断路开关
阅读说明：本技术 断路开关 (Circuit breaker ) 是由 R·格龙巴赫 于 2020-02-10 设计创作，主要内容包括：一种断路开关,其设置用于实现双向钳位,所述断路开关具有第一电流路径(56)和第二电流路径(58),其中,在所述第一电流路径(56)中布置第一断路开关元件组和第二断路开关元件组并且在所述第二电流路径(58)中布置第三断路开关元件组和第四断路开关元件组,其中,能够操控每个断路开关元件组。(A circuit breaker is provided for realizing a bidirectional clamping, having a first current path (56) and a second current path (58), wherein a first circuit breaker element group and a second circuit breaker element group are arranged in the first current path (56) and a third circuit breaker element group and a fourth circuit breaker element group are arranged in the second current path (58), wherein each circuit breaker element group can be actuated.)
技术领域
本发明涉及一种具有双向钳位的断路开关(Trennschalter)，其尤其用于机动车的车载网络中。本发明还涉及一种用于检查断路开关、尤其是在此所述类型的断路开关的方法。
背景技术
在汽车使用中，车载网络应理解为机动车中所有电部件的整体。因此，其中既包括用电器，又包括供应源(例如发电机)或电存储器(例如电池)。在机动车中应当注意，电能如此可供使用，使得机动车可以随时启动并且在运行期间确保充足的电供应。但是，即使在停放状态中，用电器仍应能够在适当的时间段内运行，而不影响随后的启动。
在具有电辅助的或纯电实施的安全相关功能(例如转向或制动)的机动车中，在行驶期间存在对这些功能的可用性的高要求。在考虑到符合ISO 26262的功能安全的情况下，这种功能可以借助根据分级ASIL C或D的可用性进行分类。
ASIL(Automotive Safety Integrity Level，汽车安全完整性等级)是ISO 26262的关键组成部分。ASIL等级分别在开发过程的开始时确定。为此，分析系统功能并将其与可能的风险关联。ASIL-A具有最低的风险级别，ASIL-D具有最高的风险级别。
根据车载网络的供应架构，这需要电断路装置用于与高度可靠的部分供应网络(例如ASIL C或D，在此称为Kl.30_1)以及常规的部分供应网络(分级例如QM，在此称为Kl.30_0)解耦。QM是低于ASIL A的分级，并且意味着仅执行常规的质量措施。在车载网络部分Kl.30_0发生短路或过电流的情况下，该车载网络部分通过断路开关与高度可靠的车载电源部分Kl.30_1断路，以便借助来自Kl.30_1的供应保持功能(例如转向装置或制动器)不受干扰。在此，断路开关的安全目标是“安全断路”。
文献DE 10 2008 043 402 A1描述一种用于保护连接到车载网络的装置免受过电压影响的方法，在该方法中设置，将过电压馈送到耗散(abbauen)过电压的消损能量(energievernichtende)的负载。例如，可以将消损能量的负载构造为启动器。
从文献DE 10 2014 201 581 A1中已知一种用于将车载网络与直流电压转换器分离的方法。在该方法中设置，借助直流电压转换器将供应电压转换为车载网络电压，求取在半导体整流器元件中的至少一个处的阻断电压，并且根据所求取的阻断电压的值来操控用于将车载网络与直流电压转换器去耦的断路开关。
发明内容
在此背景下，提出一种根据权利要求1的断路开关和一种具有权利要求8的特征的方法。由从属权利要求和说明书中得出实施方式。
所提出的具有双向钳位的断路开关具有第一电流路径和第二电流路径，其中，在第一电流路径中布置有第一断路开关元件组和第二断路开关元件组，并且在第二电流路径中布置有第三断路开关元件组和第四断路开关元件组。在此，在构型中能够分开地或单独地操控断路开关元件组中的每个。这意味着，可以独立于其他断路开关元件组地操控每个断路开关元件组。原则上，设置每个路径的共同操控就足够。
重要的是，断路开关元件组(这些断路开关元件组通常具有一系列断路开关元件，例如诸如MOSFET之类的半导体开关)彼此如此布置，使得能够在两个方向上实现电流流动的阻断。
因此，提出具有钳位元件(例如续流二极管和齐纳二极管)的断路开关的简化结构，这些钳位元件在关断时在两个电流方向上起作用并且因此仅需要一次。此外，应当能够在行驶周期的开始时或者甚至在运行中执行对断路开关元件的阻断能力的诊断。
在此，在构型中设置，断路开关划分成两个并联的电流路径，其具有断路开关元件的组(例如MOSFET组)，总归需要这些来引导全部电流。通过交换两组中的MOSFET布置得出如下可能性：一方面，为两个电流方向设置共同的过电压钳位，另一方面设置共同的续流路径。
此外，还可以在运行中分别短暂地关断MOSFET组，以便检查元件。
所提出的用于检查断路开关的方法尤其可以借助在此所述类型的断路开关来执行。该方法也可以称为用于在如下断路开关中执行诊断的方法：在该断路开关中，在至少一个电流路径中设置有第一断路开关元件组和第二断路开关元件组。在此，将电阻连接在两个断路开关元件组之间并且然后监测两个断路开关元件组之间的电位。替代地，也可以使用电流源或电流阱(Stromsenke)。如果在上拉电阻的情况下不能提高电位，或者在下拉电阻的情况下借助电阻不能降低电位，则断路开关元件中的至少一个是故障的。
本发明的其他优点和构型从描述和相应的附图中得出。
可以理解，在不脱离本发明的范畴的情况下，上面所提及的和下面带阐述的特征不仅能够以分别说明的组合使用，而且能够以其他组合或单独使用。
附图说明
图1示出断路开关的一种实施方式；
图2示出所提出的断路开关的一种实施方式；
图3示出图3中的断路开关以及电流流动的图示；
图4示出所提出的断路开关的另一实施方式。
具体实施方式
基于附图中的实施方式示意性示出并且在下文中参照附图详细描述本发明。
图1示出断路开关的一种实施方式，该断路开关整体以附图标记10进行标记并且该断路开关基于迄今用于保护高度可靠的子车载网络的断路开关。该图示示出断路开关10，其布置在常规车载网络(该车载网络在此由端子Kl.30_0 12表示并具有QM分级)与安全相关的车载网络(该车载网络在此由端子Kl.30_1 14表示并包括能量源、例如电池)之间。安全相关的用电器(例如转向装置或制动器)连接到Kl.30_1 14。
该图示具有第一晶体管组T1 20和第二晶体管组T2 22作为断路开关元件组，这些晶体管组彼此以背对背布置方式布置。该图示还分别示出两个晶体管组20和22的晶体管的体二极管。为了操控第一晶体管组T1 20，设置第一栅极驱动器24，并且为了操控第二晶体管组22，设置第二栅极驱动器26。此外，为了进行电压限制，与第一晶体管组T1 20并联地设置有第一齐纳二极管D1 28并且与第二晶体管组T2 22并联地设置有第二齐纳二极管30。
断路开关10可以在两个方向上阻断。如果在端子Kl.30_0 12处存在短路，则可以借助第一晶体管组T1 20抑制电流流动。相反方向上的电流流动可以借助第二晶体管组T222抑制，以便保护第一晶体管组T1 20中的体二极管免受不受控制的电流流动。
应注意的是，借助齐纳二极管D1/D2 28/30的过电压钳位不以接地为基准(massebezogen)，并且因此取决于供应电压水平而可能产生不期望的过电压。
通过过电压钳位来限制在关断MOSFET时出现的过电压，并且因此保护MOSFET和所连接的用电器免受有害电压影响。通过钳位或续流(Freilauf)，在关断MOSFET时限制出现的负电压，并且使MOSFET或用电器受到保护。
该图示还示出上拉电阻40，其使得能够实现组20和22的晶体管的诊断或检查，这些晶体管用作开关并且例如构造为MOSFET。
部件42和44用于节点处的电压测量，其中，原则上为此仅需要两个部件42、44中的一个。部件46用于电流测量，其在过电流的情况下例如可以触发开关的断路。
然而，通过在运行中通过关断晶体管或MOSFET的关断并通过测量断路能力来进行诊断是不可能的，因为在此中断主电流路径。
图2示出所提出的断路开关的一种实施方式，其整体以附图标记50进行标记。该图示示出端子Kl.30_0 52和端子Kl.30_1 54，在这些端子之间布置有断路开关50。断路开关50又划分成两个并联的电流路径56和58。在第一电流路径56中设置第一晶体管组T1 60和第二晶体管组T2 62作为断路开关元件组。相应地，在第二电流路径58中设置第三晶体管组T3 64和第四晶体管组T4 66作为断路开关元件组。第一晶体管组T1 60和第二晶体管组T262彼此以前对前布置的方式设置。第三晶体管组T3 64和第四晶体管组T4 66彼此以背对背布置的方式设置。
在第一晶体管组T1 60与第二晶体管组T2 62之间连接有用于防止过电压的齐纳二极管D1 70并且连接有上拉电阻72。在第三晶体管组T3 64与第四晶体管组T4 66之间连接有用于限制电压的续流二极管D2 74并且连接有下拉电阻76。上拉电阻72使得能够实现T1 60和T2 62中的断路开关元件的检查以及齐纳二极管D1 70的功能的检查。下拉电阻76使得能够实现T3 64和T4 66中的断路开关元件的检查以及续流二极管74的功能的检查。
所示的断路开关50中的钳位能够以接地为基准地进行并且独立于当前供应电压地使用。在此，端子电压与Kl.30_0/_1 52/54的电位水平无关。
如果断开断路开关50并且耗散存储在引线电感中的能量，则钳位元件D1 70和D2 74在两个电流方向上都起作用。齐纳二极管D1 70在通过T160或T2 62的体二极管在断路开关50中的电流流动的情况下限制过电压。代替齐纳二极管D1 70，钳位装置通常可以实现为用于正的过电压的钳位电路。续流二极管D2 74为来自断路开关50通过T3 64和T4 66的体二极管的电流提供续流路径，并且可以借助二极管或具有二极管功能的电路来实现。
通过将电流路径通过T1/T2(60/62)和T3/T4(64/66)划分成两个电流路径56、58，产生在运行中进行诊断的可能性。为此，为了诊断而关断部分路径，而另一路径在短时间内承担全部电流。
该图示还示出网络ProtGND 80，该网络在如下情况下表示极性反转保护的接地：在两个车载网络中的至少一个中随着出现的负电压而存在极性反转可能性。
部件90用于测量MOSFET的漏极源极电压降。部件92用于通过分流器的电流测量。
图3示出图2中的断路开关50，其中，使得能够识别在从Kl.30_1向Kl.30_0的大电流随着钳位过程由于引线电感引起的关断时电流流动的示例。
诊断方案如下：
路径T1/T2 60/62或T3/T4 64/66以及端子结构的诊断只能在路径的关断状态中进行。
T1/T2 60/62通过在上拉电阻72上施加正电压至V来对阻断能力进行检查。在此，V应明显高于Kl.30_0 52和Kl.30_1 54。诊断电压向上受到D1 70的齐纳电压的限制。因此能够检查MOSFET的阻断能力并且同时能够检查D1 70的功能能力。
类似地，T3 64和T4 66可以通过在下拉电阻76上施加负电压至V来对阻断能力进行检查。通过D2 74将诊断电压限制为低于ProtGND 80约0.7V至1.0V也表示D2 74的导电能力。
对MOSFET的导电能力的诊断对于安全目标“安全断路”而言不是必要的，但是可以通过在电流已知的情况下对漏极源极电压降进行可信度检验来进行。在此，通过中断故障的MOSFET提高漏极源极电压降。对于该功能，需要元件90和92。
钳位元件D1 70和D2 74是代表性绘制的，并且可以在应用中包含多个串联元件或开关。这尤其可能由于ASIL分级和避免简单故障以及诊断要求是必要的。
图4示出具有两个冗余断路元件的断路开关100的另一实施方式。该图示示出端子Kl.30_0 102和端子Kl.30_1 104，在这些端子之间布置有断路开关100。断路开关100又划分成两个并联的电流路径106和108。在第一电流路径106中设置第一晶体管组T1 110和第二晶体管组T2 112作为断路开关元件组。相应地，在第二电流路径108中设置第三晶体管组T3 114和第四晶体管组T4 116作为断路开关元件组。
附加地，在第一电流路径106中设置第五晶体管组T5 120，并且在第二电流路径108中设置第六晶体管组T6 122。该图示还示出上拉电阻130、齐纳二极管D1 132、第一电阻R1 134、第二电阻R2 136、下拉电阻140、续流二极管142、第三电阻R3 144和第四电阻R4146。
根据对功能安全性的度量的特征数的要求，可能需要对断路元件的冗余的实施方案。在拓扑中，这通过附加的MOSFET T5 120和T6 122来表示。通过插入MOSFET T5 120和T6122，现在分别两个MOSFET组冗余地可供用于关断从Kl.30_1向Kl.30_0的电流流动，即T1110/T5 120和T4 116/T6 122。因此，MOSFET组之一中的短路还为作为单个错误导致安全相关的断路功能的失去。
为了在此也能够执行所有相关MOSFET的诊断，还补充由R1至R4构成的诊断网络。如果这些电阻例如以相同的值实施，则在诊断状态中(即路径中的开关为AUS)在T1/T5与T4/T6之间的新的测量点处分别得出T1/T5和T4/T6上检查电压的差分电压的一半。因此，也可以在阻断方向上检查附加的冗余MOSFET的断路能力。诊断网络原则上可以由电压测量装置给出。
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