DE102017102434A1

DE102017102434A1 - Verfahren zur Erzielung eines Kurzschlusses eines Elektromotors und Ansteuerschaltung

Info

Publication number: DE102017102434A1
Application number: DE102017102434.4A
Authority: DE
Inventors: Daniel Eckstein; Jürgen Tipper
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-02-08
Filing date: 2017-02-08
Publication date: 2018-08-09

Abstract

In einem Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors wird der Elektromotor in einer Brückenschaltung dadurch kurzgeschlossen, dass für mindestens drei Leistungshalbleiter (1) der Brückenschaltung jeweils ein Gate des jeweiligen Leistungshalbleiters (1) so mit Spannung beaufschlagt wird, dass ein Innenwiderstand der mindestens drei Leistungshalbleiter (1) über ein Zeitintervall auf einen Endwert abgesenkt wird, welches ein Mehrfaches einer Periodendauer eines zum Betrieb des Elektromotors vorgesehenen Stromes ist. Eine entsprechende Ansteuerschaltung ist ebenfalls offenbart.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzielung eines Kurzschlusses eines Elektromotors und eine entsprechende Ansteuerschaltung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine entsprechende Ansteuerschaltung, bei der der Elektromotor über eine Leistungselektronik angesteuert wird.
Bei elektrischen Antrieben, beispielsweise Fahrzeugantrieben, ist es in bestimmten Situationen, in der Regel aus Gründen der Betriebs- und Bediensicherheit, vorteilhaft, einen Elektromotor des elektrischen Antriebs kurzzuschließen. Dies kann insbesondere im Falle eines Batterieabwurfs oder als Reaktion auf einen Fehler der Fall sein, ohne dass die Erfindung auf diese Beispiele beschränkt ist. Der Elektromotor wird bei solchen Antrieben über eine Brückenschaltung angesteuert, welche Leistungshalbleiterkomponenten beinhaltet. Es ist bekannt, in solchen Fällen den Elektromotor unter Ausnutzung der in der Brückenschaltung vorhandenen Leistungshalbleiter aktiv kurzzuschließen. Beim Vorgang des Kurzschließens treten jedoch sehr hohe, unkontrollierbare, transiente Kurzschlussströme auf. Beispielsweise können diese Kurzschlussströme bei einem 100kW-Antrieb auf über 1000A ansteigen. Diese Kurzschlussströme können sowohl den Elektromotor als auch die elektronischen Komponenten der Motoransteuerung, insbesondere der Brückenschaltung, dauerhaft schädigen, was zu einem verfrühten Ausfall des Antriebssystems führen kann. Der Elektromotor kann dabei beispielsweise entmagnetisiert werden, und es können unerwünschte Drehmomentschwankungen auftreten. Durch die Kurzschlussströme und die damit verbundenen hohen Stromanstiegszeiten sowie die damit verbundenen über den Stromkreis selbst ausgreifenden elektromagnetischen Felder können unerwünschte, teils gefährliche Phänomene auftreten, welche sämtliche elektrischen Betriebsmittel im System, etwa einem Fahrzeug, beeinträchtigen können, beispielsweise Knack-Geräusche oder Flicker-Phänomene. Somit ist das Kurzschließen des Elektromotors nach dem Stand der Technik unter Gesichtspunkten der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) als problematisch einzustufen.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren und Vorrichtungen zur Begrenzung von Kurzschlussströmen bekannt. So betrifft das europäische Patent EP 0 711 466 B1 die Kurzschlussstrombegrenzung auf einer elektrischen Überlandleitung unter Nutzung eines mit der Überlandleitung verbundenen Transformators als Zusatztransformator eines Phasenschiebers. Die deutsche Offenlegungsschrift DE 197 39 551 A1 bezieht sich auf eine Kurzschlussstrombegrenzungsschaltung mit wenigstens einem Leistungshalbleiterschalter, Freilaufdiode und kapazitivem Speicher, welche im Kurzschlussfall eine Kurzschlussmasche bilden. In der Kurzschlussmasche ist ein passiver Halbleiterstrombegrenzer aus Siliziumcarbid angeordnet. Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2007 039 855 A1 betrifft ein Verfahren und eine Schaltung zum Bestimmen des maximalen, von einem Elektromotor aufgenommenen Stroms.
Die erwähnten Herangehensweisen aus dem Stand der Technik sind jedoch für den Einsatz in einem elektrischen Antriebssystem zum Zwecke der Kurzschlussstrombegrenzung nicht oder nur bei signifikanten, aufwändigen Veränderungen am Antriebssystem geeignet.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Ansteuerschaltung zur Herstellung eines Kurzschlusses eines Elektromotors anzugeben, wobei die auftretenden transienten Kurzschlussströme reduziert werden.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, und hinsichtlich der Ansteuerschaltung durch eine Ansteuerschaltung gemäß Anspruch 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den jeweiligen Unteransprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzielung eines Kurzschlusses eines über eine Brückenschaltung angesteuerten Elektromotors wird der Kurzschluss, so wie auch im Stand der Technik, über Leistungshalbleiter der Brückenschaltung hergestellt. Als Leistungshalbleiter werden üblicherweise Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (insulated-gate bipolar transistors, IGBTs) oder Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (metal-oxide-semiconductor field-effect transistors, MOS-FETs) eingesetzt. Als Elektromotoren kommen mit einem Drehfeld betriebene Elektromotoren in Frage, etwa permanent- oder fremderregte Synchronmaschinen oder Asynchronmaschinen. Das Verfahren ist auch zur Ansteuerung bürstenloser Gleichstrommaschinen einsetzbar. Die auftretenden transienten Kurzschlussströme werden dadurch reduziert, dass für mindestens drei Leistungshalbleiter der Brückenschaltung erfindungsgemäß ein jeweiliges Gate des jeweiligen Leistungshalbleiters derart mit Spannung beaufschlagt wird, dass ein Innenwiderstand des jeweiligen Leistungshalbleiters über ein Zeitintervall auf einen Endwert absinkt. Die an das Gate angelegte Spannung variiert mit der Zeit und ist so gewählt, dass das Zeitintervall mindestens ein Mehrfaches einer Periodendauer eines Stroms ist, welcher zum normalen Betrieb des Elektromotors, z.B. bei einem Fahrzeug zum Fahrantrieb, durch diesen geleitet wird; anders ausgedrückt ist das Zeitintervall mindestens ein Mehrfaches der Periodendauer des Drehfeldes im Elektromotor. Als nicht-einschränkende Beispiele kann das Zeitintervall mindestens das Doppelte, Dreifache, Fünffache, Zehnfache, Zwanzigfache, Hundertfache der Periodendauer betragen. Auf diese Weise wird der Innenwiderstand des Leistungshalbleiters, relativ zur Periodendauer des Betriebsstroms des Elektromotors gesehen, langsam auf seinen Endwert abgesenkt. Das langsame Absenken des Innenwiderstands der mindestens drei Leistungshalbleiter reduziert die auftretenden transienten Kurzschlussströme. Da bei Vorliegen des Endwerts des Innenwiderstands der mindestens drei Leistungshalbleiter der Kurzschluss hergestellt ist, ist der Endwert dieses Innenwiderstands praktisch null, zumindest klein gegenüber dem Innenwiderstand der Leistungshalbleiter, welcher im Normalbetrieb des Elektromotors vorliegt.
Eine entsprechende Beaufschlagung der Gates der Leistungshalbleiter mit Spannung, d.h. ein geeigneter Spannungsverlauf am jeweiligen Gate, wird in einer Ausführungsform des Verfahrens dadurch erzielt, dass das Gate über ein RC-Glied mit Spannung beaufschlagt wird. Wird in diesem Fall eine Gleichspannung an das RC-Glied angelegt, so steigt die Spannung an der Kapazität des RC-Glieds mit einer in bekannter Weise durch ohmschen Widerstand und Kapazität des RC-Glieds gegebenen Zeitkonstante an. Die Spannung an der Kapazität kann an das Gate gelegt werden, wodurch ein allmählicher Anstieg der Gatespannung, und damit ein allmähliches Absenken des Innenwiderstands des jeweiligen Leistungshalbleiters, erreicht ist. Vorteilhaft hierbei ist, dass nun die Kombination aus Leistungshalbleiter und RC-Glied in gleicher Weise angesteuert werden kann wie der Leistungshalbleiter im Stand der Technik. Bei letzterem führt das Anlegen der Gleichspannung an das Gate zu einem vergleichsweise sofortigen Absenken des Innenwiderstands des Leistungshalbleiters auf einen Endwert, bei dem ein Kurzschluss hergestellt ist, was entsprechend hohe transiente Kurzschlussströme zur Folge hat.
Die Funktionalität des RC-Glieds kann auch durch eine entsprechend konfigurierte anwendungsspezifische integrierte Schaltung (application-specific integrated circuit, ASIC) realisiert werden; solche Bauelemente finden ohnehin häufig Anwendung als Gatetreiber in der Ansteuerelektronik für einen Elektromotor.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren wie vorstehend erläutert verwendeten mindestens drei Leistungshalbleiter können unterschiedlich zum Elektromotor angeordnet sein. Beispielsweise können die Leistungshalbleiter als Low-Side-Schalter eingesetzt werden, das heißt, zwei der mindestens drei Leistungshalbleiter sind zwischen Elektromotor und einen Minuspol einer Gleichspannungsquelle, etwa einer Batterie, geschaltet.
Ebenso ist es möglich, die Leistungshalbleiter als High-Side-Schalter zu verwenden, das heißt, zwei der mindestens drei Leistungshalbleiter sind zwischen Elektromotor und einen Pluspol einer Gleichspannungsquelle, etwa einer Batterie, geschaltet.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere mit der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung durchgeführt werden.
Die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung für einen Elektromotor beinhaltet eine Brückenschaltung. Für mindestens drei Leistungshalbleiter der Brückenschaltung ist ein jeweiliges Gate des jeweiligen Leistungshalbleiters mit einer Baueinheit verbunden, welche derart ausgebildet ist, dass das jeweilige Gate des jeweiligen Leistungshalbleiters über die Baueinheit derart mit Spannung beaufschlagbar ist, dass ein Innenwiderstand des jeweiligen Leistungshalbleiters über ein Zeitintervall auf einen Endwert absenkbar ist, welches mindestens ein Mehrfaches einer Periodendauer eines Stroms ist, welcher zum Betrieb des Elektromotors vorgesehen ist. Bezüglich näherer Ausführungen hierzu sei auf die obigen Erläuterungen zum erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.
Die Baueinheit kann insbesondere ein RC-Glied oder ein ASIC sein, der konfiguriert ist, eine entsprechende Funktionalität bereitzustellen. Auch hierzu sei auf die obigen Ausführungen zum Verfahren verwiesen.
Die Leistungshalbleiter können in Ausführungsformen der Ansteuerschaltung als Low-Side-Schalter oder als High-Side-Schalter fungieren.
Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Vorteile noch mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt

1 eine Ansteuerung für einen Leistungshalbleiter entsprechend dem Stand der Technik;
2 eine erfindungsgemäße Ansteuerung für einen Leistungshalbleiter;
3 einen schematischen Vergleich der Kurzschlussströme im Ansteuerverfahren gemäß dem Stand der Technik und im erfindungsgemäßen Ansteuerverfahren.

1 zeigt die Ansteuerung eines Leistungshalbleiters 1 nach dem Stand der Technik. Das Gate des Leistungshalbleiters 1 wird über einen Satz 2 Gatevorwiderstände angesteuert, mit einem Gatevorwiderstand 21 zum Einschalten und einem Gatevorwiderstand 22 zum Ausschalten. Der Leistungshalbleiter 1 ist in dem gezeigten Beispiel ein IGBT. Die Ansteuerung erfolgt durch eine bekannte Gatetreiberschaltung 3, die als integrierter Schaltkreis ausgeführt sein kann. Ein erster Eingang 31 der Gatetreiberschaltung 3 liegt im Betrieb auf einem Potenzial V_GG+, ein zweiter Eingang 32 der Gatetreiberschaltung 3 liegt im Betrieb auf einem Potenzial V_GG-. Über einen Signaleingang 30 der Gatetreiberschaltung 3 wird ein Spannungssignal 6 eingespeist, welches, wie hier dargestellt, üblicherweise ein Rechtecksignal ist. Dabei entsprechen die beiden Extremwerte des Rechtecksignals „IGBT AUS“ und „IGBT AN“ den beiden hier relevanten Zuständen des Leistungshalbleiters 1, dem nicht-kurzgeschlossenen und dem kurzgeschlossenen Zustand. Als ein nicht-einschränkendes Beispiel sei erwähnt, dass bei Ansteuerung mit der hier gezeigten Schaltung der Schaltvorgang vom nicht-kurzgeschlossenen Zustand in den kurzgeschlossenen Zustand des Leistungshalbleiters 1 typischerweise 50 ns bis 200 ns dauert, im Vergleich zum Schaltvorgang bei erfindungsgemäßer Ansteuerung damit „schnell“ erfolgt.
Der hier gezeigte Leistungshalbleiter 1 bildet einen Teil einer Brückenschaltung, über welche ein Elektromotor angesteuert wird. Über den gezeigten Leistungshalbleiter 1 kann der Elektromotor durch die gezeigte Beschaltung des Gates des Leistungshalbleiters 1 in Zusammenwirkung mit weiteren, ebenso beschalteten Leistungshalbleitern kurzgeschlossen werden. Die Brückenschaltung und der Elektromotor entsprechen bekannter technischer Lehre und sind hier nicht weiter dargestellt.
Die Ansteuerung des Leistungshalbleiters 1 oder auch die Brückenschaltung, deren Teil sie bildet, kann Elemente beinhalten, welche Fehlerzustände in der Brückenschaltung oder dem Elektromotor erkennen und dann veranlassen, dass ein Steuerpuls, hier Rechteckpuls 6, an den Signaleingang 30 gelegt wird, um den Kurzschluss des Elektromotors auszulösen.
2 zeigt die Ansteuerung eines Leistungshalbleiters 1 entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung. Mindestens zwei weitere Leistungshalbleiter der Brückenschaltung werden ebenso angesteuert. Die Ansteuerschaltung enthält die bereits im Zusammenhang mit 1 erläuterten Elemente. Zusätzlich ist hier erfindungsgemäß ein RC-Glied aus einem Widerstand 41 und einer Kapazität 42 vorgesehen. Es kann, wie hier gezeigt, eine Ansteuereinheit 5 vorgesehen sein, deren Aufgabe lediglich darin besteht, ein Triggersignal, welches letztlich den aktiven Kurzschluss des hier nicht gezeigten Elektromotors über den Leistungshalbleiter 1, in Zusammenwirkung mit den mindestens zwei weiteren, ebenso beschalteten Leistungshalbleitern der Brückenschaltung, bewirkt, auszulösen. Es ist auch möglich, die Ansteuereinheit 5 zusammen mit der Gatetreiberschaltung 3 in einem integrierten Schaltkreis zusammenzufassen. Auch das RC-Glied 41, 42 könnte in solch einen integrierten Schaltkreis aufgenommen werden. Die Ansteuereinheit 5 kann über geeignete Einrichtungen zur Erkennung eines Fehlers in Brückenschaltung oder Elektromotor verfügen.
An der nicht mit dem Widerstand 41 leitend verbundenen Seite 43 der Kapazität 42 liegt das Potenzial V_GG-, welches auch am zweiten Eingang 32 der Gatetreiberschaltung 3 liegt. Soll nun zum Kurzschluss des Elektromotors der Innenwiderstand des Leistungshalbleiters 1 abgesenkt werden, so bewirkt das RC-Glied 41, 42, dass, bei gegenüber der Ansteuerung nach 1 unverändertem Signal 6 am Signaleingang 30, die Spannung am Gate des Leistungshalbleiters 1 gegenüber der Schaltung aus 1 verzögert ansteigt. Somit werden hohe Kurzschlussströme vermieden. Die Verzögerung des Spannungsanstiegs am Gate des Leistungshalbleiters 1 kann in bekannter Weise durch die Zeitkonstante des RC-Glieds charakterisiert werden; diese Zeitkonstante kann, je nach Anwendungsfall und ohne eine Beschränkung der Erfindung darzustellen, etwa 100 µs bis 1000 µs betragen.
3 zeigt schematisch in einem Diagramm den Zeitverlauf von Kurzschlussströmen, etwa in der Brückenschaltung oder im Elektromotor. Auf der Abszisse 71 ist die Zeit, auf der Ordinate 72 der Effektivwert des jeweiligen Kurzschlussstroms gezeigt. Zum Zeitpunkt 9 wird dabei der Kurzschluss des Elektromotors aktiv ausgelöst. Die Kurve 81 zeigt den Zeitverlauf des Effektivstroms bei Kurzschlussauslösung nach dem Stand der Technik, die Kurve 82 zeigt den Zeitverlauf des Effektivstroms bei erfindungsgemäßer Kurzschlussauslösung. In beiden Fällen steigt der Effektivstrom von seinem Wert im Normalbetrieb, d.h. vor der Kurzschlussauslösung, auf ein Maximum an und klingt dann ab. Das Diagramm verdeutlicht, dass bei erfindungsgemäßer Kurzschlussauslösung der auftretende Maximalwert des Kurzschlussstroms gegenüber der Kurzschlussauslösung nach dem Stand der Technik signifikant verringert werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Leistungshalbleiter
2: Satz Gatevorwiderstände
21: Gatevorwiderstand
22: Gatevorwiderstand
3: Gatetreiberschaltung
30: Signaleingang
31: erster Eingang
32: zweiter Eingang
41: Widerstand
42: Kapazität
43: Seite der Kapazität
5: Steuerschaltung
6: Signal
71: Abszisse
72: Ordinate
81: Zeitverlauf effektiver Kurzschlussstrom
82: Zeitverlauf effektiver Kurzschlussstrom
9: Zeitpunkt Kurzschlussauslösung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0711466 B1 [0003]
DE 19739551 A1 [0003]
DE 102007039855 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Erzielung eines Kurzschlusses eines über eine Brückenschaltung angesteuerten Elektromotors, wobei der Kurzschluss über mindestens drei Leistungshalbleiter (1) der Brückenschaltung hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Kurzschlusses ein jeweiliges Gate eines jeden der mindestens drei Leistungshalbleiter (1) derart mit Spannung beaufschlagt wird, dass ein Innenwiderstand eines jeden der mindestens drei Leistungshalbleiter (1) über ein Zeitintervall auf einen Endwert absinkt, welches mindestens ein Mehrfaches einer Periodendauer eines Stroms ist, welcher zum Betrieb des Elektromotors durch diesen geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens eines der jeweiligen Gates über ein RC-Glied (41, 42) mit Spannung beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens eines der jeweiligen Gates über einen entsprechend ausgebildeten ASIC mit Spannung beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zwei der mindestens drei Leistungshalbleiter (1) zwischen Elektromotor und einen Minuspol einer Gleichspannungsquelle geschaltet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zwei der mindestens drei Leistungshalbleiter (1) zwischen Elektromotor und einen Pluspol einer Gleichspannungsquelle geschaltet sind.
Ansteuerschaltung für einen Elektromotor, wobei die Ansteuerschaltung eine Brückenschaltung beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass bei mindestens drei Leistungshalbleitern (1) der Brückenschaltung jeweils ein Gate des Leistungshalbleiters (1) mit einer Baueinheit (41, 42) verbunden ist, welche derart ausgebildet ist, dass das jeweilige Gate über die Baueinheit (41, 42) derart mit Spannung beaufschlagbar ist, dass ein Innenwiderstand des Leistungshalbleiters (1) über ein Zeitintervall auf einen Endwert absenkbar ist, welches mindestens ein Mehrfaches einer Periodendauer eines Stroms ist, welcher zum Betrieb des Elektromotors vorgesehen ist.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 6, wobei die Baueinheit ein RC-Glied (41, 42) ist.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 6, wobei die Baueinheit ein ASIC ist.
Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei zwei der mindestens drei Leistungshalbleiter (1) zwischen Elektromotor und einen Minuspol einer Gleichspannungsquelle geschaltet sind.
Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei zwei der mindestens drei Leistungshalbleiter (1) zwischen Elektromotor und einen Pluspol einer Gleichspannungsquelle geschaltet sind.