DE102015103162B4

DE102015103162B4 - Vorrichtung und Stromsensor zum Bereitstellen von einen sicheren Betrieb anzeigenden Informationen

Info

Publication number: DE102015103162B4
Application number: DE102015103162.0A
Authority: DE
Inventors: Franz Jost; Carlos Castro Serrato
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-03-05
Filing date: 2015-03-04
Publication date: 2020-06-04
Anticipated expiration: 2035-03-05
Also published as: US20170074961A1; US9507005B2; CN104897942B; CN104897942A; DE102015103162A1; US20150253412A1; US9933506B2

Abstract

Eine Vorrichtung (200), umfassend:einen Signalgenerator (210) zum Erzeugen eines Signals, das ein magnetisches Selbsttestfeld (108) für ein magnetoresistives Erfassungselement (102) verursacht, wobei das Signal ausgebildet ist, um einen Strom durch eine Kippspule eines anisotropen, magnetoresistiven Erfassungselements zu verursachen;einen Signaleingang (220) zum Empfangen eines ersten Sensorsignals (220a) zu einem ersten Zeitpunkt, bevor das magnetische Selbsttestfeld (108) angelegt wird, und eines zweiten Sensorsignals (220b) zu einem zweiten Zeitpunkt, nachdem das magnetische Selbsttestfeld (108) angelegt ist; undeine Bewertungsschaltung (230) zum Bestimmen von Informationen, die einen sicheren Betrieb anzeigen, basierend auf einer Bewertung des ersten Sensorsignals (220a) und des zweiten Sensorsignals (220b).

Description

TECHNISCHES GEBIET
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Vorrichtungen, die magnetoresistive Erfassungselemente zum Erfassen von Magnetfeldern umfassen, und auf Konzepte zum Bestimmen von Informationen, die einen sicheren Betrieb der Vorrichtung anzeigen.
HINTERGRUND
Vorrichtungen, die magnetoresistive Erfassungselemente umfassen, werden in zahlreichen Anwendungen eingesetzt. Zum Beispiel verwenden einige Stromerfassungsvorrichtungen magnetoresistive Erfassungselemente, um das Magnetfeld zu bestimmen, das von einem Strom durch einen Leiter erzeugt wird, um in der Lage zu sein, die Größe des Stroms, basierend auf der unter Verwendung des magnetoresistiven Erfassungselements bestimmten Größe des Magnetfeldes, festzustellen.
Stromsensoren können zum Beispiel verwendet werden, um den Strom zu bestimmen, der durch ein oder innerhalb eines Leistungsmoduls oder Leistungswandlers fließt, das bzw. der zum Bereitstellen einer Versorgungswechselspannung verwendet wird. Leistungswandler dieser Art werden zum Beispiel verwendet, um die Versorgungsspannungen für Elektromotoren bereitzustellen. Elektromotoren können zum Treiben eines Fahrzeugs oder einer bestimmten Komponente des Fahrzeugs, zum Beispiel eines Lenkrads oder dergleichen, verwendet werden.
Bei zahlreichen Anwendungen besteht der Wunsch, in der Lage zu sein, Informationen zu bestimmen, die einen sicheren Betrieb des magnetoresistiven Erfassungselements oder der Vorrichtung, die dasselbe enthält, anzeigen, um feststellen zu können, ob das Ergebnis, das unter Verwendung des magnetoresistiven Erfassungselements bestimmt wird, verlässlich ist. Ferner sollten die Informationen, die einen sicheren Betrieb anzeigen, so bestimmt werden, dass hohe Zusatzkosten oder ein hoher Platzverbrauch durch zusätzliche Vorrichtungen vermieden werden.
Die Druckschrift DE 10 2009 054 943 A1 beschreibt einen Stromsensor zum Messen eines Stromes in einem Leiter anhand eines von dem Strom erzeugten Magnetfeldes, der Stromsensor wenigstens aufweisend einen um den Leiter angeordneten Kern, vorzugsweise aus einem magnetischen Material, ein an dem Kern angeordnetes Sensorelement, welches ausgebildet ist, eine von einem Magnetfeld in dem Kern abhängige Ausgangsgröße zu erzeugen, und eine Messeinheit, welche ausgebildet ist, die Ausgangsgröße zu erfassen und einen Messwert des Stromes in dem Leiter aus der erfassten Ausgangsgröße abzuleiten. Der Stromsensor weist außerdem eine um den Kern angeordnete Prüfwicklung auf.
Die Druckschrift DE 11 2012 003 092 T5 beschreibt eine Stromerfassungseinrichtung, die unter Verwendung von N kernlosen Stromsensoren in N Leitern fließende Ströme in einer derart verbunden Schaltung erfasst, dass die Summe der Ströme null wird, eine Signal-Strom-Korrelation erhält, die eine Korrelation zwischen Ausgangssignalen der N kernlosen Stromsensoren und den in den N Leitern fließenden Strömen darstellt, und berechnet die in den N Leitern fließenden Ströme beruhend auf den Ausgangssignalen aller N kernlosen Stromsensoren unter Verwendung der Signal-Strom-Korrelation.
Die Druckschrift DE 198 34 153 A1 beschreibt einen anisotropen Stromsensor.
ZUSAMMENFASSUNG
Es besteht ein Bedarf zum Bereitstellen einer Vorrichtung, eines Stromsensors und eines Lei stungswandl ers.
Solch ein Bedarf kann durch den Gegenstand eines der Ansprüche gedeckt werden.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann dies durch eine Vorrichtung erreicht werden, die einen Signalgenerator zum Erzeugen eines Signals, das ein magnetisches Selbsttestfeld für ein magnetoresistives Erfassungselement verursacht, und einen Signaleingang zum Empfangen eines ersten Sensorsignals zu einem ersten Zeitpunkt, bevor das magnetische Selbsttestfeld angelegt wird, und eines zweiten Sensorsignals zu einem zweiten Zeitpunkt, nachdem das magnetische Selbsttestfeld angelegt ist, umfasst. Eine Bewertungsschaltung der Vorrichtung bestimmt Informationen, die einen sicheren Betrieb anzeigen, basierend auf einer Bewertung des ersten Sensorsignals und des zweiten Sensorsignals. Unter Verwendung eines Selbsttestfeldes können Informationen, die einen sicheren Betrieb anzeigen, so bestimmt werden, dass zum Beispiel redundante, magnetoresistive Erfassungselemente für den gleichen Zweck und die damit verbundenen Zusatzkosten vermieden werden.
Optional ist das Signal ausgebildet, um einen Strom durch eine Kompensationsspule des magnetoresistiven Erfassungselements zu verursachen.
Wiederum optional ist das Signal ausgebildet, um einen Strom durch eine Kippspule eines anisotropen, magnetoresistiven Erfassungselements zu verursachen.
Optional ist das Signal ausgebildet, um einen Strom durch die Kippspule zu verursachen, der geringer ist als ein weiterer Strom, der zum Kippen einer Richtung einer Magnetisierung des anisotropen, magnetoresistiven Erfassungselements verwendet wird.
Wiederum optional ist das Signal ausgebildet, um einen Kippstrom durch die Kippspule zu verursachen, der ein magnetisches Kippfeld erzeugt, das ein Kippen einer Richtung einer Magnetisierung des anisotropen, magnetoresistiven Erfassungselements verursacht.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen wird bestimmt, dass die Vorrichtung sich in einem sicheren Betriebszustand befindet, wenn eine Differenz zwischen dem ersten Sensorsignal und dem zweiten Sensorsignal einer erwarteten Sensorantwort auf das magnetische Selbsttestfeld entspricht. Die Differenz des ersten Sensorsignals und des zweiten Sensorsignals kann mit der erwarteten Antwort des magnetoresistiven Erfassungselements auf das magnetische Selbsttestfeld verglichen werden.
Optional ist der Steuersignalgenerator ferner ausgebildet, um ein weiteres magnetisches Selbsttestfeld nach dem zweiten Zeitpunkt zu verursachen.
Ausführungsbeispiele eines Stromsensors umfassen zumindest ein magnetoresistives Erfassungselement zum Bereitstellen eines Sensorsignals ansprechend auf ein Magnetfeld. Ein Signalgenerator ist ausgebildet, um ein magnetisches Selbsttestfeld an dem magnetoresistiven Erfassungselement des Stromsensors zu verursachen. Eine Ausleseschaltung des Stromsensors empfängt ein erstes Sensorsignal zu einem ersten Zeitpunkt, bevor das magnetische Selbsttestfeld angelegt wird, und ein zweites Sensorsignal zu einem zweiten Zeitpunkt, nachdem das magnetische Selbsttestfeld angelegt ist. Eine Bewertungsschaltung bestimmt Informationen, die einen sicheren Betrieb des Stromsensors anzeigen, basierend auf einer Bewertung des ersten Sensorsignals und des zweiten Sensorsignals, was dazu dienen kann festzustellen, ob die Informationen über den Strom, wie von dem Stromsensor bestimmt, verlässlich sind.
Optional umfasst der Stromsensor weiterhin zumindest eine Kompensationsspule, um ein externes Magnetfeld an dem magnetoresistiven Erfassungselement zumindest teilweise zu kompensieren, wenn ein Strom durch die Kompensationsspule fließt, wobei der Signalgenerator ausgebildet ist, um einen Strom durch die Kompensationsspule zu verursachen.
Wiederum optional umfasst der Stromsensor weiterhin vier magnetoresistive Erfassungselemente, wobei die magnetoresistiven Erfassungselemente als Wheatstone-Brücke gekoppelt sind.
Optional ist das magnetoresistive Erfassungselement ein anisotropes, magnetoresistives Erfassungselement.
Wiederum optional umfasst der Stromsensor weiterhin zumindest eine Kippspule zum Kippen einer Richtung einer Magnetisierung des anisotropen, magnetoresistiven Erfassungselements.
Optional ist der Signalgenerator ausgebildet, um einen Kippstrom durch die Kippspule zu verursachen, wobei der Kippstrom ein magnetisches Kippfeld erzeugt, das verwendet wird, um die Magnetisierung des anisotropen, magnetoresistiven Erfassungselements zu kippen.
Wiederum optional erzeugt der Signalgenerator einen Strom durch die Kippspule, der geringer als der Kippstrom ist.
Optional ist der Signalbewerter ausgebildet, um zu bestimmen, dass das magnetoresistive Erfassungselement sich in einem sicheren Betriebszustand befindet, wenn eine Differenz zwischen dem ersten Sensorsignal und dem zweiten Sensorsignal einem erwarteten Versatz des magnetoresistiven Erfassungselements entspricht.
Ausführungsbeispiele eines Leistungswandlers umfassen zumindest ein Wandlermodul zum Bereitstellen einer Ausgangswechselspannung, wobei das Wandlermodul mittels einer Leiterbahn mit einem Ausgangsanschluss gekoppelt ist. Ein Stromsensor ist innerhalb des Magnetfeldes platziert, das von einem Strom durch die Leiterbahn erzeugt wird. Aus dem Magnetfeld, das durch eine einzige Leiterbahn innerhalb des Leistungswandlers erzeugt wird, kann der durch den Leistungswandler bereitgestellte Strom innerhalb des Leistungswandlers selbst bestimmt werden, um in der Lage zu sein, zum Beispiel Elektromotoren zu steuern, die ihre Versorgungsspannung von dem Leistungswandler empfangen. Dies kann ohne zusätzliche externe Schaltungsanordnung oder Komponenten und mit hoher Genauigkeit erreicht werden, um Zusatzkosten zu vermeiden, auch hinsichtlich des zusätzlich erforderlichen Platzes für weitere Komponenten abgesehen von den Leistungswandlern.
Optional umfasst der Leistungswandler ferner einen ersten Bipolartransistor mit isoliertem Gate zum Koppeln einer positiven Versorgungsspannung mit dem Ausgangsanschluss über die Leiterbahn; und einen zweiten Bipolartransistor mit isoliertem Gate zum Koppeln einer negativen Versorgungsspannung mit dem Ausgangsanschluss über die Leiterbahn.
Wiederum umfasst der Leistungswandler ferner einen Signalgenerator zum Verursachen eines magnetischen Selbsttestfeldes an dem Stromsensor; eine Ausleseschaltung zum Empfangen eines ersten Sensorsignals zu einem ersten Zeitpunkt, bevor das magnetische Selbsttestfeld angelegt wird, und eines zweiten Sensorsignals zu einem zweiten Zeitpunkt, nachdem das magnetische Selbsttestfeld angelegt ist; und eine Bewertungsschaltung zum Bestimmen von Informationen, die einen sicheren Betrieb des Stromsensors anzeigen, basierend auf einer Bewertung des ersten Sensorsignals und des zweiten Sensorsignals.
Optional ist der Stromsensor innerhalb einer Aussparung in der Leiterbahn angeordnet.
Wiederum optional umfasst der Leistungswandler ferner drei Wandlermodule zum Erzeugen eines Wechselstroms mit drei Wechselphasen.
Figurenliste
Einige Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren werden nachfolgend nur beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben, in denen

1a schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Stromsensors darstellt;
1b schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Stromsensors darstellt;
2 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung darstellt;
3 ein Ausführungsbeispiel eines Stromsensors darstellt;
4 ein Beispiel eines magnetoresistiven Elements darstellt, das innerhalb eines Beispiels einer Vorrichtung oder eines Stromsensors verwendet werden soll;
5 ein Beispiel eines Leistungswandlers zum Bereitstellen einer Ausgangswechselspannung darstellt; und
6 ein Beispiel eines Leistungswandlers zum Bereitstellen von drei Wechselstromphasen darstellt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Verschiedene Beispiele werden nun ausführlicher bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind. In den Figuren kann die Dicke der Linien, Schichten und/oder Regionen der Klarheit halber übertrieben sein.
Während dementsprechend verschiedene Abänderungen und alternative Formen von weiteren Beispielen möglich sind, werden einige Ausführungsbeispiele davon in den Figuren beispielhaft gezeigt und hier ausführlich beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass es nicht beabsichtigt ist, Ausführungsbeispiele auf die offenbarten bestimmten Formen zu begrenzen, sondern im Gegensatz die Ausführungsbeispiele alle in den Rahmen der Offenbarung fallenden Abänderungen, Entsprechungen und Alternativen abdecken sollen. In der gesamten Beschreibung der Figuren beziehen sich gleiche Ziffern auf gleiche oder ähnliche Elemente.
Es versteht sich, dass wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, es direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder Zwischenelemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz ein Element als „direkt“ mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Sonstige zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen benutzte Worte sollten auf gleichartige Weise ausgelegt werden (z. B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ gegenüber „direkt benachbart“ usw.).
Die hier angewandte Terminologie bezweckt nur das Beschreiben bestimmter Ausführungsbeispiele und soll nicht begrenzend für weitere Ausführungsbeispiele sein. Nach hiesigem Gebrauch sollen die Einzelformen „ein, eine“ und „das, der, die“ auch die Pluralformen umfassen, wenn der Zusammenhang nicht deutlich sonstiges anzeigt. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „aufweisen“ und/oder „aufweisend“ bei hiesigem Gebrauch das Vorhandensein angegebener Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Bestandteile angeben, aber nicht das Vorhandensein oder die Zufügung eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Bestandteile und/oder Gruppen derselben ausschließen.
Sofern nicht anderweitig definiert besitzen alle hier benutzten Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) die gleiche Bedeutung wie sie gewöhnlich von einem Fachmann auf dem Gebiet verstanden wird, zu dem Ausführungsbeispiele gehören. Weiterhin versteht es sich, dass Begriffe, z. B. die in gewöhnlich benutzten Wörterbüchern definierten, als eine Bedeutung besitzend ausgelegt werden sollten, die ihrer Bedeutung im Zusammenhang der entsprechenden Technik entspricht, und nicht in einem idealisierten oder übermäßig formalen Sinn ausgelegt werden, sofern sie nicht ausdrücklich so definiert sind.
1 stellt ein Ausführungsbeispiel eines Stromsensors 100 dar, der zumindest ein magnetoresistives Erfassungselement 102 umfasst. Das magnetoresistive Erfassungselement 102 wird verwendet, um ein Sensorsignal ansprechend auf ein Magnetfeld zu erzeugen oder bereitzustellen. Das magnetoresistive Erfassungselement 102 kann zum Beispiel aus Material zusammengesetzt sein oder dieses umfassen, das dem anisotropen Magnetowiderstandseffekt (AMR = anisotropic magneto-resistive-effect), dem Riesenmagnetowiderstandseffekt (GMR = giant magneto-resistive effect) oder dem kolossalen Magnetowiderstandseffekt (CMR = colossal magneto-resistive-effect) unterliegt. Wie es in 1 dargestellt, wird angenommen, dass ein externes elektromagnetisches Feld 104 von dem magnetoresistiven Erfassungselement 102 gemessen werden soll. Die Stärke des externen, elektromagnetischen Feldes 104 verursacht eine Abweichung des spezifischen Widerstandes des magnetoresistiven Erfassungselements 102. Die Abweichung des spezifischen Widerstandes kann bestimmt werden mittels einer Abweichung eines Stroms, der durch das magnetoresistive Erfassungselement 102 fließt, wenn eine konstante Betriebsspannung bereitgestellt wird, oder durch eine Spannungsänderung über das magnetoresistive Erfassungselement 102, wenn ein Konstantstrom durch das magnetoresistive Erfassungselement 102 bereitgestellt wird. Ein Signalgenerator 106 des Stromsensors 100 verursacht ein magnetisches Selbsttestfeld 108 an dem magnetoresistiven Erfassungselement 102.
1a stellt eine bestimmte von zahlreichen möglichen Konfigurationen dar, in denen das Selbsttestfeld 108 dem externen Magnetfeld 104 entgegengerichtet ist. Gemäß weiteren Beispielen können die relative Ausrichtung des magnetischen Selbsttestfeldes 108 und des externen Magnetfeldes 104 jedoch unterschiedlich sein. 1b stellt weitere Beispiele dar, in denen das magnetische Selbsttestfeld 108 parallel oder antiparallel zu einer Stromrichtung 120 ausgerichtet sein kann, bei der es sich um die Richtung handelt, in der ein Strom durch das Erfassungselement 102 fließt. Das magnetische Selbsttestfeld 108 kann auch ohne das Vorhandensein eines externen Magnetfeldes 104 angelegt werden. Eine Ausleseschaltung 110 empfängt ein erstes Sensorsignal 110a zu einem ersten Zeitpunkt, bevor das magnetische Selbsttestfeld 108 angelegt wird, und ein zweites Sensorsignal 110b zu einem zweiten Zeitpunkt, nachdem das zweite Sensorsignal angelegt ist. Gemäß einigen Beispielen wird ein Sensorsignal des ersten Sensorsignals 110a oder des zweiten Sensorsignals 110b bestimmt, während das magnetische Selbsttestfeld 108 angelegt oder überlagert ist, wie in 1a dargestellt. Gemäß weiteren Beispielen endet das Anlegen des magnetischen Selbsttestfeldes 108 vor dem zweiten Zeitpunkt, so dass sowohl das erste Sensorsignal 110a als auch das zweite Sensorsignal 110b ohne das gleichzeitige Vorhandensein des magnetischen Selbsttestfeldes 108 bestimmt werden, wie in 1b dargestellt. Eine Bewertungsschaltung 112 bestimmt Informationen, die einen sicheren Betrieb des Stromsensors 100 anzeigen, basierend auf einer Bewertung des ersten Sensorsignals 110a und des zweiten Sensorsignals 110b. Das heißt, Informationen bezüglich der Zuverlässigkeit oder des sicheren Betriebs des Stromsensors 100 werden durch die Bewertungsschaltung 112 bestimmt, indem ein Sensorsignal vor und nach dem Anlegen des magnetischen Selbsttestfeldes 108 bestimmt oder empfangen wird.
Das Verwenden eines Ausführungsbeispiels kann zum Beispiel die Notwendigkeit, Parallelwiderstände und sonstige Stromerfassungsvorrichtungen zu verwenden, vermeiden. Das Bestimmen des Stroms unter Verwendung von Parallelwiderständen stützt sich auf die Messung eines Spannungsabfalls über einen kleinen Parallelwiderstand, um den Ausgangsstrom zu berechnen. Jedoch werden aufgrund des Parallelwiderstandes zusätzliche Verluste erzeugt und daher wird die Gesamtwirksamkeit des Systems reduziert. Weiterhin erhöhen die Verluste die Temperatur der Vorrichtung und, aufgrund der Wärmekopplung, die Temperatur der benachbarten Komponenten, wodurch ihre Integration zum Beispiel in ein Leistungsmodul eine Herausforderung darstellt. Ausführungsbeispiele können zum Beispiel ferner die Verwendung sonstiger herkömmlicher Stromsensoren vermeiden, bei denen es sich im Wesentlichen um Wandler mit offener Regelschleife (open loop transducers) handelt, die Hall-Effekt-Vorrichtungen verwenden, die mit hohen Kosten verbunden sind. Weiterhin macht die Größe dieser Stromsensoren und ihrer Komponenten ihre Integration in zu überwachende Vorrichtungen nahezu unmöglich.
Während einige bestimmte Ausführungsbeispiele das zweite Sensorsignal 110b auslesen oder empfangen können, wenn kein externes Feld oder kein externes Magnetfeld 104 vorhanden ist, können weitere Ausführungsbeispiele auch ein weiteres magnetisches Selbsttestfeld zu dem zweiten Zeitpunkt anlegen, vorausgesetzt das weitere, magnetische Selbsttestfeld unterscheidet sich von dem magnetischen Selbsttestfeld zu dem ersten Zeitpunkt.
Gemäß einigen bestimmten Ausführungsbeispielen bestimmt die Bewertungsschaltung 112, dass der Stromsensor sich in einem sicheren Betriebszustand befindet, wenn eine Differenz zwischen dem ersten Sensorsignal 110a und dem zweiten Sensorsignal 110b einer erwarteten Antwort des magnetoresistiven Erfassungselements 102 auf das magnetische Selbsttestfeld 108 entspricht. Ein magnetisches Selbsttestfeld 108 von bekannter Charakteristik oder Stärke kann auf das magnetoresistive Erfassungselement 102 überlagert werden und die Änderung des Sensorsignals, wie es von dem magnetoresistiven Erfassungselement 102 bereitgestellt wird, wird mit einer erwarteten Änderung eines voll betriebsfähigen, magnetoresistiven Erfassungselements verglichen, an das ein identisches Selbsttestfeld 108 angelegt ist. Sobald die erwartete Sensorantwort durch eine Bewertung des ersten Sensorsignals 110a und des zweiten Sensorsignals 110b bestimmt ist, lässt sich daraus schlussfolgern, dass sich der Stromsensor 100 in einem sicheren Betriebsmodus befindet und dass das Ausgelesene und/oder die Ergebnisse, die unter Verwendung des Stromsensors erhalten wurden, verlässlich sind.
Wenn nicht die erwartete Sensorantwort bestimmt wird, kann ein Warnsignal erzeugt werden. Das Warnsignal zeigt an, dass die Sensorsignale, die unter Verwendung des magnetoresistiven Erfassungselements bestimmt wurden, nicht verlässlich sind. Diese Informationen können von dem Warnsignal an die Folgeschaltungsanordnung, die sich auf die Sensorsignale stützt wird, weitergeleitet werden. Abhängig von der jeweiligen Implementierung kann das Warnsignal zum Beispiel eine von zahlreichen Zuverlässigkeits- oder Integritätsstufen anzeigen, zum Beispiel gemäß der Norm IECEN 61508 (Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer/elektronischer/programmierbarer elektronischer Systeme). Weitere Ausführungsbeispiele können andere Normen basierend auf IEC 61508 verwenden, die vier Sicherheitsintegritätsstufen (SILs = Safety Integrity Levels) definiert, wobei SIL 4 die verlässlichste Stufe und SIL 1 die am wenigsten verlässliche Stufe ist. Die Automobilsicherheitsintegritätsstufe (ASIL = Automotive Safety Integrity Level) ist ein Beispiel für Definitionen der funktionalen Sicherheit für Anwendungen in der Automobilindustrie. Zum Beispiel kann ein Elektromotor von einem Leistungswandler getrieben werden, was das Überwachen des Stroms zu dem Motor unter Verwendung eines magnetoresistiven Erfassungselements erfordern kann. Der Strom kann als Eingang zu einer Regelung für das Betreiben des Motors dienen. Wenn die Messungen aus dem magnetoresistiven Erfassungselement oder dem Leistungswandler, der das magnetoresistive Erfassungselement umfasst, unverlässlich werden, kann die Schaltungsanordnung mit einer Rückkopplungsschleife oder eine sonstige Schaltungsanordnung durch ein ASIL-konformes Warnsignal informiert werden. Dies kann das Kombinieren von Komponenten unterschiedlicher Hersteller erlauben. Die Schaltungsanordnung kann ihrerseits entscheiden, dass ein anderer Betriebsmodus erforderlich sein kann, um einen sicheren Betrieb des Motors aufrechtzuerhalten. Nur als Beispiel kann entschieden werden, von einer Regelung auf eine Steuerung umzuschalten und dabei die Informationen über den gemessenen Strom im Motor nicht zu beachten.
Das magnetische Selbsttestfeld 108 an dem magnetoresistiven Erfassungselement 102 kann unter Verwendung einer beliebigen Technologie erzeugt werden. Einige Sensorausleseprogramme setzen zum Beispiel eine Kompensationsspule ein, um das externe Magnetfeld 104 an dem magnetoresistiven Erfassungselement 102 zu kompensieren, wenn ein Strom durch die Kompensationsspule fließt. Eine entsprechende Ausleseschaltungsanordnung stützt sich auf das Ausgleichen des Stroms in der Stromkompensationsspule, so dass eine Überlagerung eines Magnetfeldes, wie es durch die Kompensationsspule erzeugt wird, auf das externe Magnetfeld 104 zu einem effektiven Nullfeld führt, wie es von dem magnetoresistiven Erfassungselement 102 erkannt wird. Dieses bestimmte Auslesen kann langfristige Drifts der Empfindlichkeit der magnetoresistiven Erfassungselemente kompensieren und ermöglicht somit, dass ein Stromsensor über längere Nutzungszeiträume stabil und zuverlässig ist. Gemäß einigen Beispielen wird die Kompensationsspule ferner verwendet, um das magnetische Selbsttestfeld 108 an dem magnetoresistiven Erfassungselement 102 bereitzustellen oder zu erzeugen. Zu diesem Zweck erzeugt oder verursacht der Signalgenerator 106 einen Strom durch die Kompensationsspule. Dies ermöglicht das Wiederverwenden einer bereits bestehenden Schaltungsanordnung, um die Möglichkeit zu schaffen, Selbsttests durchzuführen und anzuzeigen, ob der Stromsensor 100 sich in einem sicheren oder zuverlässigen Betriebsmodus befindet oder nicht.
Einige Beispiele verwenden anisotrope, magnetoresistive Erfassungselemente (AMR-Sensoren). Die AMR-Erfassungselemente einiger Beispiele werden mit sogenanntem AMR-Kippen (AMR flipping) betrieben. Eine Kippspule ist innerhalb des Stromsensors oder innerhalb der Sensoranordnung vorhanden, was ein Kippen einer Richtung einer Magnetisierung des anisotropen, magnetoresistiven Erfassungselements erlaubt. Insbesondere ist die Kippspule ausgebildet, um ein Magnetfeld parallel oder antiparallel zu dem Strom durch das magnetoresistive Erfassungselement zu erzeugen, was dazu dient, die Empfindlichkeit oder Antwort des magnetoresistiven Erfassungselements umzukehren. Dies kann die Bestimmung von Versatzwerten der Antwort des magnetoresistiven Erfassungselements ermöglichen, indem der Mittelwert eines ersten Sensorsignals mit einer ersten Magnetisierungsrichtung und eines zweiten Sensorsignals mit einer entgegengesetzten Magnetisierungsrichtung verwendet wird, selbst bei dem Vorhandensein externer Magnetfelder. Indem zwei Sensorsignale mit entgegengesetzter Magnetisierung verglichen werden, die bei dem Vorhandensein eines externen Magnetfeldes in nachfolgenden Zeitintervallen aufgenommen wurden, kann ein intrinsischer Versatz bestimmt und kompensiert werden.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen wird die Kippspule verwendet, um das magnetische Selbsttestfeld bereitzustellen, d. h. der Steuersignalgenerator erzeugt oder verursacht einen Strom durch die Kippspule, um die Bestimmung der Informationen zu ermöglichen, die einen sicheren Betrieb des Stromsensors anzeigen. Gemäß einigen Beispielen ist der Strom, der verwendet wird, um das magnetische Selbsttestfeld zu erzeugen, geringer als ein Kippstrom, der verwendet wird, um die Magnetisierung des anisotropen, magnetoresistiven (AMR = anisotropic magneto-resistive) Erfassungselements zu kippen.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ist zu dem zweiten Zeitpunkt kein Strom an die Kippspulen angelegt, da ein Kippstrom zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt angelegt ist, um eine Richtung der Magnetisierung eines AMR-Erfassungselements zu kippen, wie es in 1b schematisch dargestellt wird. Das Magnetfeld, das durch den Kippstrom in den Kippspulen erzeugt wird, verursacht eine Änderung der Richtung einer Magnetisierung des AMR-Erfassungselements 102 um ungefähr 180 Grad und dient als das magnetische Selbsttestfeld 108. Die Richtung der Magnetisierung ist entweder parallel (130a) oder antiparallel (130b) zu der Richtung 120 eines Stroms durch das AMR-Erfassungselement 102. Abhängig von der Richtung der Magnetisierung ändert sich eine Sensorantwort oder ein spezifischer Sensorwiderstand um einen vorbestimmten Betrag. 1b stellt den spezifischen Widerstand in Abhängigkeit der Stärke einer externen Magnetfeldkomponente 104 dar, die senkrecht zu der Richtung 120 des Stroms für beide Richtungen 130a und 130b der Magnetisierung des AMR-Erfassungselements 102 ist. An einem gegebenen, externen Magnetfeld 104 springt der spezifische Widerstand des AMR-Erfassungselements 102, wenn die Magnetisierung gekippt wird. Der Sprung ist um einen Versatzwert zentriert, der durch den Mittelwert des spezifischen Widerstandes zu dem ersten Zeitpunkt und des spezifischen Widerstandes zu dem zweiten Zeitpunkt gegeben ist. Wenn der Versatzwert erheblich von einem erwarteten Versatzwert oder Mittelwert abweicht, lässt sich daraus schlussfolgern, dass das magnetoresistive Erfassungselement 102 sich in einem betrieblich unsicheren Zustand befindet. Der erwartete Versatzwert kann zum Beispiel unter Verwendung eines vorherigen Paares von Messsignalen bestimmt werden. Gemäß diesen Beispielen wird das erste Sensorsignal bestimmt, bevor die Richtung der Magnetisierung des AMR-Erfassungselements 102 gekippt wird, und das zweite Sensorsignal wird nach dem Kippen bestimmt. Die Änderung des Signals des AMR-Erfassungselements wird mit einer erwarteten Antwort oder Änderung verglichen, und wenn die Erwartung nicht erfüllt wird, wird ein unzuverlässiger Betrieb vermutet. Zum Beispiel kann ein erstes Paar eines ersten Sensorsignals und eines zweiten Sensorsignals verwendet werden, um einen erwarteten Versatzwert zu einer ersten Messzeit zu bestimmen, und ein zweites Paar eines ersten Sensorsignals und eines zweiten Sensorsignals kann verwendet werden, um einen weiteren Versatzwert zu einer zweiten Messzeit zu bestimmen. Wenn der Versatzwert erheblich von dem erwarteten Versatzwert abweicht, lässt sich daraus schlussfolgern, dass sich das AMR-Erfassungselement 102 in einem unsicheren oder unzuverlässigen Betriebszustand befindet.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Versatzwert, der durch Messungen mit verschiedenen Magnetisierungen bestimmt wird, zusätzlich verwendet werden, um langfristige Abweichungen der Erfassungselementcharakteristika zum Beispiel aufgrund von Temperaturänderungen oder dergleichen zu bestimmen. Das heißt, eine Abweichung des Versatzwertes, wie sie durch zwei Messungen mit entgegengesetzter Magnetisierung bestimmt wird, kann verwendet werden, um die Genauigkeit des Sensorablesens zu erhöhen und um langfristige Auswirkungen zu kompensieren, während eine starke Abweichung von zwei aufeinanderfolgend bestimmten Versatzwerten einen unsicheren oder ungesicherten Betriebszustand des Erfassungselements anzeigen kann. Gemäß einigen Beispielen kann das Zeitintervall zwischen der ersten Messzeit und der zweiten Messzeit, das zum Prüfen der funktionalen Sicherheit des AMR-Erfassungselements verwendet wird, kürzer gewählt werden als ein Zeitintervall, in dem langfristige Abweichungen des AMR-Erfassungselements auftreten.
2 stellt ein Beispiel einer Vorrichtung 200 dar, die einen Signalgenerator 210 umfasst, um ein Signal zu erzeugen, das ein magnetisches Selbsttestfeld für ein magnetoresistives Erfassungselement verursacht. Die Vorrichtung 200 umfasst ferner einen Signaleingang 220, um ein erstes Sensorsignal 220a zu einem ersten Zeitpunkt, bevor ein Selbsttestfeld angelegt wird, und ein zweites Sensorsignal 220b zu einem zweiten Zeitpunkt, nachdem das Selbsttestfeld angelegt ist, zu empfangen. Eine Bewertungsschaltung 230 bestimmt Informationen, die einen sicheren Betrieb anzeigen, basierend auf einer Bewertung des ersten Sensorsignals 220a und des zweiten Sensorsignals 220b. Eine Vorrichtung 200, wie sie in 2 schematisch dargestellt wird, kann verwendet werden, um Informationen zu bestimmen, die einen sicheren Betrieb eines bestehenden Stromsensors anzeigen, wenn der Stromsensor von der Vorrichtung 200 betrieben oder gesteuert wird. Das Steuersignal 212 ist gemäß einigen Beispielen ausgebildet, um einen Strom durch die Kompensationsspule des magnetoresistiven Erfassungselements zu verursachen. Gemäß weiteren Beispielen ist das Steuersignal 212 ausgebildet, um einen Strom durch eine Kippspule eines anisotropen, magnetoresistiven Erfassungselements zu verursachen, um entweder ein Kippen der Magnetisierung des Erfassungselements oder eine Überlagerung eines zusätzlichen Magnetfeldes mittels der Kippspulen zu verursachen.
Gemäß einem bestimmten Ausführungsbeispiel ist die Bewertungsschaltung 230 ausgebildet, um zu bestimmen, dass sich das magnetoresistive Erfassungselement in einem sicheren Betriebszustand befindet, wenn eine Differenz zwischen dem ersten Sensorsignal 220a und dem zweiten Sensorsignal 220b einer erwarteten Antwort des magnetoresistiven Erfassungselements auf das magnetische Selbsttestfeld entspricht.
3 stellt ein bestimmtes Beispiel eines Stromsensors dar, der vier AMR-Erfassungselemente 302a bis 302d aufweist, die als Wheatstone-Brücke miteinander gekoppelt sind. Die Wheatstone-Brücke der magnetoresistiven Erfassungselemente 302a bis 302d wird oben auf einem isolierenden Substrat 304 gebildet, wie zum Beispiel einem direkt gebondeten Kupfersubstrat (Direct-Bonded-Copper-Substrat; DBC = direct bonded copper).
Das Substrat 304 ist oben auf einer U-förmigen Leiterbahn 306 platziert, wobei der Strom mittels des Stromsensors 305 von 3 gemessen wird. Die AMR-Sensoren oder magnetoresistiven Erfassungselemente 302a bis 302d, die bei dem Ausführungsbeispiel von 3 verwendet werden, sind in 4 detailliert dargestellt und sind oben auf der U-förmigen Leiterbahn 306 platziert, so dass die magnetoresistiven Erfassungselemente 302a und 302b oben auf einem ersten Segment 306a der Leiterbahn 306 sind und die magnetoresistiven Erfassungselemente 302c und 302d oben auf einem zweiten Segment 306b der Leiterbahn 306 sind. Der Strom durch die einzelnen Segmente 306a und 306b fließt in der entgegengesetzten Richtung. Aufgrund der geometrischen Position der magnetoresistiven Erfassungselemente erfährt jedes Paar der magnetoresistiven Erfassungselemente 302a/302b und 302c/302d hauptsächlich das Magnetfeld, das von einem der Leitersegmente 306a und 306b bereitgestellt wird. Das Sensorsignal, wie es von dem Stromsensor 306 bereitgestellt wird, wird unter Verwendung von zwei Kompensationsspulen oder Kompensationsleitern 308a und 308b, die oben auf den magnetoresistiven Erfassungselementen 302a/302b und 302c/302d platziert sind, erzeugt, so dass ein Strom, der durch die Kompensationsspulen erzeugt wird, ein kompensierendes Magnetfeld erzeugt, dessen Feldvektor 310a, 310b entgegengesetzt zu dem Feldvektor eines primären Magnetfeldes 312a, 312b ist, das durch die Leiterbahn 306 erzeugt wird. Ein Ausleseverstärker 314 wird verwendet, um einen Strom durch die Kompensationsspulen 308a und 308b zu erzeugen, so dass ein effektives Magnetfeld die Überlagerung des primären Magnetfeldes 312a/312b ist und das Kompensationsmagnetfeld 310a/310b ein Nullfeld an der Position der magnetoresistiven Erfassungselemente 302a bis 302d überlagert.
Der Strom durch die Kompensationsspulen 302a und 302b ist ein Maß für das Magnetfeld und somit wird ein Sensorsignal, das den Strom durch die Leiterbahn 306 anzeigt, als eine Spannung an einem Ausgangsanschluss 320 des Stromsensors 305 bestimmt. Durch Verwenden eines Ablesens mit Kompensationsspulen, wie es in 3 dargestellt wird, kann ein Empfindlichkeitsdrift kompensiert werden, so dass langfristige Stabilität erreicht werden kann. Gemäß einigen Beispielen werden die Kompensationsspulen 308a und 308b auch verwendet, um ein zusätzliches, magnetisches Selbsttestfeld für die magnetoresistiven Erfassungselemente zu erzeugen, so dass ihre Funktionalität getestet werden kann. Zum Beispiel kann angezeigt werden, dass das Ablesen des Stromsensors 305 zuverlässig ist oder dass die magnetoresistiven Erfassungselemente funktionssicher sind, wenn ein magnetisches Selbsttestfeld, das zusätzlich mittels der Kompensationsspulen 308a und 308b überlagert ist, eine Antwort des Sensorsignals verursacht, wie dies aufgrund des zusätzlichen magnetischen Selbsttestfeldes erwartet werden kann. Bei dem in 3 dargestellten Beispiel kann dies erreicht werden, indem die Steuerung geändert wird, so dass das primäre Magnetfeld 310 und das sekundäre Magnetfeld 312 sich nicht vollständig, sondern nur bis zu einem gewissen vorbestimmten Betrag, kompensieren. Der sich ergebende Strom durch die Kompensationsspule kann dann als ein Sensorsignal bestimmt werden, und es kann bewertet werden, ob er der erwarteten Antwort entspricht oder nicht, um die funktionale Sicherheit des Stromsensors festzustellen.
4 stellt detailliert dar, wie ein einzelnes magnetoresistives Erfassungselement zusammengesetzt sein kann. Die folgenden Komponenten des magnetoresistiven Erfassungselements werden auf einem gemeinsamen Substrat gebildet. Die Leiterbahn des AMR-Materials 402 läuft in Serpentinen und parallel zu einer Richtung 404, die parallel oder antiparallel zu dem Strom ist, der zu erfassen ist. Kompensationsspulen 405 verlaufen parallel zu der Richtung 404 und oben auf den AMR-Materialstreifen 402 auf einer gegenüberliegenden Seite zu der Leiterbahn 406. Die AMR-Streifen 402 umfassen ferner Barber-Pole-Kurzschlussleiter (barber-pole shorting bars) 408, die zum Beispiel aus Kupfer unter dem AMR-Material oder aus Gold über dem AMR-Material bestehen und die dazu dienen, eine bipolare Antwort der AMR-Streifen 402 zu erzeugen. Die Kippspule 410 erstreckt sich in eine Richtung 412 senkrecht zu der Richtung 404, so dass ein Strom durch die Kippspule 410 verwendet werden kann, um eine Magnetisierung der AMR-Materialstreifen 402 zu kippen, um parallel zu der Richtung 404 oder antiparallel dazu zu werden. Während eine bestimmte Implementierung eines magnetoresistiven, sensiblen Elements in 4 dargestellt ist, können weitere Ausführungsbeispiele unterschiedliche Konfigurationen oder magnetoresistive Erfassungselemente verwenden, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Gemäß einigen der erörterten Ausführungsbeispiele kann ein magnetisches Selbsttestfeld an die magnetoresistiven Erfassungselemente oder AMR-Streifen 402 durch eine der Kompensationsspulen 406 oder die Kippspule 410 oder durch beide gleichzeitig überlagert oder angelegt werden, um eine Schlussfolgerung dahingehend zu erlauben, ob der Stromsensor betriebssicher oder zuverlässig ist oder nicht.
5 stellt ein bestimmtes Beispiel eines Wandlermoduls 500 eines Leistungsmoduls oder eines Leistungswandlers mit zumindest einem Wandlermodul 500 dar, um eine Ausgangswechselspannung und einen Ausgangsanschluss 502 des Wandlermoduls 500 bereitzustellen. Ein Beispiel eines Stromsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel ist innerhalb des Magnetfelds platziert, das durch einen Strom durch eine Leiterbahn erzeugt wird, die das Wandlermodul mit dem Ausgangsanschluss 502 koppelt. Das Wandlermodul umfasst einen ersten Eingang für eine negative Versorgungsspannung 506a und einen zweiten Eingang 506b für eine positive Versorgungsspannung. Ein erster Bipolartransistor mit isoliertem Gate 508a dient zum Koppeln der positiven Versorgungsspannung 506b mit dem Ausgangsanschluss über die Leiterbahn 507 und ein zweiter Bipolartransistor mit isoliertem Gate 508b dient zum Koppeln der negativen Versorgungsspannung 506a mit dem Ausgangsanschluss 502 über die Leiterbahn 507. Das Platzieren eines einzigen Stromsensors innerhalb des Magnetfeldes, das von dem Strom durch die Leiterbahn 507 erzeugt wird, erlaubt die Messung des Stroms durch den Leistungswandler innerhalb des Leistungswandlers selbst, was kompakte und flexible Vorrichtungen erlaubt. Das heißt, der Strom, der zum Beispiel von Elektromotoren gezogen wird, die durch einen Leistungswandler 600 getrieben werden, wie es in 6 dargestellt wird, kann direkt innerhalb des Leistungswandlers selbst gemessen werden, so dass die Menge, die innerhalb der Regelung des Elektromotors verwendet wird, mit hoher Genauigkeit und ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Komponenten abgesehen von dem Leistungswandler bestimmt werden kann, wie dies gemäß gewissen herkömmlichen Ansätzen erforderlich ist.
6 stellt ein weiteres Beispiel eines Leistungswandlers 600 dar, der aus drei Wandlermodulen 602a bis 602c besteht, wie es in 5 dargestellt wird, so dass eine Wechselspannung mit drei Wechselphasen bereitgestellt werden kann. Dies kann dazu dienen, einen Elektromotor mit den erforderlichen Versorgungspannungen zu treiben.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen ist ein Stromsensor, wie er zum Beispiel in 3 dargestellt wird, oben auf der Leiterbahn 507 innerhalb eines Wandlermoduls 500 eines Leistungswandlers 600 platziert. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Leiterbahn 507 eine Aussparung aufweisen, in der der Stromsensor in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche der Leiterbahn 507 angelegt ist. Dies kann dazu dienen, zusätzlich Platz innerhalb des Leistungswandlers 600 zu sparen, wobei zugleich erlaubt wird, den Strom innerhalb des Leistungswandlers 600 genau zu messen, da der sensible Bereich des Stromsensors parallel zu einer Magnetfeldkomponente ist. Bei diesem bestimmten Beispiel wird die Magnetfeldkomponente durch den Rand der Aussparung innerhalb der Leiterbahn erzeugt.
Anders ausgedrückt, stellt 6 ein Invertersystem dar, das nutzbar ist zum Umwandeln von Hochspannungsgleichstrom in mehrphasigen Wechselstrom, der zum Treiben einer Elektrik erforderlich ist. Die meisten Anwendungen verwenden einen Dreiphaseninverter, der aus drei Halbbrückenschenkeln besteht, von denen jeder mit einem der drei Lastanschlüsse verbunden ist. Eine nahezu konstante Gleichstrombusspannung (Batterie) liefert eine Vollbrücke, die aus sechs Schaltern besteht. Durch Steuern der Schalter werden Spannungspulsmuster an den Ausgangsanschlüssen erzeugt, die einen sinusförmigen Strom mit einer induktiven Last verursachen. Der Inverter wird somit verwendet, um variable Frequenzausgangsspannungen und -ströme unterschiedlicher Werte bereitzustellen. Um die ordnungsgemäßen Spannungs- und Strommuster für die Last (Motor) bereitzustellen, muss der Laststrom des Leistungsmoduls sehr genau gemessen werden.
Zusammenfassend können durch Integrieren der Stromsensoren basierend auf dem Magnetowiderstandseffekt (MR = magnetoresistance effect) in das Leistungsmodul die Kosten und Größe des gesamten Systems erheblich reduziert werden und die Leistung des Inverters wird dabei nicht beeinträchtigt. Die xMR- (anisotroper Magnetowiderstand (AMR = AnisotropicMagnetoResistance), Riesenmagnetowiderstand (GiantMagnetoResistance), Tunnelmagnetowiderstand (TunnelMagnetoResistance)) Sensoren erlauben eine potentialfreie Messung des Stroms über das Magnetfeld. Dieser Sensor misst das Feld in der Ebene (Feldkomponente, die parallel zu der Ebene der Stromschiene ist). Das Magnetfeld des Primärstroms in dem Leistungsmodul ändert den Widerstand der MR-Sensorbrücke. Diese Widerstandsänderung erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, das von einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC; ASIC = application-specific integrated circuit) oder µC elektronisch verarbeitet werden kann. Die MR-Sensoren werden auf Substraten wie Silizium, Keramik, Polymeren, die von dem Substrat elektrisch isoliert sind und von dem Primärstrom isoliert sind, hergestellt. Jede Brückenkonfiguration (halb, voll) kann als eigenständiger Sensor, der monolithisch mit einem Bewertungschip oder gestapelten Chips integriert ist, verwendet werden. Eine einfache lineare Ausgangsbrücke, auch eine gradiometrische Anordnung, kann verwendet werden, um Streufelder zu unterdrücken, oder ein Matrixansatz mit TMR-Zellen kann verwendet werden. Ein magnetoresistiver Sensor kann verwendet werden, der isoliert in der Nähe (oben auf) einer geformten Stromschiene in dem DCB platziert ist, um den Strom in der Schiene zu messen. Die Form der Stromschiene kann so entworfen sein, dass das Magnetfeld, das durch den Strom erzeugt wird, nur an einer Koordinate, an zwei Koordinaten oder mehr in der Nähe der Schiene gemessen wird. Die MR-Sensoren können Gleichströme und Wechselströme von Milliampere bis 1000 Ampere von Gleichstrom bis 5 MHz messen. Der Sensor steht nicht in elektrischem Kontakt mit der Stromschiene (galvanisch isoliert) und mit einer Modifikation auf der Sensortopologie kann er aufgrund eines Selbsttestprinzips (AMR-Kippen) funktionssicher gemacht werden. 3 zeigt den auf einem geschlossenen Regelkreis basierenden Kompensationsansatz, der eine hohe Genauigkeit liefert. 4 zeigt einen AMR-Sensor mit Kipp- und Kompensationsspulen, die auf einem Chip integriert sind. Der Sensor von 4 weist keinen Magnetkern auf, was Sättigungs- oder Hystereseeffekte vermeidet und sehr kleine Vorrichtungen erlaubt, die seine Integration ohne Verwendung großer Bereiche in dem Leistungsmodul ermöglichen und somit Kosten sparen und die Leistungsdichte erhöhen. Aufgrund des kontaktlosen, magnetischen Messprinzips gibt es eine inhärente galvanische Isolierung zwischen den Hochspannungs-IGBT-Teilen (IGBT; Insulated Gate Bipolar Transistor = Bipolartransistor mit isoliertem Gate) und dem Sensorausgangssignal.
Die Integration von Stromsensoren in die Leistungsmodule kann für jede Leistungsklasse wünschenswert sein, beginnend von Niedrigleistungsanwendungen z. B. für Hilfsantriebe oder Gleichspannungswandler bis hin zu Hochleistungsanwendungen z. B. für Inverter oder Generatoren für vollhybride und elektrische Fahrzeuge. Der innere Aufbau jeder Halbbrücke kann angepasst werden, um die Integration möglich zu machen. Eine Stromschiene (CR; CR = current rail) kann in den Aufbau der direkt gebondeten Kupfersubstrate (DBC-Substrate) für jede Halbbrücke entworfen sein. Oben auf der Stromschiene kann ein zweites kleines DBC als Träger für die dualen Stromsensoren befestigt sein. Die zweite Keramik hilft zugleich, um den Abstand zwischen Stromschiene und Sensor anzupassen. Die Stromschiene (in der ein Strom fließt und der MR-Sensor detektiert das Magnetfeld in der Nähe) kann als eine rechteckige Form, mit einem Schlitz innen, oder in einer U-Form, entworfen sein.
Ausführungsbeispiele können ferner ein Computerprogramm bereitstellen, das einen Programmcode zum Durchführen eines der obigen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder Prozessor ausgeführt wird. Ein Fachmann würde leicht erkennen, dass Schritte verschiedener, oben beschriebener Verfahren von programmierten Computern durchgeführt werden können. Hierbei sollen einige Ausführungsbeispiele auch Programmspeichervorrichtungen, z.B. Digitaldatenspeichermedien abdecken, die maschinen- oder computerlesbar sind und maschinenausführbare oder computerausführbare Programme von Anweisungen codieren, wobei die Anweisungen einige oder alle der Handlungen der oben beschriebenen Verfahren durchführen. Die Programmspeichervorrichtungen können z.B. Digitalspeicher, magnetische Speichermedien wie beispielsweise Magnetplatten und Magnetbänder, Festplattenlaufwerke oder optisch lesbare Digitaldatenspeichermedien sein. Auch sollen Ausführungsbeispiele Computer programmiert zum Durchführen der Handlungen der oben beschriebenen Verfahren oder (feld-) programmierbare Logik-Arrays ((F)PLA - (Field) Programmable Logic Arrays) oder (feld-) programmierbare Gate-Arrays ((F)PGA - (Field) Programmable Gate Arrays) programmiert zum Durchführen der Handlungen der oben beschriebenen Verfahren abdecken.
Durch die Beschreibung und Zeichnungen werden nur die Grundsätze der Offenbarung dargestellt. Es versteht sich daher, dass der Fachmann verschiedene Anordnungen ableiten kann, die, obwohl sie nicht ausdrücklich hier beschrieben oder dargestellt sind, die Grundsätze der Offenbarung verkörpern und in ihrem Sinn und Rahmen enthalten sind. Weiterhin sollen alle hier aufgeführten Beispiele ausdrücklich nur Lehrzwecken dienen, um den Leser beim Verständnis der Grundsätze der Offenbarung und der durch den (die) Erfinder beigetragenen Konzepte zur Weiterentwicklung der Technik zu unterstützen, und sollen als ohne Begrenzung solcher besonders aufgeführten Beispiele und Bedingungen dienend aufgefasst werden. Weiterhin sollen alle hiesigen Aussagen über Grundsätze, Aspekte und Ausführungsbeispiele der Offenbarung wie auch besondere Beispiele derselben deren Entsprechungen umfassen.
Als „Mittel für...“ (Durchführung einer gewissen Funktion) bezeichnete Funktionsblöcke sind als Funktionsblöcke umfassend Schaltungen zu verstehen, die jeweils zum Durchführen einer gewissen Funktion ausgebildet sind. Daher kann ein „Mittel für etwas“ ebenso als „Mittel ausgebildet für oder geeignet für etwas“ verstanden werden. Ein Mittel ausgebildet zum Durchführen einer gewissen Funktion bedeutet daher nicht, dass ein solches Mittel notwendigerweise die Funktion durchführt (zu einem gegebenen Zeitpunkt).
Funktionen verschiedener, in den Figuren dargestellter Elemente einschließlich jeder als „Mittel“, „Mittel zur Bereitstellung eines Sensorsignals“, „Mittel zum Erzeugen eines Sendesignals“ usw. bezeichneter Funktionsblöcke können durch die Verwendung dedizierter Hardware wie beispielsweise „eines Signalanbieters“, „einer Signalverarbeitungseinheit“, „eines Prozessors“, „einer Steuerung“, usw. wie auch als Hardware fähig der Ausführung von Software in Verbindung mit zugehöriger Software bereitgestellt werden. Weiterhin könnte jede hier als „Mittel“ beschriebene Instanz als „ein oder mehrere Module“, „eine oder mehrere Vorrichtungen“, „eine oder mehrere Einheiten“, usw. implementiert sein oder diesem entsprechen. Bei Bereitstellung durch einen Prozessor können die Funktionen durch einen einzigen dedizierten Prozessor, durch einen einzelnen geteilten Prozessor oder durch eine Vielzahl einzelner Prozessoren bereitgestellt werden, von denen einige geteilt sein können. Weiterhin soll ausdrückliche Verwendung des Begriffs „Prozessor“ oder „Steuerung“ nicht als ausschließlich auf zur Ausführung von Software fähige Hardware bezogen ausgelegt werden, und kann implizit ohne Begrenzung Digitalsignalprozessor-(DSP-) Hardware, Netzprozessor, anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC - Application Specific Integrated Circuit), feldprogrammierbare Logikanordnung (FPGA - Field Programmable Gate Array), Nurlesespeicher (ROM - Read Only Memory) zum Speichern von Software, Direktzugriffsspeicher (RAM - Random Access Memory) und nichtflüchtige Speicherung einschließen. Auch kann sonstige Hardware, herkömmliche und/oder kundenspezifische, eingeschlossen sein.
Der Fachmann sollte verstehen, dass alle hiesigen Blockschaltbilder konzeptmäßige Ansichten beispielhafter Schaltungen darstellen, die die Grundsätze der Offenbarung verkörpern. Auf ähnliche Weise versteht es sich, dass alle Ablaufdiagramme, Flussdiagramme, Zustandsübergangsdiagramme, Pseudocode und dergleichen verschiedene Prozesse darstellen, die im Wesentlichen in computerlesbarem Medium dargestellt und so durch einen Computer oder Prozessor ausgeführt werden können, ungeachtet dessen, ob ein solcher Computer oder Prozessor ausdrücklich dargestellt ist.
Weiterhin sind die nachfolgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch als getrenntes Ausführungsbeispiel für sich stehen kann. Wenn jeder Anspruch als getrenntes Ausführungsbeispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine besondere Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann - andere Ausführungsbeispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs einschließen können. Diese Kombinationen werden hier vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Weiterhin sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.
Es ist weiterhin zu beachten, dass in der Beschreibung oder in den Ansprüchen offenbarte Verfahren durch eine Vorrichtung mit Mitteln zum Durchführen jeder der jeweiligen Handlungen dieser Verfahren implementiert sein können.
Weiterhin versteht es sich, dass die Offenbarung vielfacher, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Handlungen oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden sollten. Durch die Offenbarung von vielfachen Handlungen oder Funktionen werden diese daher nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt, es sei denn, dass diese Handlungen oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind. Weiterhin kann in einigen Ausführungsbeispielen eine einzelne Handlung mehrere Teilhandlungen einschließen oder in diese aufgebrochen werden. Solche Teilhandlungen können eingeschlossen sein und Teil der Offenbarung dieser Einzelhandlung bilden, sofern sie nicht ausdrücklich ausgeschlossen sind.

Claims

Eine Vorrichtung (200), umfassend: einen Signalgenerator (210) zum Erzeugen eines Signals, das ein magnetisches Selbsttestfeld (108) für ein magnetoresistives Erfassungselement (102) verursacht, wobei das Signal ausgebildet ist, um einen Strom durch eine Kippspule eines anisotropen, magnetoresistiven Erfassungselements zu verursachen; einen Signaleingang (220) zum Empfangen eines ersten Sensorsignals (220a) zu einem ersten Zeitpunkt, bevor das magnetische Selbsttestfeld (108) angelegt wird, und eines zweiten Sensorsignals (220b) zu einem zweiten Zeitpunkt, nachdem das magnetische Selbsttestfeld (108) angelegt ist; und eine Bewertungsschaltung (230) zum Bestimmen von Informationen, die einen sicheren Betrieb anzeigen, basierend auf einer Bewertung des ersten Sensorsignals (220a) und des zweiten Sensorsignals (220b).
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Signal ausgebildet ist, um einen Strom durch eine Kompensationsspule des magnetoresistiven Erfassungselements (102) zu verursachen.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Signal ausgebildet ist, um einen Strom durch die Kippspule zu verursachen, der geringer ist als ein weiterer Strom, der zum Kippen einer Richtung einer Magnetisierung des anisotropen, magnetoresistiven Erfassungselements verwendet wird.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Signal ausgebildet ist, um einen Kippstrom durch die Kippspule zu verursachen, der ein magnetisches Kippfeld erzeugt, das ein Kippen einer Richtung einer Magnetisierung des anisotropen, magnetoresistiven Erfassungselements verursacht.
Die Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Bewertungsschaltung (230) ausgebildet ist, um zu bestimmen, dass das magnetoresistive Erfassungselement (102) sich in einem sicheren Betriebszustand befindet, wenn eine Differenz zwischen dem ersten Sensorsignal (220a) und dem zweiten Sensorsignal (220b) einer erwarteten Antwort des magnetoresistiven Erfassungselements auf das magnetische Selbsttestfeld entspricht.
Die Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Steuersignalgenerator ferner ausgebildet ist, um ein weiteres magnetisches Selbsttestfeld (108) nach dem zweiten Zeitpunkt zu verursachen.
Ein Stromsensor, umfassend: zumindest ein anisotropes magnetoresistives Erfassungselement (302) zum Bereitstellen eines Sensorsignals ansprechend auf ein Magnetfeld; zumindest eine Kippspule zum Kippen einer Richtung einer Magnetisierung des anisotropen, magnetoresistiven Erfassungselements. einen Signalgenerator (210) zum Verursachen eines magnetischen Selbsttestfeldes (108) an dem anisotropen magnetoresistiven Erfassungselement; wobei der Signalgenerator ferner ausgebildet ist, um einen Kippstrom durch die Kippspule zu verursachen, wobei der Kippstrom ein magnetisches Kippfeld erzeugt, das verwendet wird, um die Magnetisierung des anisotropen, magnetoresistiven Erfassungselements zu kippen; und wobei der Signalgenerator zum Verursachen des magnetischen Selbsttestfeldes einen Strom durch die Kippspule erzeugt, der geringer als der Kippstrom ist; eine Ausleseschaltung (110) zum Empfangen eines ersten Sensorsignals (110a) zu einem ersten Zeitpunkt, bevor das magnetische Selbsttestfeld (108) angelegt wird, und eines zweiten Sensorsignals (110b) zu einem zweiten Zeitpunkt, nachdem das magnetische Selbsttestfeld angelegt ist; und eine Bewertungsschaltung (112) zum Bestimmen von Informationen, die einen sicheren Betrieb des Stromsensors anzeigen, basierend auf einer Bewertung des ersten Sensorsignals und des zweiten Sensorsignals.
Der Stromsensor gemäß Anspruch 7, ferner umfassend: zumindest eine Kompensationsspule, um ein externes Magnetfeld an dem magnetoresistiven Erfassungselement (302) zumindest teilweise zu kompensieren, wenn ein Strom durch die Kompensationsspule fließt, wobei der Signalgenerator ausgebildet ist, um einen Strom durch die Kompensationsspule zu verursachen.
Der Stromsensor gemäß Anspruch 7 oder 8, der vier magnetoresistive Erfassungselemente umfasst, wobei die magnetoresistiven Erfassungselemente als Wheatstone-Brücke gekoppelt sind.
Der Stromsensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bewertungsschaltung (112) ausgebildet ist, um zu bestimmen, dass das magnetoresistive Erfassungselement (302) sich in einem sicheren Betriebszustand befindet, wenn eine Differenz zwischen dem ersten Sensorsignal und dem zweiten Sensorsignal einem erwarteten Versatz des magnetoresistiven Erfassungselements entspricht.
Ein Leistungswandler, umfassend: zumindest ein Wandlermodul (500) zum Bereitstellen einer Ausgangswechselspannung, wobei das Wandlermodul mittels einer Leiterbahn mit einem Ausgangsanschluss (502) gekoppelt ist; und einen Stromsensor gemäß einem der Patentansprüche 7 bis 10, der innerhalb des Magnetfeldes platziert ist, das durch einen Strom durch die Leiterbahn (507) erzeugt wird.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 11, ferner umfassend: einen ersten Bipolartransistor mit isoliertem Gate zum Koppeln einer positiven Versorgungsspannung mit dem Ausgangsanschluss über die Leiterbahn (507); und einen zweiten Bipolartransistor mit isoliertem Gate zum Koppeln einer negativen Versorgungsspannung mit dem Ausgangsanschluss über die Leiterbahn (507).
Der Leistungswandler gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei der Stromsensor innerhalb einer Aussparung in der Leiterbahn angeordnet ist.
Der Leistungswandler gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, der drei Wandlermodule zum Erzeugen eines Wechselstroms mit drei Wechselphasen umfasst.