DE102012207689A1

DE102012207689A1 - Steuereinheit für eine elektrische Maschine und Verfahren

Info

Publication number: DE102012207689A1
Application number: DE102012207689A
Authority: DE
Inventors: Pascal Hiry; Gerhard Walter; Benno Koeppl
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Infineon Technologies AG
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Infineon Technologies AG
Priority date: 2012-05-09
Filing date: 2012-05-09
Publication date: 2013-11-14
Also published as: WO2013167323A3; WO2013167323A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Steuereinheit für eine elektrische Maschine. Die Steuereinheit weist eine Leistungsendstufe auf, und eine mit der Leistungsendstufe verbundene Verarbeitungseinheit. Die Verarbeitungseinheit ist ausgebildet, die Leistungsendstufe zum Bestromen der elektrischen Maschine und zum Erzeugen eines magnetischen Drehfeldes anzusteuern. Die Leistungsendstufe weist wenigstens eine Halbleiterschalter-Halbbrücke umfassend zwei Halbleiterschalter, insbesondere Feldeffekt-Transistoren auf, wobei die Halbleiterschalter jeweils eine zu dem Halbleiterschalter parallel geschaltete Diode umfasst. Die Leistungsendstufe ist ausgebildet, eine im generatorischen Betrieb der Maschine erzeugte Spannung gleichzurichten. Erfindungsgemäß weist die Steuereinheit einen mit den Dioden verbundenen Stromsensor auf. Der Stromsensor ist ausgebildet, im generatorischen Betrieb einen durch die Diode fließenden Strom zu erfassen und ein den Strom repräsentierendes Stromsignal zu erzeugen. Die Steuereinheit ist ausgebildet, den zu der Diode parallel geschalteten Halbleiterschalter in Abhängigkeit des Stromsignals leitend durchzusteuern.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Steuereinheit für eine elektrische Maschine. Die Steuereinheit weist eine Leistungsendstufe auf, und eine mit der Leistungsendstufe verbundene Verarbeitungseinheit. Die Verarbeitungseinheit ist ausgebildet, die Leistungsendstufe zum Bestromen der elektrischen Maschine und zum Erzeugen eines magnetischen Drehfeldes anzusteuern. Die Leistungsendstufe weist wenigstens eine Halbleiterschalter-Halbbrücke umfassend zwei Halbleiterschalter, insbesondere Feldeffekt-Transistoren auf, wobei die Halbleiterschalter jeweils eine zu dem Halbleiterschalter parallel geschaltete Diode umfasst. Die Leistungsendstufe ist ausgebildet, eine im generatorischen Betrieb der Maschine erzeugte Spannung gleichzurichten.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß weist die Steuereinheit einen mit den Dioden verbundenen Stromsensor auf. Der Stromsensor ist ausgebildet, im generatorischen Betrieb einen durch die Diode fließenden Strom zu erfassen und ein den Strom repräsentierendes Stromsignal zu erzeugen. Die Steuereinheit ist ausgebildet, den zu der Diode parallel geschalteten Halbleiterschalter in Abhängigkeit des Stromsignals leitend durchzusteuern.
Der Stromsensor ist beispielsweise durch einen Shunt-Widerstand mit einer mit dem Shunt-Widerstand verbundenen Spannungserfassungsvorrichtung gebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Stromsensor durch eine eingangsseitig mit den Schaltanschlüssen des Halbleiterschalters verbundene Spannungserfassungsvorrichtung gebildet, welche ausgebildet ist, eine über den Schaltanschlüssen abfallende, den Strom durch die Schaltstrecke repräsentierende Spannung zu erfassen und ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die Spannung und somit auch den erfassten Strom repräsentiert. Das zuvor erwähnte Stromsignal entspricht dem Ausgangssignal des Stromsensors. Bevorzugt weist die Spannungserfassungsvorrichtung einen Analog-Digital-Wandler, weiter bevorzugt zusätzlich einen mit einem Ausgang des Analog-Digitalwandlers verbundenen Komparator auf. Der Komparator ist ausgebildet, ein von dem Analog-Digaitalwandler ezeugtes digitales, den Strom repräsentierendes Spannungssignal zu diskriminieren. In einer anderen Ausführungsform ist der Stromsensor durch einen induktiven Stromsensor, beispielsweise ein Zangenamperemeter gebildet, welcher ausgebildet und angeordnet ist, den durch die Diode, insbesondere Bodydiode des Halbleiterschalters fließenden Strom induktiv zu erfassen.
Dadurch kann vorteilhaft im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine eine über den Dioden als Gleichrichterdioden abfallende elektrische Verlustleistung vorteilhaft reduziert werden. Das geschieht vorteilhafterweise dadurch, dass der Strom des durch die Leistungsendstufe gebildeten Gleichrichters während des generatorischen Betriebs über die Halbleiterschalter fließt, welche im durchgeschalteten Zustand einen geringeren ohmschen Widerstand aufweisen als die zu diesen parallel geschalteten passiven Gleichrichterdioden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, den Halbleiterschalter leitend durchzusteuern, nachdem die Diode in Durchlassrichtung stromleitend geworden ist. So kann die aktive Steuerung der Leistungsendstufe im Gleichrichterbetrieb vorteilhaft in Abhängigkeit des Diodenstroms gesteuert werden. Dadurch entfallen vorteilhaft zusätzliche Bauelemente, wie beispielsweise Nulldurchgangsschalter, welche die Leistungsendstufe im Gleichrichterbetrieb in Abhängigkeit von Nulldurchgängen der Generatorspannung ansteuern.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, mittels des Stromsensors im motorischen Betrieb einen defekten Halbleiterschalter zu erfassen und ein Ausgangssignal zu erzeugen, das den defekten Halbleiterschalter repräsentiert. Der Stromsensor ist bevorzugt durch eine Spannungserfassungsvorrichtung gebildet, welche eingangsseitig zu der Diode und somit zu einer Schaltstrecke des Halbleiterschalters parallel geschaltet ist. Die Spannungserfassungsvorrichtung kann so vorteilhaft sowohl im motorischen als auch im generatorischen Betrieb jeweils zueinander verschiedene Aufgaben erfüllen.
Bevorzugt ist der Stromsensor ausgebildet, den Strom in einem periodisch wiederkehrenden Erfassungszeitintervall zu erfassen, wobei der Stromsensor ausgebildet ist, den Strom im generatorischen Betrieb im Vergleich zum motorischen Betrieb amplitudenverschoben zu erfassen. Durch das Erfassungszeitintervall kann beispielsweise vorteilhaft ein Erfassungsfenster gebildet sein, welches beim Übergang vom motorischen Betrieb zum generatorischen Betrieb in seinem Amlitudenoffset verschoben wird. Beispielsweise kann dazu das Stromsignal zwischen einem invertierenden und einem nichtinvertierenden Eingang eines Eingangsverstärkers des Stromsensors umgeschaltet werden.
Die Steuereinheit kann dazu beispielsweise ausgebildet sein, ein Steuersignal, insbesondere ein pulsweitenmoduliertes Steuersignal zum Ansteuern des Stromsensors zu invertieren. So wird vorteilhaft das Zeitfenster, gebildet durch das Erfassungszeitintervall, mittels des Invertierens des Ansteuersignals beim Wechsel zwischen motorischen und generatorischen Betrieb phasenverschoben.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Stromsensor ausgebildet, den Strom im generatorischen Betrieb im Vergleich zum motorischen Betrieb mit zueinander verschiedener Auflösung zu erfassen.
Die Auflösung ist beispielsweise durch eine Wandlungsbitrate eines Analog-Digitalwandlers, oder durch einen Messbereich des Stromsensors gebildet. Der Strom im Fehlerfall des Halbleiterschalters im motorischen Betrieb, welcher durch den defekten Halbleiterschalter fließt, beträgt beispielsweise zwischen 300 und 500 Ampere. Der Strom, welcher im generatorischen Betrieb über die Diode, insbesondere eine Body-Diode des Halbleiterschalters fließt, beträgt beispielsweise zwischen zehn Ampere und 200 Ampere.
Der Stromsensor kann beispielsweise mit einem Widerstandsnetzwerk verbunden sein, wobei das Widerstandsnetzwerk ausgangsseitig mit dem Analog-Digitalwandler verbunden ist. Der Analog-Digitalwandler ist bevorzugt Bestandteil der Steuereinheit, und ist ausgangsseitig bevorzugt mit der Verarbeitungseinheit verbunden. Die Verarbeitungseinheit ist bevorzugt ausgebildet, in Abhängigkeit des vom Stromsensor erzeugten Stromsignals die Halbleiterschalter der Halbbrücke der Leistungsendstufe zum Gleichrichten der von der elektrischen Maschine erzeugten Generatorspannung anzusteuern.
Bevorzugt ist die Steuereinheit ausgebildet, den Halbleiterschalter im generatorischen Betrieb in Abhängigkeit eines vorbestimmten Stromwertes des Diodenstromes zu sperren. So wird zu Beginn einer Halbwelle einer periodisch ausgebildeten Generatorspannung die Gleichrichtung zuerst von der Diode übernommen, woraufhin im weiteren Verlauf eines Spannungsanstieges der Halbwelle das Gleichrichten von dem dann durchgeschalteten Halbleiterschalter erfolgt. So kann eine im weiteren Spannungsverlauf erzeugte elektrische Verlustleistung gering gehalten werden, da der ohmsche Widerstand des durchgeschalteten Halbleiterschalters vorteilhaft geringer ist als der Widerstand der Diode im Durchlassfall.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, den Halbleiterschalter im generatorischen Betrieb in Abhängigkeit eines vorbestimmten Zeitintervalls nach dem Durchschalten zu sperren. So kann vorteilhaft mittels des Diodenstromes das Einschalten des entsprechenden Halbleiterschalters für das vorbestimmte Zeitintervall getriggert werden.
Die Steuereinheit ist in einer anderen Ausführungsform ausgebildet, den Halbleiterschalter im generatorischen Betrieb in Abhängigkeit des vorbestimmten Stromwertes des Diodenstromes zu sperren. Dadurch kann vorteilhaft ein Zeitzähler zum Erzeugen eines Durchschalt-Zeitintervalls eingespart werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Steuereinheit einen Treiber auf, welcher mit der Leistungsendstufe verbunden und ausgebildet ist, die Leistungsendstufe anzusteuern und der Treiber wenigstens einen Stromsensor aufweist und einen mit dem Stromsensor verbundenen Ausgang aufweist und ausgebildet ist, ein vom Stromsensor erzeugtes, den Diodenstrom repräsentierendes digitales oder analoges Ausgangssignal am Ausgang bereitzustellen. Dadurch kann der Stromsensor vorteilhaft aufwandsgünstig bereitgestellt werden und mit einem kurzen Signalweg zur Schaltstrecke des Halbleiterschalters angeordnet sein. Weiter vorteilhaft kann der Stromsensor im Motorbetrieb einen defekten Halbleiterschalter erfassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Halbleiterschalter ein Feldeffekttransistor, insbesondere ein MIS-FET (MIS = Metal-Insulated-Semiconductor), ein MOS-FET (MOS = Metal-Oxide-Semiconductor) oder ein IGBT-Transistor (IGBT = Insulated-Gate-Bipolar-Transistor). Die Diode ist bevorzugt eine Body-Diode des Feldeffekttransistors.
Die Erfindung betrifft auch eine elektrische Maschine mit einer Steuereinheit der vorbeschriebenen Art. Bei der elektrischen Maschine ist bevorzugt die Leistungsendstufe ausgangsseitig mit Statorspulen eines Stators der elektrischen Maschine verbunden. Bevorzugt weist die Leistungsendstufe für jede Statorspule des Stators wenigstens eine Halbbrücke auf. Beispielsweise weist der Stator drei Statorspulen auf. Die Leistungsendstufe weist beispielsweise eine B6-Brücke oder eine 3-H-Brücke auf.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, bei dem mittels eines Stromsensors ein in einer Schaltstrecke eines Halbleiterschalters einer Leistungsendstufe fließender Strom erfasst wird und ein den Strom repräsentierendes Stromsignal erzeugt wird. Bei dem Verfahren wird im motorischen Betrieb der elektrischen Maschine in Abhängigkeit des Stromsignals ein Defekt, insbesondere ein Kurzschluss einer Schaltstrecke oder eine hochohmig gewordene Schaltstrecke eines Halbleiterschalters erfasst und im generatorischen Betrieb in Abhängigkeit des Stromsignals ein durch eine Bodydiode des Halbleiterschalters in Durchlassrichtung fließender Strom erfasst, wobei der Halbleiterschalter im Gleichrichterbetrieb der Leistungsendstufe in Abhängigkeit des Stromsignals leitend durchgesteuert wird.
Dadurch wird vorteilhaft ein Durchlasswiderstand des Halbleiterschalters im Gleichrichterbetrieb im Vergleich zum passiven Diodenbetrieb der Leistungsendstufe reduziert.
Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von weiteren Ausführungsbeispielen beschrieben. Weiter vorteilhafte Ausführungsvarianten ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche und den in den Figuren beschriebenen Merkmalen.
1 zeigt – schematisch – ein Ausführungsbeispiel für eine elektrische Maschine 1;
2 zeigt ein Diagramm, in welchem währende eines Generatorbetriebs der in 1 dargestellten elektrischen Maschine erfasste Zeitsignale dargestellt sind.
1 zeigt – schematisch – ein Ausführungsbeispiel für eine elektrische Maschine 1. Die elektrische Maschine 1 weist einen Stator 3 und einen Rotor 5 auf. Der Stator 3 weist in diesem Ausführungsbeispiel drei Statorspulen 7, 8 und 9 auf. Anders als in diesem Beispiel kann der Stator 3 auch mehr als drei, beispielsweise fünf, sechs oder fünf bis zehn Statorspulen aufweisen. Die Statorspulen können in Sternschaltung oder Dreieckschaltung, – im Falle von fünf Statorspulen im Pentagon – miteinander verbunden sein.
Die elektrische Maschine 1 weist auch eine Steuereinheit 2 mit einer Leistungsendstufe 10 auf, welche in diesem Ausführungsbeispiel zum Bestromen des Stators 3, insbesondere der Statorspulen 7, 8 und 9 und zusätzlich dazu zum Gleichrichten einer während eines Generatorbetriebs der elektrischen Maschine erzeugten Generatorspannung ausgebildet ist.
Die Leistungsendstufe 10 weist dazu eine B6-Brücke, in diesem Ausführungsbeispiel drei Halbleiterschalter-Halbbrücken auf. Die Halbleiterschalter-Halbbrücken sind in diesem Ausführungsbeispiel als Transistor-Halbbrücken ausgebildet. Von den Transistor-Halbbrücken umfasst eine erste Transistor-Halbbrücke einen High-Side-Transistor 30 und einen Low-Side-Transistor 32. Eine zweite Transistor-Halbbrücke umfasst einen High-Side-Transistor 36 und einen Low-Side-Transistor 34. Eine dritte Transistor-Halbbrücke umfasst einen High-Side-Transistor 38 und einen Low-Side-Transistor 40. Die Transistoren 30, 32, 34, 36, 38 und 40 sind in diesem Ausführungsbeispiel jeweils als MOS-FET-Transistoren ausgebildet. Die MOS-FET-Transistoren weisen jeweils eine zur Schaltstrecke des MOS-FET-Transistors parallel geschaltete, sogenannte Body-Diode auf. Eine Body-Diode 31 des Transistors 30 und eine Body-Diode 33 des Transistors 32 sind beispielhaft bezeichnet.
Die Leistungsendstufe 10 weist in diesem Ausführungsbeispiel für jede Halbbrücke drei Ausgänge auf. Die Ausgänge 26, 28 und 29 sind in diesem Ausführungsbeispiel beispielhaft mit der ersten Halbbrücke, umfassend die Transistoren 30 und 32, verbunden. Der Ausgang 29 ist mit einem Source-Anschluss des Transistors 32 verbunden. Ein Drain-Anschluss des Transistors 32 ist mit einem Source-Anschluss des Transistors 30 verbunden. Die Halbbrücke, umfassend die Transistoren 30 und 32 weist einen Ausgang 45 auf, welcher mit dem Drain-Anschluss des Transistors 32 und mit dem Source-Anschluss des Transistors 30 verbunden ist. Der Ausgang 45 ist über eine Verbindungsleitung 50 mit einem ersten Anschluss der Statorspule 8 verbunden. Die Transistor-Halbbrücke umfassend die Transistoren 36 und 34 weist einen Ausgang 47 auf, welcher über eine Verbindungsleitung 48 mit einem ersten Anschluss der Statorspule 9 verbunden ist. Die Halbbrücke, umfassend die Transistoren 38 und 40, weist einen Ausgang 49 auf, welcher über eine Verbindungsleitung 46 mit dem ersten Anschluss der Statorspule 7 verbunden ist. Zweite Anschlüsse der Statorspulen 7, 8 und 9 sind mit einem gemeinsamen Sternanschluss verbunden.
Die Leistungsendstufe 10 weist einen Ausgang 28 auf, welcher mit dem Ausgang 45 verbunden ist. Die Leistungsendstufe 10 weist auch einen Ausgang 26 auf, welcher mit einem Drain-Anschluss des Transistors 30 verbunden ist.
Zwischen den Ausgängen 26 und 28 kann somit eine über der Schaltstrecke des Transistors 30, und somit auch über der Body-Diode 31 abfallende Spannung während eines Betriebs der Leistungsendstufe 10 von einem Treiber 11 erfasst werden. Zwischen den Ausgängen 28 und 29 kann eine über der Body-Diode 33 des Transistors 32 abfallende Spannung während des Betriebs der Leistungsendstufe 10 erfasst werden.
Die Steuereinheit 2 weist auch einen Treiber 11 auf. Die Ausgänge 26, 28 und 29 sind jeweils mit dem Treiber 11, welcher in diesem Ausführungsbeispiel als Gate-Treiber für die Leistungsendstufe 10 ausgebildet ist, verbunden.
Der Treiber 11 weist wenigstens einen Stromsensor auf. Der Treiber 11 weist in diesem Ausführungsbeispiel für jeden Transistor einen Stromsensor auf. Der Stromsensor für den Transistor 30 ist beispielhaft dargestellt und umfasst einen Analog-Digital-Wandler 12 und in diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich einen mit dem Ausgang des Analog-Digitalwandlers 12 verbundenen Komparator 15. Der Komparator 15 ist ausgebildet, das vom Analog-Digital-Wandler 12 erzeugte Ausgangssignal zu diskriminieren und ein diskriminiertes Ausgangssignal zu erzeugen.
Der Stromsensor kann zusätzlich zu dem Analog-Digital-Wandler 12 und dem Komparator 15 einen diesem im Signalweg vorangeschalteten Eingangsverstärker aufweisen.
Der Treiber 11 weist in diesem Ausführungsbeispiel den Analog-Digital-Wandler 12 auf, welcher eingangsseitig mit den Ausgängen 26 und 28 verbunden ist. Mittels des Analog-Digital-Wandlers 12 und des Komparators ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Stromsensor gebildet, welcher eine über der Body-Diode 31 abfallende Spannung und somit den Strom durch die Bodydiode erfassen kann.
Die Steuereinheit 2 weist auch eine Verarbeitungseinheit 14 auf. Die Verarbeitungseinheit 14 ist beispielsweise durch ein FPGA (FPGA = Field-Programmable-Gate-Array), ein ASIC (ASIC = Application-Specific-Integrated-Circuit), einen Mikrocontroller oder einen Mikroprozessor gebildet. Der Analog-Digital-Wandler 12 des Treibers 11 ist ausgangsseitig über einen Ausgang 24 mit einer Verarbeitungseinheit 14 verbunden. Die Verarbeitungseinheit 14 ist eingangsseitig mit einem Zeitgeber 16 verbunden.
Der Zeitgeber 16 ist ausgebildet, einen Zeittakt zu erzeugen und für einen Rechenprozess, welcher von der Verarbeitungseinheit 14 erzeugt werden kann, zur Verfügung zu stellen. Der Zeitgeber 16 ist beispielsweise durch einen Schwingquarz gebildet.
Die Verarbeitungseinheit 14 ist über eine Verbindung 22, beispielsweise einen Daten-Bus, insbesondere einen SPI-Bus, oder für jede Steuerleitung der Transistoren separat mit dem Treiber 11 verbunden. Die Verarbeitungseinheit 14 ist ausgebildet, Steuersignale zum Ansteuern der Steueranschlüsse der Halbbrücken der Leistungsendstufe 10, in diesem Ausführungsbeispiel der Gate-Anschlüsse der Transistoren 30, 32, 34, 36, 38 und 40 zu erzeugen und diese über den Daten-Bus 22 an den Treiber 11 zu senden.
Der Treiber 11 ist ausgebildet, in Abhängigkeit der eingangsseitig empfangenen, von der Verarbeitungseinheit 14 erzeugten Steuersignale zum Durchsteuern oder Sperren der Transistoren 30, 32, 34, 36, 38 und 40 zu erzeugen und diese über eine Verbindung 20 an die Leistungsendstufe 10 zu senden. Die Verarbeitungseinheit 14 ist ausgebildet, die Steuersignale zum Durchsteuern oder Sperren der Transistoren derart zu erzeugen, dass die Leistungsendstufe 10 im Motorbetrieb der elektrischen Maschine 1 den Stator 3 zum Erzeugen eines magnetischen Drehfeldes bestromen kann. Im generatorischen Betrieb wirkt die Leistungsendstufe 10 als Gleichrichter. Die von der Leistungsendstufe 10 gleichgerichtete Wechselspannung, erzeugt von dem Stator 3 im generatorischen Betrieb, kann beispielsweise in einem Bordnetz eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeuges, bereitgestellt werden. Die bereitgestellte Spannung kann beispielsweise in eine Batterie, insbesondere einen Akkumulator zurückgespeist werden.
Die Leistungsendstufe 10, insbesondere die Drain-Anschlüsse der Transistoren 30, 36 und 38 sind mit einem Anschluss 27 verbunden, welcher mit einem Batteriepotenzial verbunden ist. Die Source-Anschlüsse der Transistoren 32, 34 und 40 sind jeweils mit dem Anschluss 29 verbunden. Der Anschluss 29 ist über einen Shunt-Widerstand 42 mit einem Massepotenzial 44 verbunden. In einer anderen Ausführungsform weist die Leistungsendstufe für jede Halbbrücke einen Shunt-Widerstand auf, sodass die Halbbrückenströme getrennt voneinander erfasst werden können.
Der Treiber 11, welcher ebenfalls mit dem Massepotenzial 44 verbunden ist, ist ausgebildet, von dem Ausgang 29 eine über dem Shunt-Widerstand 42 abfallende Spannung zu erfassen. Auf diese Weise kann der Treiber 11 den Strom erfassen, welcher durch die Halbbrücken der Leistungsendstufe 10 fließt. Während eines generatorischen Betriebs der elektrischen Maschine 1 repräsentiert der durch den Shunt-Widerstand 42 fließende Strom und somit das am Ausgang 29 bereitgestellte Ausgangssignal die Ströme, die während eines vorbestimmten Zeitintervalls jeweils durch die Body-Dioden der Transistoren fließen. Der Treiber 11 weist als weiteren Stromsensor auch einen Analog-Digital-Wandler 13 auf, welcher eingangsseitig mit dem Ausgang 29 und dem Masseanschluss 44 verbunden ist. Der Analog-Digital-Wandler 13 ist ausgangsseitig über einen Anschluss 25 mit der Verarbeitungseinheit 14 verbunden. Die Verarbeitungseinheit 14 ist ausgebildet, im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine – gesteuert durch das Zeitsignal des Zeitgebers 16 – die über den jeweiligen Body-Dioden der Transistoren der Leistungsendstufe 10 abfallende Spannung zu erfassen. Die Verarbeitungseinheit 14 ist ausgebildet, in Abhängigkeit der an dem Ausgang 29, und/oder zwischen den Ausgängen 28 und 29, oder zusätzlich zwischen den Ausgängen 26 und 28 erfassten Spannung eine im Durchlassfall der jeweiligen Body-Diode, über der jeweiligen Body-Diode abfallende Spannung zu erfassen. Die über der Body-Diode abfallende Spannung repräsentiert den durch die Body-Diode 31 fließenden Strom. Die Verarbeitungseinheit 14 ist weiter ausgebildet, in Abhängigkeit der von den Ausgängen 26, 28 und 29 empfangenen Spannungen den Leistungstransistor durchzusteuern, dessen Body-Diode in Durchlassrichtung einen Strom führt. Die Ausgänge 26 und 28 sind beispielhaft mit der Schaltstrecke des Transistors 30 verbunden.
Die Funktionsweise der Steuereinheit 2 wird im Folgenden beschrieben:
Wenn im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 1 durch die Body-Diode 31 ein Strom in Durchlassrichtung fließt, so fällt zwischen den Ausgängen 26 und 28 eine Spannung in Abhängigkeit des Durchlasswiderstandes der Body-Diode 31 ab. Diese an den Ausgängen 26 und 28 bereitgestellte Spannung kann vom Analog-Digital-Wandler 12 gewandelt werden und ein diese Spannung repräsentierendes digitales Ausgangssignal – beispielsweise über den Komparator 15 diskriminiert – am Ausgang 24 zum Weiterverarbeiten durch die Verarbeitungseinheit 14 bereitgestellt werden. Die Verarbeitungseinheit 14 kann in Abhängigkeit des von der Treiberstufe 11 erzeugten digitalen Signals während des generatorischen Betriebs ein Steuersignal zum Durchsteuern des Transistors 30 erzeugen und dieses über dem Daten-Bus 22 zum Treiber 11 senden. Der Treiber 11 kann in Abhängigkeit des Steuersignals das Steuersignal zum Durchsteuern des Transistors 30 erzeugen und dieses über die Verbindung 20 an den Gate-Anschluss des Transistors 30 senden.
Während eines motorischen Betriebs der elektrischen Maschine 1 kann mittels des Analog-Digital-Wandlers 12 und es Komparators 15 ein Defekt des Transistors 30, beispielsweise eine dauerhaft hochohmig gewordene Schaltstrecke des Transistors 30 – erfasst werden. Das von dem Analog-Digital-Wandler 12 empfangene Eingangssignal ist im Vergleich zum generatorischen Betrieb positiv und weist eine größere Amplitude auf als im generatorischen Betrieb.
Der Treiber 11 weist zum Umschalten des Analog-Digital-Wandlers 12 vom generatorischen in den motorischen Betrieb einen Eingang 23 auf, wobei der Analog-Digital-Wandler 12 ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines am Eingang 23 empfangenen Steuersignals seine Bit-Auflösung zum Wandeln des analogen Signals in ein digitales Signal zu ändern. Beispielsweise kann der Analog-Digital-Wandler im motorischen Betrieb mit einer 4- oder einer 8-Bit-Auflösung arbeiten und im generatorischen Betrieb zum Erfassen kleiner Spannungen – beispielsweise im Bereich zwischen 10 Millivolt und 100 Millivolt – mit einer Auflösung von 16 oder 32 Bit arbeiten.
Der Eingang 23 ist mit der Verarbeitungseinheit 14 verbunden. Die Verarbeitungseinheit 14 kann zum Umschalten des Treibers 11 vom motorischen in den generatorischen Betrieb und umgekehrt ein entsprechendes Steuersignal erzeugen und dieses ausgangsseitig zum Eingang 23 senden. Die Verarbeitungseinheit 14 ist in diesem Ausführungsbeispiel – unabhängig oder zusätzlich zu der bereits beschriebenen Variante der Änderung der Bit-Auflösung – ausgebildet, ein Erfassungszeitintervall, welches ein periodisch getaktetes Erfassungsfenster bildet, beim Wechsel vom motorischen in den generatorischen Betrieb und umgekehrt hinsichtlich seines Amplitudenoffset zu verschieben. Auf diese Weise kann von der Verarbeitungseinheit 14 am Eingang 24 während des motorischen Betriebs ein Fehlersignal erfasst werden, welches eine Überlast der Leistungsendstufe 10 durch den defekten Halbleiterschalter 30 repräsentiert.
2 zeigt ein Diagramm, welches die in 1 bereits beschriebenen Steuerabläufe der Verarbeitungseinheit 14 und des Treibers 11 veranschaulicht. Das Diagramm weist eine Zeitachse 60 und eine Amplitudenachse 62 auf. Dargestellt ist eine Kurve 70, welcher eine Generatorspannung eines Phasenstranges der elektrischen Maschine 1, beispielsweise des Phasenstranges umfassend die Statorspule 8, repräsentiert. Dargestellt ist auch das Spannungsniveau 80 der Batteriespannung, welche in 1 am Eingang 27 anliegt. Dargestellt ist auch das Niveau des Massepotenzials 82, welches in 1 am Masseanschluss 44 anliegt.
Die Kurve 70 repräsentiert zusammen mit den gestrichelt dargestellten Kurven 72 und 74 einen Spannungsverlauf der elektrischen Maschine 1 im Generatorbetrieb für den Strang der Statorspule 8, wobei die Halbbrücke umfassend die Transistoren 30 und 32 der Leistungsendstufe 10, insbesondere die Body-Dioden 31 und 33 passiv als Gleichrichterelemente wirken. Dargestellt ist auch ein Signal 67, welches von dem in 1 dargestellten Analog-Digital-Wandler 12 erzeugt wird, vom Komparator 15 diskriminiert worden ist und von der Verarbeitungseinheit 14 am Ausgang 24 empfangen werden kann. Das Signal 67 repräsentiert den Spannungsabfall über der Body-Diode 31 beziehungsweise über der Body-Diode 33 in digitalisierter Form dem Betrage nach. Während des Zeitintervalls 63 fällt während eines ansteigenden Spannungsverlaufes, während die Body-Diode 31 leitend durchgeschaltet ist, eine Spannung über dem ohmschen Serienwiderstand der Body-Diode 31 ab. Das am Ausgang 24 von dem Treiber 11 bereitgestellte Signal repräsentiert während des Zeitintervalls 63 beispielsweise eine logische Eins. Die Verarbeitungseinheit 14 ist ausgebildet, in Abhängigkeit dieses Signals 67 zum Zeitpunkt 78 den Gate-Anschluss des Transistors 30 durchzusteuern. Die Spannung des Spannungsverlaufes 70 bricht dann während des Zeitintervalls 68 sichtbar zusammen, weil der Serienwiderstand der Schaltstrecke des Transistors 30 im durchgesteuerten Zustand geringer ist als der Serienwiderstand der Body-Diode 31 im Durchlassfall. Zum Zeitpunkt 79 kann – gesteuert durch das Zeitsignal des Zeitgebers 16 in 1 in Verbindung mit einem von der Verarbeitungseinheit repräsentierten Zeitzähler – der Steueranschluss des Transistors 30 wieder gesperrt werden. Während des Zeitintervalls 77 wirkt dann die Body-Diode 31 des Transistors 30 wieder als Gleichrichterelement.
Anders als zuvor beschrieben kann auch ohne ein Starten eines Zeitzählers durch die Verarbeitungseinheit 14 im Zeitintervall 77 oder am Ende des Zeitintervalls 77 der Transistor 30 in Abhängigkeit der über der Schaltstrecke des Transistors 30 abfallenden Spannung gesperrt werden. Dazu ist die Verarbeitungseinheit 14 in 1 ausgebildet, in Abhängigkeit des am Ausgang 24 bereitgestellten Digitalsignals, oder des am Ausgang 25 bereitgestellten Digitalsignals den Transistor 30 noch bevor die generatorisch erzeugte Phasenspannung ins Negative fällt, zu sperren. Das Digitalsignal am Ausgang 25 repräsentiert in diesem Beispiel keine bloße binäre Zustandserfassung, sondern vielmehr eine fein aufgelöste, über dem Shunt-Widerstand 42 erfasste Spannungsänderung, welche nach dem Zeitintervall 77 im Zeitintervall 75 von der Verarbeitungseinheit 14 erfasst werden kann, und noch bevor die generatorisch erzeugte Phasenspannung ins Negative fällt, der Transistor 30 gesperrt wird. Der zugehörige Spannungsverlauf 73 ist während des Zeitintervalls 77 gestrichelt gekennzeichnet. Während des Zeitintervalls 77 repräsentiert der Spannungsverlauf 73 dann den noch durchgeschalteten Transistor 30.
Die Kurve 64 repräsentiert einen Phasenzustand des Gleichrichters im generatorischen Betrieb. Die Verarbeitungseinheit 14 ist ausgebildet, in Abhängigkeit des Signals 64 die Gate-Anschlüsse der Transistoren der Leistungsendstufe 10 zu steuern und insbesondere das zuvor erwähnte Erfassungszeitfenster in Abhängigkeit des Signals 64 in seiner Phase zu verschieben. Dargestellt ist auch ein Signal 65, welches das Steuersignal zum Steuern des Gate-Anschlusses des Low-Side-Transistors 32 repräsentiert. Das Signal 66 repräsentiert das Steuersignal zum Steuern des Gate-Anschlusses des Transistors 30. Während des Zeitintervalls 69 ist der Low-Side-Transistor 32, insbesondere in Abhängigkeit der zwischen den Ausgängen 28 und 29 erfassten Spannung, durchgeschaltet.
Die Verarbeitungseinheit 14 in 1 ist beispielsweise ausgebildet, eine Drehzahländerung der Drehzahl der elektrischen Maschine in Abhängigkeit einer Veränderung des Zeitintervalls 77 zu erfassen. Die Verarbeitungseinheit 14 ist beispielsweise ausgebildet, das Zeitintervall 68 in Abhängigkeit einer Veränderung des Zeitintervalls 77 zu erzeugen. Auf diese Weise kann die elektrische Maschine 1, insbesondere die Verarbeitungseinheit 14, den Abschaltzeitpunkt 79 zum Abschalten des Transistors 30 in Abhängigkeit der Veränderung des Zeitintervalls 77 regeln.

Claims

Steuereinheit (2 für eine elektrische Maschine (1), mit einer Leistungsendstufe (10), und mit einer mit der Leistungsendstufe (10) verbundenen Verarbeitungseinheit (14), wobei die Verarbeitungseinheit (14) ausgebildet ist, die Leistungsendstufe zum Bestromen der Maschine (1) und zum Erzeugen eines magnetischen Drehfeldes anzusteuern, wobei die Leistungsendstufe (10) wenigstens eine Halbleiterschalter-Halbbrücke umfassend zwei Halbleiterschalter (30, 32) aufweist, wobei der Halbleiterschalter (30, 32) eine zu dem Halbleiterschalter (30, 32) parallelgeschaltete Diode (31, 33) umfasst, wobei die Leistungsendstufe (10) ausgebildet ist, eine im generatorischen Betrieb der Maschine (1) erzeugte Spannung (70) gleichzurichten, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) wenigstens einen mit den Dioden (31, 33) verbundenen Stromsensor (12, 13, 15) aufweist, welcher ausgebildet ist, im generatorischen Betrieb einen durch die Diode (31, 33) fließenden Strom zu erfassen und ein den Strom repräsentierendes Stromsignal (67) zu erzeugen und den zu der Diode (31, 33) parallelgeschalteten Halbleiterschalter (30, 32) in Abhängigkeit des Stromsignals (67) leitend durchzusteuern.
Steuereinheit (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) ausgebildet ist, den Halbleiterschalter (30, 32) leitend durchzusteuern, nachdem die Diode (31, 33) in Durchlassrichtung stromleitend geworden ist.
Steuereinheit (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) ausgebildet ist, mittels des Stromsensors (12) im motorischen Betrieb einen defekten Halbleiterschalter (30, 32) zu erfassen und ein Ausgangssignal zu erzeugen, das den defekten Halbleiterschalter (30, 32) repräsentiert.
Steuereinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor (12, 13) ausgebildet ist, den Strom in einem periodisch wiederkehrenden Erfassungszeitintervall (63, 68, 77) zu erfassen, wobei der Stromsensor (12, 13) ausgebildet ist, den Strom im generatorischen Betrieb im Vergleich zum motorischen Betrieb amplitudenverschoben zu erfassen.
Steuereinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor (12) ausgebildet ist, den Strom im generatorischen Betrieb im Vergleich zum motorischen Betrieb mit zueinander verschiedener Auflösung, insbesondere Bit-Auflösung zu erfassen.
Steuereinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) ausgebildet ist, den Halbleiterschalter (30, 32) im generatorischen Betrieb in Abhängigkeit eines vorbestimmten Stromwertes des Diodenstromes zu sperren.
Steuereinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) ausgebildet ist, den Halbleiterschalter (30, 32) im generatorischen Betrieb in Abhängigkeit eines vorbestimmten Zeitintervalls (68, 69) nach dem Durchschalten (78) zu sperren.
Steuereinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) einen Treiber (11) aufweist, welcher mit der Leistungsendstufe (10) verbunden und ausgebildet ist, die Leistungsendstufe (10) anzusteuern und der Treiber (11) wenigstens einen Stromsensor (12) aufweist und einen mit dem Stromsensor (12) verbundenen Ausgang (24) aufweist und ausgebildet ist, ein vom Stromsensor (12) erzeugtes, den Diodenstrom repräsentierendes digitales oder analoges Ausgangssignal am Ausgang (24) bereitzustellen.
Elektrische Maschine (1) mit einer Steuereinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leistungsendstufe (10) ausgangsseitig mit Statorspulen (7, 8, 9) eines Stators (3) der elektrischen Maschine (1) verbunden ist.
Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (1), bei dem mittels eines Stromsensors (12, 13) ein in einer Schaltstrecke eines Halbleiterschalters (30, 32) einer Leistungsendstufe (10) fließender Strom erfasst wird und ein den Strom repräsentierendes Stromsignal (67) erzeugt wird, wobei im motorischen Betrieb der elektrischen Maschine in Abhängigkeit des Stromsignals ein Defekt eines Halbleiterschalters (30, 32) erfasst wird und im generatorischen Betrieb in Abhängigkeit des Stromsignals (67) ein durch eine Body-Diode (31, 33) des Halbleiterschalters (30, 32) in Durchlassrichtung fließender Strom erfasst wird, wobei der Halbleiterschalter (30, 32) im Gleichrichterbetrieb der Leistungsendstufe (10) in Abhängigkeit des Stromsignals (67) leitend durchgesteuert wird.