DE102012001687B4

DE102012001687B4 - Verfahren und Anordnung zur Messung der Schwellenspannung von wenigstens zwei leistungselektronischen Stellgliedern unter Last während des laufenden Betriebs

Info

Publication number: DE102012001687B4
Application number: DE102012001687.5A
Authority: DE
Inventors: Jörg Krupar; Carsten Kunze
Original assignee: DMOS GmbH
Current assignee: DMOS GMBH, DE
Priority date: 2012-01-26
Filing date: 2012-01-26
Publication date: 2020-01-16
Anticipated expiration: 2032-01-27
Also published as: DE102012001687A1

Abstract

Verfahren zur Messung der Schwellenspannung Us von wenigstens zwei leistungselektronischen aktiv gesteuerten Stellgliedern (1, 2) unter Last (3) während des laufenden Betriebs für ein Verfahren zur direkten Kommutierung zwischen den in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern (1, 2) oder für ein Verfahren zur Störgrößenaussendungs(EME)-armen Ansteuerung in einer Leistungsschalteranordnung (23) mit induktiver Last (3), wobei eine Anordnung mit einer Ansteuereinheit (6) und von Ansteuerschaltungen (14, 15, 16, 17) mit Hilfe eines zeitlich angepassten Ansteuerregimes geschaltet werden,wobei eine jeweils einem Stellglied (1, 2) zugeordnete Vergleichseinheit (10, 11) in der Ansteuereinheit (6) eingebracht wird undeine Detektionseinrichtung (8, 9) den Beginn und/oder das Ende der Stromkommutierung detektiert,dadurch gekennzeichnet,dass eine jeweils einem Stellglied (1, 2) zugeordnete Generierungseinheit (12, 13) in der Ansteuereinheit (6) eingebracht wird,die Vergleichseinheit (10, 11) die steuernde Spannung Uoder Uder Stellglieder (1, 2) mit dem bereitgestellten Ausgangswert U einer Generationseinrichtung (12, 13) vergleicht,wobei eine Steuereinheit (21) vorhanden ist, die durch Variation der Ausgangssignale an die Generierungseinrichtung (12, 13) die Zeitpunkte des Beginns und des Endes der Stromkommutierung mit dem Ansprechen der Vergleichseinheit (10, 11) in Übereinstimmung bringt,um die Schwellenspannung Udes jeweils steuernden Stellglieds (1, 2) zu messen.

Description

Geänderte Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung der Schwellenspannung von wenigstens zwei leistungselektronischen Stellgliedern unter Last während des laufenden Betriebs.
Stand der Technik
Eine in 1 dargestellte leistungselektronische Anordnung 22 ist in der Druckschrift DE 10 2008 026 499 A1 beschrieben und enthält wenigstens zwei leistungselektronische Stellglieder 1 und 2, wobei ein leistungselektronisches erstes Stellglied 1 eine Last 3 zu einem positiven Pol 4 einer Spannungsversorgung und ein leistungselektronisches zweites Stellglied 2 die Last 3 zu einem negativen Pol 5 der Spannungsversorgung verbindet.
In der Druckschrift DE 10 2008 026 499 A1 sind ein Verfahren und eine in 2 dargestellte Vorrichtung zur direkten Kommutierung zwischen in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern 1 und 2 in einer in 3 detaillierter dargestellten Leistungsschalteranordnung 23 mit induktiver Last 3 beschrieben, wobei die Stellglieder 1 und 2 zwischen einem positiven Versorgungspotenzial VS und einem Bezugspotenzial GND angeordnet sind, und die beiden Stellglieder 1 und 2 aktiv eingeschaltet und ausgeschaltet werden und über Steuersignalleitungen mit einer Ansteuereinheit 6, die eine zentrale Steuerschaltung mit darin befindlichen Unterbaugruppen enthält, verbunden sind, wobei der Ansteuereinheit 6 eine übergeordnete Programmier- und Steuereinheit 50 vorgeschaltet ist.
Die angegebene zugehörige leistungselektronische Anordnung 22 gemäß 1 enthält mindestens zwei aktiv schaltende Stellglieder 1 und 2, die durch die Steuersignalleitungen mit der Ansteuereinheit 6 verbunden sind, wobei die Ansteuereinheit 6 durch mindestens einen Messsignalabgriff Messgrößen von der Leistungsschalteranordnung 23 aufnimmt und Einschaltsignale sowie Ausschaltsignale (Ansteuersequenzen) für die aktiv schaltenden Stellglieder 1 und 2 über die Steuersignalleitungen in Abhängigkeit des Signals auf wenigstens einer Steuervorgabeschnittstelle und eventuell weiteren Vorgaben auf weiteren (Programmier)schnittstellen zu der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit 50 erzeugt, wobei die Ansteuereinheit 6 folgende Baugruppen enthalten kann:

- eine Mess- und Bewertungsschaltung, welche Verbindungen zu mindestens einem Messsignalabgriff und zu mindestens einer Signalleitung der Steuervorgabeschnittstelle besitzt und über Zustandserfassungsleitungen Signale an die zentrale Steuerschaltung überträgt, wobei die Signale der Zustandserfassungsleitungen in Verbindung zum Beginn und zum Ende der Kommutierung stehen,
- eine Verzögerungsschaltung, welche mit der zentralen Steuerschaltung durch durch Schaltzeit-Parameterübergabeleitungen und durch Hilfssignalrückführungsleitungen in Verbindung steht und mittels mindestens einer Schnittstelle der Steuervorgabeschnittstelle mit der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit 50 verbunden ist,
- mindestens zwei Ansteuerteilschaltungen, welche über Hilfssignalleitungen mit der Verzögerungsschaltung verbunden sind,
- mindestens zwei Treiberschaltungen, die jeweils mindestens 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,

- die zentrale Steuerschaltung, welche mit der Mess- und Bewertungsschaltung über die Zustandserfassungsleitungen verbunden ist und mittels mindestens einer Signalleitung mit der Steuervorgabeschnittstelle und mittels mindestens einer Schnittstelle zur Vorgabe von Zeitparametern auf der ersten Programmierschnittstelle mit der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit 50 in Verbindung steht und folgende Unterbaugruppen beinhaltet:
- - eine erste Baugruppe als Speicher für den Beginn und Ende der Kommutierung,
- - eine zweite Baugruppe mit einem Regelalgorithmus für Totzeitparameter,
- - eine dritte Baugruppe zur Überwachung der Totzeitregelung,
- - eine vierte Baugruppe als Register für konstante Zeitparameter,
- - eine fünfte Baugruppe mit einem Regelalgorithmus der digitalen Flankenregelung und
- - eine sechste Baugruppe ebenfalls mit einem Regelalgorithmus der digitalen Flankenregelung.

Die Messinduktivität kann derart dimensioniert sein, dass durch eine Stromänderung infolge einer Kommutierung eine auswertbare induzierte Spannung am Messsignalabgriff abgreifbar ist, wodurch bei jedem Schaltvorgang, bei dem eine Kommutierung zwischen dem Steuerpfad und dem Freilaufpfad stattfindet, ein Spannungsimpuls am Messsignalabgriff mit unterschiedlicher Polarität vorhanden ist.
Ein weiterer, zweiter Messsignalabgriff kann vorhanden sein, von dem aus eine weitere Messgröße aus der Leistungsschalteranordnung 23 von der Ansteuereinheit 6 bestimmt und bewertet wird.
Die Mess- und Bewertungsschaltung kann mit Komparatoren versehen sein, die die Zustandssignale der Zustandserfassungsleitungen für die Weiterverarbeitung in der zentralen Steuerschaltung erzeugen, wobei die induzierte Spannung in der Mess- und Bewertungsschaltung mit zwei Referenzpotenzialen in den Komparatoren verglichen wird, wodurch die Polarität der induzierten Spannung feststellbar ist.
Ein weiterer Komparator kann vorhanden sein, der die Spannung der zweiten Steuersignalleitung mit einem Referenzpotenzial, welches ungefähr der Schwellenspannung des zweiten aktiv schaltenden Stellglieds 2 entspricht, vergleicht, wobei festgestellt wird, ob die Spannung an der zweiten Steuersignalleitung sich im Bereich der Schwellenspannung befindet.
Bei dem in derselben Druckschrift beschriebenen Verfahren zur direkten Kommutierung zwischen in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern 1 und 2 in einer Leistungsschalteranordnung 23 sind die Stellglieder 1 und 2 zwischen einem positiven Versorgungspotenzial VS und einem Bezugspotenzial GND angeordnet, werden aktiv eingeschaltet und ausgeschaltet und sind über Steuersignalleitungen mit der Ansteuereinheit 6 verbunden, die eine zentrale Steuerschaltung mit darin befindlichen Unterbaugruppen enthält, wobei der Ansteuereinheit 6 eine übergeordnete Programmier- und Steuereinheit 50 vorgeschaltet ist, wobei unter Einsatz der vorgenannten Vorrichtung folgende Schritte durchgeführt werden:

- gleichzeitige Ansteuerung der beiden aktiv schaltenden Stellglieder 1 und 2 derart, dass bei jedem Schaltvorgang eine direkte Stromübernahme zwischen den beiden aktiv schaltenden Stellgliedern 1 und 2 stattfindet, mittels Ansteuersignalen aus der Ansteuereinheit 6,
- Erfassung des Zeitpunktes des Beginns und Endes der Kommutierung mittels einer Messinduktivität als Steuerkriterien,
- schrittweise Anpassung der Totzeiten zwischen den aktiv schaltenden Stellgliedern auf den Totzeit-Parameterübergabeleitungen und
- schrittweise Angleichung der Kommutierungsgeschwindigkeit beider aktiv schaltender Stellglieder auf eine vorgegebene Kommutierungsdauer nach Abschluss der Anpassung der Totzeiten.

Die übergeordnete Programmier- und Steuereinheit 50 wird bei Applikationen mit jeder Art von Wechselstrommotoren (z.B. Synchronmotoren, Asynchronmotoren und BLDC-Motoren) eingesetzt.
Die leistungselektronische Anordnung 22 enthält die Leistungsschalteranordnung 23 und zumindest Baugruppen aus der Ansteuereinheit 6 sowie besitzt darüber hinaus Ansteuereinheiten zum Steuern wenigstens eines der beiden aktiv schaltenden Stellglieder 1 oder 2. Im Betrieb können erhöhte Störabstrahlung oder Totzeiten während der Schaltvorgänge auftreten. Sowohl die Störabstrahlung als auch die einem festgelegten Regelalgorithmus unterworfenen Totzeiten führen zu unerwünschten Nebenwirkungen, wie z.B. reduziertem Wirkungsgrad, erhöhte Spannungsbelastung der Bauteile durch Überschwingen der Spannung, wie in 4 gezeigt ist, und eine Störung benachbarter Baugruppen. In extremen Fällen bewirkt das Überschwingen einen vorzeitigen Ausfall der leistungselektronischen Anordnung 22 durch Überspannung. Die Totzeit bewirkt außerdem unerwünschte Verzerrungen in der Ausgangssignalform. Die Verzerrungen führen z.B. bei Motorantriebssystemen zu einer Verschlechterung der Laufruhe und zu Fehlern/Abweichungen in der Positionsdetektion, wenn die Positionsdetektion aus Rückmessungen der Strom- und Spannungssignale im Leistungsteil gewonnen werden.
Zur Unterdrückung des Überschwingens der Spannung gibt es spezielle Ansteueranordnungen und Ansteuerverfahren.
Ein Problem besteht unter anderem darin, dass die speziellen Ansteueranordnungen und Ansteuerverfahren jedoch nicht die Reduzierung der Totzeit auf den Wert Null erlauben. Bedingt durch die vorhandene Totzeit erreicht die leistungselektronische Anordnung 22 nicht den maximal möglichen Wirkungsgrad. Es entstehen Verluste durch Spannungsabfälle in den jeweiligen in den Freilauf geschalteten Stellgliedern 1 oder 2.
Einen weiteren Nachteil bringt die Totzeit in der Form, dass sie das gewünschte Ausgangssignal verfälscht. Dadurch entstehen unerwünschte Verzerrungen in der Ausgangssignalform. Enthält die leistungselektronische Anordnung 22 zusätzliche Baugruppen, um Rückmessungen aus der Last 3 vorzunehmen, z.B. im Einsatz in Verbindung mit elektrischen Maschinen, verfälscht eine auftretende Totzeit ebenfalls die Messergebnisse und kann z.B. bei Ansteuerung elektrischer Maschinen zu Fehlern bei der Positionsdetektion führen. Deshalb ist die Minimierung der Totzeit aus mehreren Gesichtspunkten wichtig für die Performance der leistungselektronischen Anordnung 22.
Ein Verfahren zum Einsatz eines Regelalgorithmus für die Totzeitparameter ist im Detail auch in der Druckschrift DE 10 2008 026 499 A1 beschrieben, wobei das Verfahren dazu dienen soll, die Totzeit auf den Wert Null auszuregeln. Das Verfahren benötigt aber dazu die genaue Information über die Schwellenspannung Us der angeschlossenen Stellglieder 1 und 2.
Aus der DE 10 2004 055 358 B3 ist eine Steuerschaltung zum Betreiben geschalteter elektrischer Verbraucher bekannt, die zwischen einem positiven Versorgungspotential und Masse angeordnet sind, mit mindestens einem Halbleiterschalter, dem eine Ansteuerschaltung einschließlich einer Steuersignalübergabeschaltung zugeordnet ist, die ausgangsseitig über eine Steuersignalleitung zur Weiterleitung eines Steuerstromes IS mit der Steuerelektrode des Halbeleiterschalters verbunden ist, wobei der Ansteuerschaltung eine übergeordnete Programmier-Steuereinheit vorgeschaltet ist und eingangsseitig eine vom Verbraucher aus verlaufende Knotenspannungsleitung zugeführt ist.
Weiterhin bekannt aus der DE 10 2008 026 500 A1 ist Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Kommutierungsgeschwindigkeit zwischen in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern mit induktiver Last, wobei die Stellglieder in einer Leistungsschalteranordnung zwischen einem positiven Versorgungspotenzial und einem Bezugspotenzial angeordnet sind, von denen mindestens ein Stellglied aktiv ein- und ausgeschaltet wird und über Steuersignalleitungen mit einer Ansteuerschaltung, die ein zentrales Steuerregister mit darin befindlichen Teilschaltungen enthält, verbunden ist, und der Ansteuerschaltung eine übergeordnete Programmier- und Steuereinheit vorgeschaltet ist.
Ein Problem der oben genannten leistungselektronischen Anordnungen und von anderen herkömmlich gleichartig ausgebildeten leistungselektronischen Anordnungen besteht darin, dass derzeit die genaue Feststellung der Schwellenspannung Us während des Betriebs beim Einsatz des oben genannten bekannten Verfahrens noch nicht möglich ist. Es besteht nur die Möglichkeit, die Schwellenspannung Us der Stellglieder 1 und 2 vor Inbetriebnahme der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit 50 zu messen und die Information in einem zugehörigen Speicher abzulegen. Das ist aber unbefriedigend, da einerseits die Messung vor der Inbetriebnahme einen Zusatzaufwand in der Fertigung darstellt und andererseits die Schwellenspannung U_S während des Betriebs z.B. durch Temperaturänderungen und Alterung nicht konstant bleibt. Abweichungen zwischen der in dem Speicher abgelegten vorgegebenen Schwellenspannung U_SSpeicher und der tatsächlichen Schwellenspannung U_S führen zu einer verringerten Performance der Ansteuerverfahren, d.h. zur Möglichkeit des Auftretens von Querströmen oder Totzeiten mit erhöhter Spannungsbelastung und Strombelastung der Bauteile der leistungselektronischen Anordnung 22.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung der Schwellenspannung von wenigstens zwei leistungselektronischen Stellgliedern unter Last während des laufenden Betriebs anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, die genannten Nachteile zu beheben und die Schwellenspannung Us im laufenden Betrieb zu messen sowie die Information über die gemessene Schwellenspannung U_S sofort dem Ansteuerverfahren zur Verfügung zu stellen. Des Weiteren soll eine EME-arme Ansteuerung gewährleistet werden.
Wesen der Erfindung
Die Aufgabe wird durch die Merkmale von Patentansprüchen gelöst.
Mit demvorgeschlagenen Verfahren zur Messung der Schwellenspannung Us von wenigstens zwei leistungselektronischen aktiv gesteuerten Stellgliedern unter Last während des laufenden Betriebs ist für ein Verfahren zur direkten Kommutierung zwischen den in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern oder für ein Verfahren zur Störgrößenaussendungs(EME)-armen Ansteuerung in einer Leistungsschalteranordnung mit induktiver Last vorgesehen, wobei eine Anordnung mit einer Ansteuereinheit und von Ansteuerschaltungen mit Hilfe eines zeitlich angepassten Ansteuerregimes geschaltet werden,
werden
anstelle der jeweils einem Stellglied zugeordneten Messeinrichtung eine jeweils einem Stellglied zugeordnete Vergleichseinrichtung in der Ansteuereinheit eingebracht und die Detektionseinrichtung den Beginn und/oder das Ende der Stromkommutierung detektiert, wobei die Vergleichseinheit die steuernde Spannung U_GS der Stellglieder mit dem Ausgangswert U einer Generierungseinheit vergleicht, und wobei eine Steuereinheit vorhanden ist, die durch Variation der Ausgangssignale an die Generierungseinheit die Zeitpunkte des Beginns und des Endes der Stromkommutierung mit dem Ansprechen der Vergleichseinrichtung in Übereinstimmung bringt, um die Schwellenspannung U_S des jeweils steuernden Stellglieds zu messen.
Die Steuereinheit kann ihr Ausgangssignal an die Generierungseinheit jeweils zwischen den Schaltvorgängen modifizieren.
Zur äußeren Detektion der Stromkommutierung kann eine separate oder parasitäre Induktivität genutzt werden.
In einer Anordnung zur Messung der Schwellenspannung Us von wenigstens zwei leistungselektronischen aktiv gesteuerten Stellgliedern unter Last während des laufenden Betriebs ist für eine Vorrichtung zur direkten Kommutierung zwischen den in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern oder für eine Vorrichtung zur Störgrößenaussendungs(EME)-armen Ansteuerung in einer Leistungsschalteranordnung mit induktiver Last, die von in einer Ansteuereinheit befindlichen Ansteuerschaltungen mit Hilfe eines zeitlich angepassten Ansteuerregimes geschaltet werden, wobei eine jeweils einem Stellglied zugeordnete Vergleichseinheit in der Ansteuereinheit eingebracht ist und wobei die beiden Stellglieder mit der Ansteuereinheit verbunden sind, wobei vom die beiden Stellglieder verbindenden Ausgangsknoten und vom das zweite Stellglied mit der Messinduktivität des Messpfades verbindenden Verbindungsknoten aus jeweils eine in der Ansteuereinheit befindliche Detektionseinrichtung angeschlossen ist, und wobei an dem Gate-Anschluss der Stellglieder jeweils zwei Ansteuerschaltungen als Treiberschaltungen in der Ansteuereinheit angeschlossen sind, wobei jeweils eine einem Stellglied zugeordnete Generierungseinheit in der Ansteuereinheit eingebracht wird, wobei jedem Gate-Anschluss der beiden Stellglieder jeweils die Vergleichseinheit mit der an der Vergleichseinheit angeschlossenen Generierungseinheit zugeordnet, wobei die Generierungseinheit mit einer Steuereinheit in Verbindung steht und die Schwellenspannung Us für die Vergleichseinheit zum Vergleich bereitstellt und wobei in der Steuereinheit die Ermittlung der jeweiligen steuernden Gate-Source-Spannung U_GS des jeweils aktiv steuernden Stellgliedes mit der in der Steuereinheit vorliegenden vorgegebenen Schwellenspannung Us erfolgt.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, eine automatisierte Messung der Schwellenspannung U_S der beteiligten Stellglieder im laufenden Betrieb durchführen zu können. Bauteile der Anordnung zur Messung der Schwellenspannung bringt z.B. das Verfahren zur Minimierung der Totzeit des in der Druckschrift DE 10 2008 026 499 A1 beschriebenen Verfahrens bzw. der dort auch beschriebenen Vorrichtung mit, so dass die Bauteile durch die erfindungsgemäße Anordnung zur Messung der Schwellenspannung eines Stellglieds unter Last während des laufenden Betriebs mitgenutzt werden können. Es läuft während des Betriebes eine spezielle Auswertesequenz in der Verarbeitungseinrichtung bzw. der Steuereinheit ab, die permanent an den Schaltflanken die Schwellenspannung U_S der elektronischen Stellglieder überwacht und anschließend die Information dem Ansteuerverfahren zur Verfügung stellt.
Weiterbildungen und weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in nachgeordneten Unteransprüchen angegeben.
Figurenliste
Die Erfindung wird mittels Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer leistungselektronische Anordnung nach dem Stand der Technik,
2 eine Programmier- und Steuereinheit nach dem Stand der Technik für Applikationen mit jeder Art von Wechselstrommotoren (z.B. Synchronmotoren, Asynchronmotoren und BLDC-Motoren),
3 eine detailliertes elektrisches Schaltschema für eine Leistungsschalteranordnung nach 2,
4 einen auftretenden Signalverlauf an einer Schaltflanke in der leistungselektronischen Anordnung nach 2 und 3,
5 eine schematische Darstellung zur Messung von Schwellenspannungen an den Stellgliedern im laufenden Betrieb der leistungselektronischen Anordnung,
6 eine weitere schematische Darstellung zur Messung von Schwellenspannungen an den Stellgliedern im laufenden Betrieb der leistungselektronischen Anordnung und
7 einen auftretenden Signalverlauf an einer Schaltflanke in der erfindungsgemäßen leistungselektronischen Anordnung nach 5 oder 6.

In 5 ist eine erste erfindungsgemäße Anordnung 30 zur Messung der Schwellenspannung Us eines leistungselektronischen Stellglieds 1 oder 2 unter Last 3 während des laufenden Betriebs für eine Vorrichtung zur direkten Kommutierung zwischen in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern 1, 2 in einer Leistungsschalteranordnung 23 mit induktiver Last 3 dargestellt, die wenigstens zwei aktiv ansteuerbare Stellglieder 1, 2 aufweist, wobei die Stellglieder 1, 2 als MOSFET ausgebildet sein können und in Reihe geschaltet sind, wobei der Source-Anschluss 27 des einen Stellglieds 1 mit dem Drain-Anschluss 28 des zweiten Stellglieds 2 über einen Anschlussknoten 26 verbunden sind, wobei am Ausgangsknoten 26 der Ausgang A mit der Last 3 angeschlossen ist und wobei der Source-Anschluss 29 des zweiten Stellglieds 2 mit einer Messinduktivität 71 eines Messpfades 7 über einen Verbindungsknoten 31 verbunden ist,
wobei die Stellglieder 1 und 2 mit einer Ansteuereinheit 6 in Verbindung stehen, wobei vom Ausgangsknoten 26 und vom Verbindungsknoten 31 aus jeweils eine Detektionseinrichtung 8, 9 innerhalb der Ansteuereinheit 6 angeschlossen ist, wobei an dem jeweiligen Gate-Anschluss 32, 33 der Stellglieder 1, 2 jeweils zwei parallel geschaltete Ansteuerschaltungen 14, 15 und 16, 17 als Treiberschaltungen in der Ansteuereinheit 6 angeschlossen sind,
wobei jeweils der Gate-Anschluss 32, 33 eines jeden Stellgliedes 1, 2 mit einer Messeinrichtung 18, 19 in der Ansteuereinheit 6 in Verbindung steht, wobei zur jeweiligen Messeinrichtung 18, 19 vom Source-Anschluss 27, 29 aus eine Verbindungsleitung 34, 35 zur Übermittlung des zugehörigen Source-Potenzials geführt ist, so dass an den Messeinrichtungen 18, 19 jeweils die steuernde Gate-Source-Spannung U_GS des jeweiligen Stellglieds 1 oder 2 anliegt, und
in der Ansteuereinheit 6 eine Verarbeitungseinrichtung 20 vorhanden ist, die einerseits mit der ersten Messeinrichtung 18 und der ersten Detektionseinrichtung 8 des ersten Stellglieds 1 und die andererseits mit der zweiten Messeinrichtung 19 und der zweiten Detektionseinrichtung 9 des zweiten Stellglieds 2 in Verbindung steht und
in der ein Vergleich zwischen der steuernden Gate-Source-Spannung U_GS und der von der Verarbeitungseinrichtung 20 bereitgestellten, vorgegebenen Schwellenspannung Us durchgeführt wird.
Die erfindungsgemäße Anordnung 30 kann auch für eine Vorrichtung zur Störgrößenaussendungs(EME-engl. Electromagnetic Emission)-armen Ansteuerung vorgesehen sein.
Bei dem zugehörigen Verfahren zur Messung der Schwellenspannung Us von wenigstens zwei leistungselektronischen aktiv gesteuerten Stellgliedern 1, 2 unter Last 3 während des laufenden Betriebs für ein Verfahren zur direkten Kommutierung zwischen den in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern 1, 2 in einer Leistungsschalteranordnung 23 mit induktiver Last 3 wird die Anordnung 30 mit einer Ansteuereinheit 6 und von Ansteuerschaltungen 14, 15, 16, 17 mit Hilfe eines zeitlich angepassten Ansteuerregimes geschaltet,
wobei erfindungsgemäß die jeweils einem Stellglied 1, 2 zugeordnete Messeinrichtung 18, 19 die steuernde Spannung U_GS1 ; U_GS2 auf einer Leitung 32; 33 des leistungselektronischen aktiv gesteuerten ersten Stellglieds 1 oder des leistungselektronischen aktiv gesteuerten zweiten Stellglieds 2 zu einem bestimmten Messzeitpunkt t_M während eines Schaltvorgangs misst und dem Verfahren zur direkten Kommutierung den Messwert der steuernden Spannung U_GS1 oder U_GS2 als Schwellenspannung U_S des jeweiligen eistungselektronischen Stellglieds 1, 2 zur Verfügung stellt, wobei der Messzeitpunkt t_M mit Hilfe einer Detektionseinrichtung 8, 9 zur Messung des Beginns oder des Endes der Stromkommutierung aus einem Messpfad 7 generiert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch für ein Verfahren zur Störgrößenaussendungs(EME)-armen Ansteuerung eingesetzt werden.
Dabei wird die Verarbeitungseinrichtung 20 zur Generierung des genauen Messzeitpunkts aus dem Ausgangssignal der Detektionseinrichtung 8 genutzt.
In 6 sind in einer weiteren erfindungsgemäßen Anordnung 40 auf der Basis von 5 die beiden ansteuerbaren Stellglieder 1 und 2 mit der Ansteuereinheit 6 verbunden, wobei vom Ausgangsknoten 26 und vom Verbindungsknoten 31 aus über die Verbindungsleitungen 34, 35 jeweils eine Detektionseinrichtung 8, 9 in der Ansteuereinheit 6 geführt ist,
wobei an dem Gate-Anschluss 32, 33 der Stellglieder 1, 2 jeweils zwei parallel geschaltete Ansteuerschaltungen 14, 15 und 16, 17 als Treiberschaltungen in der Ansteuereinheit 6 angeschlossen sind,
wobei jedem Gate-Anschluss 32, 33 der beiden Stellglieder 1 und 2 jeweils eine Vergleichereinheit 10, 11 mit einer an der Vergleichseinheit 10, 11 angeschlossenen Generierungseinheit 12, 13 zugeordnet ist,
wobei die Generierungseinheit 12, 13 mit einer Steuereinheit 21 in Verbindung steht und eine Spannung U zum Vergleich bereitstellt,
wobei in der Steuereinheit 21 die Ermittlung der steuernden Gate-Source-Spannung U_GS des jeweils aktiv steuernden Stellgliedes 1 oder 2 mit der in der Steuereinheit 21 vorliegenden vorgegebenen Schwellenspannung Us erfolgt.
Die erfindungsgemäße Anordnung 40 kann auch für eine Vorrichtung zur Störgrößenaussendungs(EME - engl. Electromagnetic Emission)-armen Ansteuerung vorgesehen sein.
Bei dem zugehörigen Verfahren zur Messung der Schwellenspannung Us von wenigstens zwei leistungselektronischen aktiv gesteuerten Stellgliedern 1, 2 unter Last 3 während des laufenden Betriebs für ein Verfahren zur direkten Kommutierung zwischen den in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern 1, 2 in einer Leistungsschalteranordnung 23 mit induktiver Last 3 wird die Anordnung 40 mit einer Ansteuereinheit 6 und von Ansteuerschaltungen 14, 15, 16, 17 mit Hilfe eines zeitlich angepassten Ansteuerregimes geschaltet,
wobei erfindungsgemäß die jeweils eine einem Stellglied 1, 2 zugeordnete Vergleichseinheit 10, 11 und die jeweils eine einem Stellglied 1, 2 zugeordnete Generierungseinheit 12, 13 in der Ansteuereinheit 6 eingebracht werden, wobei die Vergleichseinheit 10, 11 die steuernde Spannung U_G1 oder U_G2 der Stellglieder 1, 2 mit dem bereitgestellten Ausgangswert U einer Generationseinrichtung 12, 13 vergleicht, die Detektionseinrichtung 8, 9 den Beginn und/oder das Ende der Stromkommutierung detektiert und wobei eine Steuereinheit 21 vorhanden ist, die durch Variation der Ausgangssignale an die Generierungseinrichtung 12, 13 die Zeitpunkte des Beginns und des Endes der Stromkommutierung mit dem Ansprechen der Vergleichseinheit 10, 11 in Übereinstimmung bringt, um die Schwellenspannung Us des jeweils steuernden Stellglieds 1, 2 zu messen.
Dabei modifiziert die Steuereinheit 21 ihr Ausgangssignal an die Generierungseinheit 12, 13 jeweils zwischen den Schaltvorgängen.
Zur äußeren Detektion der Stromkommutierung kann eine separate oder eine parasitäre Induktivität 71 genutzt werden.
Die erfindungsgemäße Anordnung 40 kann auch für eine Vorrichtung zur Störgrößenaussendungs(EME - engl. Electromagnetic Emission)-armen Ansteuerung vorgesehen sein.
Das jeweilige Verfahren nutzt die Information des Beginns und des Endes der Stromkommutierung und wertet dabei die am jeweils aktiv geschalteten Stellglied 1 oder 2 anliegende steuernde Gate-Source-Spannung U_GS aus. Die Schwellenspannung U_S ist die Spannung, die zum Zeitpunkt des Beginns der Stromkommutierung an der Gate-Source-Strecke 24, 25 des aktiv steuernden Stellglieds 1 oder des aktiv steuernden Stellglieds 2 anliegt.
Die Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung 30 in 5 und der erfindungsgemäßen Anordnung 40 in 6 setzt voraus, dass die Laststromrichtung in Leistungsschalteranordnung 23 mit den Stellgliedern 1 und 2 hinreichend oft wechselt. Dies ist bei Applikationen mit jeder Art von Wechselstrommotoren (z.B. Synchronmotoren, Asynchronmotoren und BLDC-Motoren) gegeben.
Die Funktionsweise der beiden vorgenannten erfindungsgemäßen Anordnungen 30, 40 wird nachfolgend erläutert.
In der in 5 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführung der leistungselektronischen Anordnung 30 wertet jeweils die Messeinrichtung 18, 19 die Gate-Source Spannung U_GS1 des aktiv geschalteten Stellglieds 1 oder die Gate-Source Spannung U_GS2 des aktiv geschalteten Stellglieds 2 aus. Die zugehörige Messeinrichtung 18, 19 wird entweder direkt oder mit Hilfe einer weiteren Verarbeitungseinrichtung 20 ausgelöst. Der rückgemessene Spannungswert entspricht dabei der Schwellenspannung U_S des Stellglieds 1 oder der Schwellenspannung U_S des Stellglieds 2. Die Schwellenspannung Us kann dem Verfahren direkt oder nach einer erfolgten Verarbeitung in einer weiteren Verarbeitungseinrichtung zur Verfügung gestellt werden. Die Ausführung der Messung erfordert sehr schnelle Messeinrichtungen 18, 19, die in der Lage sind, innerhalb weniger Nanosekunden das jeweils anliegende Spannungssignal zu erfassen.
In der weiteren, in 6 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführung der leistungselektronischen Anordnung 40 stellt eine Generierungseinheit 12, 13 eine Spannung U - die Generierungsspannung - zur Verfügung. Eine an der Generierungseinheit 12 angeschlossene Vergleichseinheit 10 vergleicht die Generierungsspannung U mit der Gate-Spannung U_G1 am Stellglied 1 oder eine an der Generierungseinheit 12 angeschlossene andere Vergleichseinheit 11 vergleicht die Generierungsspannung U mit der Gate-Spannung U_G2 am Stellglied 2. Die Steuereinheit 21 modifiziert von Schaltflanke 51 zu Schaltflanke 51 die ausgegebene Generierungsspannung U solange, bis die jeweilige Vergleichseinheit 10, 11 zum Vergleich der Gate-Source-Spannung U_GS1 des Stellglieds 1 oder der Gate-Source-Spannung U_GS2 des Stellglieds 2 an der gemäß 7 angegebenen Schaltflanke 51 gleichzeitig mit der Detektionseinheit 8, 9 zur Messung des Beginns und des Endes der Stromkommutierung anspricht. Ist dies der Fall, gibt die Generierungseinheit 12, 13 die Schwellenspannung U_S des Stellglieds 1 oder 2 aus. Die Steuereinheit 21 stellt die ermittelte Schwellenspannung U_S der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit 50 für die zutreffende Applikation zur Verfügung. Die Messung der Schwellenspannung U_S kann immer entweder am steuernden Stellglied 1 oder am steuemden Stellglied 2 vorgenommen werden. Wechselt der Laststrom in der Applikation seine Richtung, findet auch ein Wechsel zwischen dem aktiv steuerndem Stellglied 1 und dem zwischenzeitlich im Freilauf befindlichen Stellglied 2 statt, wobei das vorher aktiv steuernde Stellglied 1 dann zu einem Freilauf-Stellglied wird und nach dem Wechsel das vorherige Freilauf-Stellglied 2 zu einem aktiv steuernden Stellglied wird. Dadurch erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren, während des laufenden Betriebs in der Applikation die Schwellenspannung Us beider Stellglieder 1 und 2 zu messen, wenn die Stromrichtung am Ausgang A 26 hinreichend oft wechselt. Da sich die Schwellenspannung Us der Stellglieder 1 oder 2 nur langsam mit der Temperatur ändert, reichen wenige Vorzeichenwechsel des Laststroms I_LAST je Sekunde aus, um an den angeschlossenen Stellgliedern 1 oder 2 ausreichende Informationen über die Schwellenspannung Us zu erhalten.
In 7 ist ein auftretender Signalverlauf an einer Schaltflanke 51 mitzugehöriger Flankendauer t_F in der erfindungsgemäßen leistungselektronischen Anordnung 30 nach 5 oder in der erfindungsgemäßen leistungselektronischen Anordnung 40 nach 6 dargestellt, wobei durch Anwendung des Verfahrens Schwingungen im Bereich der Schaltflanke 51 wirksam vermieden werden. In 7 stellen V_DS,RS die Phasenspannung, V_GS,RS die Gate-Source-Spannung des einen Stellglieds 1 zur Masse und V_GS,CS die Gate-Source-Spannung des anderen Stellglieds 2 dar. Dabei erfolgt im Zeitpunkt des Endes der Stromkommutierung die Messung im Messpunkt t_M , wobei der Messpunkt t_M der Schaltflanke 51 zugeordnet ist und am Stromverlauf des Drainstromes i_D1 angegeben ist.
Die Applikationen können mit jeder Art von Wechselstrommotoren (z.B. Synchronmotoren, Asynchronmotoren und BLDC-Motoren) vorgenommen werden.
Bezugszeichenliste

1: Erstes Stellglied
2: Zweites Stellglied
3: Last
4: Positiver Pol der Spannungsversorgung
5: Negativer Pol der Spannungsversorgung
6: Ansteuereinheit
7: Messpfad
71: Messinduktivität
8: Erste Detektionseinrichtung zur Messung des Beginns und des Endes der Stromkommutierung
9: Zweite Detektionseinrichtung zur Messung des Beginns und des Endes der Stromkommutierung
10: Erste Vergleichseinheit
11: Zweite Vergleichseinheit
12: Erste Generierungseinheit
13: Zweite Generierungseinheit
14: Erste Ansteuerschaltung
15: Zweite Ansteuerschaltung
16: Dritte Ansteuerschaltung
17: Vierte Ansteuerschaltung
18: Erste Messeinrichtung
19: Zweite Messeinrichtung
20: Verarbeitungseinrichtung
21: Steuereinheit
22: Leistungselektronische Anordnung nach dem Stand der Technik
23: Leistungsschalteranordnung
24: Erste Gate-Source-Strecke
25: Zweite Gate-Source-Strecke
26: Ausgangsknoten mit Ausgang A
27: Erster Source-Anschluss
28: Zweiter Drain-Anschluss
29: Zweiter Source-Anschluss
30: Erfindungsgemäße leistungselektronische Anordnung
31: Verbindungsknoten
32: Erster Gate-Anschluss
33: Zweiter Gate-Anschluss
34: Verbindungsleitung
35: Verbindungsleitung
36: Erster Drain-Anschluss
40: Erfindungsgemäße leistungselektronische Anordnung
50: Übergeordnete Programmier- und Steuereinheit
51: Schaltflanke
U: Generierungsspannung
U_GS: Gate-Source-Spannung/steuernde Spannung
U_G: Gate-Spannung
U_S: Schwellenspannung
U_SSpeicher: Schwellenspannung im Speicher
V_DS,RS: Phasenspannung
V_GS,RS: Gate-Source-Spannung des einen Stellglieds zur Masse
V_GS,CS: Gate-Source-Spannung des anderen Stellglieds
t_F: Flankendauer
t_M: Messzeitpunkt

Claims

Verfahren zur Messung der Schwellenspannung Us von wenigstens zwei leistungselektronischen aktiv gesteuerten Stellgliedern (1, 2) unter Last (3) während des laufenden Betriebs für ein Verfahren zur direkten Kommutierung zwischen den in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern (1, 2) oder für ein Verfahren zur Störgrößenaussendungs(EME)-armen Ansteuerung in einer Leistungsschalteranordnung (23) mit induktiver Last (3), wobei eine Anordnung mit einer Ansteuereinheit (6) und von Ansteuerschaltungen (14, 15, 16, 17) mit Hilfe eines zeitlich angepassten Ansteuerregimes geschaltet werden, wobei eine jeweils einem Stellglied (1, 2) zugeordnete Vergleichseinheit (10, 11) in der Ansteuereinheit (6) eingebracht wird und eine Detektionseinrichtung (8, 9) den Beginn und/oder das Ende der Stromkommutierung detektiert, dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweils einem Stellglied (1, 2) zugeordnete Generierungseinheit (12, 13) in der Ansteuereinheit (6) eingebracht wird, die Vergleichseinheit (10, 11) die steuernde Spannung U_G1 oder U_G2 der Stellglieder (1, 2) mit dem bereitgestellten Ausgangswert U einer Generationseinrichtung (12, 13) vergleicht, wobei eine Steuereinheit (21) vorhanden ist, die durch Variation der Ausgangssignale an die Generierungseinrichtung (12, 13) die Zeitpunkte des Beginns und des Endes der Stromkommutierung mit dem Ansprechen der Vergleichseinheit (10, 11) in Übereinstimmung bringt, um die Schwellenspannung U_S des jeweils steuernden Stellglieds (1, 2) zu messen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (21) ihr Ausgangssignal an die Generierungseinheit (12, 13) jeweils zwischen den Schaltvorgängen modifiziert.
Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur äußeren Detektion der Stromkommutierung eine separate oder parasitäre Induktivität (71) genutzt wird.
Anordnung (40) zur Messung der Schwellenspannung Us von wenigstens zwei leistungselektronischen aktiv gesteuerten Stellgliedern (1, 2) unter Last während des laufenden Betriebs für eine Vorrichtung zur direkten Kommutierung zwischen den in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern (1, 2) oder für eine Vorrichtung zur Störgrößenaussendungs(EME)-armen Ansteuerung in einer Leistungsschalteranordnung (23) mit induktiver Last (3), die von in einer Ansteuereinheit (6) befindlichen Ansteuerschaltungen (14, 15, 16, 17) mit Hilfe eines zeitlich angepassten Ansteuerregimes geschaltet werden, wobei eine jeweils einem Stellglied (1, 2) zugeordnete Vergleichseinheit (10, 11) in der Ansteuereinheit (6) eingebracht ist und wobei die beiden Stellglieder (1; 2) mit der Ansteuereinheit (6) verbunden sind, wobei vom die beiden Stellglieder (1, 2) verbindenden Ausgangsknoten (26) und vom das zweite Stellglied (2) mit der Messinduktivität (71) des Messpfades verbindenden Verbindungsknoten (31) aus jeweils eine in der Ansteuereinheit (6) befindliche Detektionseinrichtung (8, 9) angeschlossen ist, wobei an dem Gate-Anschluss (32, 33) der Stellglieder (1, 2) jeweils zwei Ansteuerschaltungen (14, 15; 16, 17) als Treiberschaltungen in der Ansteuereinheit (6) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass unter Einsatz des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, eine jeweils einem Stellglied (1, 2) zugeordnete Generierungseinheit (12, 13) in der Ansteuereinheit (6) eingebracht ist, wobei jedem Gate-Anschluss (32, 33) der beiden Stellglieder (1, 2) jeweils die Vergleichseinheit (10, 11) mit der an der Vergleichseinheit (10, 11) angeschlossenen Generierungseinheit (12, 13) zugeordnet ist, wobei die Generierungseinheit (12, 13) mit einer Steuereinheit (21) in Verbindung steht und die Schwellenspannung Us für die Vergleichseinheit (10, 11) zum Vergleich bereitstellt und wobei in der Steuereinheit (21) die Ermittlung der jeweiligen steuernden Gate-Source-Spannung U_GS des jeweils aktiv steuernden Stellgliedes (1, 2) mit der in der Steuereinheit (21) vorliegenden vorgegebenen Schwellenspannung U_S erfolgt.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellglieder (1, 2) als MOSFETS ausgebildet sind.