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Technisches Anwendungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur galvanisch getrennten Übertragung
von Energie und von Information zwischen zwei elektronischen Schaltungseinheiten,
insbesondere zwischen einer Steuerelektronik und einer Leistungselektronik.
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Stand der Technik
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Der
Bedarf an leistungselektronischen Schaltungen und Systemen nimmt
ständig
zu. Leistungsmodule werden bspw. für Frequenzumrichter oder für die Stromversorgungen
eingesetzt. Die Leistungsmodule umfassen häufig IGBTs (IGBT: Insulated
Gate Bipolar Transistor) als Leistungsschalter, die über geeignete
Treiberschaltungen angesteuert werden. Mit zunehmendem Einsatz derartiger
Leistungsmodule wächst
auch der Bedarf an hocheffizienten, sicheren und preisgünstigen
Ansteuerschaltungen für
Leistungsschalter. Eine häufig
anzutreffende Schaltungstopologie von Leistungsstufen ist die sog.
H-Brücke
mit High-Side und Low-Side Schaltern. So haben sich IGBT Brückenschaltungen
erfolgreich auf den Märkten
für Motorantriebe
und Stromversorgungen durchgesetzt. Die Treiberelektronik ist dabei
in der Regel für
die sichere Isolation zwischen dem Leistungsteil und der Steuerelektronik verantwortlich
und muss deshalb galvanisch getrennt realisiert werden. Dies gilt
sowohl für
die Energieversorgung als auch für
die Informationsübertragung zwischen
Treiberelektronik und Steuerelektronik.
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Bislang
wird die Treiberelektronik von IGBTs meist durch magnetische Transformatoren
mit Energie versorgt. Die Informationsübertragung zwischen dem Hochspannungsteil
auf der Leistungsseite und dem Niederspannungsteil auf der Ansteuerseite
erfolgt dabei über
zusätzliche
Bauteile, bspw. über
Optokoppler oder zusätzliche
magnetische Übertrager.
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Magnetische
Bauteile erfordern aufgrund der durch sie erzeugten magnetischen
Felder sowie aufgrund ihres Bauvolumens und ihres Gewichtes einen hohen
konstruktiven Aufwand, der die Herstellungskosten von Leistungsmodulen
deutlich erhöht.
Zudem ist das Verhalten dieser Bauteile im Fehlerfall kritisch,
da es zum Verlust der Isolationsstrecke – und damit zu einer Gefährdung von
Personen – und
zu unkontrollierter Erwärmung
und somit zur Brandgefahr kommen kann. Magnetische Übertrager
weisen auch eine hohe Koppelkapazität zwischen Primär- und Sekundärkreis auf,
deren Auswirkung kompensiert werden muss. Auch der Einsatz von Optokopplern
ist aufgrund ihrer niedrigen Lebensdauer und geringen Temperaturbelastbarkeit
nicht immer von Vorteil.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
zur galvanisch getrennten Übertragung
von Energie und Information zwischen zwei elektronischen Schaltungseinheiten,
insbesondere zwischen einer Steuerelektronik und einer Leistungselektronik,
anzugeben, das einen geringen konstruktiven Aufwand erfordert und
im Vergleich zu den oben genannten Systemen eine erhöhte Effizienz und
Fehlersicherheit bietet.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder
lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen
entnehmen.
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Bei
dem vorliegenden Verfahren zur galvanisch getrennten bzw. potentialgetrennten Übertragung
von Energie und Information zwischen zwei elektronischen Schaltungseinheiten
wird ein piezoelektrischer, insbesondere piezokeramischer, Übertrager
zwischen den Schaltungseinheiten eingesetzt, über den sowohl die Information
als auch die Energie übertragen
werden. Das Verfahren wird hierbei vorzugsweise für die Energie- und Informationsübertragung
zwischen einer Steuerelektronik einer Steuereinheit und einer Leistungselektronik
einer Leistungseinheit eingesetzt, wobei der piezoelektrische Übertrager,
im Folgenden auch als Piezoübertrager bezeichnet,
beispielsweise in eine Treiberschaltung integriert werden kann.
Die bisher auf diesem Anwendungsgebiet zum Einsatz kommenden magnetischen
Transformatoren werden beim vorliegenden Verfahren ebenso wie die
Bauteile, die der Potentialtrennung der Informationsübertragung
dienen, durch einen vorzugsweise monolithischen Piezoübertrager ersetzt.
Der Übertrager übernimmt
dabei sowohl die Funktion der potentialgetrennten Energieversorgung einer
der Schaltungseinheiten, insbesondere der Leistungselektronik bzw.
der Treiberelektronik, als auch die Funktion der galvanisch getrennten
Kommunikation zwischen den beiden Schaltungseinheiten.
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Piezokeramische Übertrager
werden heutzutage überwiegend
im unteren Leistungsbereich (P < 10W)
zur Erzeugung von Hochspannung eingesetzt, um damit Gasentladungslampen
zu betreiben. Mit dem Einsatz eines Piezoübertragers beim vorliegenden
Verfahren, bei dem nicht nur Energie sondern auch Information über den
Piezoübertrager übertragen
werden, lassen sich gegenüber
den bekannten Systemen sowohl Bauelemente als auch Aufwendungen
für Aufbau-
und Verbindungstechnik einsparen, da für die beiden Funktionen der
Energie- und der
Informationsübertragung
nur noch ein Bauelement benötigt
wird. Dies hat zur Folge, dass die Kosten für elektronische Module sinken,
in denen die Piezoübertrager
eingebaut und in der vorher beschriebenen Weise betrieben werden.
Gleichzeitig steigt die Zuverlässigkeit
dieser Module, da bspw. fehleranfällige Lötverbindungen eingespart werden.
Durch die kleinen Abmessungen, das geringe Gewicht sowie die geringeren
Aufwendungen bei der Herstellung (keine aufwendige Wicklung der
Spulen usw.) im Vergleich zu magnetischen Transformatoren lassen sich
Einsparungen bei Platzbedarf, Gewicht und Herstellungskosten erzielen.
Weiterhin zeichnen sich Piezoübertrager
durch vernachlässigbare
elektromagnetische Störungen
und einen höheren
Wirkungsgrad gegenüber
magnetischen Transformatoren aus. Zusätzliche EMV- und Schirmungsmaßnahmen (EMV:
elektromagnetische Verträglichkeit)
sind daher bei Einsatz des vorliegenden Verfahrens nicht mehr erforderlich.
Ein weiterer Vorteil von Piezoübertragern gegenüber magnetischen
Transformatoren ist die hohe Brandsicherheit der Elemente, da bei
diesen im Fehlerfall, bspw. bei Überhitzung
oder Bruch, die Energieübertragung
unterbrochen wird.
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Bei
dem vorliegenden Verfahren können
Piezoübertrager
unterschiedlicher Geometrie, unterschiedlicher Materialien sowie
mit unterschiedlichem Aufbau eingesetzt werden. Grundsätzlich besteht
ein Piezoübertrager
aus einem Grundkörper
aus ein oder mehreren Lagen eines piezoelektrischen oder piezokeramischen
Materials, auf dem zumindest zwei Elektrodenpaare voneinander beabstandet
aufgebracht sind. Ein Elektrodenpaar, die sog. Primärelektroden,
stellen die eingangsseitigen Anschlüsse dar, das zweite Elektrodenpaar,
die sog. Sekundärelektroden,
die ausgangsseitigen Anschlüsse.
Die Elektroden können
hierbei bspw. streifen- oder plättchenförmig oder
auch als konzentrische oder exzentrische Ringe auf der gleichen
oder auf unterschiedlichen Oberflächenseiten des piezoelektrischen Grundkörpers ausgebildet
sein. Die Anordnung und Ausbildung der Elektroden hängt dabei
von dem Material des Grundkörpers
sowie dessen Geometrie ab. Auch der Grundkörper kann unterschiedliche
Formen aufweisen, bspw. streifenförmig, plattenförmig oder scheibenförmig ausgebildet
sein. Er kann dabei sowohl aus einem einzigen als auch aus mehreren
unterschiedlichen piezoelektrischen oder piezokeramischen Materialien
aufgebaut sein. Zur Verbesserung der Isolation zwischen den Primär- und den
Sekundärelektroden
kann auch ein zusätzlicher
Isolator, bspw. eine zusätzliche
Passivierungsschicht aufgebracht sein. Bei einem Piezoübertrager,
der aus mehreren Lagen Piezomaterial und Elektrodenmaterial aufgebaut
ist, können
die einzelnen Lagen durch verbindende Aufbautechnologien, z.B. durch
Kleben oder Sintern, oder auch durch andere Verfahren miteinander
verbunden sein.
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So
ist es beispielsweise möglich,
einen Piezoübertrager
aus zwei Scheiben aus piezoelektrischem Material zusammenzusetzen,
die jeweils an ihrer Ober- und
Unterseite eine Elektrode tragen, wie dies bei bekannten Ultraschallwandlern
der Fall ist. Zur Isolation der primärseitigen von den sekundärseitigen
Elektroden des Piezoübertragers
wird ein elektrischer Isolator zwischen den beiden Scheiben angeordnet,
der eine Ultraschallübertragung
zulässt.
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Vorzugsweise
werden piezokeramische Übertrager
aus PZT (Blei Zirkonat Titanat) aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften
eingesetzt. Dies ist jedoch für
die Durchführung
des Verfahrens nicht unbedingt erforderlich, da sich prinzipiell
auch andere piezoelektrische Materialien für die Übertragung eignen.
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Die Übertragung
von Energie und Information über
den Piezoübertrager
erfolgt beim vorliegenden Verfahren vorzugsweise bei unterschiedlichen Frequenzen.
Auf diese Weise lässt
sich die übertragene
Information auf der Sekundärseite
ohne großen Aufwand
aus den übertragenen
Signalen extrahieren, bspw. durch Frequenzfilterung. Die übertragenen
Signale (übertragene
Information und Energie) lassen sich dann mit einfacher Auswerteelektronik getrennt
verarbeiten. Die Übertragung
von Energie erfolgt dabei vorzugsweise bei einer Wechselspannungsfrequenz,
die einer Resonanz frequenz des Piezoübertragers entspricht oder
zumindest nahe bei dieser Resonanzfrequenz liegt. Wird der Übertrager bei
dieser mechanischen Resonanzfrequenz oder in der Nähe dieser
Resonanzfrequenz betrieben, so kann ein Wirkungsgrad von über 95%
bei der Energieübertragung
erzielt werden. Die Resonanzfrequenz hängt dabei in bekannter Weise
von der Geometrie und dem Material des Piezoübertrager ab und ist für derartige
Bauelemente in der Regel bekannt.
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Auch
die Übertragung
von Information kann bei vorliegendem Verfahren aus Gründen der
Effizienz in einem Frequenzbereich, in dem zumindest eine Resonanzmode
des piezokeramischen Übertragers
liegt erfolgen. Als Information kann dabei bspw. Steuerinformation,
insbesondere für
eine Treiberstufe, oder in umgekehrter Richtung auch lastseitige
Information, bspw. über
die Größe des Ausgangsstroms, übertragen
werden. Vorzugsweise erfolgt die Informationsübertragung daher bidirektional über den
Piezoübertrager.
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In
einer Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens werden die Energie
sowie die Information über
getrennte primär-
und sekundärseitige
Elektroden übertragen.
Der Übertrager
weist dann jeweils ein Primärelektrodenpaar
für die
Energieübertragung und
ein Primärelektrodenpaar
für die
Informationsübertragung
auf. Ebenso sind dann auf der Sekundärseite ein Sekundärelektrodenpaar
für die
Energieübertragung
und ein Sekundärelektrodenpaar
für die Informationsübertragung
vorgesehen.
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Das
vorliegende Verfahren eignet sich vor allem für die Übermittlung von Energie und
Information zwischen einer Steuerelektronik und einer Leistungsstufe,
die bspw. in Form einer H-Brücke
ausgebildet sein kann. Der Piezoübertrager
wird dabei vorzugsweise in der Treiberstufe für einen Leistungsschalter, bspw.
einen IGBT, eingesetzt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Das
vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des durch die Patentansprüche vorgegebenen
Schutzbereichs nochmals kurz erläutert.
Hierbei zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild einer H-Brücke
mit Treiberelektronik und Last;
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2 eine
schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Funktionsprinzips
eines piezokeramischen Übertragers;
und
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3 ein
Beispiel für
eine Anwendung eines piezokeramischen Übertragers gemäß dem vorliegenden
Verfahren in der Ansteuerschaltung einer IGBT-H-Brücke.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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1 zeigt
beispielhaft ein Blockschaltbild einer H-Brücke mit Treiberelektronik und
Last, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die H-Brücke setzt
sich in bekannter Weise aus vier IGBT Leistungsschaltern 21 bis 24 mit
den erforderlichen Freilaufdioden 25 zusammen. Die High-Side
Leistungsschalter 21, 22 und die Low-Side Leistungsschalter 23, 24 müssen hierbei
mit unterschiedlichen IGBT-Treiberschaltungen 26, 27 angesteuert
werden. Mit einer derartigen H-Brücke lässt sich bspw. eine Drehzahlsteuerung
eines Wechselstrommotors realisieren. Die in der Figur nicht gezeigte
Steuerelektronik ist mit den Treiberschaltungen 26, 27 verbunden. Für die sichere
Isolation zwischen dem in der Figur dargestellten Leistungsteil
und der Steuerelektronik sind in der Regel die Treiberschaltungen 26, 27 verantwortlich,
die daher galvanisch getrennt realisiert werden müssen.
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Beim
vorliegenden Verfahren wird für
diese galvanische Trennung in den Treiberschaltungen 26, 27,
ein piezokeramischer Übertrager
eingesetzt, über den
sowohl die von den Treiberschaltungen benötigte Energie als auch die
Steuerinformation übertragen wird.
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2 zeigt
schematisch das Funktionsprinzip eines piezokeramischen Übertragers.
Der piezokeramische Übertrager
besteht in diesem Beispiel aus einer Schicht 4 eines piezokeramischen
Materials, an dessen Oberseite und Unterseite jeweils an beiden
Enden Elektroden 3, 6 angebracht sind. Die in der
Figur links dargestellten Elektroden 3 bilden die Primärelektroden,
die auf der rechten Seite angebrachten Elektroden 6 die
Sekundärelektroden
des piezokeramischen Übertragers.
Eine an die eingangsseitigen Anschlüsse 1a, 1b angelegte
Wechselspannung erzeugt ein elektrisches Feld zwischen den Primärelektroden 3.
Dieses Feld bewirkt, bedingt durch die piezoelektrischen Eigenschaften
des keramischen Materials und dessen Polarisation 5, eine periodische
Verformung der piezokeramischen Schicht 4, wie sie in der
Figur stark schematisiert angedeutet ist. Diese mechanische Schwingung
erzeugt sekundärseitig
ein elektrisches Wechselfeld in der Keramik, das aufgrund des piezoelektrischen
Effektes zu einer Ausgangsspannung zwischen den Sekundärelektroden 6 führt. Die
Ausgangsspannung steht dann an den Anschlüssen 2a und 2b zur
Verfügung.
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Durch
die räumliche
Trennung der Primärelektroden 3 von
den Sekundärelektroden 6 und
die isolierende Wirkung des piezokeramischen Materials wird auf
diese Weise eine galvanisch getrennte Übertragung sowohl von Energie
als auch von Information über
den piezokeramischen Übertrager
ermöglicht.
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3 zeigt
ein Beispiel für
eine Anwendung des vorliegenden Verfahrens bei der Ansteuerung einer
IGBT-Halbbrücke. In
der Figur ist hierzu die Treiberschaltung 9 für einen
IGBT Leistungsschalter 21 schematisch als Teil des Leistungsmoduls
zu erkennen. Die Treiberschaltung 9 dient zur Ansteuerung und Überwachung
des IGBT Leistungsschalters 21. Sie wird über die
eingangsseitigen Anschlüsse 7 und 8 mit
Strom versorgt. Der in der Figur angedeutete Piezoübertrager 15 ist
Teil der Treiberschaltung 9 und sorgt für die galvanische Trennung
der mit seiner Hilfe transformierten (Informations-)Signale und
Energie. Die Topologie der Treiberschaltung 9 kann auf unterschiedliche
Art und Weise ausgeführt
sein, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Über die eingangsseitigen
Anschlüsse 10 und 8 werden
Steuerinformationen eingespeist und ausgelesen. Die Klemmen 11 und 12 dienen
der Versorgung der Leistungsstufe. Der Anschluss 13 ist
der Lastausgang. Über
den Anschluss 14 werden lastseitige Informationen, wie
bspw. der Ausgangsstrom, an die Treiberschaltung 9 geleitet
und über
den Piezoübertrager 15 potentialgetrennt
an den Anschluss 10 weitergeleitet.
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- 1a/b
- eingangsseitige
Anschlüsse
- 2a/b
- ausgangsseitige
Anschlüsse
- 3
- Primärelektroden
- 4
- piezokeramische
Schicht
- 5
- Polarisation
- 6
- Sekundärelektroden
- 7
- Anschluss
für Stromversorgung
- 8
- Anschluss
für Stromversorgung
bzw. Einspeisung von Steuerinformation
- 9
- IGBT-Treiberschaltung
- 10
- Anschluss
für Einspeisung
von Steuerinformation
- 11/12
- Klemmen
für Versorgung
der Leistungsstufe
- 13
- Lastausgang
- 14
- Anschluss
für lastseitige
Informationen
- 15
- Piezoübertrager
- 21
- IGBT
Leistungsschalter
- 22
- IGBT
Leistungsschalter
- 23
- IGBT
Leistungsschalter
- 24
- IGBT
Leistungsschalter
- 25
- Freilaufdiode
- 26
- Treiberschaltung
High-Side
- 27
- Treiberschaltung
Low-Side
- 28
- Last