DE102005046921A1

DE102005046921A1 - Schaltungsanordnung zur Stromüberwachung

Info

Publication number: DE102005046921A1
Application number: DE200510046921
Authority: DE
Inventors: Martin Helsper; Heinz Dr. Mitlehner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2007-04-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Überwachung eines Laststroms, umfassend einen den Laststrom führenden Schaltkreis und einen Messkreis. Erfindungsgemäß umfasst der Schaltkreis (3) ein vom Laststrom (I¶Last¶) durchflossenes und durch den Laststrom (I¶Last¶) zur Emission einer Strahlung anregbares Halbleiter-Bauelement (2; 11; 12), das im Schaltkreis (3) eine von der Emission der Strahlung unabhängige Hauptfunktion erfüllt, sind der Schaltkreis (3) und der Messkreis (4) mittels einer Übertragungsstrecke (5; 15; 16) für die Strahlung galvanisch getrennt miteinander gekoppelt und umfasst der Messkreis (4) einen Strahlungsempfänger (6; 13; 14) zum Empfang der vom Halbleiter-Bauelement (2; 11; 12) emittierten Strahlung und eine Auswerteelektronik (7) zur Bestimmung eines Messwertes (M) für den Laststrom (I¶Last¶) anhand der empfangenen Strahlung des Halbleiter-Bauelements (2; 11; 12). Somit erhält man eine Schaltungsanordnung, die eine präzise, potentialgetrennte und störunempfindliche Überwachung des Laststroms bei zugleich geringem Platzbedarf ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Überwachung eines Laststroms umfassend einen den Laststrom führenden Schaltkreis und einen Messkreis.

Die Kenntnis der Strombelastung von elektrischen Bauelementen und/oder Anlagenteilen (= Schaltkreisen) ist von großer Bedeutung. Zum einen ist die Stromtragfähigkeit von elektrischen Bauelementen begrenzt. Eine zu hohe Strombelastung kann zu einer starken Erhitzung und in Folge zu Schäden führen. Zum anderen stellt die momentane Strombelastung eine wichtige Kenngröße für eine möglichst gute Steuerung oder Regelung einer elektrischen Anlage dar.

Bei bekannten Schaltungsanordnungen erfolgt die Stromüberwachung mittels eines Stromwandlers, eines Shunt-Widerstands oder eines Strommessgeräts. Das Funktionsprinzip eines derzeit üblichen Stromwandlers beruht auf der Ausnutzung des Hall-Effekts. Dies ermöglicht eine potentialgetrennte Erfassung eines DC- oder AC-Laststroms bis zu einer Grenzfrequenz von mehreren 100 kHz. Der Stromwandler wird elektrisch in Reihe in den zu überwachenden Strompfad eingebaut. Er benötigt je nach Leistungsklasse einen erheblichen Einbauraum und ist zur Messung hochdynamischer Ströme, wie z.B. im Kurzschlussfall, nur bedingt geeignet.

Ein Shunt-Widerstand ist ein sehr niederohmiger Präzisionsmesswiderstand, der als zusätzliches Bauelement ebenfalls in Reihenschaltung in den zu überwachenden Strompfad integriert ist. Der zu messende Strom fließt über den Shunt-Widerstand. Als Messgröße dient die am Shunt-Widerstand abfallende Spannung. Marktübliche Shunt-Widerstände sind nicht für hohe Stoßstrombelastungen ausgelegt. Ungünstig ist außerdem die nicht vorhandene Potentialtrennung sowie die hohe Störempfindlichkeit gegenüber hochdynamischen Stromänderungen.

Ein Gleichstrom kann weiterhin mittels eines Drehspulmessinstruments, ein Wechselstrom mittels eines Dreheisenmesswerks erfasst werden. Für die Erfassung hochdynamischer Ströme sind beide Messgerätetypen ungeeignet. Diese Strommessgeräte sind in Reihe im zu überwachenden Strompfad angeordnet. Sie benötigen einen erheblichen Einbauraum.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Schaltungsanordnung der eingangs bezeichneten Art anzugeben, die eine präzise, potentialgetrennte und störunempfindliche Überwachung des Laststroms bei zugleich geringem Platzbedarf ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung handelt es sich um eine solche, bei der

a) der Schaltkreis ein vom Laststrom durchflossenes und durch den Laststrom zur Emission einer Strahlung anregbares Halbleiter-Bauelement umfasst, das im Schaltkreis eine von der Emission der Strahlung unabhängige Hauptfunktion erfüllt,
b) der Schaltkreis und der Messkreis mittels einer Übertragungsstrecke für die Strahlung galvanisch getrennt miteinander gekoppelt sind, und
c) der Messkreis einen Strahlungsempfänger zum Empfang der vom Halbleiter-Bauelement emittierten Strahlung und eine Auswerteeinheit zur Bestimmung eines Messwerts für den Laststrom anhand der empfangenen Strahlung des Halbleiter-Bauelements umfasst.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung beruht auf der Erkenntnis, dass sich die in dem hinsichtlich der Strombelastung zu überwachenden Schaltkreis ohnehin vorhandenen Halbleiter-Bauelemente mit Vorteil zusätzlich auch zur Stromer fassung einsetzen lassen. Unabhängig von ihrer jeweiligen schaltungsbedingten Hauptfunktion, aufgrund derer sie Bestandteil des Schaltkreises sind, emittieren viele dieser Halbleiter-Bauelemente Strahlung, insbesondere in Form von Licht, wenn sie stromdurchflossen sind. Die Strahlungsemission beruht dabei insbesondere auf einer Rekombination komplementärer Ladungsträger im Halbleiter (= Rekombinationsleuchten). Zwischen dem geführten Laststrom und der Strahlungsintensität besteht ein funktionaler Zusammenhang, dem zufolge mit steigendem Laststrom die Strahlungsintensität zunimmt, und der insbesondere in geeigneter Form in der Auswerteeinheit hinterlegt ist. Eine Detektion und Auswertung der emittierten Strahlung erlaubt somit einen Rückschluss auf den ursächlichen Laststrom.

Vorteilhafterweise werden also keine zusätzlichen Mess-Komponenten in den Schaltkreis eingefügt, so dass sowohl Verfälschungen des zu erfassenden Laststroms als auch zusätzliche Verluste wie bei der Erfassung mittels des Shunt-Widerstands vermieden werden. Der Wegfall gesondert in den Schaltkreis einzubindender Mess-Komponenten führt außerdem zu einem äußerst geringen Platzbedarf. Dies und eine vorzugsweise in unmittelbarer Nähe zum Halbleiter-Bauelement erfolgende Strahlungsdetektion mittels des vorzugsweise nur wenige Bauelemente umfassenden Messkreises ermöglicht eine hohe Integrationsdichte.

Darüber hinaus gewährleistet die zwischengeschaltete insbesondere optische Übertragungsstrecke eine potentialgetrennte Stromerfassung und auch eine sehr geringe Anfälligkeit gegenüber elektromagnetischer Störeinstrahlung (= gutes EMV-Verhalten).

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ermöglicht eine hochdynamische Erfassung der Strombelastung im ns-Bereich, wobei zugleich ein sehr weiter Strombereich abgedeckt werden kann. Es sind extreme Belastungen des Halbleiter-Bauelements, wie z.B. sehr hohe Ströme im Kurzschlussfall oder sehr kleine Ströme im Erdschlussfall, detektierbar. Der so für das Halbleiter-Bauelement und auch für den Schaltkreis insgesamt erzielbare sichere hochdynamische Schutz vor gefährlichen Überströmen, erlaubt eine höhere, d.h. näher an die zulässigen Grenzen heranreichende Belastung des Halbleiter-Bauelements bzw. des Schaltkreises.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.

Günstig ist eine Variante, bei der die Übertragungsstrecke mittels eines Lichtwellenleiters gebildet ist. Dadurch lässt sich auch eine größere Entfernung zwischen dem Halbleiter-Bauelement und dem Messkreis überbrücken.

Ebenso kann es aber von Vorteil sein, wenn die Übertragungsstrecke als Freistrahlstrecke mit einem Abstand zwischen dem Halbleiter-Bauelement und dem Strahlungsempfänger von insbesondere etwa einigen Millimetern ausgebildet ist. Dann resultiert ein besonders kompakter Aufbau.

Weiterhin können die Übertragungsstrecke und der Strahlungsempfänger vorzugsweise speziell auf die vom Halbleiter-Bauelement emittierte Strahlung abgestimmt sein. So strahlt ein aus Silizium gefertigtes Halbleiter-Bauelement vor allem im infraroten Bereich, wohingegen das Emissionsspektrum eines Siliziumcarbid-Halbleiter-Bauelements in erster Linie den blauen Bereich abdeckt. Die genannte spektrale Abstimmung ist besonders dann von Vorteil, wenn nur eine geringe Strahlungsintensität emittiert wird.

Gemäß einer anderen günstigen Variante ist es vorgesehen, dass das Halbleiter-Bauelement zumindest einen bipolaren Teilbereich, also insbesondere einen pn-Übergang, enthält. Insbesondere wenn ein derartiger Teilbereich Strom führt, kommt es bevorzugt zu dem genannten Rekombinationsleuchten, dessen Strahlung als Maß für den Stromfluss detektiert wird.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Halbleiter-Bauelement als Diode, insbesondere als pn-Diode, oder als Schalter, insbesondere als bipolarer Schalter beispielsweise in Form eines IGBT's (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder eines GTO-Transistors (Gate Turn Off), ausgebildet ist. Zumindest eines dieser Halbleiter-Bauelemente kommt in praktisch jedem elektronisch realisierten Schaltkreis vor und kann daher auch zur Stromerfassung mittels der emittierten Strahlung herangezogen werden.

Günstig ist eine Ausgestaltung, bei der das Halbleiter-Bauelement aus oder mit einem Silizium-, Siliziumcarbid- oder III-V-Halbleitermaterial gefertigt ist. Dies sind in der Elektronik weit verbreitete Halbleitermaterialien, die außerdem das günstige, im Rahmen der Erfindung zur Stromerfassung genutzte Rekombinationsleuchten zeigen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Rückkopplungszweig vom Messkreis zum Schaltkreis vorgesehen. Damit kann dem Schaltkreis der Messwert des Laststroms zur Verfügung gestellt werden, so dass im Schaltkreis steuernde, regelnde oder schützende Maßnahmen ergriffen werden können, wenn der erfasste Laststrom zu hoch ist. So kann im Extremfall z.B. auch eine Abschaltung des Halbleiter-Bauelements oder anderer geeigneter Komponenten des Schaltkreises veranlasst werden.

Falls das Halbleiter-Bauelement, wie z.B. bei einem Halbleiter-Schalter, einen Steueranschluss hat, kann der Rückkopplungszweig vorzugsweise auch direkt in geeigneter Weise an den Steueranschluss geführt sein. Der erfasste Messwert des Laststroms bewirkt dann eine unmittelbare Beeinflussung des zur Messung eingesetzten Halbleiter-Bauelements, da eine ent sprechende Ansteuerung am Steueranschluss den Stromfluss durch das Halbleiter-Bauelement verändert.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zur Stromerfassung mittels eines lichtemittierenden Halbleiter-Bauelements,
2 ein Ausführungsbeispiel eines mittels einer optischen Übertragungsstrecke mit einem Fotodetektor gekoppelten lichtemittierenden Halbleiter-Bauelements und
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines mittels einer optischen Übertragungsstrecke mit einem Fotodetektor gekoppelten lichtemittierenden Halbleiter-Bauelements.
Einander entsprechende Teile sind in 1 bis 3 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung 1 zur Erfassung eines Laststroms I_Last mittels eines lichtemittierenden Halbleiter-Bauelements 2 gezeigt. Die Schaltungsanordnung 1 umfasst einen Schaltkreis 3 und einen Messkreis 4, die mittels einer optischen Übertragungsstrecke 5 gekoppelt sind. Das im Ausführungsbeispiel als Siliziumcarbid(SiC)-IGBT ausgebildete Halbleiter-Bauelement 2 ist Bestandteil des Schaltkreises 3, der ansonsten eine nicht näher spezifizierte Restschaltung 3a umfasst. Der Messkreis 4 enthält einen Fotodetektor 6 sowie eine Auswerteeinheit 7. Der Fotodetektor 6 ist im Ausführungsbeispiel ein auf das blaue Lichtemissionsspektrum des Halbleiter-Bauelements 2 abgestimmter Lichtwellenempfänger. Grundsätzlich ist aber auch ein anderer Fotodetektor, wie z.B. eine Fotodiode oder ein Fototransistor möglich. Die optische Übertragungsstrecke 5 ist durch einen Lichtwellenleiter 8 gebildet, dessen eines Ende in geringer Entfernung zum Halbleiter-Bauelement 2 angeordnet ist. Der Abstand bewegt sich im Millimeterbereich.
Der Schaltkreis 3 und der Messkreis 4 sind außer mittels der optischen Übertragungsstrecke 5 auch mittels eines optionalen Rückkopplungszweigs 9 miteinander verbunden. Auf Seiten des Schaltkreises 3 ist der Rückkopplungszweig 9 an einen Steueranschluss 10 des als SiC-IGBT ausgebildeten Halbleiter-Bauelements 2 angeschlossen.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der Schaltungsanordnung 1 beschrieben.
Das Halbleiter-Bauelement 2 wird in einem Durchlasszustand (SiC-IGBT ist eingeschaltet) von dem Laststrom I_Last durchflossen und dadurch zum Aussenden einer Lichtstrahlung angeregt. Dies beruht auf einem Rekombinationsmechanismus im Halbleitermaterial. Neben seiner Hauptfunktion als elektronische Schaltungskomponente des Schaltkreises hat das Halbleiter-Bauelement 2 also eine weitere Funktion, nämlich die eines Lichtsenders. Die Intensität der vom Halbleiter-Bauelement 2 emittierten und mittels des Lichtwellenleiters 8 zum Fotodetektor 6 übertragenen Strahlung hängt vom Laststrom I_Last ab.
Im Fotodetektor 6 wird die empfangene Strahlung wieder in ein elektrisches Signal in Form eines Messstroms I_Mess umgewandelt. Der Messstrom I_Mess trägt eine Information über den Momentanwert des Laststroms I_Last, die im Messkreis 4 erfasst und ausgewertet wird. In der Auswerteeinheit 7 ist zu diesem Zweck ein vorab ermittelter Zusammenhang zwischen dem Laststrom I_Last und der resultierenden Strahlung hinterlegt.
Die Schaltungsanordnung 1 ermöglicht dank der optischen Übertragungsstrecke 5 eine galvanisch getrennte Erfassung des Laststroms I_Last, wobei im Schaltkreis 3 hierzu keine gesonderte Komponente vorzusehen ist. Dadurch resultiert ein sehr kompakter Aufbau.
Mittels des optionalen Rückkopplungszweig 9 wird ein von der Auswerteeinheit 7 ermitteltes Messsignal M zum Schaltkreis 3 zurückgekoppelt und dort in geeigneter Weise auf den Steueranschluss 10 des Halbleiter-Bauelements 2 geführt. Auf diese Weise regelt das Messsignal M den Stromfluss über das Halbleiter-Bauelement 2. In seiner optionalen Ausgestaltung mit dem Rückkopplungszweig 9 umfasst die Schaltungsanordnung 1 also auch einen Regelkreis für den Laststrom I_Last.
In 2 und 3 sind weitere Ausführungsbeispiele lichtemittierender Halbleiter-Bauelemente 11 bzw. 12 gezeigt, die zur Erfassung des Laststroms I_Last dienen. Wie das Halbleiter-Bauelement 2 gemäß 1 senden auch die Halbleiter-Bauelemente 11 und 12 optische Strahlung aus, wenn sie vom Laststrom I_Last durchflossen werden. Die Strahlung gelangt über eine bei den Ausführungsbeispielen gemäß 2 und 3 jeweils als Freiluftstrecke ausgebildete optische Übertragungsstrecke 15 bzw. 16 zu einem Fotodetektor 13 bzw. 14, der eine Rückwandlung in den elektrischen Messstrom I_Mess vornimmt.
Analog zu der Schaltungsanordnung 1 gemäß 1 sind die Halbleiter-Bauelemente 11 und 12 sowie die Fotodetektoren 13 und 14 Bestandteile von in 2 bzw. 3 nicht näher dargestellten Schalt- und Messkreisen. Die Halbleiter-Bauelemente 11 und 12 erfüllen wiederum in ihren jeweiligen Schaltkreisen eine von der Stromerfassung unabhängige Hauptfunktion.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist das Halbleiter-Bauelement 11 als Silizium(Si)-pn-Diode und der Fotodetektor 13 als Fotodiode ausgebildet. Zur Erfassung eines möglichst großen Anteils der vom Halbleiter-Bauelement 11 im stromführenden Durchlasszustand emittierten optischen Strahlung ist der Fotodetektor 15 nahe am Halbleiter-Bauelement 11, beispielsweise in einem Abstand von einigen Millimetern, angeordnet. Die Stromerfassung erfolgt wie auch beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 potentialgetrennt.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist das Halbleiter-Bauelement 12 als eine MPS(Merged PiN Schottky)-Diode aus SiC und der Fotodetektor 14 als Lichtwellenempfänger ausgebildet. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Fotodetektor 14 nahe am Halbleiter-Bauelement 12 angeordnet.
Bei einer MPS-Diode sind mehrere pn-Übergangs-Teilbereiche und mehrere Schottky-Kontakt-Teilbereiche elektrisch parallel geschaltet und monolithisch auf einem Substrat integriert. Die pn-Übergangs-Teilbereiche bilden insgesamt eine pn-Teil-diode, die bipolares Verhalten aufweist. Die Schottky-Kontakt-Teilbereiche bilden insgesamt eine Schottky-Teildiode, die unipolares Verhalten aufweist. Dies bedeutet, dass an der Stromführung nur ein Ladungsträgertyp beteiligt ist. Bei Nennstrombetrieb fließt der Strom im Durchlasszustand überwiegend über die Schottky-Kontakt-Teilbereiche, so dass es aufgrund des hier nur unipolaren Verhaltens zu keinem Rekombinationsleuchten kommt. Erst bei sehr hohen Stromwerten im Überstrombereich erfolgt der Stromfluss auch über die pn-Übergangs-Teilbereiche, in denen dann aufgrund des bipolaren Verhaltens ein auswertbares Rekombinationsleuchten auftritt.
Die bipolare pn-Teildiode ist also nur im Überstrombereich stromführend. Nur dann wird eine die Strominformation repräsentierende optische Strahlung ausgesendet und es kann mit entsprechender Beschaltung im nicht näher dargestellten Schalt- und Messkreis ein auf der Auswertung der optischen Strahlung basierender Überstrom-Schutz des Halbleiter-Bauelements 12 realisiert werden.

Claims

Schaltungsanordnung zur Überwachung eines Laststroms (I_Last) umfassend einen den Laststrom (I_Last) führenden Schaltkreis (3) und einen Messkreis (4), wobei a) der Schaltkreis (3) ein vom Laststrom (I_Last) durchflossenes und durch den Laststrom (I_Last) zur Emission einer Strahlung anregbares Halbleiter-Bauelement (2; 11; 12) umfasst, das im Schaltkreis (3) eine von der Emission der Strahlung unabhängige Hauptfunktion erfüllt, b) der Schaltkreis (3) und der Messkreis (4) mittels einer Übertragungsstrecke (5; 15; 16) für die Strahlung galvanisch getrennt miteinander gekoppelt sind, und c) der Messkreis (4) einen Strahlungsempfänger (6; 13; 14) zum Empfang der vom Halbleiter-Bauelement (2; 11; 12) emittierten Strahlung und eine Auswerteeinheit (7) zur Bestimmung eines Messwerts (M) für den Laststrom (I_Last) anhand der empfangenen Strahlung des Halbleiter-Bauelements (2; 11; 12) umfasst.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsstrecke (5) mittels eines Lichtwellenleiters (8) gebildet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsstrecke (15; 16) als Freistrahlstrecke mit einem Abstand zwischen dem Halbleiter-Bauelement (11; 12) und dem Strahlungsempfänger (13; 14) von insbesondere etwa einigen Millimetern ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsstrecke (5; 15; 16) und der Strahlungsempfänger (6; 13; 14) speziell auf die vom Halbleiter-Bauelement (2; 11; 12) emittierte Strahlung abgestimmt sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiter-Bauelement (2; 11; 12) zumindest einen insbesondere stromdurchflossenen bipolaren Teilbereich enthält.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiter-Bauelement (2; 11; 12) als Diode, insbesondere als pn-Diode (11), oder als Schalter, insbesondere als IGBT oder als GTO-Transistor, ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiter-Bauelement (2; 11; 12) aus oder mit einem Silizium-, Siliziumcarbid-, oder III-V-Halbleitermaterial gefertigt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückkopplungszweig (9) vom Messkreis (4) zum Schaltkreis (3) vorgesehen ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiter-Bauelement einen Steueranschluss (10) hat, und der Rückkopplungszweig (9) an den Steueranschluss (10) angeschlossen ist.