DE102009047435A1

DE102009047435A1 - Verfahren zum Erzeugen von Steuersignalen

Info

Publication number: DE102009047435A1
Application number: DE102009047435A
Authority: DE
Inventors: Paul Mehringer; Gerhard Walter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2011-06-09
Also published as: WO2011067314A2; WO2011067314A3

Abstract

Es werden ein Verfahren zum Erzeugen von Steuersignalen für einen Gleichrichter (12) sowie eine Schaltung (14) zur Durchführung des Verfahrens beschrieben. Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass eine Ansteuerung der Schaltelemente (40, 42, 50, 52, 60, 62) auf Basis einer Spannungsmessung und eine Ansteuerung auf Bais einer Strommessung erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Steuersignalen für einen Gleichrichter mit aktiven Schaltelementen sowie eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Zur Speisung von Gleichstromsystemen aus Drehstrohmsystemen, wie bspw. im öffentlichen Drehstromnetz, werden im allgemeinen Gleichrichter verwendet. Diese Gleichrichter sind meist in Brückenschaltung aufgebaut, wobei als Gleichrichterelemente regelmäßig Dioden verwendet werden. Die Dioden benötigen keine weitere Ansteuerschaltung, da sie selbständig zum richtigen Zeitpunkt in den leitenden oder sperrenden Zustand übergehen.
Brückengleichrichter werden bspw. auch als Gleichrichter in Kfz-Drehstromgeneratoren verwendet, die einen ausgeprägten induktiven Innenwiderstand haben. Weiterhin ist zu beachten, dass der Gleichrichter eine durch die Dioden und den Ausgangsstrom vorgegebene Verlustleistung hat. Durch schaltungstechnische Maßnahmen, wie bspw. durch Parallelschalten von Dioden, lassen sich diese Verluste nur unwesentlich verkleinern.
Werden die Dioden durch aktive Schalter, bspw. durch Feldeffekttransistoren wie MOSFETs, ersetzt, können diese Verluste wesentlich verringert werden. Der Einsatz aktiver Schalter erfordert jedoch eine Steuerung, die die Schalter zum richtigen Zeitpunkt ein- und ausschaltet.
Die Druckschrift US 2005/0226298 A1 beschreibt einen Gleichrichter mit Diodenelementen, die jeweils mit einem Generator verbunden sind, um eine elektrische Wechselgröße in eine elektrische Gleichgröße zu wandeln. Dabei sind Schaltelemente vorgesehen, die parallel zu den Diodenelementen geschaltet sind. Die Regelung der Ansteuerung der Schaltelemente erfolgt auf Basis einer Strommessung.
Die Druckschrift EP 1 134 886 A1 betrifft einen verlustarmen Gleichrichter für einen Mehrphasengenerator, wobei Transistoren in dem Gleichrichter von einer Steuereinrichtung angesteuert werden.
Die Druckschrift JP 2002/171687 A1 beschreibt eine Gleichrichtereinheit und ein Verfahren zum Ansteuern dieser Gleichrichtereinheit. Die Gleichrichtereinheit weist eine Anzahl von MOSFETs auf. Gemäß dem beschriebenen Verfahren erfasst ein Shunt-Widerstand den Phasenstrom durch einen Phasenanschluss, so dass basierend auf diesem Strom die MOSFETs angesteuert werden können.
In der Druckschrift DE 10 2008 023 779 A1 ist ein Verfahren zum Gleichrichten eines Wechselsignals beschrieben, bei dem die Spannung zwischen jeder Phase einer Maschine und einer vorbestimmten Masse ermittelt wird, Spannungen von Phase zu Phase aus den Spannungen von Phase gegen Masse berechnet werden und die Spannungen von Phase zu Phase mit einer ersten vorbestimmten Schwellenwertspannung und einer zweiten Schwellenwertspannung verglichen werden. In Abhängigkeit der Spannungen wird ein Schalter, der mit einer bestimmten Phase der Maschine verbunden ist, ein- und ausgeschaltet.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren zum Erzeugen von Steuersignalen für einen Gleichrichter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Schaltung gemäß Anspruch 9 vorgestellt.
Es wird somit ein Verfahren beschrieben, mit dem die Erzeugung der Steuersignale für einen Gleichrichter mit aktiven Schaltelementen gesteuert und/oder geregelt werden kann. Zu beachten ist, dass die Steuersignale ohne Lagesensoren gewonnen werden können.
In einigen der Ausführungsformen ist zu beachten, dass parallel zu den aktiven Schaltern noch passive Dioden liegen. Daher eignen sich das Verfahren und die Schaltung insbesondere für Gleichrichter mit aktiven Schaltern, die diese Dioden bereits im Halbleiteraufbau haben, bspw. Feldeffekttransistoren wie MOSFET-Transistoren. Bei diesen müssen keine zusätzlichen Dioden eingebracht werden.
Durch die einfache Erzeugung der Steuersignale kann die Synchrongleichrichtung kostengünstig und robust verwirklicht werden, wobei die Gleichrichtverluste reduziert werden können.
Es wird daher eine Ansteuerstrategie vorgestellt, die bei einfacher Auswerteelektronik eine robuste Ansteuerung realisiert, die in variablen Betriebszuständen funktional ist. Weiterhin werden ein optimaler Wirkungsgrad und eine ideale Leistungsabgabe im unteren Drehzahlbereich erreicht.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen und der Beschreibung.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung mit einem Brückengleichrichter mit aktiven Schaltern.
2 zeigt den prinzipiellen Verlauf der Phasenspannung und des Phasenstroms.
3 zeigt in einer Detailaufnahme die obere Halbwelle bei Verwendung eines Komparators.
4 zeigt in einer Detailansicht das Einschaltverhalten.
5 zeigt in einer Detailansicht das Ausschaltverhalten.
Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
In 1 ist ein Generator 10, ein Gleichrichter 12, in diesem Fall ein Brückengleichrichter, eine Schaltung 14 zur Erzeugung von Ansteuersignalen und eine Ansteuerung 16 von Schaltern (z. B. Gatetreiber) dargestellt.
Der Generator 10 erzeugt drei Phasensignale, nämlich Phase U 20, Phase V 22 und Phase W 24. Diese drei Phasen 20, 22 und 24 werden in den Gleichrichter 12 eingespeist, in dem zwischen einem Pluspol 26 und einem Minuspol 28 in einem ersten Zweig 30, einem zweiten Zweig 32 und einem dritten Zweig 34 Schaltelemente angeordnet sind.
Dabei umfasst der erste Zweig 30 ein erstes Schaltelement 40 und ein zweites Schaltelement 42, der zweite Zweig 32 ein drittes Schaltelement 50 und ein viertes Schaltelement 52 und der dritte Zweig 34 ein fünftes Schaltelement 60 und ein sechstes Schaltelement 62. Die Schaltelemente 40, 42, 50, 52, 60, 62 umfassen jeweils einen Schalter mit parallel geschalteter Diode und können als MOSFET-Transistoren, jeweils mit Sorce-, Drain- und Gate-Anschluss, ausgebildet sein.
Die drei Phasen U 20, V 22 und W 24 werden durch den Gleichrichter 12 in Gleichgrößen gewandelt.
Die Schaltung 14 zur Erzeugung der Ansteuersignale wertet die drei Phasen 20, 22 und 24 aus und erzeugt Steuersignale, mit denen die Ansteuerung 16 für die Schalter der Schaltelemente 40, 42, 50, 52, 60, und 62 erfolgt. Hierzu ist eine Einrichtung 70 zur Durchführung einer Strommessung und eine Einrichtung 72 zur Durchführung einer Spannungsmessung vorgesehen. Zur Auswertung kann ein Komparator 74 vorgesehen sein.
Die Einschaltbedingungen der aktiven Schalter erfolgt über eine Auswertung der Spannung an den Dioden bzw. Inversdioden der MOSFETs. Bei einer Flussspannung von typischerweise 0,7 V ist eine sichere Detektion der Einschaltbedingung mit einem Grenzwert von bspw. 0,35 V möglich. Sobald die Ansteuerung erfolgt ist, bricht dieses Signal ein, da die Diodenflussspannung durch den RDS_ON des MOSFET überbrückt wird. Daher ist eine Spannungsmessung zur Ermittlung des Ausschaltzeitpunkts problematisch.
Es ist zu beachten, dass ein deutlich höheres Signal durch eine verlustfreie Strommessung erreicht werden kann. Von Bedeutung ist die Verlustfreiheit der Spannungsmessung, da durch Einführung eines Shunts der Wirkungsgradgewinn zunichte gemacht werden würde.
Eine Ansteuerung auf Basis einer Spannungsmessung ist gegenüber einer Ansteuerung auf Basis einer Strommessung vorteilhaft, da auf diese Weise der Wirkungsgrad optimal ausgenutzt werden kann.
Bei dem vorgestellten Verfahren wird eine Kombination einer Spannungsmessung, bspw. zwischen dem Drain- und dem Source-Anschluss eines MOSFET zur Ansteuerung der aktiven Schalter und einer Strommessung innerhalb einer Phase zur Absteuerung der Schalter durchgeführt. Ferner wird die Spannung an jeder Diode ausgewertet, z. B. über einen Komparator mit einer Schaltschwelle von bspw. 0,3 V, und der jeweilige Phasenstrom gemessen.
In dem Diagramm aus 1 sind prinzipielle Verläufe von Spannungen und Strömen über der Zeit aufgetragen. Eine erste Kurve 100 zeigt den Verlauf der Spannung am Pluspol, eine weitere Kurve 102 zeigt den Verlauf der Spannung am Minuspol.
Eine Kurve 104 zeigt den sinusförmigen theoretischen Verlauf bei Leerlaufspannung an einer Phase Y. Eine Kurve 106 zeigt die Spannung an der Diode bei Verwendung eines herkömmlichen Diodengleichrichters. Eine weitere Kurve 108 zeigt, ob die Diode leitend ist. Ein Verlauf 110 zeigt den Phasenstrom. Eine Kurve 112 zeigt den Spannungsverlauf am MOSFET bei Verwendung eines idealen Schalters.
Es ist zu erkennen, dass der Stromverlauf 110 den Spannungsverlauf 104 nachbildet. Daher ist für die Ausschaltentscheidung das Stromsignal günstiger, da hier eine höhere Signalgüte als beim Spannungsverlauf gegeben ist.
In 2 ist in einer Detailaufnahme die obere Halbwelle bei Verwendung eines Komparators zwischen der Batteriespannung U_BAT und der Phase Y mit einer Schaltschwelle von 300 mV dargestellt.
Wiederum ist die Spannung am Pluspol bzw. die Batteriespannung mit einer Kurve 200 dargestellt. Eine Kurve 202 zeigt den Verlauf der Leerlaufspannung. Eine Kurve 204 zeigt den Spannungsverlauf bei Verwendung eines herkömmlichen Gleichrichters. Eine Kurve 206 zeigt den Stromverlauf. Eine Kurve 208 zeigt die Ansteuerung der Diode. Eine Kurve 210 gibt den Verlauf der Spannung am MOSFET wieder. Die Komparatorschwelle ist mit 212 verdeutlicht. Das Komparatorsignal ist mit einer Kurve 214 wiedergegeben.
Die Darstellung verdeutlicht, dass die Ansteuerentscheidung auf Basis des Komparatorsignals gefällt wird. Auf diese Weise ist schon früher ein Durchschalten des MOSFETs als bei einer reinen Strommessung möglich. Sobald der Schalter durchgesteuert ist, geht die Absteuerung auf eine komparatorische Auswertung des Phasenstroms über. Bei Unterschreiten einer Minimalschwelle des Stroms wird der Schalter abgesteuert. Die Messung des Stroms kann über eine Hallsonde oder nach einem Transformatorprinzip erfolgen.
In 4 ist in einer Detailansicht das Einschaltverhalten und in 5 in einer Detailansicht das Ausschaltverhalten dargestellt.
Eine Kurve 300 zeigt dabei den Verlauf bei der Leerlaufspannung an einer Phase Y. Eine Kurve 302 zeigt den Verlauf der Spannung am Pluspol. Eine weitere Kurve 304 zeigt die Ansteuerung der Diode. Ein Verlauf 306 zeigt den Verlauf die Spannung an der Diode bei Verwendung eines herkömmlichen Diodengleichrichters. Ein Verlauf 308 zeigt den Spannungsverlauf am MOSFET bei Verwendung eines idealen Schalters, ein Verlauf 310 verdeutlicht die Komparatorschwelle. Ein Verlauf 312 zeigt das Komparatorsignal.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2005/0226298 A1 [0005]
EP 1134886 A1 [0006]
JP 2002/171687 A1 [0007]
DE 102008023779 A1 [0008]

Claims

Verfahren zur Erzeugung von Steuersignalen für einen Gleichrichter (12) mit aktiven Schaltelementen (40, 42, 50, 52, 60, 62), bei dem eine Ansteuerung der Schaltelemente (40, 42, 50, 52, 60, 62) auf Basis einer Spannungsmessung und eine Absteuerung auf Basis einer Strommessung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Strommessung innerhalb einer Phase zur Absteuerung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 bei dem die Strommessung mit einer Hallsonde durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Strommessung nach einem Transformatorprinzip erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Schaltelemente (40, 42, 50, 52, 60, 62) jeweils mindestens einen aktiven Schalter mit parallel geschalteter Diode umfassen.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Schaltelemente (40, 42, 50, 52, 60, 62) jeweils einen Feldeffekttransistor umfassen.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Spannungsmessung zwischen dem Drain-Anschluss und dem Source-Anschluss des Feldeffekttransistors erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem eine Ansteuerentscheidung auf Basis eines Komparatorsignals durchgeführt wird.
Schaltung, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einer Einrichtung (70) zur Durchführung einer Strommessung und einer Einrichtung (72) zur Durchführung einer Spannungsmessung.
Schaltung nach Anspruch 9, bei der ein Komparator (74) vorgesehen ist.