DE102015115253A1

DE102015115253A1 - Control device and method for monitoring the electrical power supply of a drive device

Info

Publication number: DE102015115253A1
Application number: DE102015115253.3A
Authority: DE
Inventors: Gunter Königsmann
Original assignee: Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Priority date: 2015-09-10
Filing date: 2015-09-10
Publication date: 2017-03-30
Anticipated expiration: 2035-09-11
Also published as: DE102015115253B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Steuereinrichtung mit einer Ansteuereinrichtung, und mit einem Schaltregler, der ausgebildet ist aus einer Eingangsgleichspannung eine Ausgangsgleichspannung, die einen von der Eingangsgleichspannung unterschiedlichen Spannungswert aufweist, zu erzeugen, wobei der Schaltregler einen Halbleiterschalter, eine Ansteuereinheit, die zur Ansteuerung des Halbleiterschalters ausgebildet ist und einen elektrischen Energiespeicher, dessen elektrischer Ladezustand durch Ein- und Ausschalten des Halbleiterschalters beeinflusst wird, aufweist, wobei die Ansteuereinheit den Halbleiterschalter derart im Wechsel mit einem Schaltmuster ein- und ausschaltet, dass aus der Eingangsgleichspannung, die Ausgangsgleichspannung erzeugt wird, wobei dabei das Schaltmuster innerhalb eines Fehlerschaltmusterbereichs liegt oder innerhalb eines Normalbetriebsschaltmusterbereichs liegt, und mit einer Überwachungseinrichtung, die zur Überwachung des Schaltmusters ausgebildet ist, wobei die Überwachungseinrichtung ausgebildet ist, ein Fehlersignal zu erzeugen, wenn das Schaltmuster im Fehlerschaltmusterbereich liegt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung der elektrischen Energieversorgung einer Ansteuereinrichtung.The invention relates to a control device with a drive device, and with a switching regulator, which is formed from a DC input voltage, a DC output voltage having a different voltage from the input DC voltage to generate, wherein the switching regulator a semiconductor switch, a drive unit, which is designed to drive the semiconductor switch is and an electrical energy storage whose electrical state of charge is influenced by switching on and off of the semiconductor switch, wherein the drive unit so switches the semiconductor switch in alternation with a switching pattern and that is generated from the DC input voltage, the DC output voltage, in which case the Switching pattern is within a Fehlerschaltmusterbereichs or lies within a Normalbetriebsschaltmusterbereichs, and with a monitoring device, which is designed for monitoring the switching pattern, wherein the Monitoring device is designed to generate an error signal when the switching pattern is in the Fehlerschaltmusterbereich. Furthermore, the invention relates to a method for monitoring the electrical power supply of a drive device.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung und Verfahren zur Überwachung der elektrischen Energieversorgung einer Ansteuereinrichtung. The invention relates to a control device and method for monitoring the electrical power supply of a drive device.

Technikübliche Ansteuereinrichtungen zum Ansteuern eines Leistungshalbleiterschalters, wie z.B. aus der DE 10 2013 112 261 A1 bekannt, erzeugen zum Ansteuern eines Leistungshalbleiterschalters eine Ansteuerspannung am Steueranschluss des Leistungshalbleiterschalters in Abhängigkeit eines Ansteuersignals, das der Ansteuereinrichtung als Eingangsgröße zugeführt wird. Technically customary control devices for driving a power semiconductor switch, such as from DE 10 2013 112 261 A1 As is known, to generate a power semiconductor switch, a drive voltage is generated at the control terminal of the power semiconductor switch in dependence on a drive signal which is supplied to the drive device as an input variable.

Der Ansteuereinrichtung wird zur elektrischen Energieversorgung der Ansteuereinrichtung eine Versorgungsgleichspannung zugeführt. Für eine ordnungsgemäße Funktion der Ansteuereinrichtung darf der Spannungswert der Versorgungsgleichspannung einen bestimmten Mindestwert nicht unterschreiten, so dass im Allgemeinen die technische Notwendigkeit besteht, die Versorgungsgleichspannung zu überwachen. The drive device is supplied to the electrical power supply of the drive device, a DC supply voltage. For proper operation of the drive device, the voltage value of the DC supply voltage must not fall below a certain minimum value, so that there is generally the technical need to monitor the DC supply voltage.

Die Versorgungsgleichspannung wird im Allgemeinen von einem Schaltregler zu Verfügung gestellt, der eine an ihm anliegende Eingangsgleichspannung in die Versorgungsgleichspannung umwandelt. Schaltregler sind z.B. aus der DE 10 2013 113 012 A1 bekannt. Die Eingangsgleichspannung des Schaltreglers kann z.B. von einem techniküblichen Netzteil, das eine Wechselspannung in die Eingangsgleichspannung für den Schaltregler gleichrichtet, erzeugt werden. The DC supply voltage is generally provided by a switching regulator, which converts an input DC voltage applied to it into the DC supply voltage. Switching regulators are eg from the DE 10 2013 113 012 A1 known. The DC input voltage of the switching regulator can be generated, for example, by a conventional power supply that rectifies an AC voltage into the DC input voltage for the switching regulator.

Es ist Aufgabe der Erfindung die elektrische Energieversorgung einer Ansteuereinrichtung, die zum Ansteuern eines Leistungshalbleiterschalters ausgebildet ist, zuverlässig zu überwachen. It is an object of the invention to reliably monitor the electrical power supply of a drive device which is designed to drive a power semiconductor switch.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Steuereinrichtung mit einer Ansteuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, eine Ansteuerspannung zum Ansteuern eines Leistungshalbleiterschalters zu erzeugen, und mit einem Schaltregler, der ausgebildet ist aus einer Eingangsgleichspannung eine Ausgangsgleichspannung, die einen von der Eingangsgleichspannung unterschiedlichen Spannungswert aufweist, zu erzeugen, wobei die Ausgangsgleichspannung zur elektrischen Energieversorgung der Ansteuereinrichtung dient, wobei der Schaltregler einen Halbleiterschalter, eine Ansteuereinheit, die zur Ansteuerung des Halbleiterschalters ausgebildet ist und einen elektrischen Energiespeicher, dessen elektrischer Ladezustand durch Ein- und Ausschalten des Halbleiterschalters beeinflusst wird, aufweist, wobei die Ansteuereinheit den Halbleiterschalter derart im Wechsel mit einem Schaltmuster ein- und ausschaltet, dass aus der Eingangsgleichspannung, die Ausgangsgleichspannung erzeugt wird, wobei dabei das Schaltmuster innerhalb eines Fehlerschaltmusterbereichs liegt oder innerhalb eines Normalbetriebsschaltmusterbereichs liegt, und mit einer Überwachungseinrichtung, die zur Überwachung des Schaltmusters ausgebildet ist, wobei die Überwachungseinrichtung ausgebildet ist, ein Fehlersignal zu erzeugen, wenn das Schaltmuster im Fehlerschaltmusterbereich liegt. This object is achieved by a control device with a drive device which is designed to generate a drive voltage for driving a power semiconductor switch, and with a switching regulator, which is formed from a DC input voltage to generate a DC output voltage which has a voltage value different from the DC input voltage , wherein the output DC voltage for electrical power supply of the control device is used, wherein the switching regulator comprises a semiconductor switch, a drive unit which is designed to drive the semiconductor switch and an electrical energy storage whose electrical state of charge is influenced by switching on and off of the semiconductor switch, wherein the drive unit the semiconductor switch in such a way alternately with a switching pattern on and off, that from the input DC voltage, the DC output voltage is generated, in which case the Schaltmust it is within an error switching pattern range or within a normal operating switching pattern range, and with a monitoring device configured to monitor the switching pattern, wherein the monitoring device is configured to generate an error signal when the switching pattern lies in the error switching pattern region.

Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Überwachung der elektrischen Energieversorgung einer Ansteuereinrichtung, von der eine Ansteuerspannung zum Ansteuern eines Leistungshalbleiterschalters erzeugt wird, wobei von einem Schaltregler aus einer Eingangsgleichspannung eine Ausgangsgleichspannung, die einen von der Eingangsgleichspannung unterschiedlichen Spannungswert aufweist, erzeugt wird, wobei der Schaltregler einen Halbleiterschalter, eine Ansteuereinheit, von der der Halbleiterschalter angesteuert wird und einen elektrischen Energiespeicher aufweist dessen elektrischer Ladezustand durch Ein- und Ausschalten des Halbleiterschalters beeinflusst wird, wobei von der Ansteuereinheit der Halbleiterschalter derart im Wechsel mit einem Schaltmuster ein- und ausschaltet wird, dass aus der Eingangsgleichspannung, die Ausgangsgleichspannung erzeugt wird, wobei dabei, das Schaltmuster innerhalb eines Fehlerschaltmusterbereichs liegt oder innerhalb eines Normalbetriebsschaltmusterbereichs liegt, wobei von einer Überwachungseinrichtung von der das Schaltmuster überwacht wird, ein Fehlersignal erzeugt wird, wenn das Schaltmuster im Fehlerschaltmusterbereich liegt. Furthermore, this object is achieved by a method for monitoring the electrical power supply of a drive device, from which a drive voltage for driving a power semiconductor switch is generated, wherein from a switching regulator from a DC input voltage, a DC output voltage having a different voltage from the input DC voltage, is generated the switching regulator a semiconductor switch, a drive unit, by which the semiconductor switch is driven and has an electrical energy storage whose electrical state of charge is influenced by switching on and off of the semiconductor switch, being switched by the drive unit of the semiconductor switch in alternation with a switching pattern and off, that from the DC input voltage, the DC output voltage is generated, wherein, the switching pattern is within a Fehlerschaltmusterbereichs or within a Normalbetriebssc is held by a monitoring device from which the switching pattern is monitored, an error signal is generated when the switching pattern is in the Fehlerschaltmusterbereich.

Vorteilhafte Ausbildungen der Ansteuereinrichtung ergeben sich analog zu vorteilhaften Ausbildungen des Verfahrens und umgekehrt. Advantageous embodiments of the drive device result analogously to advantageous embodiments of the method and vice versa.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Ansteuereinrichtung ausgebildet ist, bei Auftreten des Fehlersignals, wenn der Leistungshalbleiterschalter eingeschaltet ist, den Leistungshalbleiterschalter auszuschalten, da dann der Leistungshalbleiterschalter zeitlich relativ lange bevor die elektrische Energieversorgung der Ansteuereinrichtung ausfällt, zuverlässig in einen sicheren Zustand gebracht wird. It proves to be advantageous if the drive device is designed, when the error signal occurs, when the power semiconductor switch is turned off to turn off the power semiconductor switch, since then the power semiconductor switch relatively reliably long before the electrical power supply of the drive device fails, is reliably brought to a safe state.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Schaltmuster von der Überwachungseinrichtung als im Fehlerschaltmusterbereich liegend erkannt wird, wenn das Verhältnis von Einschaltzeitdauer zur Ausschaltzeitdauer des Halbleiterschalters oder das Verhältnis von Einschaltzeitdauer des Halbleiterschalters zur Summe von Einschaltzeitdauer und Ausschaltzeitdauer des Halbleiterschalters einen Grenzwert überschreitet. Hierdurch wird eine zuverlässige Erkennung des Fehlerschaltmusterbereichs sicher gestellt. Furthermore, it proves to be advantageous if the switching pattern is detected by the monitoring device lying in the Fehlerschaltmusterbereich, when the ratio of ON time to OFF duration of the semiconductor switch or the ratio of ON time of the semiconductor switch to the sum of ON time and OFF time of the semiconductor switch exceeds a limit. This will be a Reliable detection of the error switching pattern area ensured.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Schaltmuster von der Überwachungseinrichtung als im Fehlerschaltmusterbereich liegend erkannt wird, wenn die Frequenz mit der die Ansteuereinheit den Halbleiterschalter ein- und/oder ausschaltet in einem bestimmten Frequenzbereich liegt. Hierdurch wird eine zuverlässige Kennung des Fehlerschaltmusterbereichs sicher gestellt. Furthermore, it proves to be advantageous if the switching pattern is recognized by the monitoring device as being lying in the error switching pattern region when the frequency with which the drive unit switches the semiconductor switch on and / or off lies in a specific frequency range. As a result, a reliable identification of the error switching pattern area is ensured.

Ferner erweist sich eine Schaltungsanordnung, die die erfindungsgemäße Steuereinrichtung und einen mit der Ansteuereinrichtung der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung elektrisch verbundenen Leistungshalbleiterschalter aufweist, als vorteilhaft. Furthermore, a circuit arrangement which has the control device according to the invention and a power semiconductor switch electrically connected to the control device of the control device according to the invention proves to be advantageous.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen: Embodiments of the invention are illustrated in the figures and are explained in more detail below. Showing:

1 eine Schaltungsanordnung mit einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung und einem Leistungshalbleiterschalter und 1 a circuit arrangement with a control device according to the invention and a power semiconductor switch and

2 unterschiedliche Schaltmuster. 2 different switching patterns.

In 1 ist eine Schaltungsanordnung 1, die eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung 7 und einen Leistungshalbleiterschalter T1 aufweist, dargestellt. Die Steuereinrichtung 1 weist eine Ansteuereinrichtung 2 auf, die dazu ausgebildet ist, eine Ansteuerspannung Us zum Ansteuern des Leistungshalbleiterschalters T1 zu erzeugen. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels ist der Leistungshalbleiterschalter T1 als IGBT ausgebildet. Der Leistungshalbleiterschalter T1 kann verallgemeinert ausgedrückt z.B. als Leistungstransistor oder als Thyristor ausgebildet sein. Die Ansteuereinrichtung 2 ist mit dem Steueranschluss G (Gate) und einem Laststromanschluss E (Emitter) des Leistungshalbleiterschalters T1 elektrisch verbunden. Die Ansteuereinrichtung 2 erzeugt die Ansteuerspannung Us in Abhängigkeit von einem Steuersignal S, welches z.B. von einer Steuereinrichtung (nicht dargestellt) erzeugt wird. Der Leistungshalbleiterschalter T1 schaltet sich in Abhängigkeit von der Höhe der jeweiligen Ansteuerspannung Us ein und aus. In 1 is a circuit arrangement 1 that a control device according to the invention 7 and having a power semiconductor switch T1. The control device 1 has a drive device 2 which is designed to generate a drive voltage Us for driving the power semiconductor switch T1. In the context of the embodiment of the power semiconductor switch T1 is formed as an IGBT. The power semiconductor switch T1 can be generalized, for example, designed as a power transistor or as a thyristor. The drive device 2 is electrically connected to the control terminal G (gate) and a load current terminal E (emitter) of the power semiconductor switch T1. The drive device 2 generates the drive voltage Us in response to a control signal S, which is generated for example by a control device (not shown). The power semiconductor switch T1 turns on and off in dependence on the height of the respective drive voltage Us.

Weiterhin weist die Steuereinrichtung 7 einen Schaltregler 3 auf, der ausgebildet ist aus einer Eingangsgleichspannung Ue eine Ausgangsgleichspannung Ua, die einen von der Eingangsgleichspannung Ue unterschiedlichen Spannungswert aufweist, zu erzeugen. Vorzugsweise ist der Spannungswert der Ausgangsgleichspannung Ua kleiner als der Spannungswert der Eingangsgleichspannung Ue. Die Eingangsgleichspannung Ue liegt zwischen zwei Gleichspannungseingangsanschlüssen DC+ und DC– des Schaltregler 3 an. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels beträgt der Spannungswert der Eingangsgleichspannung Ue z.B. 24V und der Spannungswert der Ausgangsgleichspannung Ua z.B. 15V. Die Eingangsgleichspannung Ue kann z.B. von einem techniküblichen Netzteil (nicht dargestellt), das zur Erzeugung der Eingangsgleichspannung Ue eine Wechselspannung gleichrichtet, erzeugt werden. Die Ausgangsgleichspannung Ua dient zur elektrischen Energieversorgung der Ansteuereinrichtung 2. Furthermore, the control device 7 a switching regulator 3 auf, which is formed from an input DC voltage Ue a DC output voltage Ua, which has a different from the DC input voltage Ue voltage value to generate. Preferably, the voltage value of the DC output voltage Ua is smaller than the voltage value of the DC input voltage Ue. The DC input voltage Ue is between two DC voltage input terminals DC + and DC- of the switching regulator 3 at. Within the scope of the exemplary embodiment, the voltage value of the DC input voltage Ue is, for example, 24V and the voltage value of the DC output voltage Ua is, for example, 15V. The input DC voltage Ue can be generated, for example, by a conventional power supply unit (not shown) which rectifies an AC voltage to generate the DC input voltage Ue. The DC output voltage Ua is used for the electrical power supply of the drive device 2 ,

Der Schaltregler 3 weist einen Halbleiterschalter T2, der z.B. als Transistor ausgebildet sein kann, eine Ansteuereinheit 4, die zur Ansteuerung des Halbleiterschalters T2 ausgebildet ist und einen im Rahmen des Ausführungsbeispiels als elektrischen Kondensator ausgebildeten elektrischen Energiespeicher C1, dessen elektrischer Ladezustand durch Ein- und Ausschalten des Halbleiterschalters T2 beeinflusst wird, auf. Vorzugsweise ist elektrisch zwischen dem Energiespeicher C1 und dem Halbleiterschalter T2 eine Induktivität L1 geschaltet. Anstatt der Induktivität L1 oder zusätzlich zur Induktivität L1 könnte z.B. auch ein elektrischer Widerstand zwischen dem Energiespeicher C1 und dem Halbleiterschalter T2 geschaltet sein. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels ist elektrisch parallel zur elektrischen Reihenschaltung von Kondensator C1 und Induktivität L1 eine Diode D1 geschaltet, wobei die Kathode der Diode elektrisch mit dem ausgangseitigen Lastromanschluss des Halbleiterschalter T2 verbunden ist. Die Ausgangsgleichspannung Ua liegt über dem Energiespeicher C1 an. Eine Ansteuereinheit 4 des Schaltreglers 3 schaltet den Halbleiterschalter T2 derart mittels eines Ansteuersignals AS, das von ihr erzeugt wird, im Wechsel mit einem Schaltmuster ein- und aus, dass aus der Eingangsgleichspannung Ue, die Ausgangsgleichspannung Ua erzeugt wird. Der Ansteuereinheit 4 wird hierzu die Ausgangsgleichspannung Ua als Eingangsgröße zugeführt. The switching regulator 3 has a semiconductor switch T2, which may be formed, for example, as a transistor, a drive unit 4 , which is designed to control the semiconductor switch T2 and formed in the embodiment as an electrical capacitor electrical energy storage device C1, whose electrical state of charge is influenced by switching on and off of the semiconductor switch T2, on. Preferably, an inductance L1 is electrically connected between the energy store C1 and the semiconductor switch T2. Instead of the inductance L1 or in addition to the inductance L1, for example, an electrical resistance could also be connected between the energy store C1 and the semiconductor switch T2. In the context of the exemplary embodiment, a diode D1 is electrically connected in parallel with the electrical series circuit of capacitor C1 and inductance L1, the cathode of the diode being electrically connected to the output-side load terminal of the semiconductor switch T2. The DC output voltage Ua is applied to the energy storage C1. A drive unit 4 of the switching regulator 3 Switches the semiconductor switch T2 so by means of a drive signal AS, which is generated by it, in alternation with a switching pattern on and off, that from the input DC voltage Ue, the DC output voltage Ua is generated. The drive unit 4 For this purpose, the output DC voltage Ua is supplied as input.

Es sei dabei angemerkt, dass selbstverständlich die oben genannten Komponenten des Schaltreglers auch mehrfach vorhanden sein können. Es sei weiterhin angemerkt, dass Schaltregler, die aus mindestens einer Eingangsgleichspannung, eine von der mindestens einen Eingangsgleichspannung, unterschiedliche Ausgangsgleichspannung, mittels mindestens eines Halbleiterschalters, mittels mindestens eines Energiespeichers und mittels mindestens einer Ansteuereinheit erzeugen, indem der elektrische Ladezustand des mindestens einen Energiespeichers durch Ein- und Ausschalten des mindestens einen Halbleiterschalters beeinflusst wird, allgemein bekannter Stand der Technik sind und in unterschiedlichsten fachüblichen Ausführungsformen ausgebildet sein können. Ein Schaltregler kann dabei gegebenenfalls auch ein Mittel, wie z.B. einen Transformator, zur Potentialtrennung von Eingangsgleichspannung und Ausgangsgleichspannung mit umfassen. It should be noted that, of course, the above-mentioned components of the switching regulator can also be present multiple times. It should further be noted that switching regulators which generate at least one input DC voltage, one from the at least one input DC voltage, different DC output voltage, by means of at least one semiconductor switch, by means of at least one energy store and by means of at least one drive unit by the electrical charge state of the at least one energy storage by - And switching off the at least one semiconductor switch is influenced, are well-known prior art and can be formed in a variety of professionally common embodiments. If necessary, a switching regulator may also include a means, such as a transformer, for electrical isolation of Include input DC voltage and DC output voltage with.

In 2 sind verschiedene Schaltmuster SM1 bis SM4 dargestellt. Eine logische „0“ bedeutet dabei, dass der Halbleiterschalter T2 ausgeschaltet (Schalter offen) ist und eine logische „1“, dass der Halbleiterschalter T2 eingeschaltet (Schalter geschlossen) ist. Das jeweilige Schaltmuster SM1 bis SM4 wird im Rahmen des Ausführungsbeispiels durch den Signalverlauf des Ansteuersignals AS gebildet und ist durch die Ein- und Ausschaltzeitdauer Ta und Ts des Halbleiterschalters T2 gekennzeichnet. Die Ansteuereinheit 4 des Schaltreglers 3 regelt die Höhe der Ausgangsgleichspannung Ua auf einen bestimmten gewünschten Spannungswert von z.B. beim Ausführungsbeispiel 15V. Die Ansteuereinheit 4 regelt die Ausgangsgleichspannung Ua, indem sie den elektrischen Ladezustand des Kondensators C1 durch Ein- und Ausschalten des Halbleiterschalters T2 beeinflusst und somit die Höhe der am Kondensator C1 anliegenden Ausgangsgleichspannung Ua beeinflusst. In 2 different switching patterns SM1 to SM4 are shown. A logic "0" means that the semiconductor switch T2 is turned off (switch open) and a logical "1" that the semiconductor switch T2 is turned on (switch closed). The respective switching pattern SM1 to SM4 is formed in the embodiment by the waveform of the drive signal AS and is characterized by the on and off time Ta and Ts of the semiconductor switch T2. The drive unit 4 of the switching regulator 3 regulates the level of the DC output voltage Ua to a certain desired voltage value, for example, in the embodiment 15V. The drive unit 4 regulates the DC output voltage Ua, by influencing the electrical state of charge of the capacitor C1 by switching on and off of the semiconductor switch T2 and thus affects the level of the voltage applied to the capacitor C1 DC output voltage Ua.

Im Rahmen des Ausführungsbeispiels regelt dabei die Ansteuereinheit 4 die Höhe der Ausgangsgleichspannung Ua, indem sie das Verhältnis (Ta/Ts) von Einschaltzeitdauer Ta zur Ausschaltzeitdauer Ts des Halbleiterschalters T2 verändert, wobei das Verhältnis (Ta/Ts) von Einschaltzeitdauer Ta zur Ausschaltzeitdauer Ts von ihr vergrößert wird, wenn die Ausgangsgleichspannung Ua, z.B. durch eine höhere Leistungsaufnahme der Ansteuereinrichtung 2 oder durch ein Absinken der Eingangsgleichspannung Ue, verringert wird, und das Verhältnis (Ta/Ts) von Einschaltzeitdauer Ta zur Ausschaltzeitdauer Ts von ihr verkleinert wird, wenn die Ausgangsgleichspannung Ua, z.B. durch eine geringe Leistungsaufnahme der Ansteuereinrichtung 2 oder durch ein Ansteigen der Eingangsgleichspannung Ue, ansteigt. Die Änderung des Verhältnisses (Ta/Ts) von Einschaltzeitdauer Ta zur Ausschaltzeitdauer Ts kann, z.B. ausgehend vom Schaltmuster SM1 erreichet werden, indem, wie im Schaltmuster SM2 dargestellt, die Einschaltzeitdauer Ta bei unveränderter Ausschaltzeitdauer Ts vergrößert wird oder wie im Schaltmuster SM3 dargestellt, die Ausschaltzeitdauer Ts bei unveränderter Einschaltzeitdauer Ta verringert wird. Beim Schaltmuster SM2 geht die Veränderung des Verhältnisses (Ta/Ts) von Einschaltzeitdauer Ta zur Ausschaltzeitdauer Ts einher mit einer Verkleinerung der Ein- und Ausschaltfrequenz des Halbleiterschalters T2. Beim Schaltmuster SM3 geht die Veränderung des Verhältnisses (Ta/Ts) von Einschaltzeitdauer Ta zur Ausschaltzeitdauer Ts einher mit einer Erhöhung der Ein- und Ausschaltfrequenz des Halbleiterschalters T2. Wie anhand des Schaltmusters SM4 gezeigt, kann das Verhältnis (Ta/Ts) von Einschaltzeitdauer Ta zur Ausschaltzeitdauer Ts auch unter Beibehaltung der Ein- und Ausschaltfrequenz des Halbleiterschalters T2 verändert, in dem dargestellten Fall vergrößert werden. In the context of the embodiment controls the drive unit 4 the magnitude of the DC output voltage Ua by changing the ratio (Ta / Ts) of the ON time Ta to the OFF time Ts of the semiconductor switch T2, increasing the ratio (Ta / Ts) of the ON time Ta to the OFF time Ts thereof when the DC output voltage Ua, eg by a higher power consumption of the drive device 2 or by a decrease of the DC input voltage Ue, is reduced, and the ratio (Ta / Ts) of ON time Ta to Ausschaltzeitdauer Ts is reduced by it, when the DC output voltage Ua, for example, by a low power consumption of the drive 2 or by an increase in the DC input voltage Ue increases. The change in the ratio (Ta / Ts) of the on-time Ta to the off-time Ts can be achieved, for example, from the switch pattern SM1 by increasing the on period Ta with an unchanged off period Ts as shown in the switch pattern SM2 or as shown in the switch pattern SM3 Off time Ts is reduced with unchanged on-time Ta. In the switching pattern SM2, the change in the ratio (Ta / Ts) of the on time Ta to the off time Ts is accompanied by a decrease in the on and off frequency of the semiconductor switch T2. In the switching pattern SM3, the change in the ratio (Ta / Ts) of the on time Ta to the off time Ts is accompanied by an increase in the on and off frequency of the semiconductor switch T2. As shown by the switching pattern SM4, the ratio (Ta / Ts) of the on period Ta to the off period Ts can be changed while maintaining the on and off frequency of the semiconductor switch T2, in the case shown increased.

In analoger Weise, wie oben bezüglich des Verhältnis (Ta/Ts) von Einschaltzeitdauer Ta zur Ausschaltzeitdauer Ts des Halbleiterschalters T2 beschreiben, kann die die Ansteuereinheit 4 die Höhe der Ausgangsgleichspannung Ua auch regeln, indem sie das Verhältnis (Ta/(Ta + Ts)) von Einschaltzeitdauer Ta des Halbleiterschalters T2 zur Summe von Einschaltzeitdauer Ta und Ausschaltzeitdauer Ts des Halbleiterschalters T2 verändert. Dieses Verhältnis wird fachüblich als Tastverhältnis bezeichnet. Das Verhältnis (Ta/(Ta + Ts)) von Einschaltzeitdauer Ta des Halbleiterschalters T2 zur Summe von Einschaltzeitdauer Ta und Ausschaltzeitdauer Ts des Halbleiterschalters T2 wird von ihr vergrößert wird, wenn die Ausgangsgleichspannung Ua, z.B. durch eine höhere Leistungsaufnahme der Ansteuereinrichtung 2 oder durch ein Absinken der Eingangsgleichspannung Ue, verringert wird, und das Verhältnis (Ta/(Ta + Ts)) von Einschaltzeitdauer Ta des Halbleiterschalters T2 zur Summe von Einschaltzeitdauer Ta und Ausschaltzeitdauer Ts des Halbleiterschalters T2 wird von ihr verkleinert, wenn die Ausgangsgleichspannung Ua, z.B. durch eine geringe Leistungsaufnahme der Ansteuereinrichtung 2 oder durch ein Ansteigen der Eingangsgleichspannung Ue, ansteigt. In an analogous manner, as described above with respect to the ratio (Ta / Ts) of the turn-on time Ta to the turn-off time Ts of the semiconductor switch T2, the drive unit can 4 Also, the magnitude of the DC output voltage Ua is controlled by changing the ratio (Ta / (Ta + Ts)) of the ON time Ta of the semiconductor switch T2 to the sum of the ON time Ta and the OFF time Ts of the semiconductor switch T2. This ratio is commonly referred to as duty cycle. The ratio (Ta / (Ta + Ts)) of the switch-on period Ta of the semiconductor switch T2 to the sum of the switch-on time Ta and switch-off time Ts of the semiconductor switch T2 is increased by it, if the DC output voltage Ua, for example, by a higher power consumption of the drive 2 or by a decrease of the DC input voltage Ue, and the ratio (Ta / (Ta + Ts)) of ON period of the semiconductor switch T2 to the sum of ON time Ta and OFF time Ts of the semiconductor switch T2 is reduced by it, if the DC output voltage Ua, eg by a low power consumption of the control device 2 or by an increase in the DC input voltage Ue increases.

Es sei angemerkt, dass auch Schaltregler bekannt sind, die nach dem Resonanzprinzip arbeiten. Der Schaltregler weist dabei im Allgemeinen als Energiespeicher eine Spule und einen zur Spule vorzugsweise elektrisch in Reihe geschalteten Kondensator auf, die durch periodisches Ein- und Ausschalten eines Halbleiterschalters mit einer Anregefrequenz angeregt und somit deren elektrischer Ladezustand durch Ein- und Ausschalten des Halbleiterschalters beeinflusst wird. Durch Veränderung der Anregefrequenz wird die Höhe der Ausgangsgleichspannung beeinflusst, wobei die Ausgangsgleichspannung umso größer ist, je näher die Anregefrequenz der Resonanzfrequenz eines die Spule und den Kondensator aufweisenden Schwingkreises ist. It should be noted that switching regulators are also known which operate on the resonance principle. The switching regulator generally has as energy storage a coil and a coil preferably electrically connected in series capacitor, which is excited by periodic switching on and off of a semiconductor switch with an exciting frequency and thus their electrical state of charge is influenced by switching on and off of the semiconductor switch. By changing the excitation frequency, the height of the DC output voltage is influenced, wherein the DC output voltage is greater, the closer the exciting frequency of the resonant frequency of a resonant circuit having the coil and the capacitor.

Der Ansteuereinrichtung 2 wird zur elektrischen Energieversorgung der Ansteuereinrichtung 2 die Ausgangsgleichspannung Ua zugeführt. Für eine ordnungsgemäße Funktion der Ansteuereinrichtung 2 darf der Spannungswert der Ausgangsgleichspannung Ua einen bestimmten Mindestwert nicht unterschreiten, so dass im Allgemeinen die technische Notwendigkeit besteht, die Ausgangsgleichspannung Ua zu überwachen. The drive device 2 becomes the electrical power supply of the drive device 2 the output DC voltage Ua supplied. For a proper function of the control device 2 the voltage value of the DC output voltage Ua must not fall below a certain minimum value, so that there is generally the technical necessity to monitor the DC output voltage Ua.

Die Ausgangsgleichspannung Ua könnte hierzu z.B. mit einem Grenzwertmelder überwacht werden, der bei unterschreiten eines Grenzwerts ein Fehlersignal erzeugt. Dieses Vorgehen hat jedoch den Nachteil, dass wenn die Ausgangsgleichspannung Ua aufgrund eines starken Einbrechens der Eingangsgleichspannung Ue sinkt, diese sehr schnell sinkt, so dass das Fehlersignal zeitlich bei manchen Fehlerfällen zu spät erzeugt würde, um die Ansteuereinrichtung 2 bzw. den Leistungshalbleiterschalter T1 in einen geordneten sicheren Zustand zu bringen, bevor die Energieversorgung der Ansteuereinrichtung 2 vollständig zusammenbricht. The output DC voltage Ua could be monitored for this purpose, for example, with a limit value detector which generates an error signal when it falls below a limit value. However, this approach has the disadvantage that if the DC output voltage Ua due to a strong break in the DC input voltage Ue decreases, this drops very quickly, so that the error signal would be generated too late in some cases of error to the driver 2 or to bring the power semiconductor switch T1 in an orderly safe state before the power supply of the drive device 2 completely collapses.

Deshalb wird bei der vorliegenden Erfindung eine alternative technische Lösung zur Überwachung der elektrischen Energieversorgung der Ansteuereinrichtung 2 aufgezeigt, die die elektrische Energieversorgung der Ansteuereinrichtung 2 zuverlässig überwacht und bereits einige Zeit bevor die Ausgangsgleichspannung Ua aufgrund eines starken Einbrechens der Eingangsgleichspannung Ue sinkt, einen bevorstehenden Ausfall der elektrischen Energieversorgung der Ansteuereinrichtung 2, mittels eines Fehlersignals F, signalisiert. Therefore, in the present invention, an alternative technical solution for monitoring the electrical power supply of the drive device 2 shown, which is the electrical power supply of the drive device 2 reliably monitored and already some time before the DC output voltage Ua drops due to a strong collapse of the DC input voltage Ue, an impending failure of the electrical power supply of the control device 2 , by means of an error signal F, signaled.

Wenn die Eingangsgleichspannung Ue sinkt, z.B. weil ein vorgeschaltetes Netzteil, das die Eingangsgleichspannung Ue erzeugt, einen Fehler aufweist, dann hält der Schaltregler 3, solange wie energetisch möglich, die Ausgangsgleichspannung Ua in Höhe des gewünschten Spannungswerts (z.B. 15V) der Ausgangsgleichspannung Ua aufrecht. Hierbei wird z.B. beim Ausführungsbeispiel das Schaltmuster derart von der Ansteuereinheit 4 geändert, dass das Verhältnis (Ta/Ts) von Einschaltzeitdauer Ta zur Ausschaltzeitdauer Ts des Halbleiterschalters T2 vergrößert wird. Die Ausgangsgleichspannung Ua bleibt somit noch über einen längeren Zeitraum konstant, obwohl die Eingangsgleichspannung Ue bereits absinkt. If the input DC voltage Ue drops, for example because an upstream power supply that generates the DC input voltage Ue has a fault, then the switching regulator stops 3 as long as energetically possible, the output DC voltage Ua in the amount of the desired voltage value (eg 15V) of the DC output voltage Ua upright. In this example, in the exemplary embodiment, the switching pattern is so from the drive unit 4 is changed so that the ratio (Ta / Ts) of the on-time Ta to the off-time Ts of the semiconductor switch T2 is increased. The DC output voltage Ua thus remains constant over a longer period of time, although the DC input voltage Ue is already decreasing.

Wenn der Spannungswert der Eingangsgleichspannung Ue einen bestimmten Spannungswert unterschreitet, liegt das Schaltmuster innerhalb eines Fehlerschaltmusterbereichs und ansonsten innerhalb eines Normalbetriebsschaltmusterbereichs. When the voltage value of the DC input voltage Ue falls below a certain voltage value, the switching pattern is within an error switching pattern area and otherwise within a normal operation switching pattern area.

Bei der Erfindung weist die Steuereinrichtung 7 eine Überwachungseinrichtung 6 auf, die zur Überwachung des Schaltmusters ausgebildet ist, wobei die Überwachungseinrichtung 6 weiterhin dazu ausgebildet ist, ein Fehlersignal F zu erzeugen, wenn das Schaltmuster im Fehlerschaltmusterbereich liegt. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels wird der Überwachungseinrichtung 6 hierzu das Ansteuersignal AS als Eingangsgröße zugeführt. In the invention, the control device 7 a monitoring device 6 , which is designed to monitor the switching pattern, wherein the monitoring device 6 is further adapted to generate an error signal F when the switching pattern is in the error switching pattern region. In the context of the embodiment of the monitoring device 6 for this purpose the drive signal AS is supplied as an input variable.

Vorzugsweise wird das Schaltmuster von der Überwachungseinrichtung 6 als im Fehlerschaltmusterbereich liegend erkannt, wenn das Verhältnis (Ta/Ts) von Einschaltzeitdauer Ta zur Ausschaltzeitdauer Ts des Halbleiterschalters 2 oder das Verhältnis Ta/(Ta + Ts) von Einschaltzeitdauer Ta des Halbleiterschalters 2 zur Summe von Einschaltzeitdauer Ta und Ausschaltzeitdauer Ts des Halbleiterschalters 2 einen Grenzwert überschreitet. Alternativ oder zusätzlich kann das Schaltmuster von der Überwachungseinrichtung 6 als im Fehlerschaltmusterbereich liegend erkannt werden, wenn die Frequenz mit der die Ansteuereinheit 4 den Halbleiterschalter T2 ein- und/oder ausschaltet in einem bestimmten Frequenzbereich liegt. Der bestimmte Frequenzbereich kann dabei der Frequenzbereich oberhalb oder unterhalb einer bestimmten Frequenz sein oder der Frequenzbereich zwischen einer bestimmten ersten und zweiten Frequenz sein. Preferably, the switching pattern is from the monitoring device 6 is recognized as being in the error switching pattern area when the ratio (Ta / Ts) of the on-time Ta becomes the off-time Ts of the semiconductor switch 2 or the ratio Ta / (Ta + Ts) of on-time Ta of the semiconductor switch 2 to the sum of the turn-on period Ta and the turn-off time Ts of the semiconductor switch 2 exceeds a limit. Alternatively or additionally, the switching pattern of the monitoring device 6 be recognized as lying in the error switching pattern area when the frequency with the drive unit 4 the semiconductor switch T2 on and / or off lies in a certain frequency range. The specific frequency range may be the frequency range above or below a certain frequency or the frequency range between a specific first and second frequency.

Durch die Wahl des Grenzwerts bzw. der Grenzwerte bzw. des bestimmten Frequenzbereichs wird rückwirkend der bestimmte Spannungswert der Eingangsgleichspannung Ue festgelegt, bei dessen Unterschreitung das Schaltmuster im Fehlerschaltmusterbereich liegt, wobei der bestimmte Spannungswert der sich ergibt in der Regel vom Ausgangsstrom I des Schaltreglers 3 abhängig ist und sich in der Regel mit steigendem Ausgangstrom I erhöht. By selecting the limit value or the limit values or the specific frequency range, the specific voltage value of the DC input voltage Ue is set retroactively, below which the switching pattern lies in the error switching pattern region, wherein the determined voltage value usually results from the output current I of the switching regulator 3 is dependent and usually increases with increasing output current I.

Im Rahmen des Ausführungsbeispiels schaltet die Ansteuereinrichtung 2, wenn der Leistungshalbleiterschalter T1 eingeschaltet ist, bei Auftreten des Fehlersignals F, das ihr als Eingangsgröße zugeführt wird, den Leistungshalbleiterschalter T1 aus und bringt ihn somit zeitlich relativ lange bevor die elektrische Energieversorgung der Ansteuereinrichtung 2 ausfällt, in einen sicheren Zustand. Alternativ oder zusätzlich kann das Fehlersignal F auch an die Steuereinrichtung (nicht dargestellt), die das Steuersignal S erzeugt, übermittelt werden und diese bewirkt, mittels eines entsprechenden Steuersignals S, ein Ausschalten des Leistungshalbleiterschalters T1. In the context of the embodiment, the drive device switches 2 When the power semiconductor switch T1 is turned on, upon the occurrence of the error signal F, which is supplied to it as an input, the power semiconductor switch T1 and thus brings him time relatively long before the electrical power supply of the drive device 2 fails, in a safe condition. Alternatively or additionally, the error signal F can also be transmitted to the control device (not shown), which generates the control signal S, and this causes the power semiconductor switch T1 to be switched off by means of a corresponding control signal S.

Es sei angemerkt, dass selbstverständlich Merkmale von verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, sofern sich die Merkmale nicht gegenseitig ausschließen, beliebig miteinander kombiniert werden können. It should be noted that, of course, features of various embodiments of the invention, as long as the features are not mutually exclusive, can be arbitrarily combined with each other.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102013112261 A1 [0002]
DE 102013113012 A1 [0004]

Claims

Control device with a drive device ( 2 ), which is designed to generate a drive voltage (Us) for driving a power semiconductor switch (T1), and with a switching regulator ( 3 ), which is designed to generate from a DC input voltage (Ue) a DC output voltage (Ua) having a voltage value different from the DC input voltage (Ue), the DC output voltage (Ua) being used to supply the electrical drive to the drive device (Ua) 2 ), the switching regulator ( 3 ) a semiconductor switch (T2), a drive unit ( 4 ), which is designed to control the semiconductor switch (T2) and an electrical energy store (C1) whose electrical state of charge is influenced by switching on and off of the semiconductor switch (T2), wherein the drive unit ( 4 ) Switches the semiconductor switch (T2) so in alternation with a switching pattern (SM1-SM4) on and off that from the DC input voltage (Ue), the DC output voltage (Ua) is generated, while the switching pattern (SM1-SM4) within a Fehlerschaltmusterbereichs is within a normal operating switching pattern range, and with a monitoring device ( 6 ), which is designed to monitor the switching pattern (SM1-SM4), wherein the monitoring device ( 6 ) is adapted to generate an error signal (F) when the switching pattern (SM1-SM4) is in the error switching pattern area.

Control device according to claim 1, characterized in that the drive device is designed, when the error signal (F) occurs, when the power semiconductor switch (T2) is turned on to turn off the power semiconductor switch (T2).

Control device according to one of the preceding claims, characterized in that the switching pattern (SM1-SM4) from the monitoring device ( 6 ) is detected as being in the error switching pattern area when the ratio of the on time (Ta) to the off period (Ts) of the semiconductor switch (T2) or the ratio of the on time (Ta) of the semiconductor switch (T2) to the sum of the on period (Ta) and off period (Ts ) of the semiconductor switch (T2) exceeds a limit.

Control device according to one of the preceding claims, characterized in that the switching pattern (SM1-SM4) from the monitoring device ( 6 ) is detected as lying in the error switching pattern area when the frequency with which the drive unit ( 4 ) turns the semiconductor switch on and / or off in a certain frequency range.

Circuit arrangement with a control device ( 7 ) according to one of claims 1 to 4 and with one, with the drive device ( 2 ) of the control device ( 7 ) electrically connected, power semiconductor switch (T1).

Method for monitoring the electrical power supply of a control device ( 2 ), from which a drive voltage (Us) for driving a power semiconductor switch (T1) is generated, wherein a switching regulator ( 3 ) is generated from a DC input voltage (Ue) a DC output voltage (Ua) having a different from the DC input voltage (Ue) voltage value, wherein the switching regulator ( 3 ) a semiconductor switch (T2), a drive unit ( 4 ), of which the semiconductor switch (T2) is driven and an electrical energy store (C1) whose electrical state of charge is influenced by switching on and off of the semiconductor switch (T2), wherein of the drive unit ( 4 ) of the semiconductor switch (T2) so in alternation with a switching pattern (SM1-SM4) is switched on and off that from the DC input voltage (Ue), the DC output voltage (Ua) is generated, in which case the switching pattern (SM1-SM4) within a Error switching pattern range is or is within a Normalbetriebsschaltmusterbereichs, by a monitoring device ( 6 ) from which the switching pattern (SM1-SM4) is monitored, an error signal (F) is generated when the switching pattern (SM1-SM4) is in the error switching pattern area.