DE10107791A1 - Verfahren und Anordnung zur Messung eines elektrischen Stroms in einem schaltenden Leistungshalbleiterbauelement - Google Patents

Abstract

Bei der vorliegenden Anordnung zur Messung eines elektrischen Stromes in einem schaltenden Leistungshalbleiter-Bauelement umfaßt die Anordnung wenigstens eine Sensorspule, wobei diese an dem Leiter mit dem zu messenden Strom so angebracht ist, daß zu diesem eine möglichst große und unveränderliche Gegeninduktivität entsteht, einen Signaltiefpaß zum Glätten bzw. Integrieren der induzierten Spannung, einen Signalverstärker zum Entkoppeln des Signaltiefpasses, Abtast-Halte-Stufen zur Zwischenspeicherung der Signal-Abtastwerte, Differenzverstärker zum Verarbeiten der Signal-Abtastwerte und eine Steuerung zur Bildung der Steuersignale für die Abtast-Halte-Stufen und zur Markierung der Zeitpunkte, zu denen die Meßwerte gültig sind, wobei zur Bildung der Steuersignale die Zündbefehle Z¶LHL¶ für das Leistungshalbleiter-Bauelement verwendbar sind. Durch diese Maßnahmen wird eine kostengünstige Anordnung zur Verfügung gestellt, wobei keine temperaturkritischen Bauelemente für den Einsatz benötigt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung eines elektrischen Stroms in einem schaltenden Leistungshalbleiter-Bauelement.

Für den Schutz und die Steuerung von Stromrichtern werden Stromsensoren benötigt. Bei Anwendungen in Antriebsstromrichtern von Fahrzeugen stellen die Umgebungsbedingungen, das begrenzt verfügbare Volumen und die niedrigen Kosten besondere Anforderungen.

Die zur Zeit verfügbaren Sensoren zur Abbildung von Gleich- und Wechselstrom genügen entweder nicht allen technischen Anforderungen oder sie sind zu teuer.

Zu den im Rahmen der Leistungselektronik vielfach angewandten Stromsensor-Funktionsprinzipien gehört das bekannte Rogowski- Prinzip, beispielsweise bekannt aus K. Heumann: Messung und oszillographische Aufzeichnung von hohen Wechsel- und schnell veränderlichen Impulsströmen, AEG, Technische Mitteilungen AEG-Telefunken, 60 (1970), Seiten 444-448.

Die Rogowski-Spule weist hinsichtlich der Anwendung erhebliche Vorzüge auf wie verschwindender Einfluß der Lage des Leiters mit dem zu messenden Strom relativ zur Rogowski-Spule und Ausblendung von Strömen, die außerhalb der Meßöffnung der Rogowski-Spule fließen. Daher werden Rogowski-Sensoren besonders häufig in der Labor-Meßtechnik eingesetzt. Allerdings erfordert die Herstellung von Rogowski-Spulen erhebliche Sorgfalt. Nachteilig ist ferner, daß zur Sensor- Anbringung entweder der Stromleiter oder die Rogowski-Spule geöffnet werden müssen. Modifikationen der Spulenbauweise zur Senkung des Bau-Aufwandes oder zur Erleichterung der Sensor- Anwendung führen zu merklicher Empfindlichkeit gegenüber Lageänderungen und Fremdstrom, so daß u. U. weitere Maßnahmen erforderlich werden.

Insbesondere für Anwendungen in leistungselektronischen Einrichtungen ist nachteilig, daß das Verfahren bei Frequenzen nahe Null nicht einwandfrei arbeitet.

In A. Radun: An Alternative Low-Cost Current-Sensing Scheme for High-Current Power Electronics Circuits, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 42, No. 1, February 1995, wird eine Rogowski-Spule mit verbessertem Integrierer für Anwendungen in Schaltstromkreisen offenbart, wobei dieser beim Schaltzustand AUS des Leistungshalbleiter-Bauteiles zurückgesetzt wird. Hierbei erweist sich jedoch die Integrierer-Auslegung als äußerst schwierig.

In N. Karrer, P. Hofer-Noser, D. Henrard: A New Current Probe with a Wide Bandwidth, EPE '99, Lausanne, wird das Rogowski- Prinzip mit einer aus mehreren Hallsignal-Sonden bestehenden Anordnung zur Messung des Gleichanteils kombiniert. Die Realisierung erweist sich als sehr aufwendig.

Weitere Wandler nach dem Stand der Technik wie die sogenannten "kompensierenden Gleichstromwandler und auch die "direktabbildenden Stromsensorten" weisen aufgrund ihres magnetischen Pfades bzw. Kernes eine nicht vernachlässigbare Größe auf. Ihr Kern mit - soweit erforderlich - Wicklung sowie ihre Auswerteelektronik sind in der Regel aufwendig. Die erforderlichen Sensorelemente mit magnetfeldabhängigen Eigenschaften, z. B. Hallsignalsonden, weisen in der Regel deutliche Temperaturabhängigkeiten ihrer Parameter auf. Hierdurch wird die Genauigkeit der Strommessung verschlechtert.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Messung eines elektrischen Stromes in einem schaltenden Leistungshalbleiter-Bauelement anzugeben, wobei die Anordnung einen einfachen Aufbau und eine komfortable Anwendung gewährleistet. Außerdem soll ein Verfahren zur Messung eines elektrischen Stromes in einem schaltenden Leistungshalbleiter- Bauelement angegeben werden.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung zur Messung eines elektrischen Stromes in einem schaltenden Leistungshalbleiter- Bauelement, wobei gemäß der Erfindung die Anordnung wenigstens eine Sensorspule, welche an dem Leiter mit dem zu messenden Strom so angebracht ist, daß zu diesem eine möglichst große und unveränderliche Gegeninduktivität entsteht, einen Signaltiefpaß zum Glätten bzw. Integrieren der induzierten Spannung, einen Signalverstärker zum Entkoppeln des Signaltiefpasses, Abtast-Halte-Stufen zur Zwischenspeicherung der Signal-Abtastwerte, Differenzverstärker zum Verarbeiten der Signal-Abtastwerte, und eine Steuerung zur Bildung der Steuersignale für die Abtast-Halte-Stufen und zur Markierung der Zeitpunkte, zu denen die Meßwerte gültig sind, wobei zur Bildung der Steuersignale die Zündbefehle Z_LHL für das Leistungshalbleiter-Bauelement verwendbar sind, umfaßt.

Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Messung eines elektrischen Stromes in einem schaltenden Leistungshalbleiter- Bauelement, wobei gemäß der Erfindung die Höhe der Schaltflanken abgebildet wird.

Für Anwendungen innerhalb von Stromrichtern kann es bei entsprechenden Schutz-, Steuer- und Regelkonzepten ausreichen, Meßwerte der Ventilströme unmittelbar nach dem EIN- bzw. vor dem AUS-Schalten auszuwerten. Für eine derartige Auswertung von Strom-Schaltflanken liegt mit der vorliegenden Anordnung ein einfaches Sensorprinzip vor. Es erfordert keine temperaturkritischen und teuren Bauteile und kann potentialtrennend ausgeführt werden.

Da das Sensorprinzip die Messung der Flankenhöhen (EIN-, AUS- Flanke) geschalteter Ströme gestattet, ist ein derartiger Sensor in der Zuleitung eines beispielsweise aktiv schaltenden Leistungshalbleiter(LHL)-Bauelementes wie MOSFET, IGBT oder GTO anzuordnen.

Zu einem Wechselrichter-Zweigpaar gehören zwei Sensoren. Durch Auswertung der damit gewonnenen Signale lassen sich Abtastwerte des Laststromes gewinnen.

Der Sensor benötigt einen Meßwert der Änderungsrate des zu messenden Stromes und den Zündbefehl als Information über den Schaltzustand des Leistungshalbleiter (LHL)-Bauelementes. Die Erfassung der Stromänderungsrate erfolgt induktiv; sie erfordert keine Modifikation bzw. Unterbrechung des Leiters mit dem zu messenden Strom. Die Auswerte-Einrichtung selbst wird aus wenigen, weder aufwendigen noch temperaturkritischen, Bauteilen realisiert.

Insbesondere wird die Rogowski-Spule durch eine handelsübliche Zylinderspule und der Integrierer durch einen RC-Tiefpaß ersetzt. Als wesentlicher Unterschied zum Rogowski-Verfahren wird in der Auswerte-Elektronik eine zusätzliche Information, der Zündbefehl Z_LHL für das LHL-Bauelement, benutzt, um die Lage der Null-Linie des Stromes zu rekonstruieren.

Die Beschränkung des Messvorganges auf die unmittelbare zeitliche Umgebung der Schaltflanken erlaubt, den teilweise im Stand der Technik erforderlichen elektronischen Integrierer mit niedriger unterer Grenzfrequenz durch einen einfachen Signaltiefpaß zu ersetzen.

Der Potentialbezug des Sensors und seiner Ausgangsignale ist durch das Potential des Zündbefehles Z_LHL, welcher von der Sensorsteuerung benötigt wird, festgelegt. Der Sensor kann also so ausgeführt werden, daß der Meßwert auf dem Potential der Stromrichtersteuerung vorliegt. Ebenso einfach ist die Variante, bei der der Meßwert auf dem Potential der Steuerstrecke des Leistungshalbleiter-Bauelementes liegt.

Da bei der vorgesehenen Anwendung in Stromrichtern Lageänderungen des Leiters gegenüber der Sensorwicklung ausgeschlossen werden können, wird die aufwendige toroidförmige Rogowski-Wicklung durch handelsübliche Zylinderspulen ersetzt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

Die Erfindung ist anhand mehrerer Ausführungsbeispiele in den FIG näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Prinzip-Schaltung der Anordnung zur Messung eines elektrischen Stroms in einem aktiv schaltenden Leistungshalbleiter-Bauelement durch Abbildung der Höhen von Schaltflanken in schematischer Darstellung; und

Fig. 2 die Prinzipdarstellung elektrischer Größen am Beispiel der Meßwertbildung zur EIN-Flanke.

Zur Erfassung der Stromänderungsrate di_LHL/dt weist die Sensoranordnung gemäß Fig. 1 eine Spule L auf, die am Stromleiter so fixiert ist, daß sich eine unveränderliche und möglichst große Gegeninduktivität M ergibt. Die induzierte Spannung u_M = M.di_LHL/dt wird mit einem Tiefpaß, dessen Zeitkonstante τ₀ = R₀.C₀ groß im Vergleich zu den Anstiegs- und Abfallzeiten des Stromes gewählt wird, geglättet bzw. integriert.

Die folgende Verstärkerstufe entkoppelt den Tiefpaß, so daß keine Rückwirkungen durch die nachgeschalteten Abtast-Halte- Stufen, den sogenannten Sample-Hold(S-H)-Stufen, auftreten können.

Die Abtast-Halte-Stufen sind in diesem Ausführungsbeispiel als elektronisch steuerbare Analogschalter mit Kondensatoren ausgebildet. Sie können aber auch andere geeignete Ausführungsformen aufweisen.

In einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei elektrisch verbundene handelsübliche zylindrische Spulen vorgesehen, die auf entgegengesetzten Seiten des Leiters so angebracht und verdrahtet sind, daß sich deren Teilsignale für den zu messenden Strom addieren, für Fremdströme hingegen subtrahieren. Man erhält dadurch sowohl eine Verstärkung des Signales als auch eine Abschwächung von Störgrößen durch Fremdfelder.

Bei einem als Flachleiter ausgeführten Leiter sind die Spulen eng benachbart auf gegenüberliegenden Flächen des Flachleiters und quer zur Stromrichtung angeordnet.

Die geglättete und verstärkte Spannung k.u_c entsprechend Fig. 2 bildet entsrechend dem Verfahren die Höhe der Schaltflanken des Stromes ab, wobei allerdings die Lage der Null-Linie des Stromes nicht mehr unmittelbar erkennbar ist. Da aber davon ausgegangen werden kann, daß der Strom bei ausgeschaltetem LHL-Bauelement gleich Null ist, kann die Lage der Null-Linie in der Auswerte-Schaltung rekonstruiert werden.

Die Auswerte-Schaltung kann Meßwerte sowohl zur EIN- als auch zur AUS-Flanke bereitstellen. Hierzu werden die Analogschalter S₁, S₂ (EIN) und S₃, S₄ (AUS) der S-H-Einrichtung paarweise so gesteuert, daß die Spannung k.u_c von der jeweils ersten S-H- Stufe vor dem Schaltvorgang und von der zweiten Stufe kurz nach dem Schaltvorgang in C₁ bis C₄ gespeichert wird.

Nach dem Schaltvorgang bildet die Ausgangsspannung des zugehörigen Differenzverstärkers die Höhe der Stromflanke ab. Jeder Analogwert wird durch ein zugehöriges Steuerbit nur für kurze Zeit für gültig erklärt, so daß die Auswirkung der Drift des Analogwertes gering bleibt.

Die Ansteuersignale für die Analogschalter werden von der Steuerung durch Aufbereitung des Zündbefehls Z_LHL erzeugt.

Aus dem Zündbefehl und aus den Meßwerten der Strom- Änderungsrate ermittelt der Sensor Meßwerte des zuletzt ein- und ausgeschalteten Stromes. Im Unterschied zu herkömmlichen Sensoren wird der Strom also nicht kontinuierlich abgebildet. Das Bezugspotential der Ausgangssignale kann frei gewählt werden, da die Strom-Änderungsrate induktiv erfaßt wird. Da der Sensor einfach aufgebaut ist und weder aufwendige noch temperaturkritische Bauelemente erfordert, läßt er sich sehr kostengünstig realisieren.

Die Sensoranordnung ist somit für den Einsatz von Hochleistungsanwendungen zur aktiven Symmetrierung der Schaltströme bei der Parallelschaltung geeignet.

Die Sensoranordnung kann außerdem zum Schutz, also der Erkennung von Überströmen, und zur Regelung, d. h. der Ermittlung von Abtastwerten des Laststromes, eingesetzt werden.

Verfahren und Anordnung sind außer auf aktiv schaltende Leistungshalbleiter-Bauelemente, d. h. auf ein- und abschaltende Bauelemente wie MOSFET, IGBT und GTO, auch auf nur aktiv einschaltende Bauelemente, wie Thyristoren, oder auf passiv schaltende Baulemente, beispielsweise Dioden, anwendbar.

Zur Messung eines Diodenstromes beispielsweise wäre als Zeitbezug das Zündsignal des mit der Diode zusammenarbeitenden aktiv schaltenden Bauelementes zu verwenden.

Claims (7)

1. Anordnung zur Messung eines elektrischen Stromes in einem schaltenden Leistungshalbleiter-Bauelement, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung

• - wenigstens eine Sensorspule, wobei diese an dem Leiter mit dem zu messenden Strom so angebracht ist, daß zu diesem eine möglichst große und unveränderliche Gegeninduktivität entsteht,
• - einen Signaltiefpaß zum Glätten bzw. Integrieren der induzierten Spannung,
• - einen Signalverstärker zum Entkoppeln des Signaltiefpasses,
• - Abtast-Halte-Stufen zur Zwischenspeicherung der Signal- Abtastwerte,
• - Differenzverstärker zum Verarbeiten der Signal- Abtastwerte, und
• - eine Steuerung zur Bildung der Steuersignale für die Abtast-Halte-Stufen und zur Markierung der Zeitpunkte, zu denen die Meßwerte gültig sind, wobei zur Bildung der Steuersignale die Zündbefehle Z_LHL für das Leistungshalbleiter-Bauelement verwendbar sind, umfaßt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei elektrisch verbundene handelsübliche zylindrische Spulen vorgesehen sind, die auf entgegengesetzten Seiten des Leiters so angebracht und verdrahtet sind, daß sich deren Teilsignale für den zu messenden Strom addieren, für Fremdströme hingegen subtrahieren.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Abtast-Halte-Stufen elektronisch steuerbare Analogschalter mit Kondensatoren vorgesehen sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem als Flachleiter ausgeführten Leiter die Spulen eng benachbart auf gegenüberliegenden Flächen des Flachleiters und quer zur Stromrichtung angeordnet sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Signaltiefpaß eine im Vergleich zu den Anstiegs- und Abfallzeiten des Stromes große Zeitkonstante τ₀ = R₀.C₀ aufweist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Leistungshalbleiter-Bauelemente wenigstens teilweise aktiv schaltende oder passiv schaltende Bauelemente vorgesehen sind.

7. Verfahren mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Messung eines elektrischen Stromes in einem aktiv schaltenden Leistungshalbleiter-Bauelement dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Schaltflanken abgebildet wird.