DE102005032962A1 - Ansteuerschaltung für Leistungshalbleitermodule - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für Leistungshalbleitermodule mit einer Befehls-Übertragungsstrecke zwischen einer übergeordneten Kontrolleinheit und dem Leistungshalbleitermodul. Erfindungsgemäß ist die Übertragungsstrecke für die Ansteuerbefehle zwischen Kontrolleinheit und Leistungshalbleitermodul als Funkstrecke ausgebildet. Somit erhält man eine Ansteuerschaltung für Leistungshalbleitermodule, die eine größere Flächeneinsparung beim gemeinsamen Aufbau von Ansteuer- und Leistungsbauelementen auf einer Platine erlaubt.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für Leistungshalbleitermodule mit einer Befehls-Übertragungsstrecke zwischen einer übergeordneten Kontrolleinheit und dem Leistungshalbleitermodul.
• Leistungshalbleitermodule (Intelligent Power Module - IPM) werden insbesondere in Umrichtern zur Steuerung von Antrieben eingesetzt und erobern in letzter Zeit alle Arten von Antrieben bis hin zu Kleinantrieben in der Haushaltstechnik, wie beispielsweise Staubsaugermotoren, Waschmaschinenmotoren und ähnliche. Die Module sind charakterisiert durch ihren kompakten Zusammenbau von Leistungsbauelementen (IGBTs oder Leistungstransistoren) und Ansteuerschaltungen, die als integrierte Schaltungen (Treiber-ICs) bereitgestellt werden.
• Diese Treiber benötigen einer Stromversorgung mit Trennübertrager oder Boot-strap-Kondensatoren, die zusammen mit den ICs und den Leistungsbauelementen auf einer Leiterplatte untergebracht werden. Eine nur einfache Potenzialtrennung zwischen dem oberen und dem unteren Leistungstransistor oder IGBT des Wechselrichters würde nicht die durch Normen festgesetzten strengen Anforderungen einer sicheren elektrischen Trennung erfüllen. Ursache ist, dass die Isolationsstrecke in den ICs selber sowie der Einbau der ICs in das Modul nicht sicher ist gegenüber einer Lichtbogenbildung bei elektrischen Durchschlägen.
• Die Eingänge und Rückmeldungen dieser ICs werden aus dem Modul nach außen herausgeführt, um die Steuersignale und die Rückmeldesignale für die übergeordnete Steuerung zugänglich zu machen. Die sichere elektrische Trennung wird mittels Optokoppler, Signalübertrager oder Lichtwellenleiter innerhalb der Elemente der Ansteuerschaltung oder eine Stufe höher mit tels ähnlicher Mittel zwischen Kontrolleinheit (Rechner, CPU) und der Ansteuerschaltung realisiert.
• Ein solches Leistungshalbleitermodul ist beispielsweise aus Iwasaki et al., A New Intelligent Power Module for High Performance Motor Control, Mitsubishi Electric Corporation bekannt.
• Alle Elemente, die die auf verschiedenem Potenzial liegenden Signale (SV, Befehle) verarbeiten, sowie eventuell die Leistungsanschlüsse (zum Gleichspannungszwischenkreis und zur Last) treffen sich auf den Leiterplatten, wo sichere Abstände realisiert werden müssen, die in entsprechenden Normen festgelegt sind. Dies führt zu dem Verlust der bei dem Platinenaufbau an sich angestrebten Integrationsvorteile, da kaum eine Flächeneinsparung und somit kaum eine Reduktion der Geräteabmessungen gegenüber einem diskreten Schaltungsaufbau möglich ist.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ansteuerschaltung für Leistungshalbleitermodule anzugeben, die eine größere Flächeneinsparung beim gemeinsamen Aufbau von Ansteuer- und Leistungsbauelementen auf einer Platine erlaubt.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Danach ist die Übertragungsstrecke für die Ansteuerbefehle als Funkstrecke ausgebildet.
• In bevorzugter Weise ist die Funkstrecke ein Bluetooth-System. Derartige Funksysteme, wie sie aus der Kommunikationstechnik an sich bekannt sind, haben heute sehr geringe Abmessungen, so dass sie beispielsweise in ein Handy oder in einem tragbaren Hörer integriert werden können. Der Vorteil der geringeren Abmessungen gegenüber Systemen, die Optokoppler oder Übertrager verwenden, lässt sich so für die Sig nalübertragung in Leistungshalbleitermodulen nutzen. Die Systeme sind außerdem wegen ihrer weiten Verbreitung äußerst preisgünstig. Sie sind überdies sehr robust, da eine parallele Übertragung über mehrere Kanäle erfolgen kann.
• Bluetooth ist eine international standardisierte Datenschnittstelle und wird bisher zur Übertragung von Daten zwischen verschiedenen Geräten im Nahfeldbereich benutzt, um eine kabellose Verbindung anzubieten. Eine Nutzung zur Überwindung einer Potenzialtrennung bei Steuerungsaufgaben entspricht nicht dem ursprünglichen und eigentlichen Anliegen dieser Technik. Bluetooth-Geräte senden im 2,4 GHz ISM-Band (Industrial Scientific Medial Band). Die Daten können auf mehreren Kanälen übertragen werden. Die zur Verfügung stehende Übertragungsleistung beträgt maximal 1 Mbit/s, wird sich zukünftig aber noch erhöhen lassen. Bluetooth-Module, die einen Sender und/oder Empfänger enthalten, haben aktuell etwa die Größe einer 2-Euro-Münze.
• Die Befehlsübertragung erfolgt im vorliegenden Fall zweckmäßig mittels Bluetooth-Technik unter Nutzung von Bluetooth-ICs, wenn möglich von solchen, die bereits in der Kommunikationstechnik verwendet werden. Auf diese Weise lassen sich erhebliche Kostensenkungen ermöglichen. Der Empfänger, gegebenenfalls kombiniert mit weiteren, an sich bekannten Treiber-ICs, wird in das Leistungsmodul integriert. Der Sender wird von der übergeordneten Steuerung oder Kontrolleinheit gesteuert.
• Die Rückmeldekanäle können in umgekehrter Richtung nach dem gleichen Prinzip aufgebaut werden.
• Die Übertragungsstrecken sind jeweils einem Schalter zugeordnet oder mittels Multiplexverfahren mehreren Schaltern, wobei ein Sender und/oder ein Empfänger für mehrere Schalter verwendet werden kann.
• Die Stromversorgung für die Ansteuerschaltung einschließlich Funkempfänger wird vorteilhafterweise auch mit in das Modul integriert.
• Durch die Lösung wird die sichere elektrische Trennung, sowie – wenn gewünscht – eine einfache galvanische Trennung, realisiert, bei wesentlicher Reduzierung der Leiterplattenfläche. Das System wird außerdem gegen Verschmutzung und Feuchtigkeit weniger empfindlich. Gegenüber bisher bekannten Systemen kann eine Reduktion der Abmessungen der Geräte umgesetzt werden.
• Die Verwendung anderer Funkstandards ist ebenfalls denkbar, auch die proprietärer Protokolle. Bisher bietet sich das Bluetooth-System wegen seiner breiten Verwendung in der Büro- und Unterhaltungselektronik jedoch am ehesten an.

Claims (5)

1. Ansteuerschaltung für Leistungshalbleitermodule mit einer Befehls-Übertragungsstrecke zwischen einer übergeordneten Kontrolleinheit und dem Leistungshalbleitermodul, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsstrecke für die Ansteuerbefehle zwischen Kontrolleinheit und Leistungshalbleitermodul als Funkstrecke ausgebildet ist.
2. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkstrecke ein Bluetooth-System ist.
3. Ansteuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkstrecke zur Befehlsübertragung von der Kontrolleinheit zum Leistungshalbleitermodul sowie umgekehrt als Rückmeldekanal vom Leistungshalbleitermodul zur Kontrolleinheit dient.
4. Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkstrecke jeweils einem Halbleiterschalter eines mit mehreren Halbleiterschaltern bestückten Leistungshalbleitermoduls zugeordnet ist.
5. Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkstrecke mehreren Halbleiterschaltern eines mit mehreren Halbleiterschaltern bestückten Leistungshalbleitermoduls zugeordnet und multiples betreibbar ist.