DE102013224800A1

DE102013224800A1 - Schaltungsanordnung, Verfahren zum Betreiben

Info

Publication number: DE102013224800A1
Application number: DE102013224800.8A
Authority: DE
Inventors: Tobias Richter; Stefan Butzmann; Stefan Aldinger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-12-04
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2015-06-11
Also published as: US9819298B2; US20150155817A1; CN104698915A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (1) zum Betreiben einer elektrischen Maschine, mit wenigstens einer Hochvolt-Halbbrückenschaltung (2), die einen Highside-Halbleiterschalter (3) und einen Lowside-Halbleiterschalter (4) aufweist, wobei den Halbleiterschaltern (3, 4) zu ihrer Ansteuerung jeweils ein Gatetreiber (5, 6) zugeordnet ist, und mit einem Niedervolt-Controller (7), der die Gatetreiber (5, 6) ansteuert. Es ist vorgesehen, dass ein Hochvolt-Controller (11) vorgesehen ist, der Ausgangssignale (AS) der Gatetreiber (5, 6) erfasst und dem Niedervolt-Controller (7) zumindest die erfassten Ausgangssignale (AS) durch einen Datenbus (12) zusendet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer elektrischen Maschine, mit wenigstens einer Hochvolt-Halbbrückenschaltung, die einen Highside-Halbleiterschalter und einen Lowside-Halbleiterschalter aufweist, wobei den Halbleiterschaltern zu ihrer Ansteuerung jeweils ein Gatetreiber zugeordnet ist, und mit einem Niedervolt-Controller, der die Gatetreiber ansteuert.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Schaltungsanordnung.
Stand der Technik
Elektrische Maschinen, insbesondere mehrphasige elektrische Maschinen, werden in der Regel durch einen Inverter beziehungsweise Wechselrichter betrieben, der durch einen Mikrocontroller gesteuert wird. Der Mikrocontroller ist dabei auf der Niederspannungs-Seite des Inverters angeordnet, während mindestens eine Halbleiterbrückenschaltung einem Hochvoltnetz zugeordnet ist. Dies ist beispielsweise bei Hybridfahrzeugen bekannt, die über ein Bordnetz mit niedriger Spannung und ein Antriebssystemnetz mit hoher Spannung verfügen. Die Inverter weisen üblicherweise mehrere Halbbrückenschaltungen auf, die jeweils zwei Halbleiterschalter, einen Highside-Halbleiterschalter und einen Lowside-Halbleiterschalter aufweisen, die in Reihe zueinander geschaltet sind und jeweils durch einen Gatetreiber angesteuert werden, welcher Steuersignale von dem Mikrocontroller empfängt und ausführt. Ausgangssignal der Gatetreiber müssen zur Überwachung vom steuernden Mikrocontroller zurückgelesen werden, um einen sicheren Betrieb der Schaltungsanordnung beziehungsweise der elektrischen Maschine zu gewährleisten. Üblicherweise wird dabei jedes Ansteuersignal eines Leistungsschalters beziehungsweise jedes Ausgangssignal eines Gatetreibers separat über eine Isolationsbarriere zwischen dem Hochvoltteil und dem Niedervoltteil geführt.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass Ausgangssignale der Halbleiterschalter nicht mehr separat über die Isolationsbarriere zurückgeführt werden müssen. Insbesondere wird durch die Erfindung die Anzahl der die Isolationsbarriere überwindenden Leitungen verringert, indem die Ausgangssignale gesammelt und gemeinsam durch eine Schnittstelle übermittelt werden. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass ein Hochvolt-Controller vorgesehen ist, der Ausgangssignale der Gatetreiber erfasst und durch einen Datenbus mit dem Niedervolt-Controller verbunden ist. Über diesen Datenbus sendet der Hochvolt-Controller zumindest die gesammelten Ausgangssignale an den Niedervolt-Controller, der diese dadurch zurücklesen und auswerten kann. Durch das Sammeln der Ausgangssignale mittels des Hochvolt-Controllers uns das Übersenden dieser, beispielsweise als Datenpaket über den Datenbus, ist nur noch der Datenbus zwischen Niedervoltseite und Hochvoltseite als Schnittstelle notwendig, um das Rücklesen der Ausgangssignale der Gatetreiber durch den Niedervolt-Controller zu ermöglichen. Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass der Hochvolt-Controller dem Niedervolt-Controller zumindest die erfassten Ausgangssignale durch den Datenbus sendet. Zusätzlich zu den Ausgangssignalen können auch noch weitere Werte der Gatetreiber oder der Halbbrückenschaltung erfasst und durch den Niedervolt-Controller oder den Hochvolt-Controller ausgewertet werden.
Vorzugsweise sendet der Niedervolt-Controller an den Hochvolt-Controller durch den Datenbus ein Synchronisationssignal, sodass die beiden Controller mit der gleichen Taktfrequenz arbeiten und eine Zuordnung der durch den Hochvolt-Controller übersandten Datenpakete bezüglich der erfassten Ausgangssignale zu den von dem Niedervolt-Controller erzeugten Ansteuersignalen gewährleistet ist. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Datenübertragung auf dem Datenbus in einem festen zeitlichen Verhältnis zu der Erzeugung der Gatetreiberzustände beziehungsweise zur Ansteuerung der Gatetreiber steht. Die Busgeschwindigkeit des Datenbusses muss dabei nicht zwingend über der Taktrate liegen, mit der die Gatetreiberzustände erzeugt werden. Sie muss lediglich so hoch sein, dass die Zeitspanne zwischen Übertragungsende eines Synchronisierungssignals und Anlegen des rückzulesenden Ausgangssignals beziehungsweise Gatetreiberzustands hinreichend genau bestimmbar und insbesondere konstant ist.
Weiter ist bevorzugt vorgesehen, dass die Schaltungsanordnung mehrere Halbbrückenschaltungen aufweist, wobei jedem Halbleiterschalter jeweils ein Gatetreiber zugeordnet ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Halbbrückenschaltungen zu einer Vollbrücke, insbesondere einer B6-Brückenschaltung zusammengeschaltet sind. Vorzugsweise bildet die Schaltungsanordnung einen Inverter für die elektrische Maschine. Dabei ist für jede Phase einer elektrischen Maschine bevorzugt eine Halbleiterschaltbrückenanordnung vorgesehen.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Schaltungsanordnung nur einen Hochvolt-Controller, insbesondere Mikrocontroller, aufweist. Dies ist auch dann vorgesehen, wenn die Schaltungsanordnung mehrere Halbbrückenschaltungen umfasst. Die Ausgangssignale der jeweiligen Gatetreiber werden zweckmäßigerweise dem einen Hochvolt-Controller zugeführt, welcher diese erfasst und über den Datenbus an den Niedervolt-Controller zur Auswertung und Überwachung zurücksendet.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 zeichnet sich dadurch aus, dass ein Hochvolt-Controller die Ausgangssignale der Gatetreiber erfasst und durch einen Datenbus an den Niedervolt-Controller sendet. Der Niedervolt-Controller wertet die zurückgesandten Daten zur Überwachung und Überprüfung des Betriebs der elektrischen Maschine beziehungsweise der Schaltungsanordnung und des Niedervolt-Controllers aus. Es ergeben sich hierdurch die bereits zuvor genannten Vorteile.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Niedervolt-Controller ein Synchronisationssignal erzeugt, und durch den Datenbus an den Hochvolt-Controller sendet, um zu gewährleisten, dass die beiden Controller einerseits in gleichem Takt arbeiten, und andererseits, dass die Datenübertragung auf dem Datenbus in einem festen zeitlichen Verhältnis zur Erzeugung der Gatetreiberzustände beziehungsweise zur Ansteuerung der Gatetreiber erfolgt.
Dadurch kann ein Zuordnen der zurückgelesenen Ausgangssignale zu den Ansteuersignalen des Niedervolt-Controllers gewährleistet werden.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dazu zeigen:
1 eine Schaltungsanordnung in einem vereinfachten Blockschaltbild, und
2 einen Signalverlauf eines Datenbusses der Schaltungsanordnung.
1 zeigt eine Schaltungsanordnung 1 in einem vereinfachten Blockschaltbild. Die Schaltungsanordnung 1 weist eine Halbbrückenschaltung 2 auf, die zwei Halbleiterschalter 3 und 4 aufweist. Die Halbleiterschalter 3, 4 sind bevorzugt identisch ausgebildet. Jedem der Halbleiterschalter 3, 4 ist dabei ein Gatetreiber 5, 6 zugeordnet, der den jeweiligen Halbleiterschalter 3, 4 betätigt. Bei dem Halbleiterschalter 3 handelt es sich zweckmäßigerweise um einen sogenannten Highside-Halbleiterschalter und bei dem Halbleiterschalter 4 um einen sogenannten Lowside-Halbleiterschalter. Entsprechend sind die Gatetreiber 5 und 6 als Highside- beziehungsweise Lowside-Gatetreiber 5, 6 ausgebildet.
Die beiden Gatetreiber 5, 6 werden direkt durch einen Controller 7, der vorliegend als Mikrocontroller ausgebildet ist, angesteuert. Der Controller 7 ist dabei in einem Niedervoltteil 8 angeordnet, während die Gatetreiber 5, 6 und die Halbleiterschalter 3, 4 beziehungsweise die Halbbrückenschaltung 2 in einem Hochvoltteil 9 der Schaltungsanordnung 1 liegen. Der Controller 7 ist somit ein Niedervolt-Controller, der beispielsweise in ein Niedervolt-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs eingebunden ist. Die Halbbrückenschaltung 2 ist dem Hochvoltnetz zugeordnet, in welchem beispielsweise elektrische Antriebskomponenten des Kraftfahrzeugs, wie insbesondere eine elektrische Maschine, vorgesehen sind. Zwischen dem Niedervoltteil 8 und dem Hochvoltteil 9 ist eine Potentialtrennung 10 notwendig, um einen sicheren Betrieb der Schaltungsanordnung 1 beziehungsweise der dadurch gebildeten Antriebsvorrichtung zu gewährleisten.
Wie üblich, ist vorgesehen, dass der Controller 7 Ausgangssignale AS der Gatetreiber 5, 6, die zum Ansteuern der Halbleiterschalter 3, 4 dienen, zurückliest, um den Betrieb der Schaltungsanordnung 1 zu überwachen. Vorliegend ist dabei vorgesehen, dass auf der Hochvoltseite ein weiterer Controller 11 angeordnet ist, der als Hochvolt-Mikrocontroller ausgebildet ist. Der Controller 11 ist dabei mit den beiden Gatetreibern 5, 6 verbunden, um den Status des jeweiligen Gatetreibers 5, 6, und insbesondere die jeweiligen Ausgangssignale AS zu erfassen.
Der Controller 11 ist dabei durch einen Datenbus 12 mit dem Controller 7 verbunden. Die Controller 7 und 9 kommunizieren somit über den Datenbus 12 miteinander. Dabei sendet der Controller 11 zumindest die erfassten Ausgangssignale AS an den Mikrocontroller 7 durch den Datenbus 12, sodass der Controller 7 die Ausgangssignale AS mit den Ansteuersignalen vergleichen und den Betrieb der Schaltungsanordnung 1 beziehungsweise der Antriebseinrichtung überwachen kann beziehungsweise überwacht. Es werden also die Ausgangssignale AS der Gatetreiber 5, 6 in einen Datenbus zusammengefasst, sodass einzelne Übertragungskanäle zwischen Hochvoltteil 9 und Niedervoltteil 8, die bisher üblich waren, eingespart werden. Zweckmäßigerweise weist die Schaltungsanordnung 1 mehrere der Halbleiterbrücken 2 auf, um beispielsweise eine Vollbrücke, insbesondere eine B6-Brücke, zum Betreiben einer dreiphasigen elektrischen Maschine zu bilden. Dabei ist weiterhin auch nur der eine Mikrocontroller beziehungsweise Controller 11 vorgesehen, dem die Ausgangssignale aller Gatetreiber zugeführt werden. Der Controller 11 bündelt diese und sendet sie über den Datenbus 12 zurück an den Controller 11. Über den Datenbus 12 erfolgt neben dem Datenaustausch auch eine zeitliche Synchronisation der beiden Controller 7, 11 zueinander.
Die Gatetreiberzustände werden vom Niedervolt-Controller 7 in einem festen Raster ausgegeben, beispielsweise über die in der 1 dargestellten separaten Datenleitungen. Jedes n-te Mal, wenn ein Gatetreiberzustand durch den Controller 7 erzeugt, ein Gatetreiber 5, 6 also angesteuert wurde, wird vom Controller 7 außerdem ein Synchronisationsdatenpaket beziehungsweise -signal über den Datenbus 12 an den Controller 11 geschickt, welches den Controller 11 anweist, das jeweils nächste Datenpaket vom Ausgang des Gatetreibers 5 oder 6 rückzulesen und über den Datenbus an den Niedervoltcontroller 7 zurückzuschicken.
Vorteilhaft hierfür ist, dass die Datenübertragung auf dem Datenbus 12 seitens des Niedervolt-Controllers 7 in einem festen zeitlichen Verhältnis zu der Erzeugung der Gatetreiberzustände beziehungsweise der Ansteuerung der Gatetreiber 5, 6 steht. Die Busgeschwindigkeit des Datenbusses 12 muss somit nicht zwingend über der Taktrate liegen, mit der die Gatetreiberzustände durch den Controller 7 erzeugt werden. Sie muss lediglich so hoch sein, dass die Zeitspanne zwischen Übertragungsende des Synchronisationspakets beziehungsweise des Synchronisationssignals und Anlegen des zurückzulesenden Gatetreiberzustands beziehungsweise des Ausgangssignals AS hinreichend genau bestimmbar und konstant ist.
2 zeigt hierzu in einem Diagramm aufgetragen, den Betrieb des Datenbusses 12 in einer vereinfachten Darstellung. Über die Zeit t sind dabei zum einen die Ausgangssignale AS eines der Gatetreiber 5 oder 6 aufgezeichnet. Darunter ist das von dem Controller 7 erzeugte Synchronisationssignal SS aufgetragen, das derart gewählt ist, dass die Zeitspannte Δt zwischen dem Übertragungsende des Synchronisationssignals SS und dem zeitlich darauffolgenden Ausgangssignal AS hinreichend genau bestimmt und insbesondere konstant ist. Das auf das Synchronisierungssignal folgende Ausgangssignal AS wird zurückgelesen und wie zuvor beschrieben an den Controller 7 durch den Datenbus 12 übermittelt. Das zurückgelesene Ausgangssignal oder der zurückgelesene Gatetreiberzustand muss nach der Erzeugung vom Controller 7 gespeichert werden, bis die Rückübertragung und der anschließende Vergleich abgeschlossen sind. Im folgenden Schritt kann der Datenbus auch zur Übertragung anderer Daten genutzt werden, die mit der Synchronisation oder dem Zurücklesen der Ausgangssignale nichts zu tun haben. Es kann also eine anderweitige Nutzung des Datenbusses 12 zwischen zwei Rücklesevorgängen erfolgen.

Claims

Schaltungsanordnung (1) zum Betreiben einer elektrischen Maschine, mit wenigstens einer Hochvolt-Halbbrückenschaltung (2), die einen Highside-Halbleiterschalter (3) und einen Lowside-Halbleiterschalter (4) aufweist, wobei den Halbleiterschaltern (3, 4) zu ihrer Ansteuerung jeweils ein Gatetreiber (5, 6) zugeordnet ist, und mit einem Niedervolt-Controller (7), der die Gatetreiber (5, 6) ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochvolt-Controller (11) vorgesehen ist, der Ausgangssignale (AS) der Gatetreiber (5, 6) erfasst und dem Niedervolt-Controller (7) zumindest die erfassten Ausgangssignale (AS) durch einen Datenbus (12) zusendet.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Niedervolt-Controller (7) an den Hochvolt-Controller (11) ein Synchronisationssignal insbesondere regelmäßig sendet.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (1) mehrere Halbbrückenschaltungen (2) aufweist, wobei jedem Halbleiterschalter (3, 4) jeweils ein Gatetreiber (5, 6) zugeordnet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (1) nur einen Hochvolt-Controller (11), insbesondere Mikrocontroller, aufweist.
Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung (1), insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einer Hochvolt-Halbbrückenschaltung (2), die einen Highside-Halbleiterschalter (3) und einen Lowside-Halbleiterschalter (4) aufweist, wobei den Halbleiterschaltern (3, 4) zu ihrer Ansteuerung jeweils ein Gatetreiber (5, 6) zugeordnet wird, und mit einem Niedervolt-Controller (7), der die Gatetreiber (5, 6) ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochvolt-Controller (11) vorgesehen wird, der Ausgangssignale (AS) der Gatetreiber (5, 6) erfasst und zumindest diese durch einen Datenbus (12) an den Niedervolt-Controller (7) sendet.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Niedervolt-Controller (7) ein Synchronisationssignal (SS) erzeugt und durch den Datenbus (12) an den Hochvolt-Controller (11) sendet.