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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektierung eines Fehlerstroms einer H-Brückenschaltung und eine Vorrichtung zur Detektierung eines Fehlerstroms einer H-Brückenschaltung.
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Im Stand der Technik werden in aktiven Vollbrücken zum Schutz von Halbleiterschalttransistoren vor eventuell auftretenden Kurzschlüssen z. B. eigensichere Halbleiter wie Zenerdioden als integrierter Kurzschlussschutz verwendet. Unter Eigensicherheit wird verstanden, dass durch die Vollbrücke selbst verhindert wird, dass bestimmte Strom- oder Spannungswerte überschritten werden und die Speicherung elektrischer Energie in der Vollbrücke begrenzt ist. Ebenfalls bekannt ist es, Brückentreiber mit Kurzschlussüberwachung einzusetzen. Bei Verwendung von eigensicheren Halbleitern ist eine Taktung von mehr als 2 kHz fast unmöglich. Der Grund liegt darin, dass wie bei allen elektrischen Bauteilen mit Filterwirkung auch bei eigensicheren Halbleitern deren Frequenzgang durch den Durchlassbereich und den Sperrbereich bestimmt wird. Aufgrund des begrenzten Frequenzgangs wird jedoch damit einhergehend die Flankensteilheit durch die eigensicheren Halbleiter reduziert. Dies limitiert die mögliche Taktung auf die besagten 2 kHz.
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Brückentreiber mit Kurzschlussüberwachung erreichen bezüglich ihrer generierten Taktfrequenz ihre Grenzen bei 20 bis 30kHz. Um eine höhere Taktfrequenz betreiben zu können, sind zwar in einer aktiven Vollbrücke Halbleiterschalttransistoren bzw. Brückentreiber ungeschützt vor Kurzschlüssen verwendbar, was jedoch das Risiko einer Zerstörung von Halbleiterschalttransistoren und Brückentreibern durch Kurzschlüsse mit sich bringen könnte.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, mittels dessen ein Kurzschluss in einer H-Brückenschaltung auch bei hohen Taktfrequenzen schnell erkennbar ist, um eine Zerstörung der Schaltelemente zu vermeiden.
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Die Aufgabe wird jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Es wird ein Verfahren zur Detektierung eines Fehlerstroms einer H-Brückenschaltung geschaffen, wobei die H-Brückenschaltung einen Treiber zum Steuern von Schaltelementen bei einer Taktfrequenz aufweist, wobei die H-Brückenschaltung in einem Brückenzweig eine Last aufweist, aufweisend die Schritte:
- – Messen einer ersten Stromstärke in dem Brückenzweig an einer Eingangsseite der Last,
- – Messen einer zweiten Stromstärke in dem Brückenzweig an einer Ausgangsseite der Last,
- – Ermitteln einer Differenz zwischen der ersten Stromstärke und der zweiten Stromstärke mittels einer Ermittlungseinrichtung,
- – Deaktivieren der H-Brückenschaltung, wenn die Differenz einen Toleranzwert übersteigt.
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Das Verfahren hat den Vorteil, dass Fehlerströme wie Kurzschlüsse und/oder zusätzliche unerwünschte Lastströme innerhalb einer H-Brückenschaltung rechtzeitig detektiert werden, sodass eine Zerstörung der elektrisch steuerbaren Schaltelemente durch deren Deaktivierung durch den Treiber vermieden werden können. Durch diesen Schutzmechanismus vor störenden Fehlerströmen müssen die elektrisch steuerbaren Schaltelemente vorzugsweise nicht mehr durch integrierte Schutzmechanismen geschützt werden. Der Wegfall von Schutzbauteilen vor oder in den elektrisch steuerbaren Schaltelementen ermöglicht die Realisierung von höheren Taktfrequenzen. Eine aktive Vollbrücke kann bei kontinuierlicher Überwachung der Stromstärken an der Eingangs- und Ausgangsseite der Last und bei einem Abschalten der Vollbrücke bei Ungleichheit der beiden gemessenen und verglichenen Stromstärken ein Auftreten von unerwünschten Stromspitzen in den Versorgungsleitungen und in den elektrisch steuerbare Schaltelemente einer aktiven Vollbrücke verhindern. Eine aktive Vollbrücke mit Implementierung des hier vorgeschlagenen Verfahrens kann höhere Taktfrequenzen technisch realisieren, ohne dass es zu einer Zerstörung im Kurzschlussfall der elektrisch steuerbaren Schaltelemente kommt.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird die H-Brückenschaltung nach einer Wartezeit abgeschaltet.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird die Wartezeit in Abhängigkeit von Schwellenwerten festgelegt, die kleiner sind als der Toleranzwert.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung entspricht der Toleranzwert zwischen 15% des maximal zulässigen Betriebsstroms entspricht.
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Nach einer Ausführungsform sind die elektrisch steuerbaren Schaltelemente mittels des Treibers bei einer Taktfrequenz von größer als 32 kHz schaltbar.
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Nach einer Ausführungsform wird der Treiber deaktiviert, wenn die Differenz den Toleranzwert übersteigt. Dies entspricht der schnellstmöglichen Abschaltung der H-Brückenschaltung.
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Da in dem hier beschriebenen Verfahren zur Fehlerstromerkennung eine Schaltung von Schutzwiderständen zum Schutz der Feldeffekttransistoren nicht notwendig ist, verringern sich durch die dadurch bewirkte höhere Flankensteilheit auch deren thermische Verluste im hochfrequenten Taktbereich. Der Wirkungsgrad der aktiven Vollbrücke wird daher signifikant erhöht.
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Nach einer Ausführungsform umfasst die Detektierung eines Fehlerstroms eine Detektierung von Kurzschlüssen und/oder unerwünschten Lastströmen.
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Dies kann den Vorteil haben, dass Bauteile einer aktiven Vollbrücke vor Kurzschlüssen und/oder unerwünschten Lastströmen geschützt werden. Die Verschleißrate der Bauteile einer aktiven Vollbrücke wird verringert. Gleichzeitig kann die Regelgenauigkeit erhöht werden.
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Nach einer Ausführungsform umfassen die Kurzschlüsse:
- – einen Stromfluss von der Eingangsseite der Last zur Versorgungsspannungsquelle der H-Brücke, und/oder
- – einen Stromfluss von der Eingangsseite der Last nach Masse der H-Brücke, und/oder
- – einen Stromfluss von der Ausgangsseite der Last zur Versorgungsspannungsquelle der H-Brücke, und/oder
- – einen Stromfluss von der Ausgangsseite der Last nach Masse der H-Brücke.
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Dies kann den Vorteil haben, dass alle möglichen Kurzschlussarten, die innerhalb einer aktiven Vollbrücke auftreten können, durch die Fehlerstromdetektierungsmethode rechtzeitig erkannt werden können. Der Stromabgleich an Eingangs- und Ausgangseite der Last in dem Brückenzweig erweist sich trotz seiner unkomplizierten technischen Umsetzung als sehr wirkungsvoll hinsichtlich der Fehlerstromdetektierung in einer aktiven Vollbrücke. Die technische Realisation der Überwachungsmethode im zentralen Brückenzweig der aktiven Vollbrücke zeigt eine hohe Effizienz hinsichtlich seiner Fehlerstromdetektierung.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Detektierung eines Fehlerstroms, wobei die H-Brückenschaltung einen Treiber zum Steuern von Schaltelementen bei einer Taktfrequenz aufweist, wobei die H-Brückenschaltung in einem Brückenzweig eine Last aufweist, wobei die H-Brückenschaltung aufweist:
- – Mittel zum Messen einer ersten Stromstärke in dem Brückenzweig an einer Eingangsseite der Last,
- – Mittel zum Messen einer zweiten Stromstärke in dem Brückenzweig an einer Ausgangsseite der Last,
- – Eine Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln einer Differenz zwischen der ersten Stromstärke und der zweiten Stromstärke,
- – Mittel zum Deaktivieren der H-Brückenschaltung wenn die Differenz einen Toleranzwert übersteigt.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Schaltelemente jeweils nur einen Transistor auf. Auf zusätzliche Schutzmechanismen wie Zenerdioden kann verzichtet werden.
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Dies kann den Vorteil haben, dass aufgrund des verringerten Widerstands die Flankensteilheit der elektrisch steuerbaren Schaltelemente, insbesondere von Feldeffekttransistoren, höher ist. Durch eine Reduzierung von Schaltverlusten können höhere Ausgangsleistungen realisiert werden. Thermische Verluste der elektrisch steuerbaren Schaltelemente, insbesondere von Feldeffekttransistoren, werden reduziert. Gleichzeitig wird die Regelgenauigkeit verbessert. Die elektrisch steuerbaren Schaltelemente, insbesondere Feldeffekttransistoren, können von dem Treiber durch höhere Taktfrequenzen angesteuert werden. Eine aktive Vollbrücke kann z.B. für durch die aktive Vollbrücke betriebene Motoren eine höhere Taktfrequenz zur Verfügung stellen. Durch höhere Taktfrequenzen entstehen niedrigere Stromspitzen auf Versorgungsleitungen und auf der Ausgangsseite, so dass der Einsatz von Filterelementen vereinfacht wird und ein Einsatz kleinerer Bauformen ermöglicht wird.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Schaltelemente jeweils nur einen Feldeffekttransistor auf.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung weist die Brückenschaltung keine Schutzbauteile für die Schaltelemente aufweist. Insbesondere sind keine Schutzbauteile zu den Schaltelementen elektrisch geschaltet. Dies kann den Vorteil haben, dass höhere Taktfrequenzen generierbar sind. Zudem könnten durch die höheren Taktfrequenzen kleinere Bauteile für Filtermaßnahmen verwendet werden, was die elektromagnetische Verträglichkeit der aktiven Vollbrücke verbessert. Eine störende Beeinflussung anderer externer Komponenten durch ungewollte elektrische und elektromagnetische Effekte wird reduziert.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der folgenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1: ein Blockdiagramm einer aktiven H-Vollbrücke,
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2: eine H-Brücke im Normalbetrieb,
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3: einen Kurzschluss mit einem Stromfluss von der Eingangsseite der Last zur Versorgungsspannungsquelle,
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4: einen Kurzschluss mit einem Stromfluss von der Eingangsseite der Last nach Masse,
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5: einen Kurzschluss mit einem Stromfluss von der Ausgangsseite der Last zur Versorgungsspannungsquelle,
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6: einen Kurzschluss mit einem Stromfluss von der Ausgangsseite der Last nach Masse.
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Die 1 zeigt ein Blockdiagramm einer aktiven H-Brückenschaltung 100. Die H-Brückenschaltung 100 besteht aus vier elektrisch steuerbaren Schaltelementen 102, 104, 106, 108, welche durch einen Treiber 110 angesteuert werden. Die vier elektrisch steuerbaren Schaltelemente 102, 104, 106, 108 sind durch elektrisch leitende Versorgungsleitungen 122 verbunden, in denen Strom fließt. Im Brückenzweig 120 weist die H-Brückenschaltung 100 eine Last 112 auf. An den Schnittstellen 126 und 128 erfolgt ein Leistungsabgriff durch eine externe Vorrichtung, wie z.B. ein Motor, welche bzw. welcher durch die aktive H-Brücke elektrische Leistung zur Verfügung gestellt bekommt.
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Vor die Eingangsseite der Last 112 wird ein Stromstärkemessgerät 114 in Serie geschaltet, welches eine Messung der Strömstärke an der Eingangsseite der Last 112 ermöglicht. An der Ausgangsseite der Last 112 wird ein Stromstärkemessgerät 116 in Serie geschaltet, welches eine Messung der Stromstärke an der Ausgangsseite der Last 112 ermöglicht. Beide durch die Messgeräte 114 und 116 gemessenen Stromstärken werden durch eine Komparatoreinheit 118 verglichen. Im Normalfall sollte die an der Eingangsseite der Last 112 gemessene Stromstärke 114 identisch mit der an der Ausgangsseite der Last 112 gemessenen Stromstärke 116 sein. Ungleichheit der Werte der beiden Stromstärken indiziert einen Fehlerstrom, welcher einen Kurzschluss und/oder einen ungewollten Laststrom umfasst.
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Sollte die Komparatoreinheit 118 unterschiedliche Werte für die beiden Stromstärken und registrieren, deaktiviert die Komparatoreinheit 118 über eine Leitung 124 den Treiber 110, sodass dieser die Ansteuerung der elektrisch steuerbaren Schaltelementen 102, 104, 106, 108 einstellt. Die elektrisch steuerbaren Schaltelementen 102, 104, 106, 108 werden so vor einer Zerstörung durch Kurzschluss oder zu hohe, zerstörerische Stromspitzen geschützt.
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Die 2 zeigt die H-Brücke im Normalbetrieb eines beispielhaften Betriebsmodus. Andere technische Realisationen von Betriebsmodi sind möglich. In dem in 2 dargestellten beispielhaften Normalbetrieb können die Schaltelemente 102 und 104 beispielsweise Highside Power-Switches und die Schaltelemente 106 und 108 Lowside Power-Switches sein. Die linke Seite der H-Brücke, also die Schaltelemente 102 und 106, können im Gegentakt 204 und 206 betrieben werden. Das rechte Schaltelement 104 in der Ausprägung eines Highside Power-Switches kann beispielsweise immer ausgeschaltet sein (OFF-Zustand 208). Das Schaltelement 108 in der Ausprägung als Lowside Power-Switch kann beispielsweise immer angeschaltet sein (ON-Zustand 210). Es fließt ein Strom 212 von der Eingangsseite der Last 112 zur Ausgangsseite der Last 112. Eine hier nicht eingezeichnete Komparatoreinheit 118 würde die Stromstärke an der Eingangsseite der Last 112 mittels des Strommessgeräts 114 und an der Ausgangsseite der Last 112 mittels des Strommessgeräts 116 messen. Die H-Brücke 100 wird mittels der Versorgungsspannungsquelle 200 mit Spannung versorgt. Das hier beschriebene Verfahren zur Detektierung eines Fehlerstroms einer H-Brückenschaltung sichert jeglichen Betrieb einer H-Brückenschaltung ab.
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Die 3 zeigt einen Kurzschluss innerhalb der H-Brücke mit einem Stromfluss 300a, 300b, 300c von der Abgriffsschnittstelle 126 der Last 112 über das Strommessgerät 114 und das Schaltelement 106 zur Versorgungsspannungsquelle (Ubat, gekennzeichnet in 3 durch das Bezugszeichen 200). Ein zusätzlicher überhöhter unkritischer Laststrom 302a, 302b fließt über die Last 112, die Abgriffsschnittstelle 128, das Strommessgerät 116 und das Schaltelement 108 nach Ubat. In diesem Fall würde die hier nicht eingezeichnete Komparatoreinheit 118 eine Ungleichheit der am Strommessgerät 114 und am Strommessgerät 116 gemessenen Stromstärken feststellen und sofort den Treiber 110 dazu veranlassen, eine Ansteuerung der Schaltelemente 102, 104, 106 und 108 zu stoppen.
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Die 4 zeigt einen Kurzschluss innerhalb der H-Brücke mit einem Stromfluss 400a, 400b, 400c über das Schaltelement 102, das Strommessgerät 114 und die Abgriffsschnittstelle 126 zur Masse 202. Ein zusätzlicher Laststrom ist in diesem Fall nicht vorhanden. Auch hier würde die hier nicht eingezeichnete Komparatoreinheit 118 eine Ungleichheit der am Strommessgerät 114 und am Strommessgerät 116 gemessenen Stromstärken feststellen und sofort den Treiber 110 dazu veranlassen, die Ansteuerung der Schaltelemente 102, 104, 106 und 108 einzustellen.
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Die 5 zeigt einen Kurzschluss innerhalb der H-Brücke mit einem Stromfluss 500a, 500b über die Abgriffsschnittstelle 128, das Strommessgerät 116 und das Schaltelement 108 nach Ubat. Ein zusätzlicher überhöhter unkritischer Laststrom 502a, 502b fließt über die Last 112, die Abgriffsschnittstelle 126, das Strommessgerät 114 und das Schaltelement 106. Die hier nicht eingezeichnete Komparatoreinheit 118 würde auch in diesem Fall eine Ungleichheit der am Strommessgerät 114 und am Strommessgerät 116 gemessenen Stromstärken feststellen und den Treiber 110 dazu veranlassen, die Ansteuerung der Schaltelemente 102, 104, 106 und 108 abzubrechen.
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Die 6 zeigt einen Kurzschluss innerhalb der H-Brücke mit einem Stromfluss 600a, 600b und 600c über das Schaltelement 102, das Strommessgerät 114, die Abgriffsschnittstelle 126, die Last 112, die Abgriffsschnittstelle 128 zur Masse 202. Hier entspricht der Kurzschlussstrom dem normalen Laststrom, da der Kurzschlussstrom parallel zum immer eingeschalteten Lowside Power-Switch (ON-Zustand 210) als Schaltelement 108 fließt. Auch hier würde die hier nicht eingezeichnete Komparatoreinheit 118 eine Ungleichheit der am Strommessgerät 114 und am Strommessgerät 116 gemessenen Stromstärken feststellen. Der Treiber 110 würde die Schaltelemente 102, 104, 106 und 108 nicht weiter ansteuern.
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In allen vier gezeigten Kurzschlussfällen könnte das hier beschriebene Fehlerstromdetektierverfahren eine Zerstörung der Schaltelemente durch Kurzschluss oder zu hohem Laststrom verhindern.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- H-Vollbrücke
- 102, 104, 106, 108
- Schaltelemente
- 110
- Treiber
- 112
- Last
- 114, 116
- Stromstärkemessgerät
- 118
- Komparatoreinheit
- 120
- Brückenzweig
- 122
- Versorgungsleitungen
- 124
- Leitung
- 126, 128
- Schnittstellen nach außen zum Leistungsabgriff
- 200
- Versorgungsspannung (Ubat)
- 202
- Masse
- 204, 206
- Gegentakt
- 208
- OFF-Zustand
- 210
- ON-Zustand
- 212
- Stromfluß
- 300a, 300b, 300c
- Kurzschlussstrom nach Ubat
- 302a, 302b
- zusätzlicher Laststrom
- 400a, 400b, 400c
- Kurzschlussstrom nach Masse
- 500a, 500b, 500c
- Kurzschlussstrom nach Ubat
- 502a, 502b
- zusätzlicher Laststrom
- 600a, 600b, 600c
- Kurzschlussstrom nach Masse
