DE102013105439A1 - Floatende beschaltung einer diode zur sperrschichttemperaturmessung - Google Patents

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Abstract

Die Beschreibung umfasst eine Vorrichtung zur Beschaltung einer Diode 2 zur Messung der Sperrschichttemperatur eines Leistungsschalters 1, wobei der Leistungsschalter 1 Teil eines Wechselrichters zur Ansteuerung eines Antriebsmotors 9 einer Lenkunterstützung eines Fahrzeugs ist, umfassend: eine Konstantstromquelle 8 zum Einprägen eines Stroms IF durch die Diode 2, wobei die Vorrichtung eine Konstantspannungsquelle 7 zum Einprägen der Spannung VF über der Diode 2 umfasst.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beschaltung einer Diode zur Messung der Sperrschichttemperatur eines Leistungsschalters, eine Servolenkung für ein Kraftfahrzeug, ein Lenksystem und Verfahren zur Messung der Sperrschichttemperatur eines Leistungsschalters.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Im Stand der Technik ist das Einprägen eines Stroms einer Diode zur Temperaturmessung bekannt.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Bei einer Beschaltung einer Temperaturmessdiode mit eingeprägtem Strom besteht das Risiko, dass die Spannung der Diode durch Potentialschwankungen überlagert wird. Hierdurch ergibt sich eine durch externe Effekte bedingte schwankende Spannung, wodurch das Messergebnis verfälscht werden kann.
  • Eine Aufgabe ist daher, eine Beschaltung für eine Temperaturmessdiode zur Verfügung zu stellen, die eine Verfälschung des Messergebnisses durch externe Potentialschwankungen ausschließen kann.
  • Als erste Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Beschaltung einer Diode zur Messung der Sperrschichttemperatur eines Leistungsschalters zur Verfügung gestellt, wobei der Leistungsschalter Teil eines Wechselrichters zur Ansteuerung eines Antriebsmotors einer Lenkunterstützung eines Fahrzeugs ist, umfassend: eine Konstantstromquelle zum Einprägen eines Stroms durch die Diode, wobei die Vorrichtung eine Konstantspannungsquelle zum Einprägen der Spannung über der Diode umfasst.
  • Durch die Ausbildung der Beschaltung der Temperaturmessdiode mit einer Spannungsquelle ergibt sich ein floatendes System in das die Temperaturmessdiode eingebettet ist. Externe Spannungspotentialschwankungen können so keinen Einfluss auf das Messergebnis nehmen.
  • Als zweite Ausführungsform der Erfindung wird eine Servolenkung für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt, umfassend: einen Antriebsmotor zum Erzeugen eines Antriebsmoments auf eine Zahnstange eines Lenksystems und einen Wechselrichter zur Ansteuerung des Antriebsmotors, wobei der Wechselrichter eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfasst.
  • Als dritte Ausführungsform der Erfindung wird ein Lenksystem zur Verfügung gestellt, umfassend eine Servolenkung nach Anspruch 7.
  • Als vierte Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Messung der Sperrschichttemperatur eines Leistungsschalters nach den Ansprüchen 1 bis 6 zur Verfügung gestellt, umfassend die Schritte: Einspeisen eines konstanten Vorwärtsstroms in die Diode und Messen der Vorwärtsspannung der Diode während einer Zeitspanne.
  • Als fünfte Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Messung der Sperrschichttemperatur eines Leistungsschalters nach den Ansprüchen 1 bis 6 zur Verfügung gestellt, umfassend die Schritte: Konstanthalten der Vorwärtsspannung der Diode und Messen des Vorwärtsstroms der Diode während der Zeitspanne.
  • Zur Sperrschichttemperaturmessung beispielsweise eines Mosfets kann die Sensordiode/Diode grundsätzlich auf zwei verschiedene Vorgehensweisen beschaltet werden. Zum einen kann in die Diode in Durchlassrichtung ein konstanter Strom eingespeist werden und die temperaturabhängige Spannung der Diode gemessen werden. Zum anderen kann die Durchlassspannung der Diode konstant gehalten werden und der Diodenstrom gemessen werden und daraus die Sperrschichttemperatur ermittelt werden.
  • Beispielhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei die Konstantstromquelle oder die Konstantspannungsquelle ein Widerstand ist oder als Widerstand geschaltet und/oder ausgebildet ist.
  • Durch das Ersetzen der Konstantspannungsquelle oder der Konstantstromquelle durch einen Widerstand kann der Schaltungsaufwand verringert werden.
  • In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei die Diode als Si-Diode, Suppressordiode, Schottkydiode, PIN-Diode oder als Zenerdiode ausgebildet ist.
  • Durch die Verwendung von Standardtypen von Dioden, beispielsweise einer Si-Diode, einer Suppressordiode, einer Schottkydiode, einer PIN-Diode oder einer Zenerdiode, kann ein kostengünstiger Aufbau eines erfindungsgemäßen Bauteils erreicht werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei die Diode 1, 2, 3, 4, 5, oder beliebig viele Teildioden umfasst und/oder wobei die Diode oder wobei die 1, 2, 3, 4, 5 oder die beliebig vielen Teildioden thermisch mit der Sperrschicht des Leistungsschalters gekoppelt sind.
  • Durch eine Verwendung von mehreren Dioden, die in Reihe geschaltet sind, kann eine Linearisierung der UF der Diode erfolgen.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei der Leistungsschalter ein Mosfet oder ein IGBT ist.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei die Diode zur Temperaturmessung eines Lowside- oder Highside-Leistungsschalters vorgesehen ist oder wobei die Diode zur Temperaturmessung eines Leistungsschalters eines Phasentrenners angeordnet ist.
  • In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei während der Zeitspanne der Leistungsschalter nicht angesteuert bzw. nicht niederohmig geschaltet ist.
  • Wird während ein Leistungsschalter niederohmig geschaltet ist die Vorwärtsspannung einer Temperaturmessdiode durch einen Operationsverstärker gemessen, so besteht die Gefahr, dass aufgrund der hohen Ströme durch den Leistungsschalter Spannungen als Messfehler eingehen, die sich beispielsweise durch Bondanschlusswiderstände ergeben. Vorteilhafterweise wird daher ein Messvorgang durchgeführt während der entsprechende Leistungsschalter hochohmig bzw. offgeschaltet ist.
  • Als eine Idee der Erfindung kann angesehen werden, eine Beschaltung für eine Diode zur Sperrschichttemperaturmessung zur Verfügung zu stellen, die eine Konstantstromquelle und eine Konstantspannungsquelle umfasst, wodurch externe Potentialschwankungen keinen Einfluss auf das Messergebnis nehmen können.
  • Die einzelnen Merkmale können selbstverständlich auch untereinander kombiniert werden, wodurch sich zum Teil auch vorteilhafte Wirkungen einstellen können, die über die Summe der Einzelwirkungen hinausgehen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele deutlich. Es zeigen
  • 1 ein Schaltbild eines Bauteils mit einem Mosfet des N-Kanal-Typs mit Temperaturmessdiode,
  • 2 ein Schaltbild eines Bauteils mit einem Mosfet des P-Kanal-Typs mit Temperaturmessdiode,
  • 3 Verläufe von Vorwärtsspannungen einer Temperaturdiode über eine Temperaturänderung bei unterschiedlichen eingeprägten Diodenströmen IF,
  • 4 ein Schaltbild eines Wechselrichters mit sechs Leistungsschaltern zur Ansteuerung eines Antriebsmotors einer Servolenkung,
  • 5 eine erfindungsgemäße Beschaltung einer Temperaturdiode,
  • 6 eine erfindungsgemäße Beschaltung einer Endstufe/eines Wechselrichters /einer Halbbrücke.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER
  • AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 zeigt ein Bauteil mit einem Mosfet 1 vom N-Kanal-Typ, das einen Drainanschluss D, einen Sourceanschluss S und einen Gateanschluss G umfasst. Das Bauteil weist eine Diode 2 auf, die in sehr gutem thermischen Kontakt mit der Sperrschicht des Mosfets 1 ist. Die Kathode der Diode 2 ist innerhalb des Bauteils mit dem Sourceanschluss S des Bauteils verbunden, wodurch vorteilhafterweise nur ein Anschluss der Diode 2 aus dem Bauteil herausgeführt werden muss, um die Diode 2 zu beschalten. Außerdem weist der Mosfet 1 eine Bodydiode 3 auf.
  • 2 zeigt ein Bauteil mit einem Mosfet 4 vom P-Kanal-Typ ist. Die Sperrschichttemperatur des Mosfets 4 kann durch eine Anordnung einer Diode 5 analog zu der Ausführungsform der 1 bestimmt werden, wobei die Anode der Diode 5 mit dem Sourceanschluss S des Mosfets 4 verbunden ist und der Kathodenanschluss K der Diode 5 aus dem Bauteil herausgeführt ausgebildet ist. Außerdem ist eine Bodydiode 6 dargestellt.
  • 3 zeigt eine Schar von Kennlinien, die die Durchlassspannungen /Vorwärtsspannungen UF, die über eine Diode abfallen, bezüglich der Temperatur in Grad Celsius darstellen. Hierbei ergeben sich in Abhängigkeit von dem Parameter des konstant gehaltenen Vorwärtsstroms IF parallel verschobene Kennlinien. Die betreffende Diode kann dabei zur Sperrschichttemperaturmessung eines Mosfets genutzt werden. Hierbei wird das Phänomen der Temperaturabhängigkeit der Vorwärtsspannung ausgenutzt. Bei einer SI-Diode (Silizium-Diode) ist beispielsweise eine Vorwärtsspannungsänderung ∆VF in Abhängigkeit von der Temperatur von ca. –2mV/K zu erwarten. Um den temperaturabhängigen Effekt der Vorwärtsspannung nutzen zu können, muss ein konstanter Strom IF durch die Diode in Vorwärtsrichtung fließen. Es ist dabei zu beachten, dass der Strom IF in Vorwärtsrichtung klein genug ist, dass die Mosfet-Temperatur nicht durch die Verlustleistung, die durch den Diodenstrom selbst entsteht, beeinflusst wird. Bei den Ausführungsformen der 1 und 2 kann ein konstanter Diodenstrom IF mit einer hochgenauen Stromquelle erzeugt und über die herausgeführten Anodenanschlüsse A bzw. S eingespeist werden.
  • 4 zeigt eine Wechselrichterschaltung mit sechs Leistungs-Mosfets 1. Die Sperrschichttemperaturen der Leistungs-Mosfets 1 können durch Dioden 2 gemessen werden. Die Wechselrichterstufe/Endstufe dient zur Ansteuerung eines Drehstrom-Elektromotors/Antriebsmotors 9 einer Servolenkung (EPS-Wechselrichter). Die Sperrschichttemperatur ist die wichtigste zu begrenzende Größe eines Leistungsschalters 1, wie beispielsweise eines Mosfets/Power-Mosfets/Leistungs-Mosfets/IGBTs. Eine maximale Sperrschichttemperatur darf im Betrieb nicht bzw. nicht dauerhaft überschritten werden. Andernfalls droht ein thermischer Event, beispielsweise ein thermisch bedingter Kurzschluss, im Bauteil und das Bauteil funktioniert nicht mehr korrekt bzw. fällt vollständig aus. Der Ausfall eines oder mehrerer Mosfets eines EPS-Wechselrichters kann zum Blockieren der Lenkung des betreffenden Fahrzeugs führen. Eine Messung der jeweils aktuellen Sperrschichttemperatur ist sinnvoll, um zum einen das Leistungspotential des EPS-Wechselrichters voll ausschöpfen zu können und zum anderen eine Blockierung der Lenkung sicher ausschließen zu können.
  • Würde man für die Beschaltung beispielsweise der Temperaturmessdioden 2 der Highside-Leistungsschalter 1 das Potential GND als Bezugspotential verwenden, so ergäbe sich zwischen Source S des Highside-Leistungsschalters 1 und GND ein floatendes Potential, wodurch Potentialsprünge bezüglich GND am Anoden- und am Sourceanschluss entstehen würden. Außerdem ergäben sich Stromschwankungen der Diode 2 aufgrund einer sich ändernden Versorgungsspannung an der Konstantstromquelle, wodurch sich systematische Messfehler bei der Sperrschichttemperaturmessung ergeben können.
  • 5 zeigt eine erfindungsgemäße Beschaltung eines Leistungsschalters 1 mit einer Diode 2 zur Messung der Sperrschichttemperatur des Leistungsschalters 1. Der Leistungsschalter 1 ist als Mosfet ausgebildet. Erfindungsgemäß wird ein Strom durch eine Konstantstromquelle 8 und eine Spannung durch eine Konstantspannungsquelle 7 derart eingeprägt, dass der Operationsverstärker 10 eine korrekte Messung entsprechend den Temperaturverhältnissen an der Sperrschicht des Leistungsschalters 1 vornehmen kann. Würde keine Konstantspannungsquelle 7 angeordnet werden, sondern stattdessen ein floatendes Potential die Stromquelle 8 versorgen, so könnte nicht davon ausgegangen werden, dass die Spannung Vf der Schichttemperatur des Leistungsschalters 1 entspricht. Stattdessen müsste davon ausgegangen werden, dass die Spannung Vf durch externe Potentialschwankungen überlagert wird. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 10 kann einem Analogdigitalkonverter ADC zugeführt werden. In einer alternativen Ausführungsform kann statt der Konstantspannungsquelle 7 ein Widerstand vorgesehen sein. Durch die Anordnung der Konstantstromquelle 8 stellt der Widerstand faktisch eine Konstantspannungsquelle dar. In einer weiteren Ausführungsform wird statt der Konstantstromquelle ein zweiter Widerstand angeordnet. Durch die Konstantstromquelle 8 ergibt sich faktisch aus dem zweiten Widerstand eine Konstantspannungsquelle. Vorteilhafterweise wird eine Messung der Vorwärtsspannung VF der Diode 2 zu einem Zeitpunkt bzw. während einer Zeitdauer vorgenommen, während der der Leistungsschalter 1 nicht angesteuert und daher nicht kurzgeschlossen ist. Ansonsten würde sich durch den hohen Strom durch den Leistungsschalter 1 eine erhebliche Spannung UMF ergeben, die das Messergebnis des Operationsverstärkers 10 verfälschen würde. Die Spannung der Konstantspannungsquelle 7 muss größer oder zumindest gleich groß der maximal möglichen Vorwärtsspannung VF der Diode 2 zuzüglich der von der Konstantstromquelle 8 benötigten Spannung sein, damit eine korrekte Messung durchgeführt werden kann.
  • 6 zeigt einen Wechselrichter/eine Endstufe mit insbesondere der Beschaltung der Diode 2 zur Messung der Sperrschichttemperatur des Leistungsschalters 1. Der Leistungsschalter kann als Mosfet (wie in dieser 6) oder als IGBT ausgebildet sein. Um externe Einflüsse auf das Messergebnis auszuschließen, wird die Diode 2 mit einer Konstantstromquelle 8 und einer Konstantspannungsquelle 7 beschaltet. Ein floatendes Versorgungspotential wird somit vermieden.
  • Es bestehen unterschiedliche Möglichkeiten der Realisierung/Integration der erfindungsgemäßen Beschaltung der Temperaturmessdiode. Beispielsweise kann die Konstantstromquelle und/oder die Konstantspannungsquelle diskret oder integriert in einem Endstufentreiber/ASIC ausgebildet sein. Ferner kann die Signalaufbereitungsschaltung des Messwertes, insbesondere die Verstärkerschaltung und die AD-Wandlung, als diskrete Schaltung oder als Schaltungsblock im Endstufentreiber oder im Mosfet integriert werden.
  • Die durch die Dioden 2 ermittelten Temperaturinformationen können dazu genutzt werden, die Leistungsschalter bzw. Mosfets vor einer thermischen Überlastung zu schützen. Wird beispielsweise eine kritische Sperrschichttemperatur erreicht, wird die Lenkunterstützung für das Fahrzeug reduziert und somit die Verlustleistung, die in den Wechselrichter-Mosfets entsteht, verringert. Als weitere Anwendungsmöglichkeit könnte aus den direkt gemessenen Mosfets-Sperrschichttemperaturen ein Temperaturstrommodell abgeleitet werden, mit dem die aktuellen Motorphasenströme geschätzt werden können. Dies hat den Vorteil, dass Sensoren für die Phasenstrommessung entfallen können.
  • Der Vorteil der Mosfet-Temperaturmessung ergibt sich aus der Genauigkeit der Temperaturmesswerte, die sich direkt auf die Sperrschichttemperatur des Mosfets beziehen. Es werden somit keine komplexen thermischen Modelle mehr benötigt, bei denen z.B. aus einer NTC-Sensortemperatur die Mosfet-Temperatur abgeleitet werden muss. Somit kann gegebenenfalls ein derartiger NTC-Sensor zur Bestimmung der Endstufentemperatur entfallen und Kosten eingespart werden.
  • Als weitere Variante wäre es denkbar, dass die Spannung VF konstant gehalten wird und der Strom IF in Abhängigkeit der Sperrschichttemperatur gemessen wird. Bei dieser Variante muss allerdings berücksichtigt werden, dass der Vorwärtsstrom IF sehr klein ist. Ein derart erhaltener Strom IF könnte mit Hilfe eines Stromspiegels verstärkt werden und als Spannung an einem Messshunt abgegriffen werden. Der Spannungsabfall am Messshunt entspräche dann der Sperrschichttemperatur des Leistungs-Mosfets.
  • Es sei angemerkt, dass der Begriff „umfassen“ weitere Elemente oder Verfahrensschritte nicht ausschließt, ebenso wie der Begriff „ein“ und „eine“ mehrere Elemente und Schritte nicht ausschließt.
  • Die verwendeten Bezugszeichen dienen lediglich zur Erhöhung der Verständlichkeit und sollen keinesfalls als einschränkend betrachtet werden, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die Ansprüche wiedergegeben wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Leistungs-Mosfet
    2
    Temperaturdiode
    3
    Bodydiode
    4
    Leistungs-Mosfet
    5
    Temperaturdiode
    6
    Bodydiode
    7
    Konstantspannungsquelle
    8
    Konstantstromquelle
    9
    Antriebsmotor
    10
    Operationsverstärker
    11
    induktive Last
    A
    Anodenanschluss
    D
    Drainanschluss
    G
    Gateanschluss
    IF
    Vorwärtsstrom einer Diode
    R1
    Widerstand
    R2
    Widerstand
    R3
    Widerstand
    R4
    Widerstand
    R5
    Widerstand
    S
    Sourceanschluss
    ADC
    Analogdigitalkonverter
    GND
    Ground
    UBAT
    Gleichspannung
    UF
    Vorwärtsspannung einer Diode
    UPH
    Spannung an einem Phasenstrang des Drehstrom-Elektromotors

Claims (11)

  1. Vorrichtung zur Beschaltung einer Diode (2) zur Messung der Sperrschichttemperatur eines Leistungsschalters (1), wobei der Leistungsschalter (1) Teil eines Wechselrichters zur Ansteuerung eines Antriebsmotors (9) einer Lenkunterstützung eines Fahrzeugs ist, umfassend eine Konstantstromquelle (8) zum Einprägen eines Stroms (IF) durch die Diode (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Konstantspannungsquelle (7) zum Einprägen der Spannung (VF) über der Diode (2) umfasst.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstantstromquelle (8) oder die Konstantspannungsquelle (7) ein Widerstand ist oder als Widerstand geschaltet und/oder ausgebildet ist.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode (2) als Si-Diode, Suppressordiode, Schottkydiode, PIN-Diode oder als Zenerdiode ausgebildet ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode (2) 1, 2, 3, 4, 5, oder beliebig viele Teildioden umfasst und/oder wobei die Diode (2) oder wobei die 1, 2, 3, 4, 5 oder die beliebig vielen Teildioden thermisch mit der Sperrschicht des Leistungsschalters (1) gekoppelt sind.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsschalter (1) ein Mosfet oder ein IGBT ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode (2) zur Temperaturmessung eines Lowside- oder Highside-Leistungsschalters (1) vorgesehen ist oder wobei die Diode zur Temperaturmessung eines Leistungsschalters eines Phasentrenners angeordnet ist.
  7. Servolenkung für ein Kraftfahrzeug umfassend einen Antriebsmotor (9) zum Erzeugen eines Antriebsmoments auf eine Zahnstange eines Lenksystems und einen Wechselrichter zur Ansteuerung des Antriebsmotors (9), dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
  8. Lenksystem umfassend eine Servolenkung nach Anspruch 7.
  9. Verfahren zur Messung der Sperrschichttemperatur eines Leistungsschalters (1) nach den Ansprüchen 1 bis 6, umfassend die Schritte Einspeisen eines konstanten Vorwärtsstroms (IF) in die Diode (2) und Messen der Vorwärtsspannung (VF) der Diode (2) während einer Zeitspanne.
  10. Verfahren zur Messung der Sperrschichttemperatur eines Leistungsschalters (1) nach den Ansprüchen 1 bis 6, umfassend die Schritte Konstanthalten der Vorwärtsspannung (VF) der Diode (2) und Messen des Vorwärtsstroms (IF) der Diode (2) während der Zeitspanne.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei während der Zeitspanne der Leistungsschalter (1) nicht angesteuert bzw. nicht niederohmig geschaltet ist.
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