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Die Erfindung befasst sich mit der Erfassung und der Übertragung der Betriebstemperatur von Modulen der Leistungselektronik gemäß dem unabhängigen Anspruch 1.
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Aus dem Stand der Technik sind Leistungshalbleiterbauelemente mit integriertem Temperatursensor bekannt. So zeigt beispielsweise die Schrift
DE 4437794 A1 ein solches Halbleiterbauelement. Bei diesem Bauelement wurde die Anordnung des Temperatursensors so gewählt, dass dessen Ansprechempfindlichkeit erhöht wird. Ebenso zeigt die Schrift
DE 19720439 A1 ein bipolares Halbleiterbauelement mit eingebautem Temperatursensor sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
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Weiterhin geht beispielsweise aus der
EP 0 358 122 A2 ein Temperatursensor mit einer Temperatur-Meßwandler-Schaltung, die ein der absoluten Temperatur proportionales Spannungssignal liefert, welches von einer Speicherschaltung mit einem Speicherkondensator sowie einer Steuerschaltung verarbeitet wird, hervor. Der Temperatursensor, der aus einem monolithisch integrierten Schaltkreis bestehen kann, erzeugt eine impulsförmige Ausgangsspannung. Die Summe aus der Lade- und Entladezeit des Kondensators ergibt die Periodendauer des von der Steuerschaltung erzeugten Ausgangssignals, welche der absoluten Temperatur direkt proportional ist. Jedoch wird hierbei kein Bauteil beschrieben, welches eine Schwingungskreisfrequenz überträgt oder auch kein temperaturabhängiger Widerstand, welcher zur Erfassung der Temperatur an einem Schaltmodul integriert ist.
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Demgegenüber beschreibt die
DE 33 16 528 A1 eine Temperaturauswerteschaltung mit einem zur Erfassung der Temperatur eingesetzten NTC-Widerstand, wobei der Widerstandswert in einen zeitdauermodulierten Impuls umgewandelt wird, welcher von einem digitalen System ausgewertet wird. Die Spannungs-Impulswandlung wird mit einer variablen Spannung aus dem Wert des temperaturabhängigen Widerstandes und einer festen Zeitkonstante von einer Kapazität mit zugeordneten Widerständen durchgeführt.
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In der
DE 10 2004 038 564 A1 wird dagegen eine Schaltung zur Erfassung der Temperatur von einem elektronischen Leistungsschalter beschrieben, welche beispielsweise einen Pulsweitenmodulator mit einem Temperatursensor in Form eines PTC oder NTC aufweist. Die Schaltung ist galvanisch von der Steuerelektronik getrennt, an welche mittels eines Optokopplers ein pulsweitenmoduliertes Signal übertragbar ist und an eine Versorgungsspannung angeschlossen ist. Weiterhin ist ein temperaturunabhängiger Referenzwert-Geber von der Schaltung umfasst. Der Modulator umfasst weiterhin ein erstes bzw. zweites Verzögerungsglied, welches den Temperatursensor umfasst und ein zweites bzw. erstes Verzögerungsglied, welches den Referenzwertgeber umfasst, wobei das Verzögerungsglied ein RC-Glied sein kann.
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In der Regel sind derartige Halbleiterbauelemente an Kühlkörpern angeordnet, da diese sehr hohe elektrische Ströme schalten. Diese Ströme dienen beispielsweise in der Antriebstechnik zur Beaufschlagung der Wicklungen von Servomotoren, um diese in Rotation zu versetzen.
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Für Überwachungszwecke ist es erforderlich, die Temperatur der Leistungsschalter im laufenden Betrieb fortwährend zu kontrollieren. Hierzu ist es möglich, entweder die Temperatur des Kühlkörpers mittels eines externen Temperatursensors zu erfassen, oder einen integrierten Temperatursensor des Halbleiterbauelementes oder eines Halbleitermoduls zu verwenden. Bei Ansteuerungen für Servomotoren wird in der Regel zwischen einem Leistungsteil, welches meist einen Gleichspannungszwischenkreis und Schaltmodule sowie Frequenzumrichter umfasst, und einem Signalteil, welches im Gegensatz zum Leistungsteil Ströme und Spannungen geringer Höhe verarbeitet, unterschieden. Da sich nun die Temperaturerfassung im Leistungsteil befindet, die Auswertung der Temperatur jedoch im Signalteil stattfindet, ist es aus Sicherheitsgründen erforderlich, die Temperatur vom Leistungsteil zum Signalteil mittels einer sicheren Potenzialtrennung zu übertragen. Andernfalls könnten die hohen Spannungen von vier- bis achthundert Volt im Leistungsteil, beispielsweise im Falle eines Kurzschlusses, die Bauelemente des Signalteiles zerstören. Die Schaltmodule sind in der Regel so konzipiert, dass der Temperatursensor sich mit Leistungsschaltern eine gemeinsame Platine teilt, so dass zwischen dem Temperatursensor und den Leistungsschaltern keine sichere Trennung vorherrscht, da die Abstände in Bezug auf die auftretenden Spannungen zu gering sind. Der eingebaute Temperatursensor aus den im Stand der Technik bekannten Leistungsschaltern kann daher nicht unmittelbar spannungssicher mit den Schaltkreisen der Steuerelektronik im Signalteil verbunden werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine elektrische Schaltungsanordnung zur Verfügung zu stellen, mittels derer eine sichere und potenzialgetrennte Übertragung der Temperatur eines Leistungsschalters mit integriertem Temperatursensor an eine Steuerelektronik möglich ist, wodurch die Temperatur über die Frequenz abgebildet werden kann, so dass die Temperaturinformation, welche proportional zur Frequenz sein soll, in der Frequenz enthalten ist, so dass das Kühlsystem im Leistungsteil von der Steuerelektronik und vor Überspannungen geschützt, überwacht werden kann und zudem für die Schaltungsanordnung selbst vorzugsweise sehr langsam arbeitende Optokoppler eingesetzt werden können, welche günstig in der Anschaffung sind und folglich die elektrische Schaltung wirtschaftlich optimieren..
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Die Aufgabe wird gelöst mittel einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung, gemäß dem Anspruch 1, mit einem Leistungsschalter bzw. einem Schaltmodul mitintegriertem Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur, sowie einem Optokoppler zur potentialfreien Übertragung elektrischer Signale, einer Auswerteelektronik und einem Modulator, welcher ein nach Maßgabe einer mittels eines Temperatursensors ermittelten Temperaturänderung moduliertes Ausgangssignal erzeugt.
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Demzufolge wird zudem ein Optokoppler beansprucht, welcher die Schwingkreisfrequenz, welche nach Maßgabe der von dem Temperatursensor erfassten Temperatur des Schaltmoduls änderbar ist, eines Schwingkreises, bei welchem der Temperatursensor ein temperaturabhängiger Widerstand R ist und bei welchem eine Kapazität C mittels des temperaturabhängigen Widerstandes R ladbar und entladbar ist, überträgt, wobei der temperaturabhängige Widerstand R direkt an dem Schaltmodul, welches mehrere IGBTs oder einen einzelnen IGBT umfasst, angeordnet ist oder in diesem integriert ist. Zudem umfasst die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zusätzlich einen Komparator, welcher das zwischen dem temperaturabhängigen Widerstand R und der seriell mit dem Widerstand verbundenen Kapazität C des Schwingkreises auftretende elektrische Potential mit einem Referenzpotential vergleicht und das Laden und Entladen der Kapazität C nach Maßgabe des Referenzpotentials mittels eines Komparatorausgangs bewirkt.
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Diese Lösung hat den Vorteil, dass zusätzliche Temperatursensoren an der Kühlvorrichtung, beispielsweise einem Kühlkörper, nicht mehr erforderlich sind, weil nun der ohnehin im Schalter oder Schaltermodul integrierte Temperatursensor genutzt werden kann und dessen Signale auch potenzialfrei übertragen werden können, so dass sich externe Sensoren zur Realisierung einer potenzialfreien Übertragung erübrigen. Außerdem wird hierdurch die Temperatur unmittelbar im inneren des Schalters erfasst und nicht mehr mittelbar über den Kühlkörper, so dass die hierdurch gemessene Temperatur den tatsächlichen Gegebenheiten im Silizium des Schaltelementes entspricht.
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Diese Vorgehensweise verhindert Fehlmessungen, die beispielsweise dadurch zustande kommen, dass der externe Temperatursensor an einer ungünstigen Stelle des Kühlmediums angeordnet oder im Hot-Spot des Kühlkörpers befestigt ist.
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Vorteilhafterweise ist zusätzlich ein Schwingkreis umfasst, wobei der Temperatursensor des Schaltmoduls eine Komponente des Schwingkreises darstellt und wobei die Schwingkreisfrequenz nach Maßgabe der vom Temperatursensor erfassten Schaltvorrichtungstemperatur bzw. Schaltmodultemperatur änderbar ist. Mittels des Schwingkreises ist der Modulator preiswert als FM(Frequenzmodulation)-Modulator realisierbar. Der FM-Modulator hat gegenüber beispielsweise einem PWM(Pulsweitenmodulation)-Modulator den Vorteil, dass Jitterfehler im PWM-Signal, welche entsprechend schnelle und teure Übertragungstechnik (z. B. spezielle Optokoppler) erfordert, keine Rolle spielen, da beim frequenzmodulierten Signal nur die Abstände zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen eine Rolle spielen, nicht aber die Impulsbreite als solche. Dementsprechend kann preiswerte Übertragungstechnik verwendet werden, an die geringere Anforderungen bezüglich der Reaktionsgeschwindigkeit gestellt wird. Vorteilhaft an dieser Lösung ist demnach die aufgrund des Schwingkreises einfach und preiswert realisierbare galvanische Trennung des Messsensors vom Steuerteil.
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Demzufolge ist von der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltvorrichtung ein Bauteil bzw. ein Optokoppler zur potenzialfreien Übertragung elektrischer Signale und eine Auswerteelektronik umfasst, wobei mittels des Bauteiles die Schwingkreisfrequenz mittelbar an die Auswerteelektronik übertragbar ist. Unter dem Begriff mittelbar wird verstanden, dass das Bauteil die Information bezüglich der Schwingkreisfrequenz, beispielsweise von einem elektrischen Signal in ein optisches Signal wandelt, so dass die eigentliche Information auf optischem Wege übertragen wird. Ebenso könnte eine Übertragung mittels magnetischer oder elektrischer Felder erfolgen, in jedem Falle muss jedoch gewährleistet sein, dass die Übertragung potenzialfrei erfolgt, d. h. dass der Leistungsteil vom signalverarbeitenden Teil entkoppelt ist.
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Bei dem Temperatursensor handelt es sich um einen temperaturabhängigen Widerstand, dies kann insbesondere ein sogenannter PTC (Positive Temperatur Coefficient) oder ein sogenannter NTC (Negative Temperatur Coefficient) sein. Der Schwingkreis wird dann als RC-Schwingkreis ausgebildet, wobei R für einen ohmschen Widerstand und C für die Kapazität steht. Der Schwingkreis ist derart realisiert, dass die Schwingkreiskapazität mittels des temperaturabhängigen PTC- oder NTC-Widerstandes aufladbar, bzw. entladbar ist. Dies hat den Vorteil, dass mit wenigen Bauelementen, die dementsprechend preisgünstig sind, eine frequenzmodulierte Übertragung der Leistungshalbleitertemperatur ermöglicht wird.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem Schalter der Schaltvorrichtung um ein Leistungsschaltermodul, welches mehrere IGBTs umfasst, oder um einen einzelnen IGBT. Der Temperatursensor ist entweder in das Leistungsschalter- bzw. IGBT-Modul integriert, oder innerhalb des einzelnen IGBTs realisiert. Weiter ist ein Komparator umfasst, welcher das zwischen dem temperaturabhängigen Widerstand und der seriell mit dem Widerstand verbundene Kapazität des Schwingkreises auftretende elektrische Potenzial mit einem Referenzpotenzial vergleicht und das Laden und Entladen der Kapazität nach Maßgabe dieses Referenzpotenzials bewirkt. Komparatoren können mittels diskreter Bauteile oder integrierter Schaltkreise preiswert aufgebaut werden, ebenso kann aus der ohnehin zur Versorgung der elektrischen Schaltvorrichtung vorhandenen Versorgungsspannung eine Referenzspsannung leicht abgeleitet werden, welche dem Komparator zugeführt wird.
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Es wäre auch denkbar einen integrierten Schaltkreis zu realisieren, welcher alle Komponenten des Schwingkreises inklusive des Komparators umfasst, wobei beispielsweise lediglich die Kapazität extern an diesem integrierten Schaltkreis anzuordnen wäre und dann im wesentlichen neben dem temperaturabhängigen Widerstand die charakteristischen Eigenschaften des Schwingkreises bestimmen würde.
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Die Schaltimpulse, welche den Komparator dazu veranlassen den Schwingkreis umzuladen, werden mittels eines optoelektronischen Bauteiles an die Auswerteelektronik weitergeleitet. Dieses optoelektronische Bauteil ist ein sogenannter Optokoppler, welcher die Schaltimpulse mittels einer lichtimmitierender Diode in Lichtimpulse wandelt, die wiederum mittels eines lichtempfindlichen Transistors in elektrische Signale zurückgewandelt werden, so dass über diese Lichtbrücke die galvanische Trennung realisiert werden kann.
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Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße elektrische Schaltung mittels eines Gleichspannungszwischenkreises und einer Versorgungsspannung betrieben, welche auch zur Ansteuerung des Schalters verwendet wird. Somit kann die Temperaturüberwachung ohne zusätzliche Maßnahmen bezüglich der Versorgungsspannung in einen Zwischenkreis integriert werden.
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Bevorzugt ist die erfindungsgemäße elektrische Schaltvorrichtung in einer Motorphasenansteuerung für einen elektrischen Antrieb integriert, alternativ oder zusätzlich kann die erfindungsgemäße elektrische Schaltvorrichtung auch Teil eines Netzrückspeisemoduls für elektrische Antriebe sein. Ebenso eignet sich die Erfindung im Zusammenhang mit der Ansteuerung der Bremse eines elektrischen Antriebes. In allen genannten Fällen ist mittels der Erfindung eine kostengünstige Messung der Betriebstemperaturen möglich. Auch die Messgüte wird im Vergleich mit externen Temperatursensoren, welche beispielsweise an Kühlkörpern angeordnet sind, verbessert, weil die Temperatur unmittelbar am wärmeerzeugenden Bauteil (IGBT) gemessen wird. Durch die Verwendung des Komparators können Rechtecksignale erzeugt werden, welche derart umformbar sind, dass sie als Digitalsignale von der Steuerung erkannt werden, so dass weder analoge Bauteile, noch Analog-Digitalwandler erforderlich sind. All diese Vorteile führen dazu, dass die erfindungsgemäße Schaltung mit relativ geringem Bauteileaufwand preiswert herstellbar ist.
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1 zeigt beispielhaft die erfindungsgemäße elektrische Schaltungsanordnung, welche alle Aspekte der Erfindung zeigt, wobei jedoch fachmännische Abwandlungen möglich sind, insbesondere bezüglich der Wahl der Bauteile und der Beschaltung der Bauteile. Die in 1 gezeigte Beispielschaltung umfasst ein sogenanntes IGBT-Modul 1, in dieses IGBT-Modul 1 ist ein NTC oder PTC 1a integriert dieser NTC bzw. PTC 1a ist innerhalb des Moduls so angeordnet, dass er die modulinternen Temperaturänderungen während des Modulbetriebs optimal erfassen kann. Mittels zweier Anschlussklemmen ist der NTC bzw. PTC 1a von außerhalb des Moduls zugänglich, so dass er in vorhandene Schaltkreise angebunden werden kann. Die erste Klemme des NTC bzw. PTC 1a ist mit einer Versorgungsspannung Vs+ verbunden, die zweite Klemme des NTC bzw. PTC 1a ist mit einer Kapazität 2 verbunden, welche wiederum an die Zwischenkreisspannung L– angeschlossen ist. Mittels der Versorgungsspannung Vs+ kann somit ein Versorgungsstrom über den NTC bzw. PTC 1a zur Kapazität 2 fließen und diese aufladen. Die Verbindungsstelle zwischen NTC bzw. PTC 1a und der Kapazität 2 ist an einen Komparatoreingang angeschlossen. Die Aufgabe des Komparators 3 ist es, den Spannungshub an der Kapazität 2 zu messen und mit der Referenzspannung Vref zu vergleichen. Erreicht die Spannung an der Kapazität 2 die Referenzspannung Vref, so bewirkt der Komparator 3 eine Entladung der Kapazität 2, das heißt der Entladestrom fließt nun in entgegengesetzter Richtung wie beim Ladevorgang über den NTC bzw. PTC 1a und den Komparator 3 in den Zwischenkreis L– ab. Mittels des Pullup-Widerstandes 6 kann je nachdem, ob die Kapazität 2 geladen oder entladen wird, am Ausgang 3a des Komparators eine Impulsfolge gemessen werden, deren Frequenz direkt proportional zur Frequenz des Lade- bzw. Entladevorgangs der Kapazität 2 ist. Es liegt daher ein frequenzmoduliertes Signal am Komparatorausgang vor.
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Diese Impulsfolge wird einem Optokopplereingang zugeführt und steuert dessen Infrarotdiode an. Die Infrarotdiode wiederum erzeugt Lichtimpulse, welche von einem lichtempfindlichen Transistor aufgenommen werden und in eine digitale Impulsfolge umgewandelt werden. Es liegt nun ein digitales Signal am Optokopplerausgang vor, welches von einer Auswertelogik oder einer Steuerung verarbeitet werden kann. Diese Logik ist mit Bezugsziffer 5 gekennzeichnet. Das Ausgangssignal des Optokopplers 4 wird einem Eingang dieser Logik zugeführt. Die Lichtstrecke zwischen Infrarotdiode und lichtempfindlichen Transistors des Optokopplers 4 stellt quasi die Potenzialtrennung dar, so dass der linke Teil der Schaltung, welche dem Leistungsteil zugeordnet ist, von dem rechten Teil der Schaltung, welche dem Signalteil zugeordnet ist, galvanisch getrennt ist. Der Signalteil ist somit geschützt vor den hohen Spannungen, die im Leistungsteil auftreten können, und welche die hochempflindlichen Bauteile des signalverarbeitenden Teils zerstören könnten.
