DE102008026499A1

DE102008026499A1 - Vorrichtung und Verfahren zur direkten Kommutierung zwischen in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern

Info

Publication number: DE102008026499A1
Application number: DE102008026499A
Authority: DE
Inventors: Matthias Rose; Siegfried Ritz
Original assignee: TRIMOS GmbH
Current assignee: DMOS GMBH, DE
Priority date: 2007-12-30
Filing date: 2008-05-27
Publication date: 2009-12-10
Anticipated expiration: 2028-05-28
Also published as: DE102008026499B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur direkten Kommutierung zwischen in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern (5-1, 5-2, 6-1, 6-2) in einer Leistungsschalteranordnung (3) mit induktiver Last (4), wobei die Stellgleider (5-1, 5-2, 6-1, 6-2) zwischen einem positiven Versorgungspotenzial (VS) und einem Bezugspotenzial (GND) angeordnet sind, von denen mindestens zwei Stellglieder (5-1, 5-2) aktiv ein- und ausgeschaltet werden und über Steuersignalleitungen (7-x, mit x = 1, 2, 3, ...) mit einer Ansteuerschaltung (2), die ein zentralens Steuerregister (2-1) mit darin befindlichen Teilschaltungen enthält, verbunden sind, wobei der Ansteuerschaltung (2) eine übergeordnete Programmier- und Steuereinheit (1) vorgeschaltet ist. Um eine weitgehend übereinstimmende Überlappung der Ansteuersignale zu erreichen und einen Strom durch die passiv schaltenden Stellglieder weitgehend zu vermeiden, weist das Verfahren folgende Schritte auf: - gleichzeitige Ansteuerung der beiden aktiv schaltenden Stellglieder (5-1, 5-2), derart, dass bei jedem Schaltvorgang eine direkte Stromübernahme zwischen den beiden aktiv schaltenden Stellgliedern (5-1, 5-2) mittels Ansteuersignalen aus der Ansteuerschaltung (2) stattfindet, wobei - eine Erfassung des Zeitpunktes des Beginns der Kommutierung, - eine schrittweise Regelung des Totzeitparameters unter Nutzung des Zeitpunktes des Beginns der Kommutierung und - eine Erfassung des Zeitpunktes des Endes der ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur direkten Kommutierung zwischen in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern in einer Leistungsschalteranordnung mit induktiver Last, wobei die Stellglieder zwischen einem positiven Versorgungspotenzial und einem Bezugspotenzial angeordnet sind, von denen mindestens zwei Stellglieder aktiv ein- und ausgeschaltet werden und über Steuersignalleitungen mit einer Ansteuerschaltung, die ein zentrales Steuerregister mit darin befindlichen Teilschaltungen enthält, verbunden sind, wobei der Ansteuerschaltung eine übergeordnete Programmier- und Steuereinheit vorgeschaltet ist.
Das Verfahren dient der Ansteuerung einer Leistungsschalteranordnung mit induktiver Last. In Systemen mit induktiver Last fließt ein kontinuierlicher Laststrom und die Leistungsschalteranordnung ist so gestaltet, dass in jedem Schaltzustand ein Schalter den Laststrom übernehmen kann. Ein stark vereinfachtes Blockschaltbild eines solchen Gesamtsystems mit Erfassung und Rückkopplung des aktuellen Zustandes der Leistungsschalteranordnung nach dem Stand der Technik ist in 1 angegeben, wobei die Leistungsschalteranordnung 3 einschließlich der induktiven Last 4 mit einer als Treiberschaltkreis ausgebildeten Ansteuerschaltung 2 sowohl über eingehende eingangsseitig anliegende Steuersignale als auch über ausgangsseitige Zustandsinformationssignale in Verbindung steht. Der Ansteuerschaltung 2 ist eine übergeordnete Programmier- und Steuereinheit 1 vorgeschaltet.
Eine herkömmliche Leistungsschalteranordnung besteht aus zwei zwischen dem Versorgungs- und dem Bezugspotenzial in Reihe liegenden, aktiv schaltenden leistungselektronischen Stellgliedern, z. B. MOSFET. Um in jedem Schaltzustand den Laststrom führen zu können, dass heißt, auch wenn beide Leistungsschalter ausgeschaltet sind, muss die Leistungsschalteranordnung mindestens ein passiv schaltendes Stellglied enthalten, welches den Laststrom in diesem Fall übernimmt.
Ein Beispiel für eine herkömmliche Leistungsschalteranordnung 3 mit zwei als MOSFET ausgebildeten Leistungsschaltern 5-1 und 5-2 ist zum Teil in 3 dargestellt. Bei Verwendung von MOSFET sind bereits die passiv schaltenden Stellglieder 6-1 und 6-2 als Dioden prinzipbedingt in den Leistungsschaltern 5-1 und 5-2 integriert. Eine solche Anordnung wird im Allgemeinen als Halbbrücke, die die Leistungsschalteranordnung 3 darstellt, bezeichnet.
Die beiden Leistungsschalter 5-1 und 5-2 werden von der Ansteuerschaltung 2 über die beiden Steuersignalleitungen 7-1 und 7-2 wechselseitig angesteuert, sodass sich ein nahezu konstanter Laststrom durch die induktive Last 4 mit niedrigem Stromrippel einstellt. Über das Verhältnis der Einschaltdauern der Leistungsschalter 5-1 und 5-2 kann die Leistung am Ausgang der Leistungsschalteranordnung 3 eingestellt werden.
Eine solche Leistungsschalteranordnung 3 wird z. B. zur Ansteuerung von Gleichstrommaschinen und als Gleichspannungsschaltwandler zur Versorgung elektronischer Systeme eingesetzt. Bei Verwendung mehrerer Halbbrücken erweitert sich das Anwendungsgebiet z. B. auf elektronisch kommutierte Maschinen.
Die Steuersignale auf den Steuersignalleitungen 7-1 und 7-2 sind so ausgestaltet, dass immer nur einer der Leistungsschalter 5-1 und 5-2 eingeschaltet ist. Eine Schaltpause (Totzeit) wird eingefügt, bei der beide Leistungsschalter 5-1 und 5-2 ausgeschaltet sind. Damit immer verbunden ist eine Kommutierung des Laststromes auf eine der beiden passiv schaltenden Stellglieder 6-1 und 6-2. Im Beispiel in 3 kommutiert der Laststrom immer auf die Diode 6-2.
Bei jedem Schaltvorgang muss die Diode 6-2 somit vom Sperr- in den Durchlassbereich und umgekehrt wechseln, um den Laststrom zu übernehmen. Insbesondere häufig eingesetzte PIN-Dioden besitzen dabei ein ungünstiges Einschalt- und Ausschaltverhalten, welches zusätzliche Verluste verursacht und parasitäre Schwingkreise des Aufbaus anregt.
Um die Verluste in den Dioden 6-1 und 6-2 gering zu halten und das EMV-Verhalten der Leistungsschalteranordnung 3, insbesondere die Störaussendung, zu verbessern, wird versucht, die Schaltpause zwischen den Einschaltphasen der aktiv schaltenden Stellglieder 5-1 und 5-2 zu minimieren. Dabei muss die Dauer der Schaltpause so gewählt werden, dass der Laststrom so kurzzeitig wie möglich oder gar nicht durch das passiv schaltende Stellglied 6-1 bzw. 6-2 fließt, aber auch ein Querstrom durch die beiden aktiv schaltenden Stellglieder 5-1 und 5-2 unbedingt vermieden wird.
Verfahren, welche die Schaltpause zwischen zwei aktiv schaltenden Stellgliedern 5-1 und 5-2 minimieren und eine zumindest teilweise direkte Kommutierung ermöglichen, werden als Synchronfreilaufsteuerungen bezeichnet und sind in verschiedenen Druckschriften bereits veröffentlicht worden.
Ein Verfahren zur direkten Kommutierung zwischen zwei aktiv geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern ist in der Druckschrift DE 11 2005 001 591 T5 sowie in den Veröffentlichungen von Texas Instruments: The Implication of Synchronous Rectifiers to the Design of Isolated Single-Ended Forward Converters, Abstract, 2002, aus http://www-s.ti.com/sc/psheets/slup175/slup175.pdf vom 24. Juni 2007 und Texas Instruments: High Efficiency Predictive Synchronous Buck Driver UCC2722/UCC27222, Data Sheet, 2003, aus http://focus.ti.com/does/prod/folders/print/ucc27221.html vom 17. Juni 2007 beschrieben, wobei die beiden Schaltsignale zur Ansteuerung der Halbbrücke bei dieser Realisierung verzögert zum Steuervorgabesignal aktiviert werden. Dabei ist die eine Verzögerung konstant und die andere Verzögerung regelbar ausgebildet. Die Überlappung, d. h. die Zeitdifferenz, zwischen den beiden Ansteuersignalen der Halbbrücke kann somit variiert werden. Zur Regelung der Verzögerungsgrenzen werden bei diesem Verfahren die Gatespannung des Leistungsschalters im Freilaufpfad und die Ausgangsspannung der Halbbrücke gemessen. Die gemessenen Spannungen werden durch Komparatoren mit festen Referenzwerten verglichen. Diese Information wird dann zur Regelung der variablen Verzögerungszeit eingesetzt.
Ein Problem besteht darin, dass aufgrund induzierter Spannungen während der Kommutierung Querströme oder eine teilweise Kommutierung auf das passiv schaltende Stellglied auftreten. Des Weiteren kann die Stromänderungsgeschwindigkeit in den beiden Leistungsschaltern unterschiedlich sein, was ebenfalls zu einem Strom durch das passiv schaltende Stellglied führt.
Ein weiteres Verfahren zur Kommutierung ist in der Druckschrift DE 103 23 445 A1 beschrieben. Die direkte Stromübernahme wird erreicht, indem einer der Leistungsschalter nach einer festen Vorgabe schaltet und der Treiberstrom zum Schalten des anderen Leistungsschalters so geregelt wird, dass sich während der Stromkommutierung eine konstante Spannung am Lastanschluss der Halbbrücke einstellt, die betragsmäßig kleiner ist als die Spannung über dem Leistungsschalter im Freilauffall.
Ein Problem besteht darin, dass dieses Verfahren schwer zu realisieren ist, da die Verzögerungen der gesteuerten Treiberstromquellen für den geregelten Leistungsschalter zu groß sind, um die Spannung am Lastanschluss der Halbbrücke während der Kommutierung konstant zu halten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur direkten Kommutierung zwischen zwei in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern mit induktiver Last anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass eine weitgehend übereinstimmende Überlappung der Ansteuersignale erreicht und ein Strom durch die passiv schaltenden Stellglieder weitgehend vermieden wird.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 14 gelöst. In der Vorrichtung zur direkten Kommutierung zwischen in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern in einer Leistungsschalteranordnung mit induktiver Last sind die Stellglieder zwischen einem positiven Versorgungspotenzial und einem Bezugspotenzial angeordnet, von denen mindestens zwei Stellglieder aktiv ein- und ausgeschaltet werden und über Steuersignalleitungen mit einer Ansteuerschaltung, die ein zentrales Steuerregister mit darin befindlichen Teilschaltungen enthält, verbunden sind, wobei der Ansteuerschaltung eine übergeordnete Programmier- und Steuereinheit vorgeschaltet ist,
wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1
mindestens zwei aktiv schaltende Stellglieder durch die Steuersignalleitungen mit der Ansteuerschaltung verbunden sind und die Ansteuerschaltung durch mindestens einen Messsignalabgriff Messgrößen von der Leistungsschalteranordnung aufnimmt und Ansteuersequenzen für die aktiv schaltenden Stellglieder über die Steuersignal leitungen in Abhängigkeit des Signals auf einer Steuervorgabeschnittstelle und weiteren Vorgaben auf zwei Programmierschnittstellen zu der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit erzeugt, wobei die Ansteuerschaltung folgende Baugruppen enthält:

– eine Mess- und Bewertungsschaltung, welche Verbindungen zu mindestens einem Messsignalabgriff und zu mindestens einer Signalleitung der Steuervorgabeschnittstelle besitzt und über Zustandserfassungsleitungen Signale an das zentrale Steuerregister überträgt, wobei die Signale der Zustandserfassungsleitungen in Verbindung zum Beginn und zum Ende der Kommutierung stehen,
– das zentrale Steuerregister, welches mit der Mess- und Bewertungsschaltung über die Zustandserfassungsleitungen verbunden ist und mittels mindestens einer Signalleitung mit der Steuervorgabeschnittstelle und mittels mindestens einer Signalleitung zur Vorgabe von Zeitparametern auf der ersten Programmierschnittstelle mit der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit in Verbindung steht,
– eine Hilfssignalschaltung, welche mit dem zentralen Steuerregister durch Totzeit-Parameterübergabeleitungen, durch Schaltzeit-Parameterübergabeleitungen und durch Hilfssignalrückführungsleitungen in Verbindung steht und mittels mindestens einer Signalleitung der Steuervorgabeschnittstelle mit der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit verbunden ist,
– mindestens zwei Ansteuerteilschaltungen, welche über Hilfssignalleitungen mit der Hilfssignalschaltung verbunden sind, und
– mindestens zwei Treiberschaltungen, die jeweils zwei Treiberteilstromquellen enthalten und die über Treibersteuerleitungen mit den Ansteuerteilschaltungen verbunden sind und mittels Signalleitungen zur Vorgabe der Treiberteilstromniveaus auf der zweiten Programmierschnittstelle mit der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit in Verbindung stehen sowie über die Steuersignalleitungen mit der Leistungsschalteranordnung verbunden sind.

Das zentrale Steuerregister kann folgende Baugruppen enthalten:

– eine erste Teilschaltung als Speicher für den Beginn und Ende der Kommutierung,
– eine zweite Teilschaltung mit einem Regelalgorithmus für Totzeitparameter,
– eine dritte Teilschaltung zur Überwachung der Totzeitregelung,
– eine vierte Teilschaltung als Register für konstante Zeitparameter,
– eine fünfte Teilschaltung mit einem Regelalgorithmus der digitalen Flankenregelung und
– eine sechste Teilschaltung ebenfalls mit einem Regelalgorithmus der digitalen Flankenregelung.

Die Hilfssignalschaltung zur Erzeugung zeitverzögerter Hilfssignale kann für die Ansteuerung der nachgeordneten Ansteuerteilschaltungen folgende Baugruppen enthalten:

– eine Vielzahl von Multiplexer und
– in einer Kette geschaltete Verzögerungsglieder,

Zur Messung von Beginn und Ende der Kommutierung kann eine Messinduktivität in Form einer vorgegebenen Leitungsinduktivität oder eines konzentrierten Bauelements in Reihe zu den leistungselektronischen Stellgliedern eingesetzt werden, wobei die Messinduktivität einen Messsignalabgriff aufweist.
Die Messinduktivität ist derart dimensioniert, dass durch eine Stromänderung infolge einer Kommutierung eine auswertbare induzierte Spannung am Messsignalabgriff abgreifbar ist, wodurch bei jedem Schaltvorgang, bei dem eine Kommutierung zwischen einem Steuer- und Freilaufpfad stattfindet, ein Spannungsimpuls am Messsignalabgriff mit unterschiedlicher Polarität vorhanden ist.
Zumindest ein zweiter Messsignalabgriff ist vorhanden, von dem eine weitere Messgröße der Leistungsschalteranordnung gemessen wird.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.
Das Verfahren zur direkten Kommutierung zwischen in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern in einer Leistungsschalteranordnung mit einer induktiven Last, wobei die Stellglieder zwischen einem positiven Versorgungspotenzial und einem Bezugspotenzial angeordnet sind, von denen mindestens zwei Stellglieder aktiv ein- und ausgeschaltet werden und über Steuersignalleitungen mit einer Ansteuerschaltung, die ein zentrales Steuerregister mit darin befindlichen Teilschaltungen enthält, verbunden sind, wobei der Ansteuerschaltung eine übergeordnete Programmier- und Steuereinheit vorgeschaltet ist, kann in der vorgenannten Vorrichtung durchgeführt werden,
wobei der Kenzeichenteil des Patentanspruchs 14 folgende Schritte aufweist:

– gleichzeitige Ansteuerung der beiden aktiv schaltenden Stellglieder derart, dass bei jedem Schaltvorgang eine direkte Stromübernahme zwischen der beiden aktiv schaltenden Stellgliedern stattfindet, mittels Ansteuersignalen aus der Ansteuerschaltung, wobei
– eine Erfassung des Zeitpunktes des Beginns der Kommutierung,
– eine schrittweise Regelung des Totzeitparameters unter Nutzung des Zeitpunktes des Beginns der Kommutierung und
– eine Erfassung des Zeitpunktes des Endes der Kommutierung durchgeführt werden,
– Angleichung der Kommutierungsgeschwindigkeit beider aktiv schaltender Stellglieder auf eine vorgegebene Kommutierungsdauer und
– Kombination der angepassten Regelung des Totzeitparameters und der Regelung der Kommutierungsdauer der aktiv schaltenden Stellglieder zur Vermeidung einer Stromübernahme durch ein passiv schaltendes Stellglied der Leistungsschalteranordnung.

Während eines Schaltvorganges wird eines der beiden aktiv geschalteten Stellglieder mit einer vorgegebenen konstanten Verzögerungszeit auf einer in der Vorrich tung enthaltenen dritten Totzeit Parameterübergabeleitung gegenüber einem Signal auf einer Steuervorgabeschnittstelle geschaltet, während das zweite aktive Stellglied mit einer variablen Verzögerungszeit auf einer ebenfalls in der Vorrichtung enthaltenen ersten und zweiten Totzeit-Parameterübergabeleitung gegenüber dem Signal auf der Steuervorgabeschnittstelle geschaltet wird, wobei die variable Verzögerungszeit auf der ersten und zweiten Totzeit-Parameterübergabeleitung iterativ über eine endliche Anzahl n ≥ 1 von Schaltperioden um eine feste oder variable Schrittweite derart verändert und abgespeichert wird, dass sich eine direkte Stromkommutierung vom ersten aktiven Stellglied auf das zweite aktive Stellglied einstellt, wobei mittels der in Reihe zu einem der aktiv geschalteten Stellglieder geschalteten Messinduktivität, deren induzierte Spannung während einer Stromkommutierung als Messgröße an dem ersten Messsignalabgriff zur Ansteuerschaltung zurückgeführt und in einer Mess- und Bewertungsschaltung der tatsächliche Beginn und das Ende der Kommutierung bestimmt wird sowie mit mindestens einer weiteren, von den aktiven Stellgliedern abgeleiteten Messgröße an einem anderen zweiten Messsignalabgriff derart verglichen wird, dass aus den Messgrößen an dem anderen zweiten Messsignalabgriff abgeleitete Zustände auf Zustandserfassungsleitungen erzeugt werden und verschiedene Zustandsübergänge durch Variation der variablen Zeiten der ersten und zweiten Totzeit-Parameterübergabeleitung in zeitliche Übereinstimmung gebracht werden und auch bei veränderlichen Betriebsbedingungen der Leistungsschalteranordnung in dieser zeitlichen Übereinstimmung gehalten werden.
Unter Nutzung der gleichen Messgrößen an den Messsignalabgriffen als Indikator für Beginn und Ende der Kommutierung kann eine Angleichung der Kommutierungsgeschwindigkeiten beider aktiv schaltender Stellglieder erfolgen, indem die Spannung oder der Strom auf den Steuersignalleitungen der leistungselektronischen Stellglieder während eines Schaltvorgangs, für jedes aktiv schaltende Stellglied getrennt, in jeweils mindestens zwei Zeitintervallen auf in der Vorrichtung enthaltenen vier ersten Schaltzeit-Parameterübergabeleitungen variiert wird, wobei mindestens ein Zeitintervall auf den vier ersten Schaltzeit-Parameterübergabeleitungen in Abhängigkeit von Messsignalen an den Messsignalabgriffen aus der Leistungsschal teranordnung in jeder Schaltperiode eines Signals auf der Steuervorgabeschnittstelle um eine feste oder variable Schrittweite so adaptiv variiert und abgespeichert wird, dass nach einer endlichen Anzahl n ≥ 1 von Schaltperioden die Kommutierungsdauer des jeweiligen Stellgliedes in einem festen Verhältnis zu einem zweiten vorgegebenen Zeitintervall auf in der Vorrichtung ebenfalls enthaltenen fünften und sechsten Schaltzeit-Parameterübergabeleitung steht und auch bei veränderlichen Betriebsbedingungen der Leistungsschalteranordnung in diesem Verhältnis gehalten wird.
Die Parameter für die konstante Verzögerungszeit auf der dritten Totzeit-Parameterübergabeleitung und für die zu erzielenden Kommutierungszeiten auf der fünften und sechsten Schaltzeit-Parameterübergabeleitung sowie die Treiberteilstromniveaus für die Treiberstufen werden durch zugeordnete Programmierschnittstellen von der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit vorgegeben oder werden in der Ansteuerschaltung selbst fest implementiert.
Die variablen Zeitintervalle auf der dritten und vierten Schaltzeit-Parameterübergabeleitung zur Ansteuerung eines aktiv schaltenden Stellgliedes werden über eine beliebige Anzahl von Schaltperioden des Signals auf der Steuervorgabeschnittstelle konstant gehalten, bis sich andere variable Zeiten auf den beiden ersten Totzeit-Parameterübergabeleitungen nur noch innerhalb einer gegebenen Intervallbreite verändern und somit die gemessenen Signale auf den Messsignalabgriffen auch für die Regelung der Parameter auf der dritten und vierten Schaltzeit-Parameterübergabeleitung gültig werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur direkten Kommutierung erzielt im Gegensatz zum Stand der Technik, eine angepasste Überlappung der Ansteuersignale auf den Steuersignalleitungen der Leistungsschalteranordnung durch die Kenntnis über den tatsächlichen Beginn der Kommutierung. In einem weiteren Schritt kann, durch Kenntnis des tatsächlichen Endes der Kommutierung, eine Angleichung der Kommutierungsgeschwindigkeit beider aktiv schaltender Stellglieder erzielt werden. Somit kann der Strom durch die passiv schaltenden Stellglieder, insbesondere Dioden, vollständig vermieden werden.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert werden.
Es zeigen:
1 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild eines Gesamtsystems mit Erfassung und Rückkopplung des aktuellen Zustandes der Leistungsschalteranordnung nach dem Stand der Technik,
2 ein allgemeines Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur direkten Kommutierung zwischen in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern in einer Leistungsschalteranordnung mit induktiver Last unter Nutzung einer Messinduktivität 9.
3 eine als MOSFET-Halbbrücke ausgebildete Leistungsschalteranordnung 3 mit parasitären Induktivitäten, die an die Treiberschaltungen 2-6 und 2-7 anschließbar ist sowie eine erfindungsgemäß geschaltete Messinduktivität 9,
4 ein Blockschaltbild einer Ansteuerschaltung 2 mit einer übergeordneten Programmier- und Steuereinheit 1, das in zwei Blockschaltteilbilder unterteilt ist, wobei
4a das erste Blockschaltteilbild mit der Messwerterfassungs- und Bewertungseinheit 2-2 und dem zentralen Steuerregister 2-1 mit zugehörigen Teilschaltungen 2-1a, 2-1b, 2-1c, 2-1d, 2-1e, 2-1f,
4b das zweite Blockschaltteilbild mit der Hilfssignalschaltung 2-3, einer ersten und zweiten Ansteuerteilschaltung 2-4, 2-5 und einer ersten und zweiten Treiberschaltung 2-6, 2-7, die an das zentrale Steuerregister 2-1 nach 4a nachgeschaltet anschließbar sind,
zeigen, wobei aus den Blockschaltteilbilder nach 4a und 4b
4c eine vergrößerte Darstellung der Mess- und Bewertungsschaltung 2-2,
4d eine vergrößerte Darstellung der ersten Teilschaltung 2-1a zum Erfassen und Speichern von Beginn und Ende der Kommutierung, die an die Mess- und Bewertungsschaltung 2-2 nach 4c nachgeschaltet angeschlossen ist,
4e eine vergrößerte Darstellung der zweiten Teilschaltung 2-1b mit dem Regelalgorithmus für die Totzeitparameter, die an die Schaltungen 2-2, 2-1a nach 4c und 4d nachgeschaltet anschließbar ist,
4f eine vergrößerte Darstellung der dritten Teilschaltung 2-1c zur Überwachung der Totzeitregelung, die an die zweite Teilschaltung 2-1b nach 4e nachgeschaltet anschließbar ist,
4g eine vergrößerte Darstellung der fünften und der sechsten Teilschaltung 2-1e und 2-1f zur digitalen Regelung der Kommutierungsdauer, die an die erste und dritte Teilschaltung 2-1a, 2-1c nach 4d und 4f nachgeschaltet anschließbar sind,
zeigen,
5 eine schematische Darstellung der Signalverläufe des ersten Leistungsschalters 5-1 nach 3 während eines aktiven Einschaltvorgangs und eines aktiven Ausschaltvorgangs,
6 mehrere Diagramme für den Ausregelvorgang mit digitaler Regelung der Totzeit nach 3, 4a und 4b, ohne dabei die Kommutierungsdauer zu beeinflussen, wobei
6a das Signal auf der Steuervorgabeschnittstelle 18 der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit 1,
6b die Spannung am Lastanschluss 8 der Leistungsschalteranordnung 3,
6c den Strom durch die zweite Diode 6-2, den Laststrom durch den Lastanschluss 8 der Leistungsschalteranordnung 3 und
6d die variablen Zeitparameter von den drei ersten Totzeit-Parameterübergabeleitungen 12-1, 12-2 und 12-3
zeigen,
7 mehrere Diagramme für den Ausregelvorgang zur digitalen Regelung der Totzeit mit gleichzeitiger Regelung der Kommutierungsdauern nach 3, 4a und 4b, wobei
7a das Signal auf der Steuervorgabeschnittstelle 18, die Flankenhaltesignale auf den Flankenhaltesignalleitungen 23-1 und 23-2,
7b die variablen Zeitparameter auf der ersten und zweiten Schaltzeit-Parameterübergabeleitung 13-1 und 13-3,
7c die variablen Zeitparameter auf der dritten und vierten Schaltzeit-Parameterübergabeleitung 13-3 und 13-4 und
7d die variablen und konstanten Zeitparameter auf den drei ersten Totzeit-Parameterübergabeleitungen 12-1, 12-2 und 12-3
zeigen,
8 mehrere Diagramme für den aktiven Einschaltvorgang mit digitaler Regelung der Totzeit und der Kommutierungsdauern im ausgeregelten Zustand nach 3, 4a und 4b, wobei
8a das Signal auf der Steuervorgabeschnittstelle 18, die Treibersteuersignale auf den Treibersteuerleitungen 16-1a und 16-1b für das Einschalten des ersten Leistungsschalters 5-1, die Treibersteuersignale auf den Treibersteuerleitungen 16-4a und 16-4b für das Ausschalten des zweiten Leistungsschalters 5-2,
8b die Spannung der Steuersignalleitungen 7-1 und 7-2 für die Leistungsschalter 5-1, 5-2 sowie die Spannung am Lastanschluss 8 der Leistungsschalteranordnung 3 und
8c den Strom durch die Leistungsschalter 5-1, 5-2 sowie durch die zweite Diode 6-2
zeigen,
9 mehrere Diagramme für den aktiven Ausschaltvorgang mit digitaler Regelung der Totzeit und der Kommutierungsdauern im ausgeregelten Zustand nach 3, 4a und 4b, wobei
9a das Signal auf der Steuervorgabeschnittstelle 18, die Treibersteuersignale auf den Treibersteuerleitungen 16-2a und 16-2b für das Ausschalten des ersten Leistungsschalters 5-1, die Treibersteuersignale auf den Treibersteuerleitungen 16-3a und 16-3b für das Einschalten des zweiten Leistungsschalters 5-2,
9b die Spannung der ersten und zweiten Steuersignalleitungen 7-1 und 7-2 für die Leistungsschalter 5-1 und 5-2 sowie die Spannung am Lastanschluss 8 der Leistungsschalteranordnung 3 und
9c den Strom durch die Leistungsschalter 5-1 und 5-2 sowie durch die zweite Diode 6-2
zeigen.
Im Folgenden werden 2 und 3 gemeinsam betrachtet.
In 2 ist eine Vorrichtung zur direkten Kommutierung zwischen in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern 5-1, 5-2, 6-1, 6-2 in einer Leistungsschalteranordnung 3 mit induktiver Last 4, wobei die Stellglieder 5-1, 5-2, 6-1, 6-2 zwischen einem positiven Versorgungspotenzial VS und einem Bezugspotenzial GND angeordnet sind, von denen mindestens zwei Stellglieder 5-1, 5-2 aktiv ein- und ausgeschaltet werden und über Steuersignalleitungen 7-1, 7-2 mit einer Ansteuerschaltung 2, die ein zentrales Steuerregister 2-1 mit darin befindlichen Teilschaltungen enthält, verbunden sind, dargestellt, wobei der Ansteuerschaltung 2 eine übergeordnete Programmier- und Steuereinheit 1 vorgeschaltet ist.
Erfindungsgemäß sind mindestens zwei aktiv schaltende Stellglieder 5-1, 5-2 durch die Steuersignalleitungen 7-1, 7-2 mit der Ansteuerschaltung 2 verbunden, wobei die Ansteuerschaltung 2 durch mindestens einen Messsignalabgriff 10-1 Messgrößen von der Leistungsschalteranordnung 3 aufnimmt und Ansteuersequenzen für die aktiv schaltenden Stellglieder 5-1, 5-2 über die Steuersignalleitungen 7-1, 7-2 in Abhängigkeit des Signals auf einer Steuervorgabeschnittstelle 18 und weiteren Vorgaben auf zwei Programmierschnittstellen 19, 20 zu der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit 1 erzeugt, wobei die Ansteuerschaltung 2 folgende Baugruppen enthält:

– eine Mess- und Bewertungsschaltung 2-2, welche Verbindungen zu mindestens einem Messsignalabgriff 10-1 und zu mindestens einer Signalleitung 18-1 der Steuervorgabeschnittstelle 18 besitzt und über Zustandserfassungsleitungen 11-x mit x = 1, 2, 3 Signale an das zentrale Steuerregister 2-1 überträgt, wobei die Signale der Zustandserfassungsleitungen 11-x in Verbindung zum Beginn und zum Ende der Kommutierung stehen,
– das zentrale Steuerregister 2-1, welches mit der Mess- und Bewertungsschaltung 2-2 über die Zustandserfassungsleitungen 11-x verbunden ist und mittels mindestens einer Signalleitung 18-1 mit der Steuervorgabeschnittstelle 18 und mittels mindestens einer Signalleitung 19-1 zur Vorgabe von Zeitparametern auf der ersten Programmierschnittstelle 19 mit der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit 1 in Verbindung steht,
– eine Hilfssignalschaltung 2-3, welche mit dem zentralen Steuerregister 2-1 durch Totzeit-Parameterübergabeleitungen 12-x, durch Schaltzeit-Parameterübergabeleitungen 13-x und durch Hilfssignalrückführungsleitungen 14-x in Verbindung steht und mittels mindestens einer Signalleitung 18-1 der Steuer vorgabeschnittstelle 18 mit der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit 1 verbunden ist,
– mindestens zwei Ansteuerteilschaltungen 2-4, 2-5, welche über Hilfssignalleitungen 15-1, 15-2 mit der Hilfssignalschaltung 2-3 verbunden sind, und
– mindestens zwei Treiberschaltungen 2-6, 2-7, die jeweils zwei Treiberteilstromquellen 17-1, 17-2; 17-3, 17-4 enthalten und die über Treibersteuerleitungen 16-1, 16-2, 16-3, 16-4 mit den Ansteuerteilschaltungen 2-4, 2-5 verbunden sind und mittels Signalleitungen 20-1, 20-2, 20-3, 20-4 zur Vorgabe der Treiberteilstromniveaus auf der zweiten Programmierschnittstelle 20 mit der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit 1 in Verbindung stehen sowie über die Steuersignalleitungen 7-1, 7-2 mit der Leistungsschalteranordnung 3 verbunden sind.

In 3 ist eine als MOSFET-Halbbrücke ausgebildete Leistungsschalteranordnung 3 mit induktiver Last 4 dargestellt, deren MOSFET-Leistungsschalter neben den als Leistungsschalter ausgebildeten aktiv schaltenden Stellgliedern 5-1 und 5-2 prinzipbedingt jeweils ein parallel geschaltetes, als Diode ausgebildetes, passiv schaltendes Stellglied 6-1 und 6-2 beinhalten. Des Weiteren besitzt ein realer Aufbau immer eine Reihe unvermeidbarer parasitärer Induktivitäten L_D, L_S, L_PCB1, L_PCB2. Diese sind auf Induktivitäten der Leiterbahnen, der Leistungs-FET-Anschlüsse und der Bonddrähte zurückzuführen.
In 3 ist zur Messung von Beginn und Ende der Kommutierung eine Messinduktivität 9 in Form eines konzentrierten Bauelements in Reihe zu den leistungselektronischen Stellgliedern 5-1, 5-2, 6-1, 6-2 eingesetzt, wobei die Messinduktivität 9 einen Messsignalabgriff 10-1 aufweist. Als Messinduktivität 9 kann auch eine vorgegebene Leitungsinduktivität eingesetzt sein.
Die Messinduktivität 9 kann derart dimensioniert sein, dass durch eine Stromänderung infolge einer Kommutierung eine auswertbare induzierte Spannung am Messsignalabgriff 10-1 abgreifbar ist, wodurch bei jedem Schaltvorgang, bei dem eine Kommutierung zwischen einem Steuer- und Freilaufpfad stattfindet, ein Spannungsimpuls am Messsignalabgriff 10-1 mit unterschiedlicher Polarität vorhanden ist.
Das in 4a dargestellte zentrale Steuerregister 2-1 enthält folgende Baugruppen:

– eine erste Teilschaltung 2-1a als Speicher für den Beginn und Ende der Kommutierung,
– eine zweite Teilschaltung 2-1b mit einem Regelalgorithmus für Totzeitparameter,
– eine dritte Teilschaltung 2-1c zur Überwachung der Totzeitregelung,
– eine vierte Teilschaltung 2-1d als Register für konstante Zeitparameter,
– eine fünfte Teilschaltung 2-1e mit einem Regelalgorithmus der digitalen Flankenregelung und
– eine sechste Teilschaltung 2-1f ebenfalls mit einem Regelalgorithmus der digitalen Flankenregelung.

Die in 4b dargestellte Hilfssignalschaltung 2-3 zur Erzeugung zeitverzögerter Hilfssignale für die Ansteuerung der nachgeordneten Ansteuerteilschaltungen 2-4, 2-5 enthält folgende Baugruppen:

– eine Vielzahl von Multiplexer 2-31 und
– in einer Kette geschaltete Verzögerungsglieder 2-32,

2-31

2-32

Die in 4c dargestellte Mess- und Bewertungsschaltung 2-2 ist mit Komparatoren 2-21, 2-22, 2-23 versehen, die die Zustandssignale der Zustandserfassungsleitungen 11-1, 11-2, 11-3 für die Weiterverarbeitung im zentralen Steuerregister 2-1 erzeugen, wobei die induzierte Spannung u_10-1 in der Mess- und Bewertungsschaltung 2-2 mit zwei Referenzpotenzialen +Vref und –Vref in den Komparatoren 2-21, 2-22 verglichen wird, wodurch die Polarität der induzierten Spannung u_10-1 feststellbar ist.
Der Komparator 2-23 vergleicht die Spannung der zweiten Steuersignalleitung 7-2 mit einem Referenzpotenzial Vth, welches ungefähr der Schwellspannung des zwei ten aktiv schaltenden Stellglieds 5-2 entspricht, wobei festgestellt wird, ob die Spannung an der zweiten Steuersignalleitung 7-2 sich im Bereich der Schwellspannung befindet.
Die in 4d dargestellte erste Teilschaltung 2-1a dient dem Erfassen und Speichern von Beginn und Ende der Kommutierung anhand der Zustandssignale der ersten und zweiten Zustandserfassungsleitung 11-1, 11-2, indem jeweils die erste steigende und fallende Flanke der Zustandssignale nach einem Zustandswechsel des Signals auf der Steuervorgabeschnittstelle 18 gespeichert wird und so der aktuelle Zustand für jeden Schaltvorgang neu bestimmt wird.
Die in 4e dargestellte zweite Teilschaltung 2-1b enthält den Regelalgorithmus für die Totzeitparameter, wobei das Ein- bzw. Ausschalten des ersten aktiv schaltenden Stellglieds 5-1 im Steuerpfad mit einer festen Verzögerung zum Signal auf der Steuervorgabeschnittstelle 18 vorgenommen wird und die Verzögerung für das Ein- bzw. Ausschalten des zweiten aktiv schaltenden Stellglieds 5-2 im Freilaufpfad durch die zweite Teilschaltung 2-1b adaptiv über mehrere Schaltperioden des Signals auf der Steuervorgabeschnittstelle 18 angepasst wird und daraus eine positive oder auch negative Zeitdifferenz zwischen den Ansteuersignalen der Steuersignalleitungen 7-1, 7-2 für die aktiv schaltenden Stellglieder 5-1, 5-2 resultiert.
Die in 4f dargestellte dritte Teilschaltung 2-1c weist zwei Zähler 22-11, 22-22 auf, an die jeweils eine Totzeitsteuerleitung 22-1, 22-2 geführt ist, wobei über die Zähler 22-1, 22-2 festgestellt wird, wie viele Schaltperioden des Signals auf der Steuervorgabeschnittstelle 18 hintereinander die Totzeit in eine Richtung verändert wird, wobei Folgendes gilt: Über- oder unterschreitet der Zählerstand eine bestimmte Grenze, so wird ein Signal auf einer ersten oder zweiten Flankenhaltesignalleitung 23-1; 23-2 gesetzt, wobei mit diesen Signalen ein Regelalgorithmus für die Kommutierungsdauer des zweiten aktiv schaltenden Stellglieds 5-2 in der fünften Teilschaltung 2-1e deaktiviert wird, bis die Totzeitparameter der zwei ersten der Totzeit-Parameterübergabeleitungen 12-1, 12-2 wieder stationäre Werte erreichen, wobei die Analyse der Totzeitparameter der zwei ersten Totzeit-Parameterübergabeleitungen 12-1, 12-2 dabei getrennt für den Einschalt- und Ausschaltvorgang des zweiten aktiv schaltenden Stellglieds 5-2 vorgenommen wird.
In 4a ist die vierte Teilschaltung 2-1d gezeigt, die ein Register für konstante Zeitparameter darstellt, in dem die Sollwerte für die Kommutierungsdauer der fünften und sechsten Schaltzeit-Parameterübergabeleitung 13-5; 13-6 sowie die konstante Verzögerung für die Regelung der Totzeitparameter auf der dritten Totzeit-Parameterübergabeleitung 12-3 abgelegt werden, die durch die übergeordnete Programmier- und Steuereinheit 1 über eine entsprechende erste Programmierschnittstelle 19 übergeben werden.
Die in 4g dargestellten fünfte Teilschaltung 2-1e und sechste Teilschaltung 2-1f enthalten den Regelalgorithmus der digitalen Flankenregelung für die Zeitparameter auf der ersten und zweiten oder der dritten und vierten Schaltzeit-Parameterübergabeleitung 13-1, 13-2; 13-3, 13-4, wobei die Zeitparameter für den jeweils aktuellen Steuerpfad über mehrere Perioden des Signals auf der Steuervorgabeschnittstelle 18 derart adaptiert werden, dass das gemessene Ende der Kommutierung als Istwert entsprechend dem Signal auf der ersten oder zweiten Zustandserfassungsleitung 11-1; 11-2 mit dem vorgegebenen Ende der Kommutierung als Sollwert entsprechend dem Signal auf der ersten oder dritten der Hilfssignalrückführungsleitungen 14-1; 14-3 für den Einschaltvorgang und dem Signal auf der zweiten oder vierten Hilfssignalrückführungsleitungen 14-2; 14-4 für den Ausschaltvorgang in zeitliche Übereinstimmung gebracht werden.
Zur Messung von Beginn und Ende der Kommutierung ist die Messinduktivität 9 in Form eines konzentrierten Bauelements in Reihe zu den leistungselektronischen Stellgliedern 5-1, 5-2, 6-1, 6-2 eingesetzt. In 3 ist die bevorzugte Ausführungsvariante der Leistungsschalteranordnung 3 für eine Messung gegen Bezugspotenzial dargestellt. Über den ersten Messsignalabgriff 10-1 kann die induzierte Spannung von der Ansteuerschaltung 2 gemessen und bewertet werden.
Über der Messinduktivität 9 fällt proportional zur Stromänderungsgeschwindigkeit des Stromes durch den zweiten Leistungsschalter 5-2 oder durch die zweite Diode 6-2 eine Spannung ab, welche in der Ansteuerschaltung 2 entsprechend 4a und 4b ausgewertet und zur Ansteuerung der Leistungsschalter 5-1 und 5-2 genutzt werden kann. Die Messinduktivität 9 ist dabei so dimensioniert, dass eine Stromänderung infolge einer Kommutierung für eine auswertbare induzierte Spannung am ersten Messsignalabgriff 10-1 sorgt. Somit entsteht bei jedem Schaltvorgang, bei dem eine Kommutierung zwischen Steuer- und Freilaufpfad stattfindet, ein Spannungsimpuls am ersten Messsignalabgriff 10-1 mit unterschiedlicher Polarität.
Anhand der Polarität des induzierten Spannungsimpulses und der Kenntnis über den Zustand des Signals auf der Steuervorgabeschnittstelle 18 der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit 1 kann die aktuelle Laststromrichtung des Stromes 18 durch den Lastanschluss 8 der Leistungsschalteranordnung 3 während der Kommutierung und damit der aktuelle Steuer- und Freilaufpfad bestimmt werden.
Als Steuerpfad wird dabei der Strompfad bezeichnet, welcher beim Einschalten des entsprechenden Leistungsschalters für einen Spannungsabfall der Versorgungsspannung VS über der induktiven Last 4 sorgt. Als Freilaufpfad wird der Strompfad bezeichnet, welcher die beiden Lastanschlüsse kurzschließt. In der in 3 dargestellten Leistungsschalteranordnung 3 sind immer der erste Leistungsschalter 5-1 im Steuerpfad und der zweite Leistungsschalter 5-2 bzw. die zweite Diode 6-2 im Freilaufpfad.

In der Tabelle 1 sind dazu die vier möglichen Kommutierungsvorgänge für die in 3 dargestellte Leistungsschalteranordnung 3 in Form der Halbbrücke aufgeführt. Tabelle 1: Detektierbare Zustände der Leistungsschalteranordnung 3 während eines Schaltvorgangs

Kommutierung des Laststromes nach dem Signal auf der Steuervorgabeschnittstelle 18		Polarität der am Messsignalabgriff 10-1 induzierten Spannung	Aktueller Zustand der Leistungsschalteranordnung 3
Vom	Nach		Aktueller Zustand der Leistungsschalteranordnung 3
zweiten Leistungsschalter 5-2	erstem Leistungsschalter 5-1	positiv	– Stromänderung ∂i₉/∂t positiv – Strom i₉ negativ – erster Leistungsschalter 5-1 im Steuerpfad – zweiter Leistungsschalter 5-2 und zweite Diode 6-2 im Freilaufpfad – Strom i₈ positiv
zweiten Leistungsschalter 5-2	erstem Leistungsschalter 5-1	negativ	– Stromänderung ∂i₉/∂t negativ – Strom i₉ positiv – zweiter Leistungsschalter 5-2 im Steuerpfad – erster Leistungsschalter 5-1 und erste Diode 6-1 im Freilaufpfad – Strom i₈ negativ
ersten Leistungsschalter 5-1	zweitem Leistungsschalter 5-2	positiv	– Stromänderung ∂i₉/∂t positiv – Strom i₉ positiv – zweiter Leistungsschalter 5-2 im Steuerpfad – erster Leistungsschalter 5-1 und erste Diode 6-1 im Freilaufpfad – Strom i₈ negativ
ersten Leistungsschalter 5-1	zweitem Leistungsschalter 5-2	negativ	– Stromänderung ∂i₉/∂t negativ – Strom i₉ negativ – erster Leistungsschalter 5-1 im Steuerpfad, – zweiter Leistungsschalter 5-2 und zweite Diode 6-2 im Freilaufpfad – Strom i₈ positiv
X		X	– keine Detektion des Kommutierungsvorgangs – induzierte Spannung zu niedrig

Die Detektion des aktuellen Steuerpfades ist insofern wesentlich, da nur im Falle eines aktiven Schaltens des Steuerpfades eine Spannung in der Messinduktivität 9 induziert wird. Wird dagegen der Freilaufpfad aktiv geschaltet, so findet die Kommutierung innerhalb eines MOSFET-Leistungsschalters zwischen der zweiten Diode 6-2 und dem Kanal des zweiten Leistungsschalters 5-2 statt. Die Kommutierung kann in diesem Fall beliebig schnell ablaufen und induziert auch keine Spannung in der Messinduktivität 9.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur direkten Kommutierung bei der Ansteuerung von Leistungsschalteranordnungen mit induktiver Last soll anhand der Vorrichtung nach den 4 mit 4a bis 4g erläutert werden.
In 4a und 4b ist jeweils ein Blockschaltteilbild der Ansteuerschaltung 2 für eine in 3 dargestellte, als MOSFET-Halbbrücke ausgebildete Leistungsschalteranordnung 3 dargestellt. Die in der Messinduktivität 9 induzierte Spannung u_10-1 auf dem ersten Messsignalabgriff 10-1 wird in der Mess- und Bewertungsschaltung 2-2 mit zwei Referenzpotenzialen +Vref und –Vref in den Komparatoren 2-21, 2-22 verglichen. Damit wird die Polarität der induzierten Spannung u_10-1 festgestellt. Die notwendigen Komparatoren 2-21, 2-22 können dabei mit niedrigen Verzögerungszeiten realisiert werden, da sie im gewählten Ausführungsbeispiel nahezu keine Gleichtakt auslenkung erfahren. Ein weiterer dritter Komparator 2-23 vergleicht die Spannung der Steuersignalleitung 7-2 mit einem Referenzpotenzial Vth, welches ungefähr der Schwellspannung des zweiten Leistungsschalters 5-2 entspricht. Damit wird festgestellt, ob die Spannung an der zweiten Steuersignalleitung 7-2 sich im Bereich der Schwellspannung befindet.
In 4c ist die Mess- und Bewertungsschaltung 2-2 mit den drei Komparatoren 2-21, 2-22, 2-23 dargestellt, die die Zustandssignale aller Zustandserfassungsleitungen 11-x für die Weiterverarbeitung im zentralen Steuerregister 2-1 erzeugen.
In 4d ist eine erste Teilschaltung 2-1a des zentralen Steuerregisters 2-1 dargestellt. Diese dient dem Erfassen und Speichern von Beginn und Ende der Kommutierung anhand der Zustandssignale der ersten und zweiten Zustandserfassungsleitung 11-1 und 11-2, indem jeweils nach einem Zustandswechsel des Signals auf der Steuervorgabeschnittstelle 18 die erste steigende und fallende Flanke der Zustandssignale gespeichert wird. Der Speicher wird ebenfalls bei jedem Zustandswechsel des Signals auf der Steuervorgabeschnittstelle 18 zurückgesetzt, wodurch der aktuelle Zustand für jeden Schaltvorgang neu bestimmt werden kann. Wie in Tabelle 1 beschrieben, muss zwischen positiven (Zustandssignal auf der ersten Zustandserfassungsleitung 11-1) und negativen (Zustandssignal auf der zweiten Zustandserfassungsleitung 11-2) induzierten Spannungen unterschieden werden. Dementsprechend werden vier Kommutierungszustandssignale auf vier Kommutierungszustandsleitungen 21-x erzeugt:

– auf der ersten Kommutierungszustandsleitung 21-1 für Kommutierungsbeginn bei positiver induzierter Spannung am Messsignalabgriff 10-1,
– auf der zweiten Kommutierungszustandsleitung 21-2 für Kommutierungsbeginn bei negativer induzierter Spannung am Messsignalabgriff 10-1,
– auf der dritten Kommutierungszustandsleitung 21-3 für Kommutierungsende bei positiver induzierter Spannung am Messsignalabgriff 10-1,
– auf der vierten Kommutierungszustandsleitung 21-4 für Kommutierungsende bei negativer induzierter Spannung am Messsignalabgriff 10-1.

Die Kommutierungszustandssignale auf allen Kommutierungszustandsleitungen 21-x stehen so den Regelalgorithmen für die Totzeit und für die Kommutierungsdauer in den Teilschaltungen 2-1b, 2-1e und 2-1f zur Verfügung.
In 4e ist die zweite Teilschaltung 2-1b dargestellt, welche den Regelalgorithmus für die Totzeitparameter enthält. Das Ein- bzw. Ausschalten des ersten Leitungsschalters 5-1 im Steuerpfad wird mit einer festen Verzögerung zum Signal auf der Steuervorgabeschnittstelle 18 vorgenommen. Die Verzögerung für das Ein- bzw. Ausschalten des Leistungsschalters im Freilaufpfad (im Beispiel Leistungsschalter 5-1) wird durch die zweite Teilschaltung 2-1b adaptiv über mehrere Schaltperioden des Signals auf der Steuervorgabeschnittstelle 18 angepasst. Es resultiert daraus eine positive oder auch negative Zeitdifferenz (Überlappung) zwischen den Ansteuersignalen der Steuersignalleitungen 7-1 und 7-2 der Leistungsschalter 5-1 und 5-2. Möglich wird dies einerseits durch die Vorgabe der festen Verzögerung auf der dritten Totzeit-Parameterübergabeleitung 12-3 und andererseits durch die Regelung der Totzeitparameter auf der ersten und zweiten Totzeit-Parameterübergabeleitung 12-1 und 12-2.
Bei einem Ausschaltvorgang des ersten Leistungsschalters 5-1 wird der Beginn der Kommutierung auf der ersten oder zweiten Kommutierungszustandsleitung 21-1 oder 21-2 mit dem Überschreiten der Schwellspannung am zweiten Leistungsschalter 5-2 mit dem Zustandssignal auf der dritten Zustandserfassungsleitung 11-3 verglichen. Der Parameter auf der ersten Totzeit-Parameterübergabeleitung 12-1 für die Verzögerung zwischen dem Signal auf der Steuervorgabeschnittstelle 18 und dem Einschalten des zweiten Leistungsschalters 5-2 wird nun iterativ so eingestellt, dass die Flanken der beiden Zustandssignale der ersten oder zweiten Kommutierungszustandsleitung 21-1 bzw. 21-2 und der dritten Zustandserfassungsleitung 11-3 in zeitliche Übereinstimmung gebracht werden. Im ausgeregelten Zustand kann somit der zweite Leistungsschalter 5-2 gerade den Laststrom vom ersten Leistungsschalter 5-1 übernehmen, wenn der Kommutierungsvorgang beginnt.
In analoger Weise wird die Verzögerung bei einem Einschaltvorgang des Leistungsschalters 5-1 bestimmt. Es müssen in diesem Falle jedoch andere Regelkriterien angesetzt werden. So wird der Zeitparameter auf der zweiten Totzeit-Parameterübergabeleitung 12-2 für die Verzögerung zwischen dem Signal auf der Steuervorgabeschnittstelle 18 und dem Ausschalten des zweiten Leistungsschalters 5-2 so eingestellt, dass die Flanken der beiden Zustandssignale auf den anderen Kommutierungszustandsleitungen 21-3 bzw. 21-4 und der dritten Zustandserfassungsleitung 11-3 in zeitliche Übereinstimmung gebracht werden. Im ausgeregelten Zustand hat der erste Leistungsschalter 5-1 somit den Laststrom gerade vollständig übernommen, wenn der zweite Leistungsschalter 5-2 vollständig sperrt und keinen merklichen Laststrom mehr führt.
Das Verfahren zur direkten Kommutierung zwischen in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern 5-1, 5-2, 6-1, 6-2 in einer Leistungsschalteranordnung 3, wobei die Stellglieder 5-1, 5-2, 6-1, 6-2 zwischen einem positiven Versorgungspotenzial VS und einem Bezugspotenzial GND angeordnet sind, von denen mindestens zwei Stellglieder 5-1, 5-2 aktiv ein- und ausgeschaltet werden und über Steuersignalleitungen 7-x, mit x = 1, 2, 3..., mit einer Ansteuerschaltung 2, die ein zentrales Steuerregister 2-1 mit darin befindlichen Teilschaltungen enthält, verbunden sind, wobei der Ansteuerschaltung 2 eine übergeordnete Programmier- und Steuereinheit 1 vorgeschaltet ist,
weist folgende Schritte auf

– gleichzeitige Ansteuerung der beiden aktiv schaltenden Stellglieder 5-1, 5-2 derart, dass bei jedem Schaltvorgang eine direkte Stromübernahme zwischen der beiden aktiv schaltenden Stellgliedern 5-1, 5-2 stattfindet, mittels Ansteuersignalen aus der Ansteuerschaltung 2, wobei
– eine Erfassung des Zeitpunktes des Beginns der Kommutierung,
– eine schrittweise Regelung des Totzeitparameters unter Nutzung des Zeitpunktes des Beginns der Kommutierung und
– eine Erfassung des Zeitpunktes des Endes der Kommutierung durchgeführt werden,
– Angleichung der Kommutierungsgeschwindigkeit beider aktiv schaltender Stellglieder 5-1, 5-2 auf eine vorgegebene Kommutierungsdauer und
– Kombination der angepassten Regelung des Totzeitparameters und der Regelung der Kommutierungsdauer der aktiv schaltenden Stellglieder 5-1, 5-2 zur Vermeidung einer Stromübernahme durch ein passiv schaltendes Stellglied 6-1, 6-2 der Leistungsschalteranordnung 3.

Während eines Schaltvorganges wird eines der beiden aktiv geschalteten Stellglieder 5-1, 5-2 mit einer vorgegebenen konstanten Verzögerungszeit auf einer dritten Totzeit-Parameterübergabeleitung 12-3 gegenüber einem Signal auf einer Steuervorgabeschnittstelle 18 geschaltet wird, wobei das zweite aktive Stellglied 5-1, 5-2 mit einer variablen Verzögerungszeit auf einer ersten und zweiten Totzeit-Parameterübergabeleitung 12-1, 12-2 gegenüber dem Signal auf der Steuervorgabeschnittstelle 18 geschaltet wird, wobei die variable Verzögerungszeit auf der ersten und zweiten Totzeit-Parameterübergabeleitung 12-1, 12-2 iterativ über eine endliche Anzahl n ≥ 1 von Schaltperioden um eine feste oder variable Schrittweite derart verändert und abgespeichert wird, dass sich eine direkte Stromkommutierung vom ersten aktiven Stellglied 5-1 auf das zweite aktive Stellglied 5-2 einstellt, wobei mittels einer in Reihe zu einem der aktiv geschalteten Stellglieder 5-1, 5-2 geschalteten Messinduktivität 9, deren induzierte Spannung während einer Stromkommutierung als Messgröße an einem ersten Messsignalabgriff 10-1 zur Ansteuerschaltung 2 zurückgeführt und in einer Mess- und Bewertungsschaltung 2-2 der tatsächliche Beginn und das Ende der Kommutierung bestimmt wird sowie mit mindestens einer weiteren, von den aktiven Stellgliedern 5-1, 5-2 abgeleiteten Messgröße an einem anderen zweiten Messsignalabgriff 10-2 derart verglichen wird, dass aus den Messgrößen an dem anderen zweiten Messsignalabgriff 10-2 abgeleitete Zustände auf Zustandserfassungsleitungen 11-1, 11-2, 11-3 erzeugt werden und verschiedene Zustandsübergänge durch Variation der variablen Zeiten der ersten und zweiten Totzeit-Parameterübergabeleitung 12-1, 12-2 in zeitliche Übereinstimmung gebracht werden und auch bei veränderlichen Betriebsbedingungen der Leistungsschalteranordnung 3 in dieser zeitlichen Übereinstimmung gehalten werden.
In 6 sind in Gesamtheit Zeitverläufe der Signale für einen Ausregelvorgang mit digitaler Regelung der Totzeit, ohne dabei die Kommutierungsdauer zu beeinflussen, dargestellt, wobei die 6a das Signal auf der Steuervorgabeschnittstelle 18, die 6b die Spannung am Lastanschluss 8 der Leistungsschalteranordnung 3, die 6c den Strom durch die zweite Diode 6-2, den Laststrom durch den Lastanschluss 8 der Leistungsschalteranordnung 3 und die 6d die variablen Zeitparameter auf den drei ersten Totzeit-Parameterübergabeleitungen 12-1, 12-2 und 12-3 zeigen.
Der Ausregelvorgang schaltet die Leistungsschalter 5-1 und 5-2 nach dem Signal auf der Steuervorgabeschnittstelle 18 gemäß 6a wechselseitig ein und verwendet den beschriebenen Regelalgorithmus für die Totzeitparameter auf den zwei ersten Totzeit-Parameterübergabeleitungen 12-1 und 12-2 aus der zweiten Teilschaltung 2-1b. In 6b ist die Spannung u₈ am Lastanschluss 8 der Leistungsschalteranordnung 3 dargestellt. In 6d ist der Verlauf der Parameter der zwei ersten Totzeit-Parameterübergabeleitungen 12-1 und 12-2 dargestellt. In 6c sind der Strom durch die zweite Diode 6-2 und der Laststrom durch die induktive Last 4 dargestellt. Zu Beginn des Ausregelvorgangs kommutiert bei jedem Schaltvorgang der volle Laststrom auf die zweite Diode 6-2. Erreichen die Parameter der zwei ersten Totzeit-Parameterübergabeleitungen 12-1 und 12-2 einen stationären Wert, so wird nur noch ein Teil des Laststromes während der Schaltvorgänge von der zweiten Diode 6-2 übernommen. Ein Teil des Laststromes kommutiert somit direkt zwischen den beiden Leistungsschaltern 5-1 und 5-2.
Es wird jedoch deutlich, dass ein Strom durch die zweite Diode 6-2 nicht vollständig vermieden werden kann, da der einschaltende Leistungsschalter nicht in gleicher Weise den Strom aufnehmen kann, wie der Strom durch den ausschaltenden Leistungsschalter abnimmt.
Damit verbunden ist weiterhin eine Anregung parasitärer Schwingkreise infolge von Übergängen der zweiten Diode 6-2 vom Sperr- in den Durchlassbereich und umgekehrt.
Die dritte, fünfte und sechste Teilschaltung 2-1c, 2-1e und 2-1f des zentralen Steuerregisters 2-1 gleichen die Kommutierungsgeschwindigkeit beider Leistungsschalter 5-1, 5-2 auf eine vorgegebene Kommutierungsdauer an. Somit wird es möglich, eine Laststromübernahme durch die zweite Diode 6-2 vollständig zu vermeiden.
Die in 4f dargestellte dritte Teilschaltung 2-1c hat die Aufgabe, den Regelalgorithmus für die Totzeit aus der zweiten Teilschaltung 2-1b zu überwachen, zu analysieren und festzustellen, ob die Totzeitparameter auf den zwei ersten Totzeit-Parameterübergabeleitungen 12-1 und 12-2 stationäre Werte erreicht haben und bereits ein Teil des Laststromes direkt zwischen Leistungsschalter 5-1 und 5-2 kommutiert.
Durch die Totzeitsteuerleitungen 22-1 und 22-2 wird die Information von der zweiten Teilschaltung 2-1b an die dritte Teilschaltung 2-1c übergeben, ob in der aktuellen Schaltperiode die Totzeit um einen Schritt vergrößert oder verkleinert wurde. Über den ersten und zweiten Zähler 22-11, 22-22 in der dritten Teilschaltung 2-1c wird festgestellt, wie viele Schaltperioden des Signals auf der Steuervorgabeschnittstelle 18 hintereinander die Totzeit in eine Richtung verändert wurde. Über- oder unterschreitet der Zählerstand eine bestimmte Grenze, so wird ein Signal auf der ersten oder zweiten Flankenhaltesignalleitung 23-1 oder 23-2 gesetzt. Mit diesen Signalen wird der Regelalgorithmus für die Kommutierungsdauer des zweiten Leistungsschalters 5-2 in der fünften Teilschaltung 2-1e deaktiviert, bis die Totzeitparameter der zwei ersten Totzeit-Parameterübergabeleitungen 12-1 und 12-2 wieder stationäre Werte erreichen. Die Analyse der Totzeitparameter der zwei ersten Totzeit-Parameterübergabeleitungen 12-1 und 12-2 wird dabei getrennt für den Einschalt- und Ausschaltvorgang des zweiten Leistungsschalters 5-2 vorgenommen. Dieses Vorgehen ist notwendig, da mittels der Messinduktivität 9 nicht unterschieden wer den kann, ob während eines Schaltvorgangs der Strom auf den zweiten Leistungsschalter 5-2 oder auf die zweite Diode 6-2 kommutiert. Erst wenn ein Teil des Laststromes direkt zwischen den Leistungsschaltern kommutiert, sind die Zustandsgrößen auf der ersten und zweiten Zustandserfassungsleitung 11-1 und 11-2 für beide Leistungsschalter 5-1 und 5-2 gültig. Dann kann auch die Kommutierungsdauer für den zweiten Leistungsschalter 5-2 mit dem Regelalgorithmus nach der sechsten Teilschaltung 2-1f geregelt werden.
Die fünfte Teilschaltung 2-1e und die sechste Teilschaltung 2-1f sind in 4g dargestellt. Sie enthalten den Regelalgorithmus der digitalen Flankenregelung für die Zeitparameter auf den Schaltzeit-Parameterübergabeleitungen 13-1, 13-2, 13-3, 13-4. Die Zeitparameter werden für den Steuer- und Freilaufpfad über mehrere Perioden des Signals auf der Steuervorgabeschnittstelle 18 derart adaptiert, dass das gemessene Kommutierungsende als Istwert entsprechend dem Signal auf der ersten oder zweiten Zustandserfassungsleitung 11-1 oder 11-2 mit dem vorgegebenen Kommutierungsende als Sollwert entsprechend dem Signal auf der ersten oder dritten Hilfssignalrückführungsleitung 14-1 bzw. 14-3 für den Einschaltvorgang und dem Signal auf der zweiten oder vierten Hilfssignalrückführungsleitung 14-2 bzw. 14-4 für den Ausschaltvorgang in zeitliche Übereinstimmung gebracht werden.
Die Parameter auf den Schaltzeit-Parameterübergabeleitungen 13-1, 13-2, 13-3, 13-4 werden bei jedem Schaltvorgang um eine vorgegebene Schrittweite vergrößert oder verkleinert. Der neu eingestellte Wert wird dann mit dem nächsten Schaltereignis wirksam. In der sechsten Teilschaltung 2-1f können die Parameter auf der dritten und vierten Schaltzeit-Parameterübergabeleitung 13-3 und 13-4 zudem durch die Flankenhaltesignale der ersten und zweiten Flankenhaltesignalleitung 23-1 und 23-2 festgehalten werden, bis die Zustandsgrößen auf der ersten und zweiten Zustandserfassungsleitung 11-1 und 11-2 auch für den zweiten Leistungsschalter 5-2 gültig sind.
In der vierten Teilschaltung 2-1d nach 4a werden die Sollwerte für die Kommutierungsdauer der fünften und sechsten der Schaltzeit-Parameterübergabeleitung 13-5 und 13-6 sowie die konstante Verzögerung für die Regelung der Totzeit auf der dritten Totzeit-Parameterübergabeleitung 12-3 abgelegt. Diese werden durch die übergeordnete Programmier- und Steuereinheit 1 über eine entsprechende erste Programmierschnittstelle 19 übergeben.
In der als Zeitsteuereinheit ausgebildeten Hilfssignalschaltung 2-3 werden mittels interner Multiplexer 2-31 Hilfssignale auf Hilfssignalleitungen 15-x mit x = 1, 2, 3, ..., wobei die Hilfssignale gegenüber dem Signal auf der Steuervorgabeschnittstelle 18 zeitverzögert sind, aus einer Kette mit Verzögerungsgliedern 2-32 ausgewählt. Die Multiplexer 2-31 werden dabei entsprechend den Parametern auf den drei ersten Totzeit-Parameterübergabeleitungen 12-1 bis 12-3 und allen Schaltzeit-Parameterübergabeleitungen 13-1 bis 13-6 gesteuert.
Die erste Ansteuerteilschaltung 2-4 und die zweite Ansteuerteilschaltung 2-5 nehmen dann eine Umcodierung und Pegelwandlung der übergebenen Hilfssignale auf den Hilfssignalleitungen 15-x vor. Über die Treibersteuersignale auf Treibersteuerleitungen 16-x mit 16-1a, 16-1b, 16-2a, 16-2b, 16-3a, 16-3b, 16-4a, 16-4b werden die erste Treiberschaltung 2-6 und zweite Treiberschaltung 2-7 gesteuert.
Über die zweite Programmierschnittstelle 20 kann die Stärke der einzelnen Treiberteilstromquellen 17-x mit 17-1a, 17-2a, 17-3a, 17-4a und 17-1b, 17-2b, 17-3b, 17-4b an die angeschlossenen Leistungsschalter 5-1 und 5-2 angepasst werden.
Um eine Kontrolle der Kommutierungsdauer zu ermöglichen, sind mindestens vier Treiberteilstromquellen 17-x je Treiberschaltung 2-6 bzw. 2-7 notwendig. Jeweils zwei Treiberteilstromquellen 17-1a, 17-1b; 17-2a, 17-2b; 17-3a, 17-3b; 17-4a, 17-4b sind für das Laden und Entladen des Gates vorgesehen, wobei sich die beiden Treiberteilstromquellen 17-xa und 17-xb im Stromniveau deutlich unterscheiden.
In 5 sind die prinzipiellen Signalverläufe für das aktive Einschalten und Ausschalten des ersten Leistungsschalters 5-1 entsprechend der Leistungsschalteranordnung 3 in 3 dargestellt.
Jeder Schaltvorgang wird in zwei Zeitintervalle unterteilt, wobei die Dauer des ersten Zeitintervalls auf den zwei ersten Schaltzeit-Parameterübergabeleitungen 13-1 bzw. 13-2 durch den Regelalgorithmus der digitalen Flankenregelung in der fünften Teilschaltung 2-1e bei jeder Schaltperiode des Signals auf der Steuervorgabeschnittstelle 18 variiert wird. Das zweite Zeitintervall auf der fünften oder sechsten Schaltzeit-Parameterübergabeleitung 13-5 oder 13-6 wird dagegen durch die übergeordnete Programmier- und Steuereinheit 1 vorgegeben und entspricht der zu erzielenden Kommutierungsdauer.

In Tabelle 2 sind die einzelnen Zeitpunkte und Zeitintervalle für einen Einschaltvorgang beschrieben. Tabelle 2: Verfahrensbeschreibung anhand der prinzipiellen Signalverläufe nach Fig. 5:

Zeitpunkt /-intervall	Beschreibung
t₀	– Zustandswechsel des Signals auf der Steuervorgabeschnittstelle 18 – Beginn des Einschaltvorgangs vom ersten Leistungsschalter 5-1 durch die erste Treiberschaltung 2-6
t₀–t₁	– der erste Leistungsschalter 5-1 wird durch einen großen Treiberstrom i_7-1 umgeladen (Treiberteilstromquelle 17-1a aktiv) – Dauer des Zeitintervalls wird durch den variablen Parameter auf der ersten Schaltzeit-Parameterübergabeleitung 13-1 vorgegeben
t₁	– Ende des ersten Zeitintervalls – erster Leistungsschalter 5-1 erreicht seine Schwellspannung U_th – Treiberstrom i_7-1 wird auf einen deutlich kleineren Wert umgeschaltet (Treiberteilstromquelle 17-1b aktiv) – Kommutierung von zweiter Diode 6-2 auf ersten Leistungsschalter 5-1 beginnt (i_5-1)
t₁–t₂	– Gate-Spannung u_7-1 des ersten Leistungsschalters 5-1 wird nahezu konstant gehalten – Dauer des Zeitintervalls wird durch den Parameter auf der fünften Schaltzeit-Parameterübergabeleitung 13-5 festvorgegeben – Dauer des Zeitintervalls entspricht im ausgeregelten Zustand der Kommutierungsdauer
t₂	– Kontrolle, ob Kommutierung bereits abgeschlossen ist (Vergleich fallende Flanke auf der ersten Zustandserfassungsleitung 11-1 und steigende Flanke auf der Hilfssignalrückführungsleitung 14-1) – Anpassung der Dauer des ersten Zeitintervalls durch Variation des Parameters auf der ersten Schaltzeit-Parameterübergabeleitung 13-1 – Zurückschalten auf den großen Treiberstrom i_7-1(Treiberteilstromquelle 17-1a aktiv)
t₂–t₃	– Schnelles Durchschalten des ersten Leistungsschalters 5-1 zur Minimierung der Schaltverluste

Der Ausschaltvorgang läuft in analoger Weise ab. Das erste Zeitintervall auf der zweiten Schaltzeit-Parameterübergabeleitung 13-2 wird dabei so geregelt, dass zum Zeitpunkt t₆ die Kommutierung gerade abgeschlossen ist. Dazu wird die fallende Flanke auf der zweiten Zustandserfassungsleitung 11-2 als tatsächliches Kommutierungsende mit der steigenden Flanke auf der zweiten Hilfssignalrückführungsleitung 14-2 als Sollwert für das Kommutierungsende verglichen.
Die Parameter auf der fünften und sechsten Schaltzeit-Parameterübergabeleitung 13-5 und 13-6 erlauben bei diesem Verfahren eine direkte Vorgabe der Kommutierungsdauer. Die großen Treiberteilstromquellen 17-xb mit 17-1b, 17-2b, 17-3b, 17-4b ermöglichen ein schnelles Schalten des Leistungsschalters, um die Schaltverlust leistung zu minimieren. Die Treiberstromquellen 17-xa mit 17-1a, 17-2a, 17-3a, 17-4a ermöglichen die Kontrolle des Kommutierungsvorgangs.
Für den zweiten Leistungsschalter 5-2 wird die Kommutierungsgeschwindigkeit in analoger Weise wie beim ersten Leistungsschalter 5-1 geregelt. Die fünfte Teilschaltung 2-1e und die sechste Teilschaltung 2-1f, jeweils mit dem Regelalgorithmus zur digitalen Flankenregelung versehen, sind identisch aufgebaut.
Insgesamt ergeben sich bei diesem Verfahren sechs variable Zeitparameter für die Regelung der Totzeit die Parameter der zwei ersten Totzeit-Parameterübergabeleitungen 12-1, 12-2 sowie für die Regelung der Kommutierungsgeschwindigkeiten die Parameter der vier ersten Schaltzeit-Parameterübergabeleitungen 13-1, 13-2, 13-3, 13-4.
In 7 sind mehrere Diagramme für den Ausregelvorgang zur digitalen Regelung der Totzeit mit gleichzeitiger Regelung der Kommutierungsdauern nach 4a und 4b dargestellt, wobei die 7a das Signal auf der Steuervorgabeschnittstelle 18, die Flankenhaltesignale auf den beiden Flankenhaltesignalleitungen 23-1 und 23-2, die 7b die variablen Zeitparameter auf den zwei ersten Totzeit-Parameterübergabeleitungen 13-1 und 13-2, die 7c die variablen Zeitparameter auf der dritten und vierten Schaltzeit-Parameterübergabeleitung 13-3 und 13-4 und die 7d die variablen Zeitparameter auf den zwei ersten Totzeit-Parameterübergabeleitungen 12-1, 12-2 und den konstanten Zeitparameter auf der dritten Totzeit-Parameterübergabeleitung 12-3 zeigen.
7 zeigt den Ausregelvorgang aller sechs Regelparameter über mehrere Schaltperioden des Signals auf der Steuervorgabeschnittstelle 18. Die Kommutierungsgeschwindigkeit des ersten Leistungsschalters 5-1 (Regelparameter auf den zwei ersten Schaltzeit-Parameterübergabeleitungen 13-1 und 13-2) gemäß 7b und die Totzeit (Regelparameter auf den zwei ersten Totzeit-Parameterübergabeleitungen 12-1 und 12-2) gemäß 7d werden sofort adaptiert. Die Werte für die Kommutierungsgeschwindigkeit des zweiten Leistungsschalters 5-2 (Regelparameter auf der dritten und vierten Schaltzeit-Parameterübergabeleitung 13-3 und 13-4) gemäß 7c werden zunächst konstant gehalten, gesteuert durch die Signale der beiden Flankenhaltesignalleitungen 23-1 und 23-2 gemäß 7a. Haben die Parameter für die Totzeit der zwei ersten Totzeit-Parameterübergabeleitungen 12-1 und 12-2 einen stationären Wert erreicht, so wird die Regelung der Kommutierungsdauer des zweiten Leistungsschalters 5-2 freigegeben.
Nach Ablauf einiger Schaltperioden ist mit diesem Verfahren eine vollständige direkte Kommutierung des Laststromes zwischen den aktiv geschalteten Stellgliedern 5-1 und 5-2 möglich.
8 zeigt das Ergebnis im ausgeregelten Zustand der Parameter für das Einschalten des ersten Leistungsschalters 5-1.
Es werden mehrere Diagramme für den aktiven Einschaltvorgang mit digitaler Regelung der Totzeit und der Kommutierungsdauern im ausgeregelten Zustand nach 3, 4a und 4b dargestellt, wobei die 8a das Signal auf der Steuervorgabeschnittstelle 18, die Treibersteuersignale der Treibersteuerleitungen 16-1a und 16-1b für das Einschalten des ersten Leistungsschalters 5-1, die Treibersteuersignale der Treibersteuerleitungen 16-4a und 16-4b für das Ausschalten des zweiten Leistungsschalters 5-2, die 8b die Spannung der Steuersignalleitungen 7-1 und 7-2 für die Leistungsschalter 5-1 und 5-2 sowie die Spannung am Lastanschluss 8 der Leistungsschalteranordnung 3 und die 8c den Strom durch die Leistungsschalter 5-1 und 5-2 sowie durch die zweite Diode 6-2 zeigen.
9 zeigt das Ergebnis im ausgeregelten Zustand der Parameter für das Ausschalten des ersten Leistungsschalters 5-1.
Es werden mehrere Diagramme für den aktiven Ausschaltvorgang mit digitaler Regelung der Totzeit und der Kommutierungsdauern im ausgeregelten Zustand nach 3, 4a und 4b dargestellt, wobei die 9a das Signal auf der Steuervorgabeschnittstelle 18, die Treibersteuersignale der Treibersteuerleitungen 16-2a und 16-2b für das Ausschalten des Leistungsschalters 5-1, die Treibersteuersignale der Treibersteuerleitungen 16-3a und 16-3b für das Einschalten des zweiten Leistungsschalters 5-2, die 9b die Spannung der Steuersignalleitungen 7-1 und 7-2 für die Leistungsschalter 5-1 und 5-2 sowie die Spannung am Lastanschluss 8 der Leistungsschalteranordnung 3 und die 9c den Strom durch die Leistungsschalter 5-1 und 5-2 sowie durch die zweite Diode 6-2 zeigen.
Der Laststrom kommutiert in beiden Darstellungen 8 und 9 direkt zwischen den beiden Leistungsschaltern 5-1 und 5-2, insbesondere in der durch die konstanten Parameter auf der fünften und sechsten Schaltzeit-Parameterübergabeleitung 13-5 und 13-6 vorgegebenen Kommutierungsdauer. Über die zweite Freilaufdiode 6-2 fließt kein merklicher Strom, was eine Anregung der parasitären Schwingkreise verhindert. Somit lässt sich ein hoher Wirkungsgrad mit einer niedrigen Störaussendung durch Wahl kurzer Kommutierungsdauern kombinieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Ansteuerung einer Leistungsschalteranordnung mit induktiver Last. Die Leistungsschalteranordnung enthält zwei zwischen positiver Versorgung und Masse in Reihe geschaltete, aktiv schaltende leistungselektronische Stellglieder. Die beiden Stellglieder sollen dabei so angesteuert werden, dass bei jedem Schaltvorgang eine direkte Stromübernahme zwischen den beiden aktiv geschalteten Stellgliedern stattfindet. Dazu ist es notwendig, beide Leistungsschalter gleichzeitig anzusteuern und die zeitliche Überlappung beider Ansteuersignale so zu regeln, dass kein Strom direkt von der positiven Versorgung über die beiden Leistungsschalter zum Bezugspotenzial fließt. Des Weiteren soll die Kommutierungsgeschwindigkeit beider aktiv schaltender Stellglieder auf eine vorgegebene Kommutierungsdauer angeglichen werden, um auch eine teilweise Kommutierung auf das passiv schaltende Stellglied zu vermeiden. Bei einem solchen Verfahren ist die Kenntnis über den aktuellen Zustand der Leistungsschalteranordnung notwendig, um Kriterien zur Steuerung der Regelgrößen ableiten zu können.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur direkten Kommutierung erzielt eine angepasste Überlappung der Ansteuersignale auf den Steuersignalleitungen 7-1 und 7-2 einer Leistungsschalteranordnung durch die Kenntnis über den tatsächlichen Kommutierungsbeginn und einer schrittweisen Regelung der Totzeit unter Nutzung des Zeitpunktes des Kommutierungsbeginns. In einem weiteren Schritt kann, durch Kenntnis über das tatsächliche Kommutierungsende, eine Angleichung der Kommutierungsgeschwindigkeit beider Leistungsschalter 5-1 und 5-2 erzielt werden.
Im Gegensatz zum Stand der Technik ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Bestimmung des tatsächlichen Beginns und Endes der Kommutierung und die daraus angepasste Regelung der Totzeit. Durch die Kombination mit einer Regelung der Kommutierungsdauer der aktiv schaltenden Stellglieder 5-1, 5-2 kann eine Stromübernahme durch die passiv schaltenden Stellglieder 6-1, 6-2 vollständig vermieden werden.

1: Übergeordnete Programmier- und Steuereinheit
2: Ansteuerschaltung
2-1: zentrales Steuerregister
2-1x: Teilschaltungen
2-1a: Erste Teilschaltung
2-1b: Zweite Teilschaltung
2-1c: Dritte Teilschaltung
2-1d: Vierte Teilschaltung
2-1e: Fünfte Teilschaltung
2-1f: Sechste Teilschaltung
2-2: Mess- und Bewertungsschaltung
2-21: erster Komparator
2-22: zweiter Komparator
2-23: dritter Komparator
2-3: Hilfssignalschaltung
2-31: Multiplexer
2-32: Verzögerungsglieder
2-4: Erste Ansteuerteilschaltung
2-5: Zweite Ansteuerteilschaltung
2-6: Erste Treiberschaltung
2-7: Zweite Treiberschaltung
3: Leistungsschalteranordnung
4: Induktive Last
5-1: Erstes aktiv schaltendes Stellglied
5-2: Zweites aktiv schaltendes Stellglied
6-1: Erstes passiv schaltendes Stellglied
6-2: Zweites passiv schaltendes Stellglied
7-x: Steuersignalleitungen
7-1: Erste Steuersignalleitung
7-2: Zweite Steuersignalleitung
8: Lastanschluss
8: Messinduktivität
10-x: Messsignalabgriffe
10-1: Erster Messsignalabgriff
10-2: Zweiter Messsignalabgriff
10-3: Dritter Messsignalabgriff
11-x: Zustandserfassungsleitungen
11-1: Erste Zustandserfassungsleitung
11-2: Zweite Zustandserfassungsleitung
11-3: Dritte Zustandserfassungsleitung
12-x: Totzeit-Parameterübergabeleitungen
12-1: Erste Totzeit-Parameterübergabeleitung
12-2: Zweite Totzeit-Parameterübergabeleitung
12-3: Dritte Totzeit-Parameterübergabeleitung
12-4: Vierte Totzeit-Parameterübergabeleitung
13-x: Schaltzeit-Parameterübergabeleitungen
13-1: Erste Schaltzeit-Parameterübergabeleitung
13-2: Zweite Schaltzeit-Parameterübergabeleitung
13-3: Dritte Schaltzeit-Parameterübergabeleitung
13-4: Vierte Schaltzeit-Parameterübergabeleitung
13-5: Fünfte Schaltzeit-Parameterübergabeleitung
13-6: Sechste Schaltzeit-Parameterübergabeleitung
14-x: Hilfssignalrückführungsleitungen
14-1: Erste Hilfssignalrückführungsleitung
14-2: Zweite Hilfssignalrückführungsleitung
14-3: Dritte Hilfssignalrückführungsleitung
14-4: Vierte Hilfssignalrückführungsleitung
15-x: Hilfssignalleitungen
15-1: Erste Hilfssignalleitung
15-2: Zweite Hilfssignalleitung
16-x: Treibersteuerleitungen
16-1a: Treibersteuerleitung
16-1b: Treibersteuerleitung
16-2a: Treibersteuerleitung
16-2b: Treibersteuerleitung
16-3a: Treibersteuerleitung
16-3b: Treibersteuerleitung
16-4a: Treibersteuerleitung
16-4b: Treibersteuerleitung
17-xa: Treiberteilstromquellen
17-1a: Treiberteilstromquelle
17-2a: Treiberteilstromquelle
17-3a: Treiberteilstromquelle
17-4a: Treiberteilstromquelle
17-xb: Treiberteilstromquellen
17-1b: Treiberteilstromquelle
17-2b: Treiberteilstromquelle
17-3b: Treiberteilstromquelle
17-4b: Treiberteilstromquelle
18: Steuervorgabeschnittstelle
18-1: Signalleitung
19: Erste Programmierschnittstelle
19-1: Signalleitung
20: Zweite Programmierschnittstelle
20-x: Signalleitungen
20-1: Signalleitung
20-2: Signalleitung
20-3: Signalleitung
20-4: Signalleitung
21-x: Kommutierungszustandsleitungen
21-1: Erste Kommutierungszustandsleitung
21-2: Zweite Kommutierungszustandsleitung
21-3: Dritte Kommutierungszustandsleitung
21-4: Vierte Kommutierungszustandsleitung
22-x: Totzeitsteuerleitungen
22-1: erste Totzeitsteuerleitung
22-2: zweite Totzeitsteuerleitung
22-11: Erster Zähler
22-12: Zweiter Zähler
23-x: Flankenhaltesignalleitungen
23-1: Erste Flankenhaltesignalleitung
23-2: Zweite Flankenhaltesignalleitung
VS: Versorgungsspannung
i: Strom
∂i/∂t: Stromänderung
t: Zeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 112005001591 T5 [0011]
- DE 10323445 A1 [0013]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Texas Instruments: The Implication of Synchronous Rectifiers to the Design of Isolated Single-Ended Forward Converters, Abstract, 2002, aus http://www-s.ti.com/sc/psheets/slup175/slup175.pdf vom 24. Juni 2007 [0011]
- Texas Instruments: High Efficiency Predictive Synchronous Buck Driver UCC2722/UCC27222, Data Sheet, 2003, aus http://focus.ti.com/does/prod/folders/print/ucc27221.html vom 17. Juni 2007 [0011]

Claims

Vorrichtung zur direkten Kommutierung zwischen in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern (5-1, 5-2, 6-1, 6-2) in einer Leistungsschalteranordnung (3) mit induktiver Last (4), wobei die Stellglieder (5-1, 5-2, 6-1, 6-2) zwischen einem positiven Versorgungspotenzial (VS) und einem Bezugspotenzial (GND) angeordnet sind, von denen mindestens zwei Stellglieder (5-1, 5-2) aktiv ein- und ausgeschaltet werden und über Steuersignalleitungen (7-1, 7-2) mit einer Ansteuerschaltung (2), die ein zentrales Steuerregister (2-1) mit darin befindlichen Teilschaltungen enthält, verbunden sind, wobei der Ansteuerschaltung (2) eine übergeordnete Programmier- und Steuereinheit (1) vorgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei aktiv schaltende Stellglieder (5-1, 5-2) durch die Steuersignalleitungen (7-1, 7-2) mit der Ansteuerschaltung (2) verbunden sind, wobei die Ansteuerschaltung (2) durch mindestens einen Messsignalabgriff (10-1) Messgrößen von der Leistungsschalteranordnung (3) aufnimmt und Ansteuersequenzen für die aktiv schaltenden Stellglieder (5-1, 5-2) über die Steuersignalleitungen (7-1, 7-2) in Abhängigkeit des Signals auf einer Steuervorgabeschnittstelle (18) und weiteren Vorgaben auf zwei Programmierschnittstellen (19, 20) zu der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit (1) erzeugt, wobei die Ansteuerschaltung (2) folgende Baugruppen enthält: – eine Mess- und Bewertungsschaltung (2-2), welche Verbindungen zu mindestens einem Messsignalabgriff (10-1, 10-2) und zu mindestens einer Signalleitung der Steuervorgabeschnittstelle (18) besitzt und über Zustandserfassungsleitungen (11-1, 11-2, 11-3) Signale an das zentrale Steuerregister (2-1) überträgt, wobei die Signale der Zustandserfassungsleitungen (11-1, 11-2, 11-3) in Verbindung zum Beginn und zum Ende der Kommutierung stehen, – das zentrale Steuerregister (2-1), welches mit der Mess- und Bewertungsschaltung (2-2) über die Zustandserfassungsleitungen (11-1, 11-2, 11-3) verbunden ist und mittels mindestens einer Signalleitung (18-1) mit der Steuer vorgabeschnittstelle (18) und mittels mindestens einer Signalleitung (19-1) zur Vorgabe von Zeitparametern auf der ersten Programmierschnittstelle (19) mit der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit (1) in Verbindung steht, – eine Hilfssignalschaltung (2-3), welche mit dem zentralen Steuerregister (2-1) durch Totzeit-Parameterübergabeleitungen (12-x), durch Schaltzeit-Parameterübergabeleitungen (13-x) und durch Hilfssignalrückführungsleitungen (14-x) in Verbindung steht und mittels mindestens einer Signalleitung (18-1) der Steuervorgabeschnittstelle (18) mit der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit (1) verbunden ist, – mindestens zwei Ansteuerteilschaltungen (2-4, 2-5), welche über Hilfssignalleitungen (15-1, 15-2) mit der Hilfssignalschaltung (2-3) verbunden sind, und – mindestens zwei Treiberschaltungen (2-6, 2-7), die jeweils mindestens zwei Treiberteilstromquellen (17-1, 17-2; 17-3, 17-4) enthalten und die über Treibersteuerleitungen (16-x) mit den Ansteuerteilschaltungen (2-4, 2-5) verbunden sind und mittels Signalleitungen (20-1, 20-2, 20-3, 20-4) zur Vorgabe der Treiberteilstromniveaus auf der zweiten Programmierschnittstelle (20) mit der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit (1) in Verbindung stehen sowie über die Steuersignalleitungen (7-1, 7-2) mit der Leistungsschalteranordnung (3) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zentrale Steuerregister (2-1) folgende Baugruppen enthält: – eine erste Teilschaltung (2-1a) als Speicher für den Beginn und Ende der Kommutierung, – eine zweite Teilschaltung (2-1b) mit einem Regelalgorithmus für Totzeitparameter, – eine dritte Teilschaltung (2-1c) zur Überwachung der Totzeitregelung, – eine vierte Teilschaltung (2-1d) als Register für konstante Zeitparameter, – eine fünfte Teilschaltung (2-1e) mit einem Regelalgorithmus der digitalen Flankenregelung und – eine sechste Teilschaltung (2-1f) ebenfalls mit mindestens einem Regelalgorithmus der digitalen Flankenregelung.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfssignalschaltung (2-3) zur Erzeugung zeitverzögerter Hilfssignale für die Ansteuerung der nachgeordneten Ansteuerteilschaltungen (2-4, 2-5) folgende Baugruppen enthält: – eine Vielzahl von Multiplexer (2-31) und – in einer Kette geschaltete Verzögerungsglieder (2-32), wobei die Multiplexer (2-31) und die Verzögerungsglieder (2-32) in signaltechnischer Verbindung stehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung von Beginn und Ende der Kommutierung eine Messinduktivität (9) in Form einer vorgegebenen Leitungsinduktivität oder eines konzentrierten Bauelements in Reihe zu den leistungselektronischen Stellgliedern (5-1, 5-2, 6-1, 6-2) eingesetzt ist, die einen Messsignalabgriff (10-1) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messinduktivität (9) derart dimensioniert ist, dass durch eine Stromänderung infolge einer Kommutierung eine auswertbare induzierte Spannung am Messsignalabgriff (10-1) abgreifbar ist, wodurch bei jedem Schaltvorgang, bei dem eine Kommutierung zwischen dem Steuer- und Freilaufpfad stattfindet, ein Spannungsimpuls am Messsignalabgriff (10-1) mit unterschiedlicher Polarität vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer, zweiter Messsignalabgriff (10-2) vorhanden ist, von dem eine weitere Messgröße aus der Leistungsschalteranordnung (3) von einer Ansteuerschaltung (2) bestimmt und bewertet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess- und Bewertungsschaltung (2-2) mit Komparatoren (2-21, 2-22, 2-23) versehen ist, die die Zustandssignale der Zustandserfassungsleitungen (11-1, 11-2, 11-3) für die Weiterverarbeitung im zentralen Steuerregister (2-1) erzeugen, wobei die induzierte Spannung (u_10-1) in der Mess- und Bewertungsschaltung (2-2) mit zwei Referenzpotenzialen (+Vref) und (–Vref) in den Komparatoren (2-21, 2-22) verglichen wird, wodurch die Polarität der induzierten Spannung (u_10-1) feststellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Komparator (2-23) vorhanden ist, der die Spannung der zweiten Steuersignalleitung (7-2) mit einem Referenzpotenzial (Vth), welches ungefähr der Schwellspannung des zweiten aktiv schaltenden Stellglieds (5-2) entspricht, vergleicht, wobei festgestellt wird, ob die Spannung an der zweiten Steuersignalleitung (7-2) sich im Bereich der Schwellspannung befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Teilschaltung (2-1a) dem Erfassen und Speichern von Beginn und Ende der Kommutierung anhand der Zustandssignale der ersten und zweiten Zustandserfassungsleitung (11-1, 11-2) dient, indem jeweils die erste steigende und fallende Flanke der Zustandssignale nach einem Zustandswechsel des Signals auf der Steuervorgabeschnittstelle (18) gespeichert wird und so der aktuelle Zustand für jeden Schaltvorgang neu bestimmt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Teilschaltung (2-1b) den Regelalgorithmus für die Totzeitparameter enthält, wobei das Ein- bzw. Ausschalten des ersten aktiv schaltenden Stellglieds (5-1) im Steuerpfad mit einer festen Verzögerung zum Signal auf der Steuervorgabeschnittstelle (18) vorgenommen wird und die Verzögerung für das Ein- bzw. Ausschalten des zweiten aktiv schaltenden Stellglieds (5-2) im Freilaufpfad durch die zweite Teilschaltung (2-1b) adaptiv über mehrere Schaltperioden des Signals auf der Steuervorgabeschnittstelle (18) angepasst wird und daraus eine positive oder auch negative Zeitdifferenz zwischen den Ansteuersignalen der Steuersignalleitungen (7-1, 7-2) für die aktiv schaltenden Stellglieder (5-1, 5-2) resultiert.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Teilschaltung (2-1c) Zähler (22-11, 22-22) aufweist, an die jeweils eine Totzeitsteuerleitung (22-1, 22-2) geführt ist, wobei über die Zähler (22-1, 22-2) festgestellt wird, wie viele Schaltperioden des Signals auf der Steuervorgabeschnittstelle (18) hintereinander die Totzeit in eine Richtung verändert wird, wobei Folgendes gilt: Über- oder unterschreitet der Zählerstand eine bestimmte Grenze, so wird ein Signal auf einer ersten oder zweiten Flankenhaltesignalleitung (23-1; 23-2) gesetzt, wobei mit diesen Signalen ein Regelalgorithmus für die Kommutierungsdauer des zweiten aktiv schaltenden Stellglieds (5-2) in der fünften Teilschaltung (2-1e) deaktiviert wird, bis die Totzeitparameter der zwei ersten der Totzeit-Parameterübergabeleitungen (12-1, 12-2) wieder stationäre Werte erreichen, wobei die Analyse der Totzeitparameter der zwei ersten Totzeit-Parameterübergabeleitungen (12-1, 12-2) bei getrennt für den Einschalt- und Ausschaltvorgang des zweiten aktiv schaltenden Stellglieds (5-2) vorgenommen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Teilschaltung (2-1d) ein Register für konstante Zeitparameter darstellt, in dem die Sollwerte für die Kommutierungsdauer der fünften und sechsten Schaltzeit-Parameterübergabeleitung (13-5; 13-6) sowie die konstante Verzögerung für die Regelung der Totzeitparameter auf der dritten Totzeit-Parameterübergabeleitung (12-3) abgelegt werden, die durch die übergeordnete Programmier- und Steuereinheit (1) über eine entsprechende erste Programmierschnittstelle (19) übergeben werden.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die fünfte Teilschaltung (2-1e) und die sechste Teilschaltung (2-1f) den Regelalgorithmus der digitalen Flankenregelung für die Zeitparameter auf der ersten und zweiten oder der dritten und vierten Schaltzeit-Parameterübergabeleitung (13-1, 13-2; 13-3, 13-4) enthalten, wobei die Zeitparameter für den jeweils aktuellen Steuerpfad über mehrere Perioden des Signals auf der Steuervorgabeschnittstelle (18) derart aptiert werden, dass das gemessene Ende der Kommutierung als Istwert entsprechend dem Signal auf der ersten oder zweiten Zustandserfassungsleitung (11-1; 11-2) mit dem vorgegebenen Ende der Kommutierung als Sollwert entsprechend dem Signal auf der ersten oder dritten der Hilfssignalrückführungsleitungen (14-1; 14-3) für den Einschaltvorgang und dem Signal auf der zweiten oder vierten Hilfssignalrückführungsleitungen (14-2; 14-4) für den Ausschaltvorgang in zeitliche Übereinstimmung gebracht werden.
Verfahren zur direkten Kommutierung zwischen in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern (5-1, 5-2, 6-1, 6-2) in einer Leistungsschalteranordnung (3), wobei die Stellglieder (5-1, 5-2, 6-1, 6-2) zwischen einem positiven Versorgungspotenzial (VS) und einem Bezugspotenzial (GND) angeordnet sind, von denen mindestens zwei Stellglieder (5-1, 5-2) aktiv ein- und ausgeschaltet werden und über Steuersignalleitungen (7-x, mit x = 1, 2, 3...) mit einer An steuerschaltung (2), die ein zentrales Steuerregister (2-1) mit darin befindlichen Teilschaltungen enthält, verbunden sind, wobei der Ansteuerschaltung (2) eine übergeordnete Programmier- und Steuereinheit (1) vorgeschaltet ist, durch folgende Schritte gekennzeichnet: – gleichzeitige Ansteuerung der beiden aktiv schaltenden Stellglieder (5-1, 5-2) derart, dass bei jedem Schaltvorgang eine direkte Stromübernahme zwischen der beiden aktiv schaltenden Stellgliedern (5-1, 5-2) stattfindet, mittels Ansteuersignalen aus der Ansteuerschaltung (2), wobei – eine Erfassung des Zeitpunktes des Beginns der Kommutierung, – eine schrittweise Regelung des Totzeitparameters unter Nutzung des Zeitpunktes des Beginns der Kommutierung und – eine Erfassung des Zeitpunktes des Endes der Kommutierung durchgeführt werden, – Angleichung der Kommutierungsgeschwindigkeit beider aktiv schaltender Stellglieder (5-1, 5-2) auf eine vorgegebene Kommutierungsdauer und – Kombination der angepassten Regelung des Totzeitparameters und der Regelung der Kommutierungsdauer der aktiv schaltenden Stellglieder (5-1, 5-2) zur Vermeidung einer Stromübernahme durch ein passiv schaltendes Stellglied (6-1, 6-2) der Leistungsschalteranordnung (3).
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Schaltvorganges eines der beiden aktiv geschalteten Stellglieder (5-1, 5-2) mit einer vorgegebenen konstanten Verzögerungszeit auf einer dritten Totzeit-Parameterübergabeleitung (12-3) gegenüber einem Signal auf einer Steuervorgabeschnittstelle (18) geschaltet wird, während das zweite aktive Stellglied (5-1, 5-2) mit einer variablen Verzögerungszeit auf einer ersten und zweiten Totzeit-Parameterübergabeleitung (12-1, 12-2) gegenüber dem Signal auf der Steuervorgabeschnittstelle (18) geschaltet wird, wobei die variable Verzögerungszeit auf der ersten und zweiten Totzeit-Parameterübergabeleitung (12-1, 12-2) iterativ über eine endliche Anzahl n ≥ 1 von Schaltperioden um eine feste oder variable Schrittweite derart verändert und abgespeichert wird, dass sich eine direkte Stromkommutierung vom ersten aktiven Stellglied (5-1) auf das zweite aktive Stellglied (5-2) einstellt, wobei mittels einer in Reihe zu einem der aktiv geschalteten Stellglieder (5-1, 5-2) geschalteten Messinduktivität (9), deren induzierte Spannung während einer Stromkommutierung als Messgröße an einem ersten Messsignalabgriff (10-1) zur Ansteuerschaltung (2) zurückgeführt und in einer Mess- und Bewertungsschaltung (2-2) der tatsächliche Beginn und das Ende der Kommutierung bestimmt wird sowie mit mindestens einer weiteren, von den aktiven Stellgliedern (5-1, 5-2) abgeleiteten Messgröße an einem anderen zweiten Messsignalabgriff (10-2) derart verglichen wird, dass aus den Messgrößen an dem anderen zweiten Messsignalabgriff (10-2) abgeleitete Zustände auf Zustandserfassungsleitungen (11-x, mit x = 1, 2, ...) erzeugt werden und verschiedene Zustandsübergänge durch Variation der variablen Zeiten der ersten und zweiten Totzeit-Parameterübergabeleitung (12-1, 12-2) in zeitliche Übereinstimmung gebracht werden und auch bei veränderlichen Betriebsbedingungen der Leistungsschalteranordnung (3) in dieser zeitlichen Übereinstimmung gehalten werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass unter Nutzung der gleichen Messgrößen an den Messsignalabgriffen (10-1, 10-2) als Indikator für Beginn und Ende der Kommutierung eine Angleichung der Kommutierungsgeschwindigkeiten beider aktiver Stellglieder (5-1, 5-2) erfolgt, indem die Spannung oder der Strom auf den Steuersignalleitungen (7-x) der leistungselektronischen Stellglieder (5-x) während eines Schaltvorgangs, für jedes aktive Stellglied (5-1, 5-2) getrennt, in jeweils mindestens zwei Zeitintervallen auf den ersten vier Schaltzeit-Parameterübergabeleitungen (13-1, 13-2, 13-3, 13-4) variiert wird, wobei mindestens ein Zeitintervall auf den ersten vier Schaltzeit-Parameterübergabeleitungen (13-1, 13-2, 13-3, 13-4) in Abhängigkeit von Messsignalen an den Messsignalabgriffen (10-1, 10-2) aus der Leistungsschalteranordnung (3) in jeder Schaltperiode eines Signals auf der Steuervorga beschnittstelle (18) zur übergeordneten Programmier- und Steuereinheit (1) um eine feste oder variable Schrittweite so adaptiv variiert und abgespeichert wird, dass nach einer endlichen Anzahl n ≥ 1 von Schaltperioden die Kommutierungsdauer des jeweiligen Stellgliedes (5-1, 5-2) in einem festen Verhältnis zu einem zweiten vorgegebenen Zeitintervall auf einer fünften und sechsten Schaltzeit-Parameterübergabeleitung (13-5, 13-6) steht und auch bei veränderlichen Betriebsbedingungen der Leistungsschalteranordnung (3) in diesem Verhältnis gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter für konstante Verzögerungszeiten auf der dritten Totzeit-Parameterübergabeleitung (12-3) und der fünften und sechsten Schaltzeit-Parameterübergabeleitung (13-5, 13-6) und zugehörige Treiberteilstromniveaus durch zugeordnete Programmierschnittstellen (19, 20) von der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit (1) vorgegeben oder in der Ansteuerschaltung (2) selbst fest implementiert werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die variablen Zeitintervalle auf den ersten vier Schaltzeit-Parameterübergabeleitungen (13-1, 13-2, 13-3, 13-4) zur Ansteuerung eines aktiven Stellgliedes (5-1, 5-2) über eine beliebige Anzahl von Schaltperioden des Signals auf der Steuervorgabeschnittstelle (18) konstant gehalten werden, bis sich die variablen Zeiten auf den ersten zwei Totzeit-Parameterübergabeleitungen (12-1, 12-2) nur noch innerhalb einer gegebenen Intervallbreite verändern.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die über der Messinduktivität (9) proportional zur Stromänderungsgeschwindigkeit des Stromes durch einen der leistungselektronischen Stellglieder (5-1, 5-2, 6-1, 6-2) abfallende Spannung in der Ansteuerschaltung (2) ausgewertet und zur Ansteuerung der aktiv schaltenden Stellglieder (5-1, 5-2) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Polarität des induzierten Spannungsimpulses und der Kenntnis über den Zustand des Signals auf der Steuervorgabeschnittstelle (18) der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit (1) die aktuelle Laststromrichtung des Stromes i₈ durch den Lastanschluss (8) der Leistungsschalteranordnung (3) während der Kommutierung und mit der aktuelle Steuer- und Freilaufpfad bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der aktuellen Laststromrichtung durch die induktive Last (4) zwischen positiven und negativen induzierten Spannungen in der Messinduktivität (9) unterschieden wird und vier Kommutierungszustandssignale auf vorgesehenen Kommutierungszustandsleitungen (21-x) erzeugt und gespeichert werden: – auf der ersten Kommutierungszustandsleitung (21-1) für Kommutierungsbeginn bei positiver induzierter Spannung am ersten Messsignalabgriff (10-1), – auf der zweiten Kommutierungszustandsleitung (21-2) für Kommutierungsbeginn bei negativer induzierter Spannung am ersten Messsignalabgriff (10-1), – auf der dritten Kommutierungszustandsleitung (21-3) für Kommutierungsende bei positiver induzierter Spannung am ersten Messsignalabgriff (10-1), – auf der vierten Kommutierungszustandsleitung (21-4) für Kommutierungsende bei negativer induzierter Spannung am ersten Messsignalabgriff (10-1), wobei die Kommutierungszustandssignale auf den Kommutierungszustandsleitungen (21-x) Regelalgorithmen für Totzeitparameter und für die Kommutierungsdauer in den Teilschaltungen (2-1b, 2-1e, 2-1f) des zentralen Speichers und des Steuerregisters (2-1) zur Verfügung stehen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Ausschaltvorgang des ersten aktiv schaltenden Stellgliedes (5-1) der Beginn der Kommutierung auf der ersten oder zweiten Kommutierungszustandsleitung (21-1, 21-2) mit einer Weiteren vom zweiten aktiv schaltenden Stellglied (5-2) abgeleiteten Messgröße auf einem zweiten Messsignalabgriff (10-2) und dem daraus erzeugten Zustandssignal auf einer dritten Zustandserfassungsleitung (11-3) verglichen wird und der Zeitparameter auf der ersten Totzeit-Parameterübergabeleitung (12-1) für die Verzögerung zwischen dem Signal auf der Steuervorgabeschnittstelle (18) und dem Einschalten des zweiten aktiv schaltenden Stellglieds (5-2) nach iterativ so eingestellt wird, dass die Flanken der beiden Zustandssignale der ersten oder zweiten Kommutierungszustandsleitungen (21-1, 21-2) und der dritten Zustandserfassungsleitung (11-3) in zeitliche Übereinstimmung gebracht werden und im ausgeregelten Zustand das zweite aktiv schaltende Stellglied (5-2) gerade den Laststrom vom ersten aktiv schaltenden Stellglied (5-1) übernimmt, wenn der Kommutierungsvorgang beginnt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Einschaltvorgang des ersten aktiv schaltenden Stellglieds (5-1) das Ende der Kommutierung auf der dritten oder vierten Kommutierungszustandsleitung (21-3, 21-4) mit einer Weiteren vom zweiten aktiv schaltenden Stellglied (5-2) abgeleiteten Messgröße auf einem zweiten Messsignalabgriff (10-2) und dem daraus erzeugten Zustandserfassungssignal (11-3) verglichen wird und der Zeitparameter auf der zweiten Totzeit-Parameterübergabeleitung (12-2) für die Verzögerung zwischen dem Signal auf der Steuervorgabeschnitt stelle (18) und dem Ausschalten des zweiten aktiv schaltenden Stellglieds (5-2) so eingestellt wird, dass die Flanken der beiden Zustandssignale auf der dritten oder der vierten Kommutierungszustandsleitung (21-3; 21-4) und der dritten Zustandserfassungsleitung (11-3) in zeitliche Übereinstimmung gebracht werden und im ausgeregelten Zustand das erste aktiv schaltende Stellglied (5-1) somit den Laststrom gerade vollständig übernommen hat, wenn das zweite aktiv schaltende Stellglied (5-2) vollständig sperrt und keinen merklichen Laststrom mehr führt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung (2) die aktiv schaltenden Stellglieder (5-1, 5-2) nach dem Signal auf der Steuervorgabeschnittstelle (18) wechselseitig einschaltet und den Regelalgorithmus für die Totzeitparameter auf den ersten zwei Totzeit-Parameterübergabeleitungen (12-1, 12-2) aus der zweiten Teilschaltung (2-1b) verwendet.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass weitere vorgesehene Teilschaltungen (2-1c, 2-1e, 2-1f) des zentralen Steuerregisters (2-1) die Kommutierungsgeschwindigkeit beider Leistungsschalter (5-1, 5-2) auf eine vorgegebene Kommutierungsdauer angleichen.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass durch zum Zähler (22-11, 22-22) der dritten Teilschaltung (2-1c) geführte Totzeitsteuerleitungen (22-1, 22-2) die Information, ob in der aktuellen Schaltperiode die Totzeit um einen Schritt vergrößert oder verkleinert wird, von der zweiten Teilschaltung (2-1b) als Regelalgorithmus für die Totzeitparameter an die nachgeschaltete dritte Teilschaltung (2-1c) zur Überwachung der Totzeitregelung übergeben wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass erst dann, wenn ein Teil des Laststromes direkt zwischen den aktiv schaltenden Stellgliedern (5-1, 5-2) kommutiert, die Zustandsgrößen auf der ersten und zweiten Zustandserfassungsleitung (11-1, 11-2) für beide aktiv schaltende Stellglieder (5-1, 5-2) gültig werden, wonach die Kommutierungsdauer für das zweite aktiv schaltende Stellglied (5-2) im Freilaufpfad mit dem Regelalgorithmus nach der sechsten Teilschaltung (2-1f) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter auf den zwei ersten Totzeit-Parameterübergabeleitungen (12-1, 12-2) und auf den vier ersten Schaltzeit-Parameterübergabeleitungen (13-1, 13-2; 13-3, 13-4) bei jedem Schaltvorgang um eine vorgegebene Schrittweite vergrößert oder verkleinert werden, wobei der neu eingestellte Wert mit dem nächsten Schaltereignis wirksam wird.
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass in einer sechsten Teilschaltung (2-1f) die Parameter auf der dritten und vierten Schaltzeit-Parameterübergabeleitung (13-3, 13-4) durch die Flankenhaltesignale der beiden Flankenhaltesignalleitungen (23-1, 23-2) festgehalten werden, bis die Zustandsgrößen auf der ersten und der zweiten Zustandserfassungsleitung (11-1, 11-2) auch für den zweiten Leistungsschalter (5-2) gültig werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass in einer vierten Teilschaltung (2-1d) die Sollwerte für die Kommutierungsdauer auf der fünften und sechsten Schaltzeit-Parameterübergabeleitung (13-5, 13-6) sowie die konstante Verzögerung für die Regelung der Totzeit auf der dritten Totzeit-Parameterübergabeleitung (12-3) abgelegt werden, die durch die übergeordnete Programmier- und Steuereinheit (1) über die erste Programmierschnittstelle (19) übergeben oder fest in der Ansteuerschaltung (2) implementiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass in einer als Zeitsteuereinheit ausgebildeten Hilfssignalschaltung (2-3) mittels interner Multiplexer (2-31) Hilfssignale auf Hilfssignalleitungen (15-x mit x = 1, 2, 3, ...), wobei die Hilfssignale gegenüber dem Signal auf der Steuervorgabeschnittstelle (18) zeitverzögert sind, aus einer Kette mit Verzögerungsgliedern (2-32) ausgewählt werden, wobei die Multiplexer (2-31) entsprechend den Parametern auf allen Totzeit-Parameterübergabeleitungen (12-1 bis 12-3) und allen Schaltzeit-Parameterübergabeleitungen (13-1 bis 13-6) gesteuert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Ansteuerteilschaltung (2-4) und eine zweite Ansteuerteilschaltung (2-5) eine Umcodierung und Pegelwandlung der übergebenen Hilfssignale auf den beiden Hilfssignalleitungen (15-1, 15-2) vornehmen und über die Treibersteuersignale auf Treibersteuerleitungen (16-x mit 16-1a, 16-1b, 16-2a, 16-2b, 16-3a, 16-3b, 16-4a, 16-4b) eine erste Treiberschaltung (2-6) und eine zweite Treiberschaltung (2-7) aktivieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass über die zweite Programmierschnittstelle (20) die Stärke von einzelnen Treiberteilstromquellen (17-x mit 17-1a, 17-2a, 17-3a, 17-4a und 17-1b, 17-2b, 17-3b, 17-4b) an die nachgeschaltet angeschlossenen aktiv schaltenden Stellglieder (5-1, 5-2) angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kontrolle der Kommutierungsdauer mindestens vier Treiberteilstromquellen (17-x mit 17-1a, 17-2a, 17-1b, 17-2b und 17-3a, 17-4a, 17-3b, 17-4b) je Treiberschaltung (2-6; 2-7) vorgesehen sind, wobei zwei Treiberteilstromquellen (17-xa, 17-xb) jeweils für das Laden und Entladen des Gates vorgesehen werden und sich die beiden Treiberteilstromquellen (17-xa, 17-xb) im Stromniveau deutlich unterscheiden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass der Einschaltvorgang in mindestens zwei Zeitintervalle unterteilt wird, wobei die Dauer des ersten Zeitintervalls auf der ersten und dritten Schaltzeit-Parameterübergabeleitung (13-1; 13-3) durch einen Regelalgorithmus der digitalen Flankenregelung in der fünften und sechsten Teilschaltung (2-1e, 2-1f) bei jeder Schaltperiode des Signals auf der Steuervorgabeschnittstelle (18) variiert wird und das zweite Zeitintervall auf der fünften und sechsten Schaltzeit-Parameterübergabeleitung (13-5; 13-6) durch die übergeordnete Programmier- und Steuereinheit (1) vorgegeben wird und im Verhältnis zu der zu erzielenden Kommutierungsdauer steht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausschaltvorgang in mindestens zwei Zeitintervalle unterteilt wird, wobei die Dauer des ersten Zeitintervalls auf der zweiten und vierten Schaltzeit-Parameterübergabeleitung (13-2, 13-4) durch den Regelalgorithmus der digitalen Flankenregelung in der fünften und sechsten Teilschaltung (2-1e, 2-1f) bei jeder Schaltperiode des Signals auf der Steuervorgabeschnittstelle (18) variiert wird und das zweite Zeitintervall auf der fünften und sechsten Schaltzeit-Parameterübergabeleitung (13-5; 13-6) durch die übergeordnete Programmier- und Steuereinheit (1) vorgegeben wird und im Verhältnis zu der zu erzielenden Kommutierungsdauer steht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens sechs variable Zeitparameter für die Regelung der Totzeit für die zwei ersten Totzeit-Parameterübergabeleitungen (12-1, 12-2) sowie für die Regelung der Kommutierungsgeschwindigkeiten für die ersten vier Schaltzeit-Parameterübergabeleitungen (13-1, 13-2, 13-3, 13-4) ergeben.