DE102006030594B4

DE102006030594B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen eines Kurzschlusses an einer Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE102006030594B4
Application number: DE200610030594
Authority: DE
Inventors: Thomas Maier
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2006-07-03
Filing date: 2006-07-03
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2026-07-04
Also published as: DE102006030594A1; WO2008003534A1

Abstract

Verfahren zum Erkennen eines Kurzschlusses an einer Schaltungsanordnung, die mindestens ein oberes Schaltelement und mindestens ein unteres Schaltelement umfasst und das obere Schaltelement elektrisch zwischen einem Versorgungspotential (VBAT) und einem ersten Anschluss (A1) angeordnet ist und das untere Schaltelement elektrisch zwischen einem zweiten Anschluss (A2) und einem Bezugspotential (GND) angeordnet ist und der erste und der zweite Anschluss (A1, A2) mit einer elektrischen Last koppelbar sind,
bei dem
– eine erste Größe erfasst wird, die repräsentativ ist für einen Strom, der durch das jeweils Strom führende untere Schaltelement fließt,
– eine zweite Größe erfasst wird, die repräsentativ ist für einen Strom, der durch das jeweils Strom führende obere Schaltelement fließt,
– die erste oder die zweite Größe erfasst wird unter Nutzung einer physikalischen Eigenschaft des jeweiligen Schaltelements, wobei die physikalische Eigenschaft ein Durchlasswiderstand ist und dadurch über dem jeweils Strom führenden Schaltelement eine Schaltelementspannung abfällt, die...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Erkennen eines Kurzschlusses an einer Schaltungsanordnung, die mindestens ein oberes und ein unteres Schaltelement umfasst und die insbesondere in einer H-Brücke angeordnet sind. Die Schaltelemente sind insbesondere als diskrete Bauelemente ausgebildet.
In Kraftfahrzeugen werden Elektromotoren für Steuerungszwecke eingesetzt. Insbesondere wird bei Kraftfahrzeugen mit Allradantrieb ein Verteilergetriebe durch einen Elektromotor gesteuert. Ein solcher Elektromotor hat beispielsweise eine Stromaufnahme von bis zu 40 Ampere. Solche Elektromotoren werden beispielsweise über eine H-Brücke angesteuert. Ein Kurzschluss an der H-Brücke kann zur Zerstörung der Schaltelemente in der H-Brücke führen.
In DE 102 49 568 A1 wird ein Verfahren zur verbesserten Fehleranalyse in einer elektronischen Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor offenbart. Dabei werden Spannungsabfälle der in Halbbrücken verschalteten Schaltelemente gemessen oder berechnet. Abhängig von einem Abweichen der Spannungsabfälle von zugeordneten zulässigen Spannungswerten, werden Durchlasswiderstände der Schaltelemente ermittelt, die auf Fehlerfälle analysiert werden.
In WO 88/00770 A1 ist eine Brückenschaltung mit einer Diagnoseschaltung offenbart. Die Diagnoseschaltung ist mittels Mess widerstände mit der Brückenschaltung gekoppelt und erlaubt eine Diagnose der Brückenschaltung.
Die Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Erkennen eines Kurzschlusses zu schaffen, das beziehungsweise die zuverlässig ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Erkennen eines Kurzschlusses an einer Schaltungsanordnung, die mindestens ein oberes Schaltelement und mindestens ein unteres Schaltelement umfasst. Das obere Schaltelement ist elektrisch zwischen einem Versorgungspotenzial und einem ersten Anschluss angeordnet. Das untere Schaltelement ist elektrisch zwischen einem zweiten Anschluss und einem Bezugspotenzial angeordnet. Der erste und der zweite Anschluss sind mit einer elektrischen Last koppelbar. Eine erste Größe wird erfasst, die repräsentativ ist für einen Strom, der durch das jeweils Strom führende untere Schaltelement fließt. Eine zweite Größe wird erfasst, die repräsentativ ist für einen Strom, der durch das jeweils Strom führende obere Schaltelement fließt. Die erste oder die zweite Größe wird erfasst unter Nutzung einer physikalischen Eigenschaft des jeweiligen Schaltelements, wobei die physikalische Eigenschaft ein Durchlasswiderstand ist. Dadurch fällt über dem jeweils Strom führenden Schaltelement eine Schaltelementspannung ab, die als die jeweilige Größe erfasst wird, die repräsentativ ist für den durch das jeweilige Schaltelement fließenden Strom. Der Kurzschluss wird erkannt, wenn der durch die erste Größe repräsentierte Strom um mindestens ei nen vorgegebenen Betrag oder einen vorgegebenen Faktor von dem durch die zweite Größe repräsentierten Strom abweicht. Ferner ist mindestens ein Messwiderstand vorgesehen, der entweder dem mindestens einen unteren Schaltelement oder dem mindestens einen oberen Schaltelement zugeordnet ist. Über den Messwiderstand fällt eine Messwiderstandspannung ab, die entsprechend der Zuordnung zum mindestens einen unteren oder oberen Schaltelement als die erste oder die zweite Größe erfasst wird. Der Vorteil ist, dass die erste beziehungsweise die zweite Größe so besonders einfach und präzise erfassbar ist. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die Messwiderstandsspannung und/oder die Schaltelementspannung einer Anpassschaltung zum aneinander Anpassen der Messwiderstandsspannung und der Schaltelementspannung zugeführt werden. Die durch die Anpassschaltung gegebenenfalls angepasste Messwiderstandsspannung wird einem Addierer zugeführt. Durch den Addierer wird ein Referenzwert entweder addiert oder subtrahiert, der den vorgegebenen Betrag repräsentiert. Ein ausgangsseitig des Addierers bereitgestelltes Referenzsignal wird mindestens einem Komparator zugeführt. Dem mindestens einen Komparator wird ferner die gegebenenfalls durch die Anpassschaltung angepasste Schaltelementspannung des jeweiligen Schaltelements zugeführt. Ausgangsseitig des mindestens einen Komparators wird ein Kurzschlusssignal bereitgestellt, das den Kurzschluss an der Schaltungsanordnung abhängig von einem Überschreiten oder Unterschreiten der gegebenenfalls angepassten Schaltelementspannung in Bezug auf das Referenzsignal signalisiert.
Insbesondere wird der Kurzschluss des ersten oder des zweiten Anschlusses zum Versorgungspotenzial oder zum Bezugspotenzial erkannt. Die Schaltungsanordnung ist insbesondere eine H-Brücke. Das obere und das untere Schaltelement sind vorzugs weise Leistungstransistoren, insbesondere Leistungsfeldeffekttransistoren, die insbesondere als diskrete Bauelemente ausgebildet sind, das heißt nicht zusammen mit einer Ansteuerschaltung als eine integrierte Schaltung ausgebildet sind. Ferner wird bevorzugt entweder die erste oder die zweite Größe erfasst unter Nutzung der physikalischen Eigenschaft des jeweiligen Schaltelements. Es können jedoch alternativ ebenso sowohl die erste als auch die zweite Größe unter Nutzung der physikalischen Eigenschaft des jeweiligen Schaltelements erfasst werden.
Der Vorteil ist, dass für das Erkennen des Kurzschlusses an der Schaltungsanordnung der Strom, der durch das jeweils Strom führende untere Schaltelement fließt, und der Strom, der durch das jeweils Strom führende obere Schaltelement fließt, das heißt die diese Ströme repräsentierenden Größen, nicht mit einem absoluten Schwellenwert verglichen werden müssen. Dadurch kann eine Abschaltschwelle zum Abschalten des mindestens einen oberen oder unteren Schaltelements zum Schutz des jeweiligen Schaltelements vor Überlastung gering sein. Insbesondere kann die Abschaltschwelle auch geringer sein als ein vorgegebener maximaler Strom durch die elektrische Last. Dadurch ist auch dann ein besonders zuverlässiger Schutz vor Überlastung des oberen oder des unteren Schaltelements möglich, wenn der Strom durch die elektrische Last aktuell geringer ist als der vorgegebene maximale Strom durch die elektrische Last. Ferner sind auch solche Kurzschlüsse zuverlässig erkennbar, die vergleichsweise hochohmig sind und nur einen Kurzschlussstrom zur Folge haben, der geringer ist als der vorgegebene maximale Strom durch die elektrische Last.
Ein weiterer Vorteil ist, dass nicht sowohl dem oberen Schaltelement als auch dem unteren Schaltelement jeweils ein Messwiderstand zum Erfassen der ersten und der zweiten Größe zugeordnet sein muss, sondern dass zum Erfassen der ersten oder der zweiten Größe die physikalische Eigenschaft des jeweiligen Schaltelements genutzt wird. Die Schaltungsanordnung kann daher besonders preisgünstig ausgebildet sein.
Der Durchlasswiderstand ist insbesondere ein ohmscher Widerstand, den das Schaltelement im eingeschalteten Zustand aufweist. Der Durchlasswiderstand ist insbesondere ein minimaler ohmscher Widerstand des Schaltelements. Der Vorteil ist, dass kein zusätzliches Bauelement, z. B. ein Messwiderstand, erforderlich ist und dass die jeweilige Größe sehr einfach erfassbar ist. Das Erfassen der jeweiligen Größe ist so besonders kostengünstig möglich.
Durch die Anpassschaltung wird insbesondere ein Pegel der Messwiderstandsspannung und der Schaltelementspannung entsprechend den jeweils repräsentierten Strömen angepasst. Bevorzugt erfolgt die Anpassung so, dass bei Gleichheit der durch das jeweils Strom führende untere Schaltelement und des jeweils durch das Strom führende obere Schaltelement fließenden Ströme auch die Messwiderstandsspannung und die Schaltelementspannung etwa gleich sind. Der Vorteil ist, dass ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung einfach und kostengünstig sind und in der Ansteuerschaltung für die Schaltungsanordnung, insbesondere als integrierte Schaltung einfach integrierbar sind.
Ausführungsbeispiele sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform einer Schaltungsanordnung und einer ersten Auswerteeinheit,
2 die erste Auswerteeinheit gemäß 1,
3 eine zweite Ausführungsform der Schaltungsanordnung und einer zweiten Auswerteeinheit,
4 die zweite Auswerteeinheit gemäß 3,
5 eine dritte Ausführungsform der Schaltungsanordnung und einer dritten Auswerteeinheit und
6 ein Ablaufdiagramm.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Eine Schaltungsanordnung umfasst mindestens ein oberes Schaltelement und mindestens ein unteres Schaltelement. Das mindestens eine obere Schaltelement ist beispielsweise gebildet durch ein erstes oberes Schaltelement SH1 und das mindestens eine untere Schaltelement ist beispielsweise gebildet durch ein erstes unteres Schaltelement SL1 (1). Das mindestens eine obere Schaltelement kann jedoch ebenso durch ein zweites oberes Schaltelement SH2 und das mindestens eine untere Schaltelement durch ein zweites unteres Schaltelement SL2 gebildet sein. Vorzugsweise sind das erste und das zweite obere Schaltelement SH1, SH2 und das erste und das zweite untere Schaltelement SL1, SL2 elektrisch so angeordnet und miteinander gekoppelt, dass diese eine H-Brücke bilden. Dazu ist das erste obere Schaltelement SH1 elektrisch zwischen einem Versorgungspotenzial VBAT und einem ersten Anschluss A1 angeordnet, und das zweite obere Schaltelement SH2 ist elektrisch zwischen dem Versorgungspotenzial VBAT und einem zweiten Anschluss A2 angeordnet. Das erste untere Schaltelement SL1 ist elektrisch zwischen dem zweiten Anschluss A2 und einem Bezugspotenzial GND angeordnet und das zweite untere Schaltelement SL2 ist elektrisch zwischen dem ersten Anschluss A1 und dem Bezugspotenzial GND angeordnet. Elektrisch zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss A1, A2 ist eine elektrische Last ankoppelbar. In diesem Beispiel ist die elektrische Last als ein Motor M ausgebildet. Der Motor M steuert beispielsweise eine Funktion eines Verteilergetriebes in einem Kraftfahrzeug mit Allradantrieb. Es kann jedoch auch ein anderer Motor oder eine andere elektrische Last vorgesehen sein.
Bevorzugt sind das erste und das zweite obere Schaltelement SH1, SH2 und das erste und das zweite untere Schaltelement SL1, SL2 als diskrete Halbleiterschaltelemente ausgebildet, insbesondere als Leistungstransistoren und insbesondere als Leistungsfeldeffekttransistoren. Die Leistungsfeldeffekttransistoren sind bevorzugt jeweils als ein N-Kanal MOS-Feldeffekttransistor ausgebildet.
Dem ersten und dem zweiten unteren Schaltelement SL1, SL2 ist ein gemeinsamer Messwiderstand RM zugeordnet, der elektrisch zwischen dem ersten unteren Schaltelement SL1 und dem Bezugspotenzial GND beziehungsweise elektrisch zwischen dem zweiten unteren Schaltelement SL2 und dem Bezugspotenzial GND angeordnet ist. Zum Betreiben des Motors M werden entweder das erste obere Schaltelement SH1 und das erste untere Schaltelement SL1 eingeschaltet oder das zweite obere Schaltelement SH2 und das zweite untere Schaltelement SL2 eingeschaltet. In beiden Fällen fließt ein Strom I, der durch den Motor M fließt, auch durch den Messwiderstand RM. Der durch den Messwiderstand RM fließende Strom wird als ein Messwiderstandsstrom I_RM bezeichnet. Der Messwiderstandsstrom I_RM kann sehr einfach erfasst werden. Dazu wird ein Spannungsabfall über dem Messwiderstand RM erfasst. Dieser Spannungsabfall wird als Messwiderstandsspannung bezeichnet.
Ein Widerstandswert des Messwiderstands RM ist klein und beträgt zum Beispiel etwa zwei Milliohm. Entsprechend weist auch die Messwiderstandspannung einen kleinen Wert auf, wenn der Messwiderstandsstrom I_RM beispielsweise nur wenige Ampere beträgt. Ein erster Messverstärker MV1 ist daher vorgesehen zum Verstärken der Messwiderstandsspannung um einen vorgegebenen Verstärkungsfaktor. Mittels des Messwiderstands RM und des ersten Messverstärkers MV1 kann der Messwiderstandsstrom I_RM und insbesondere der durch das jeweils Strom führende untere Schaltelement fließende Strom präzise erfasst werden.
Zum Erfassen des Stroms des jeweils Strom führenden oberen Schaltelements ist dem ersten oberen Schaltelement SH1 ein zweiter Messverstärker MV2 und dem zweiten oberen Schaltelement SH2 ein dritter Messverstärker MV3 zugeordnet. Dem zweiten Messverstärker MV2 und dem dritten Messverstärker MV3 wird ein Spannungsabfall über dem jeweiligen Schaltelement zugeführt. Aufgrund einer physikalischen Eigenschaft des jeweiligen-Schaltelements, insbesondere eines Durchlasswiderstands oder minimalen Widerstands im eingeschalteten Zustand des jeweiligen Schaltelements, fällt über dem jeweiligen. Schaltelement jeweils eine Schaltelementspannung ab, wenn das jeweilige Schaltelement Strom führend ist. Ist der Durchlasswiderstand des jeweiligen Schaltelements bekannt, so kann durch Erfassen der Schaltelementspannung auf einen Schaltelementstrom geschlossen werden, der durch das jeweilige Schaltelement fließt. Die Schaltelementspannung ist insbesondere eine Drain-Source-Spannung des jeweiligen Leistungsfeldeffekttransistors.
Die Messwiderstandsspannung entspricht einer ersten Größe, die repräsentativ ist für den Strom, der durch das jeweils Strom führende untere Schaltelement fließt. Die Schaltelementspannung entspricht einer zweiten Größe, die repräsenta tiv ist für den Schaltelementstrom, der durch das jeweils Strom führende obere Schaltelement fließt.
Abhängig von der Messwiderstandsspannung stellt der erste Messverstärker MV1 ein erstes Messsignal MS1 bereit. Abhängig von der Schaltelementspannung des ersten oberen Schaltelements SH1 stellt der zweite Messverstärker MV2 ein zweites Messsignal MS2 bereit. Entsprechend stellt der dritte Messverstärker MV3 abhängig von der Schaltelementspannung des zweiten oberen Schaltelements SH2 ein drittes Messsignal MS3 bereit.
Der erste, zweite und dritte Messverstärker MV1, MV2, MV3 sind jeweils mit einer ersten Auswerteeinheit AE1 gekoppelt und führen dieser das erste, zweite und dritte Messsignal MS1, MS2, MS3 zu. Die erste Auswerteeinheit AE1 ermittelt abhängig vom ersten, zweiten und dritten Messsignal MS1, MS2, MS3 ein erstes Kurzschlusssignal KS1 und ein zweites Kurzschlusssignal KS2.
2 zeigt die erste Auswerteeinheit, die einen Spannungsteiler mit einem ersten und einem zweiten Widerstand R1, R2, einen Addierer ADD und einen ersten und einen zweiten Komparator CMP1, CMP2 umfasst. Dem zweiten Widerstand R2 wird an seinem ersten Anschluss das erste Messsignal MS1 zugeführt. Der zweite Widerstand R2 ist mit seinem zweiten Anschluss mit einem ersten Eingang des Addierers ADD und mit einem ersten Anschluss des ersten Widerstands R1 verbunden. Der erste Widerstand R1 ist mit seinem zweiten Anschluss mit dem Bezugspotenzial GND verbunden. Dem Addierer ADD wird ferner an einem zweiten Eingang ein vorgegebener Referenzwert D zugeführt.
Der Addierer ADD stellt ausgangsseitig ein Referenzsignal REF bereit. Ausgangsseitig ist der Addierer ADD jeweils mit einem invertierenden Eingang des ersten Komparators CMP1 und des zweiten Komparators CMP2 gekoppelt. Der Addierer ADD führt dem ersten und dem zweiten Komparator CMP1, CMP2 so das Referenzsignal REF zu. Dem ersten Komparator CMP1 wird an seinem nicht-invertierenden Eingang das zweite Messsignal MS2 zugeführt. Entsprechend wird dem zweiten Komparator CMP2 an seinem nicht-invertierenden Eingang das dritten Messsignal MS3 zugeführt. Ausgangsseitig des ersten Komparators CMP1 wird das erste Kurzschlusssignal KS1 bereitgestellt und ausgangsseitig des zweiten Komparators CMP2 wird das zweite Kurzschlusssignal KS2 bereitgestellt.
Die Funktionsweise der Schaltungsanordnung und der ersten Auswerteeinheit AE1 wird beispielhaft erläutert, indem nur das erste obere und das erste untere Schaltelement SH1, SL1 betrachtet werden. Entsprechendes gilt jedoch ebenso für das zweite obere und das zweite untere Schaltelement SH2, SL2.
Das zweite obere Schaltelement SH2 und das zweite untere Schaltelement SL2 befinden sich in ihrem ausgeschalteten Zustand. Das erste untere Schaltelement SL1 ist eingeschaltet, das erste obere Schaltelement SH1 wird vorzugsweise durch ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal angesteuert, das heißt getaktet ein- und ausgeschaltet. Bei normalem Betrieb, das heißt ohne Vorliegen eines Kurzschlusses oder sonstigen Fehlers, fließt ein gleich großer Strom durch das erste obere Schaltelement SH1, durch den Motor M, durch das erste untere Schaltelement SL1 und durch den Messwiderstand RM, wenn sowohl das erste obere Schaltelement SH1 und das erste untere Schaltelement SL1 eingeschaltet sind.
Durch den ersten, zweiten und dritten Messverstärker MV1, MV2, MV3 und durch den Spannungsteiler mit dem ersten Widerstand R1 und dem zweiten Widerstand R2 ist eine Anpassschaltung gebildet, die dafür sorgt, dass die Spannungspegel des ersten, zweiten und dritten Messsignals MS1, MS2, MS3 so aneinander angepasst werden, dass diese einfach miteinander verglichen werden können. Insbesondere erfolgt das Anpassen so, dass eine durch den Spannungsteiler reduzierte Amplitude des ersten Messsignals MS1 etwa gleich groß ist wie eine Amplitude des zweiten Messsignals MS2. Dazu ist die Anpassschaltung vorzugsweise so dimensioniert, dass folgende Gleichung erfüllt ist: R1/(R1 + R2) = R_SW/(RM·k).
In dieser Gleichung ist ein Wert des maximalen Durchlasswiderstands des jeweils Strom führenden Schaltelements repräsentiert durch R_SW und der Verstärkungsfaktor des ersten Messverstärkers MV1 ist repräsentiert durch k.
Der vorgegebene Referenzwert D repräsentiert einen Sicherheitszuschlag für das Erkennen eines Kurzschlusses an der Schaltungsanordnung. Ein Kurzschluss an der Schaltungsanordnung wird daher nur dann erkannt und durch das erste Kurzschlusssignal KS1 signalisiert, wenn das zweite Messsignal MS2 größer ist als eine Summe aus der reduzierten Amplitude des ersten Messsignals MS1 und dem vorgegebenen Referenzwert D. Das Referenzsignal REF gibt somit einen Schwellenwert vor, bei dessen Überschreiten der Kurzschluss erkannt wird. Bevorzugt wird bei Erkennen des Kurzschlusses der Betrieb der Schaltungsanordnung beendet durch Abschalten der Schaltelemente. Der Schwellenwert entspricht somit einer Abschaltschwelle für das Abschalten der Schaltelemente.
Ist beispielsweise der erste Anschluss A1 auf das Bezugspotenzial GND kurzgeschlossen, dann fließt ein Kurzschlussstrom vom Versorgungspotenzial VBAT durch das erste obere Schaltelement SH1 zum Bezugspotenzial GND. Der Kurzschlussstrom fließt jedoch nicht durch den Messwiderstand RM. Dadurch ist das zweite Messsignal MS2 durch den Kurzschlussstrom erhöht, nicht jedoch das erste Messsignal MS1. Bei geeigneter Wahl des vorgegebenen Referenzwerts D überschreitet das zweite Messsignal MS2 daher das Referenzsignal REF und der erste Komparator CMP1 signalisiert den Kurzschluss durch das erste Kurzschlusssignal KS1.
Der Vorteil ist, dass das zweite Messsignal MS2 für das Erkennen des Kurzschlusses nicht mit einem absoluten Schwellenwert verglichen werden muss, sondern dass der Vergleich des zweiten Messsignals MS2 mit dem Referenzsignal REF relativ zum ersten Messsignal MS1 erfolgt. Oder anders ausgedruckt: Der Strom, der durch das Strom führende obere Schaltelement fließt, wird mit dem Schwellenwert verglichen, der abhängig ist vom Strom, der durch das Strom führende untere Schaltelement fließt. Dadurch ist der Schwellenwert für das Erkennen des Kurzschlusses klein, wenn der Strom durch die elektrische Last klein ist. Dadurch kann das erste obere Schaltelement SH1 zuverlässig vor Überlastung durch Verhindern eines übermäßigen Stromflusses durch das erste obere Schaltelemente SH1 geschützt werden. Dadurch ist insbesondere auch dann ein zuverlässiges Abschalten des ersten oberen Schaltelements SH1 möglich, wenn der Kurzschluss vergleichsweise hochohmig erfolgt, das heißt der resultierende Kurzschlussstrom kleiner ist als ein vorgegebener maximaler Strom durch die elektrische Last.
Beispielsweise beträgt der vorgegebene maximale Strom durch die elektrische Last etwa 40 Ampere. Der Durchlasswiderstand der Schaltelemente beträgt beispielsweise typisch etwa 10 Milliohm und maximal etwa 12 Milliohm. Ausgehend vom vorgegebenen maximalen Strom durch die elektrische Last und dem maximalen Durchlasswiderstand beträgt die Schaltelementspannung etwa 40 A·12 mΩ = 480 mV bei normalem Betrieb. Ferner wird als Sicherheitszuschlag für das Erkennen des Kurzschlusses der vorgegebene Referenzwert zu 200 mV gewählt. Dadurch würde ein absoluter Schwellenwert für das Erkennen des Kurzschlusses etwa 680 mV betragen. Ausgehend von dem typischen Durchlasswiderstand würde der Kurzschluss erst erkannt werden, wenn der Schaltelementstrom I_SW mindestens 680 mV/10 mΩ = 68 A betragen würde, und zwar unabhängig vom durch die elektrische Last oder durch den Messwiderstand RM fließenden Strom. Beträgt der Strom I durch die elektrische Last aktuell beispielsweise etwa 3 Ampere, dann müsste der Kurzschlussstrom mindestens 65 Ampere betragen, um den Kurzschluss zu erkennen. Das erste obere Schaltelement SH1 kann jedoch bereits überlastet sein und gegebenenfalls zerstört werden. Beim Vergleich des zweiten Messsignals MS2 mit dem absoluten Schwellenwert für das Erkennen des Kurzschlusses muss der Kurzschluss daher besonders niederohmig erfolgen, um auch dann zuverlässig erkannt werden zu können, wenn der Strom I durch die elektrische Last wesentlich kleiner ist als der vorgegebene maximale Strom durch die elektrische Last.
Bei der Schaltungsanordnung und der ersten Auswerteeinheit AE1 gemäß 1 und 2 wird der Kurzschluss jedoch bereits erkannt, wenn der Kurzschlussstrom mindestens 200 mV/10 mΩ = 20 A beträgt. Dadurch kann der Kurzschluss auch dann erkannt werden, wenn der Kurzschluss vergleichsweise hochohmig erfolgt und dadurch der Kurzschlussstrom entsprechend geringer ist.
Es ist besonders vorteilhaft, für das Ermitteln des Stroms durch das jeweils Strom führende untere Schaltelement den Messwiderstand RM vorzusehen. Das Ermitteln der ersten Größe kann dann besonders präzise erfolgen und das Referenzsignal REF und damit die Abschaltschwelle sind dadurch ebenfalls besonders präzise vorgegeben. Jedoch kann die erste Größe auch anders erfasst werden. Beispielsweise kann das jeweilige untere Schaltelement eine Strommesseinrichtung umfassen und die erste Größe bereitstellen.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Schaltungsanordnung. Die zweite Ausführungsform der Schaltungsanordnung unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform der Schaltungsanordnung dadurch, dass jedem der unteren Schaltelemente, das heißt dem ersten unteren Schaltelement SL1 und dem zweiten unteren Schaltelement SL2, jeweils ein Messwiderstand RM zugeordnet ist. Dem ersten unteren Schaltelement SL1 ist ein erster Messwiderstand RM1 zugeordnet und dem zweiten unteren Schaltelement SL2 ist ein zweiter Messwiderstand RM2 zugeordnet. Über den ersten Messwiderstand RM1 wird eine erste Messwiderstandsspannung erfasst, die repräsentativ ist für den Strom, der durch das erste untere Schaltelement SL1 fließt. Entsprechend wird über dem zweiten Messwiderstand RM2 eine zweite Messwiderstandsspannung erfasst, die repräsentativ ist für einen Strom, der durch das zweite untere Schaltelement SL2 fließt. Das erste Messsignal MS1 wird durch den ersten Messverstärker MV1 abhängig von der ersten Messwiderstandsspannung bereitgestellt. Ferner ist ein vierter Messverstärker MV4 vorgesehen, dem die zweite Messwiderstands spannung zugeführt wird und der ein viertes Messsignal MS4 bereitstellt.
Einer zweiten Auswerteeinheit AE2 wird das erste Messsignal MS1 und das zweite Messsignal MS2 zugeführt. Die zweite Auswerteeinheit AE2 stellt das erste Kurzschlusssignal KS1 bereit. Ferner ist eine weitere zweite Auswerteeinheit AE2' vorgesehen, der das vierte Messsignal MS4 und das dritte Messsignal MS3 zugeführt wird und die das zweite Kurzschlusssignal KS2 bereitstellt.
Die zweite Auswerteeinheit AE2 und die weitere zweite Auswerteeinheit AE2' sind gleichartig aufgebaut (4). Die zweite Auswerteeinheit AE2 umfasst den Spannungsteiler mit dem ersten Widerstand R1 und dem zweiten Widerstand R2, den Addierer ADD und den ersten Komparator CMP1. Entsprechend umfasst die weitere zweite Auswerteeinheit AE2' einen weiteren ersten Widerstand R1' und einen weiteren zweiten Widerstand R2', die einen weiteren Spannungsteiler bilden, einen weiteren Addierer ADD', der ausgangsseitig ein weiteres Referenzsignal REF' bereitstellt, und den zweiten Komparator CMP2. Die Funktionsweise der zweiten Auswerteeinheit AE2 und der weiteren Auswerteeinheit AE2' entspricht der Funktionsweise der ersten Auswerteeinheit AE1.
5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Schaltungsanordnung. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführung der Schaltungsanordnung im Wesentlichen dadurch, dass der Messwiderstand RM den oberen Schaltelementen zugeordnet ist und der zweite Messverstärker MV2 dem zweiten unteren Schaltelement SL2 und der dritte Messverstärker MV3 dem ersten unteren Schaltelement SL1 zugeordnet sind. Der Messwiderstand RM ist elektrisch zwischen dem Versor gungspotenzial VBAT und dem ersten und dem zweiten oberen Schaltelement SH1, SH2 angeordnet. Die Messwiderstandsspannung entspricht dann der zweiten Größe, die repräsentativ ist für den Strom, der durch das jeweils Strom führende obere Schaltelement fließt. Die jeweilige Schaltelementspannung entspricht der ersten Größe, die repräsentativ ist für den Strom, der durch das jeweils Strom führende untere Schaltelement fließt.
Ferner ist eine dritte Auswerteeinheit AE3 vorgesehen, der das erste, zweite und dritte Messsignal MS1, MS2, MS3 zugeführt wird und die ausgangsseitig das erste und das zweite Kurzschlusssignal KS1, KS2 bereitstellt. Die Funktionsweise der dritten Auswerteeinheit AE3 entspricht der Funktionsweise der ersten Auswerteeinheit AE1. Die dritte Ausführungsform der Schaltungsanordnung ist insbesondere geeignet, einen Kurzschluss des ersten oder des zweiten Anschlusses A1, A2 auf das Versorgungspotential VBAT zu erkennen.
6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erkennen des Kurzschlusses an der Schaltungsanordnung. Das Verfahren beginnt in einem Schritt S1. In einem Schritt S2 wird diejenige Größe erfasst, die repräsentativ ist für den Strom, der durch das jeweils Strom führende Schaltelement fließt, dem der Messwiderstand RM zugeordnet ist. Dieser Strom entspricht dem Messwiderstandsstrom I_RM. Die Größe ist die erste Größe bei der Schaltungsanordnung gemäß 1 und 3 und ist die zweite Größe bei der Schaltungsanordnung gemäß 5. Abhängig vom Messwiderstandsstrom I_RM wird das Referenzsignal REF oder das weitere Referenzsignal REF' ermittelt.
In einem dritten Schritt S3 wird diejenige Größe erfasst, die repräsentativ ist für den Strom, der durch das jeweils Strom führende Schaltelement fließt, dem der Messwiderstand RM nicht zugeordnet ist, das heißt das Erfassen dieses Stroms erfolgt unter Nutzung der physikalischen Eigenschaft des Schaltelements. Dieser Strom entspricht dem Schaltelementstrom I_SW. Die Größe ist die zweite Größe bei der Schaltungsanordnung gemäß 1 und 3 und ist die erste Größe bei der Schaltungsanordnung gemäß 5. Abhängig vom Schaltelementstrom I_SW wird das zweite Messsignal MS2 oder das dritte Messsignal MS3 ermittelt.
In einem Schritt S4 wird überprüft, ob das zweite oder das dritte Messsignal MS2, MS3 größer ist als das Referenzsignal REF oder das weitere Referenzsignal REF'. Ist diese Bedingung erfüllt, dann wird in einem Schritt S5 ein Kurzschlusssignal KS zum Signalisieren des Kurzschlusses an der Schaltungsanordnung erzeugt, zum Beispiel das erste oder das zweite Kurzschlusssignal KS1, KS2, und das Verfahren in einem Schritt S6 beendet oder zur kontinuierlichen Überwachung der Schaltungsanordnung im Schritt S1 fortgesetzt. Ist die Bedingung im Schritt S4 jedoch nicht erfüllt, dann wird das Verfahren ebenfalls im Schritt S6 beendet oder bevorzugt im Schritt S1 fortgesetzt. Bevorzugt wird das Verfahren kontinuierlich während des Betriebs der Schaltungsanordnung durchgeführt. Ferner wird der Betrieb der Schaltungsanordnung bevorzugt abhängig vom Kurzschlusssignal KS beendet, wenn der Kurzschluss erkannt wurde.
Alternativ zum Schritt S4 kann auch in einem Schritt S7 überprüft werden, ob das zweite oder das dritte Messsignal MS2, MS3 kleiner ist als das Referenzsignal REF oder das weitere Referenzsignal REF'. Bei dieser weiteren Ausführungsform sind das Referenzsignal REF oder das weitere Referenzsignal REF' jedoch durch eine Subtraktion der jeweiligen reduzierten Messwiderstandsspannung und des vorgegebenen Referenzwerts D gebildet, das heißt der Addierer ADD oder der weitere Addierer ADD' führt eine Subtraktion aus anstatt der Addition. Der vorgegebene Referenzwert D entspricht dann einem Sicherheitsabschlag. Dadurch kann insbesondere erkannt werden, wenn durch den Kurzschluss das Referenzsignal REF oder das weitere Referenzsignal REF' gegenüber dem zweiten oder dritten Messsignal MS2, MS3 erhöht ist.
Die Schritte S4 und S7 können auch kombiniert werden. Dann wird überprüft, ob das zweite oder das dritte Messsignal MS2, MS3 größer ist als ein oberes Referenzsignal oder ein weiteres oberes Referenzsignal, oder kleiner ist als ein unteres Referenzsignal oder ein weiteres unteres Referenzsignal. Das obere oder das weitere obere Referenzsignal beruhen auf der Addition des vorgegebenen Referenzwerts D zum reduzierten ersten Messsignal MS1 und das untere oder das weitere untere Referenzsignal beruhen auf der Subtraktion des vorgegebenen Referenzwerts D vom reduzierten ersten Messsignal MS1. Dadurch wird der Kurzschluss erkannt, wenn der durch die erste Größe repräsentierte Strom um mindestens einen vorgegebenen Betrag vom durch die zweite Größe repräsentierten Strom abweicht. Der vorgegebene Betrag ist repräsentiert durch den Referenzwert D. So können sowohl der Kurzschluss des ersten oder des zweiten Anschlusses A1, A2 auf das Bezugspotential GND als auch der Kurzschluss des ersten oder des zweiten Anschlusses A1, A2 auf das Versorgungspotential VBAT zuverlässig erkannt werden.
Die erste, zweite, weitere zweite und dritte Ansteuerschaltung AE1, AE2, AE2', AE3 können auch so ausgebildet sein, dass anstelle des vorgegebenen Referenzwerts D ein vorgegebener Faktor vorgesehen ist. Ferner bilden die erste, zweite, weitere zweite und dritte Ansteuerschaltung AE1, AE2, AE2', AE3 jeweils eine Vorrichtung zum Erkennen eines Kurzschlusses an der Schaltungsanordnung, insbesondere an der H-Brücke. Die Vorrichtung kann zusätzlich auch den ersten und/oder zweiten und/oder dritten und/oder vierten Messverstärker MV1, MV2, MV3, MV4 umfassen. Die Vorrichtung ist vorzugsweise als integrierte Schaltung ausgebildet und ist vorzugsweise in eine Ansteuerschaltung für die H-Brücke integriert.

Claims

Verfahren zum Erkennen eines Kurzschlusses an einer Schaltungsanordnung, die mindestens ein oberes Schaltelement und mindestens ein unteres Schaltelement umfasst und das obere Schaltelement elektrisch zwischen einem Versorgungspotential (VBAT) und einem ersten Anschluss (A1) angeordnet ist und das untere Schaltelement elektrisch zwischen einem zweiten Anschluss (A2) und einem Bezugspotential (GND) angeordnet ist und der erste und der zweite Anschluss (A1, A2) mit einer elektrischen Last koppelbar sind, bei dem – eine erste Größe erfasst wird, die repräsentativ ist für einen Strom, der durch das jeweils Strom führende untere Schaltelement fließt, – eine zweite Größe erfasst wird, die repräsentativ ist für einen Strom, der durch das jeweils Strom führende obere Schaltelement fließt, – die erste oder die zweite Größe erfasst wird unter Nutzung einer physikalischen Eigenschaft des jeweiligen Schaltelements, wobei die physikalische Eigenschaft ein Durchlasswiderstand ist und dadurch über dem jeweils Strom führenden Schaltelement eine Schaltelementspannung abfällt, die als die jeweilige Größe erfasst wird, die repräsentativ für den durch das jeweilige Schaltelement fließenden Strom ist, – der Kurzschluss erkannt wird, wenn der durch die erste Größe repräsentierte Strom um mindestens einen vorgegebenen Betrag oder einen vorgegebenen Faktor vom durch die zweite Größe repräsentierten Strom abweicht, – mindestens ein Messwiderstand (RM) vorgesehen ist, der entweder dem mindestens einen unteren Schaltelement oder dem mindestens einen oberen Schaltelement zugeordnet ist und über dem eine Messwiderstandsspannung abfällt, die entsprechend der Zuordnung zum mindestens einen unteren oder oberen Schaltelement als die erste oder die zweite Größe erfasst wird und – die Messwiderstandsspannung und/oder die Schaltelementspannung einer Anpassschaltung zum aneinander Anpassen der Messwiderstandsspannung und der Schaltelementspannung zugeführt werden, – die durch die Anpassschaltung gegebenenfalls angepasste Messwiderstandsspannung einem Addierer (ADD) zugeführt wird und durch den Addierer (ADD) ein Referenzwert (D) entweder addiert oder subtrahiert wird, der den vorgegebenen Betrag repräsentiert, – ein ausgangsseitig des Addierers (ADD) bereitgestelltes Referenzsignal (REF) mindestens einem Komparator zugeführt wird, – dem mindestens einen Komparator ferner die gegebenenfalls durch die Anpassschaltung angepasste Schaltelementspannung des jeweiligen Schaltelements zugeführt wird und – ausgangsseitig des mindestens einen Komparators ein Kurzschlusssignal (KS) bereitgestellt wird, das den Kurzschluss an der Schaltungsanordnung signalisiert abhängig von einem Überschreiten oder Unterschreiten der gegebenenfalls angepassten Schaltelementspannung in Bezug auf das Referenzsignal (REF).
Vorrichtung zum Erkennen eines Kurzschlusses an einer Schaltungsanordnung, die mindestens ein oberes Schaltelement und mindestens ein unteres Schaltelement umfasst und das obere Schaltelement elektrisch zwischen einem Versorgungspotential (VBAT) und einem ersten Anschluss (A1) angeordnet ist und das untere Schaltelement elektrisch zwischen einem zweiten Anschluss (A2) und einem Bezugspotential (GND) angeordnet ist und der erste und der zweite Anschluss (A1, A2) mit einer elektrischen Last koppelbar sind, die ausgebildet ist – zum Erfassen einer ersten Größe, die repräsentativ ist für einen Strom, der durch das jeweils Strom führende untere Schaltelement fließt, – zum Erfassen einer zweiten Größe, die repräsentativ ist für einen Strom, der durch das jeweils Strom führende obere Schaltelement fließt, – zum Erfassen der ersten oder der zweiten Größe unter Nutzung einer physikalischen Eigenschaft des jeweiligen Schaltelements, wobei die physikalische Eigenschaft ein Durchlasswiderstand ist und dadurch über dem jeweils Strom führenden Schaltelement eine Schaltelementspannung abfällt, die als die jeweilige Größe erfasst wird, die repräsentativ für den durch das jeweilige Schaltelement fließenden Strom ist, – zum Erkennen des Kurzschlusses, wenn der durch die erste Größe repräsentierte Strom um mindestens einen vorgegebenen Betrag oder einen vorgegebenen Faktor vom durch die zweite Größe repräsentierten Strom abweicht, – mindestens einen Messwiderstand (RM) vorzusehen, der entweder dem mindestens einen unteren Schaltelement oder dem mindestens einen oberen Schaltelement zugeordnet ist und über dem eine Messwiderstandsspannung abfällt, die entsprechend der Zuordnung zum mindestens einen unteren oder oberen Schaltelement als die erste oder die zweite Größe erfasst wird, – die Messwiderstandsspannung und/oder die Schaltelementspannung einer Anpassschaltung zum aneinander Anpassen der Messwiderstandsspannung und der Schaltelementspannung zu zuführen, – die durch die Anpassschaltung gegebenenfalls angepasste Messwiderstandsspannung einem Addierer (ADD) zu zuführen und durch den Addierer (ADD) einen Referenzwert (D) entweder zu addieren oder zu subtrahieren, der den vorgegebenen Betrag repräsentiert, – ein ausgangsseitig des Addierers (ADD) bereitgestelltes Referenzsignal (REF) mindestens einem Komparator zu zuführen, – dem mindestens einen Komparator ferner die gegebenenfalls durch die Anpassschaltung angepasste Schaltelementspannung des jeweiligen Schaltelements zu zuführen und – ausgangsseitig des mindestens einen Komparators ein Kurzschlusssignal (KS) bereitzustellen, das den Kurzschluss an der Schaltungsanordnung signalisiert abhängig von einem Überschreiten oder Unterschreiten der gegebenenfalls angepassten Schaltelementspannung in Bezug auf das Referenzsignal (REF).