET

207, 307 IGBT

208, 308 Z-Diode

210, 310 Spannungsversorgungssystem 211 , 311 Energiequelle

212, 312 Steuervorrichtung

213, 214, 313, 314 Induktivität

315, 316 Widerstand

317 Dämpfungselement

318 Kapazität

319 Widerstand

150, 250, 350 Versorgungsleitung

151 , 251 , 351 Last

S1 , S2, S21 , S22 Verfahrensschritt